Progetto IDIFO. Proposte Didattiche sulla Fisica Moderna. Strumenti per una didattica laboratoriale

Il Progetto IDIFO (Innovazione Didattica in Fisica e Orientamento) è nato come iniziativa delle unità di ricerca in didattica della fisica delle Università degli Studi di Bologna, Milano, Milano Bicocca, Napoli, Palermo, Pavia, Roma La Sapienza, Torino e Udine, con la collaborazione delle Università degli Studi di Bari, Bolzano, Lecce, Modena e Reggio Emilia, Trento, Trieste, coordinata dall’unità di ricerca in didattica della fisica (URDF) dell’Università di Udine per il Progetto Lauree Scientifiche (PLS). Esso è illustrato alla pagina http://www.fisica.uniud.it/URDF/laurea/index.htm. Ha realizzato nella sua prima edizione dal 2006 al 2009 un Master biennale per insegnanti sulla fisica moderna, affrontando la sfida ancora aperta sulle modalità con cui la fisica del novecento diventi parte del curriculum di scuola secondaria. Il Master, condotto per lo più in rete telematica, è stato arricchito da tre Workshop in presenza e dalla prima Scuola Estiva Nazionale di Fisica Moderna per studenti (SEN-FM), che ha visto la partecipazione a Udine nell’estate 2007 di 50 studenti selezionati dalle oltre 450 domande ricevute. I Workshop intensivi in presenza (WS) hanno avuto un valore formativo autonomo, che nello stesso tempo ha potenziato la formazione a distanza. Il primo di essi è stato tutto dedicato agli insegnanti del Master (WS1). Il secondo WS si è proposto di realizzare la ricaduta sul territorio del Progetto IDIFO per studenti ed insegnanti del Friuli Venezia Giulia (WS2), in sinergia con il progetto LEMI_EST. È stato realizzato in due fasi e sedi (marzo a Udine ed aprile a Pordenone per 2 settimane) ed ha visto utilizzare sul territorio del Friuli Venezia Giulia i materiali prodotti nel Master (percorsi didattici ed esperimenti cruciali di fisica moderna), con attività formative per insegnanti e per studenti di laboratorio didattico concettuale, esplorativo e sperimentale. Il terzo è stato realizzato in concomitanza con Scuola Estiva di Fisica Moderna per studenti, tenutasi a Udine nel luglio 2007 ed ha intrecciato contenuti ed attività per gli insegnanti del Master con quelli per studenti selezionati a partecipare alla Scuola stessa. Le attività sperimentali su cui erano stati formati i corsisti nel WS1 sono state proposte ai ragazzi, con due livelli di sostegno: quello dei corsisti e quello dei docenti del Master. La straordinaria ricchezza di un simile contesto ha insegnato molto a tutti su molti livelli e ci ha dato un modello di formazione in presenza. I contenuti di queste attività sono risultati di interesse per gli insegnanti: abbiamo allora deciso di raccogliere nel volume Fisica moderna per la scuola i materiali più significativi prodotti nelle attività in presenza a Udine. Vi sono altri materiali del Progetto IDIFO messi a disposizione nelle attività in presenza; essi sono di varia natura: kit didattici per attività sperimentali esplorative e opuscoli di proposte didattiche sperimentate. Essi continuano ad essere prestati o regalati alle scuole. La prima Scuola Estiva Nazionale di Fisica Moderna, progettata e messa a punto dall’Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Udine (URDF) come percorso di eccellenza per studenti secondari, è stata proposta anche come ricaduta del master IDIFO per insegnanti di scuola secondaria superiore sulla fisica moderna, perché gli insegnanti formati propongano ai ragazzi le attività progettate. Essa è stata pertanto offerta come percorso formativo basato su ricerche in didattica della fisica a studenti degli ultimi anni delle scuole superiori italiane. Tra le principali finalità nella progettazione vi sono state l’offrire: a) significative proposte di percorsi operativi per la costruzione del pensiero formale su rilevanti aspetti di fisica moderna, b) sfide ludiche sui nodi concettuali della meccanica quantistica, della fisica degli stati condensati e della superconduttività; c) attività sperimentali a piccolo gruppo su esperimenti cruciali per la fondazione delle moderne teorie; d) quadri concettuali di rifermento per interpretare i fenomeni. La seconda Scuola Estiva Nazionale di Fisica Moderna (SEN-FM) è stata realizzata nel luglio 2009 nell’ambito del progetto IDIFO2 del PLS2. Il numero di studenti ammessi, inizialmente fissato in 30 unità, è stato successivamente portato a 40 grazie ai contributi di diversi enti locali. Il modello attuativo della Scuola Estiva integra: A) Laboratorio didattico per l’esplorazione operativa di percorsi, condotti con metodologie tipiche dell’Inquiry Base Learning (IBL) e del problem solving su tematiche di fisica moderna; B) Laboratorio sperimentale per gruppi a rotazione; C) Laboratorio sperimentale a grande gruppo; D) Gli studenti relazionano; E) Le gare; F) Laboratorio di simulazione; G) Seminari formativi di esperti; H) Visite, attività complementari, attività sociali. Nelle attività di tipo A sono stati proposti i tre percorsi: 1) Mettersi in gioco nell’esplorare e interpretare fenomeni di superconduttività; 2) Esplorazione dei fenomeni di polarizzazione della luce come sfida per avvicinarsi alla teoria della Meccanica Quantistica; 3) Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS): cimentarsi in una tecnica di analisi della ricerca nella fisica dei solidi. Si tratta di laboratori didattici con le seguenti caratteristiche: utilizzo di strategie PEC – Previsione Esperimento Confronto nell’esplorazione di contesti fenomenologici per riconoscere operativamente concetti e grandezze; analisi di simulazioni che propongono situazioni ideali, per la costruzione di ipotesi interpretative ed il confronto con gli esiti sperimentali. Una delle attività più qualificanti della scuola è il laboratorio sperimentale (B) proposto a gruppi di 4-5 studenti a rotazione. Sono stati proposti i sei percorsi di attività sperimentali realizzati a gruppi su due mezze giornate di lavoro: Diffrazione ottica con sensori on-line; Misura della velocità della luce; Misure di resistività ed effetto Hall in materiali diversi; Esperimento di Franck ed Hertz; rapporto e/m. Altri esperimenti sono stati proposti a grande gruppo o inseriti nei percorsi didattici. Non meno significativa è l’attività D): gli studenti relazionano. L’esplicitazione da parte degli studenti di quali sono gli apprendimenti è il coronamento dell’obiettivo della scuola di offrire occasioni formative in cui è previsto il coinvolgimento attivo degli studenti. È stato perciò previsto un seminario finale in cui gli studenti hanno relazionato a piccoli gruppi su: analisi di spettri RBS, i concetti di Meccanica Quantistica e le attività di laboratorio. Hanno offerto occasioni di approfondimento le competizioni, che sono state proposte come attività di sintesi e valutazione affiancate alle relazioni finali su diversi temi: Laboratorio, Meccanica quantistica, Superconduttività ed RBS. Oltre all’utilizzo della videoregistrazione delle attività formative , gli apprendimenti sono stati valutati e certificati sulla base di differenziati strumenti e metodi: le schede di lavoro che hanno accompagnato le diverse fasi del lavoro (con strategie IBL e PEC); le brevi relazioni e i questionari con domande aperte utilizzati come strumenti di riepilogo e quelli di problem solving delle gare; le relazioni finali presentate dai ragazzi stessi; le sintesi dei valutatori esterni. Schede di valutazione hanno permesso di arricchire il monitoraggio delle attività basato su Schede IBL e PEC ed hanno completato le informazioni ricavate con test ed interviste. La valutazione è infatti stata particolarmente attenta ed affidata a membri interni al processo (docenti, corsisti Master, studenti della Scuola Estiva) ed a esperti o testimoni esterni. Sia le singole attività sia l’intera scuola sono state valutate dagli studenti sulla base di schede di monitoraggio che prevedevano per ciascun seminario, modulo formativo, attività sperimentale, le voci previste nel monitoraggio REQUS del PLS. L’analisi degli apprendimenti e gli esiti del monitoraggio interno ed esterno sono risultati coerenti con la sintesi del valutatore esterno in merito al giudizio altamente positivo sia sulle singole professionalità impegnate nella Scuola, sia sull’impegno davvero eccezionale profuso dal gruppo dei referenti scientifici. In questo volume sono pertanto raccolti i materiali più significativi della Scuola, in una forma adatta ad essere utilizzati direttamente dagli studenti in autonomia o con gli insegnanti in classe: si vuole offrire un supporto ad attività didattiche di base sulla fisica moderna e di approfondimento tematico su gli aspetti specifici. Nel primo capitolo sono raccolti i seminari offerti nella Scuola (SEN-FM) su ricerche avanzate di fisica, su temi fondanti di matematica ed informatica, su studi storici di fisica moderna. Abbiamo dedicato il capitolo 2 alla fisica computazionale, per la crescente importanza che ha nella ricerca in fisica, scegliendo di illustrare ciò che è fattibile a scuola per assaggiare questa attività, come si è fatto nella Scuola SEN-FM. Nel capitolo 3 abbiamo raccolto i materiali preparati per i ragazzi sugli esperimenti eseguiti: sintetiche introduzioni concettuali, con indicazioni operative sull’esecuzione degli esperimenti e l’analisi dati, spesso mettendo a confronto strategie e metodi differenziati per l’attività. Nel capitolo 4 abbiamo due esempi di percorsi su temi innovativi per la scuola secondaria, come meccanica quantistica (MQ) e superconduttività (SC). L’impostazione dei percorsi è mirata alla fondazione del pensiero teoretico (MQ) e all’esplorazione qualitativa e quantitativa della fenomenologia (SC) nella prospettiva di costruzione del pensiero formale, basandosi sulle strategie di apprendimento attivo (IBL e PEC). Nel capitolo 5 mettiamo a disposizione le schede per l’attività laboratoriale che consentono di monitorare gli apprendimenti e valutare le competenze acquisite sui temi indicati (MQ e SC). Tutti i materiali sono stati sperimentati con ragazzi di scuola secondaria, oltre che nelle Scuole Estive SEN-FM e i risultati sono stati validati in congressi internazionali. Ci auguriamo pertanto che essi siano di sufficiente qualità perché gli insegnanti ne possano fare uso a scuola per introdurre i concetti della fisica del ’900. Augurandoci di aver prodotto con questa pubblicazione uno strumento utile, restiamo in attesa dei commenti e dei suggerimenti dei nostri lettori privilegiati, studenti ed insegnanti, e di quelli eventualmente interessati.