Adotta Scienza ed Arte nella Scuola Primaria la

Adotta Scienza ed Arte nella Scuola Primaria: la luce e lo sviluppo professionale dell'insegnante nel progetto. Marisa Michelini, Alberto Stefanel, Emanuela Vidic Unità di Ricerca in Didattica della Fisica Università degli Studi di Udine Esera Conference - Helsinki: 03/09/2015 1

SVILUPPO PROFESSIONALE DEGLI INSEGNANTI DI SCUOLA PRIMARIA IN AMBITO SCIENTIFICO Un problema complesso in cui sono rilevanti almeno 3 aspetti: - La mancanza di competenze su CK (Davis, Smithy 2009, Metz 2009, Mikeska et al. 2009, Nilsson 2015; Garbett 2003, 2007) - Lo stile didattico dei docenti in servizio che privilegia il fare attività respetto alla coerenza e allo sviluppo didattico (Tu 2006; Fleer 2015) - Necessità degli insegnanti di imparare a «capitalizzare i «momenti insegnabili» , le opportunità e situazioni (Lind 2000, Tu 2006) che permettono di attivare apprendimento scientifico su contesti fenomenologici (Klein 2007; Wayne et al. 2008; Davis, Smithey 2008; Koch 2015) 2

Dalle nostre ricerche (Michelini 2012) emerge la seguente struttura per lo sviluppo professsionale (PD): - Integrazione dei tre modelli per la formazione insegnanti: Ø Multiprospettiva Metaculturale (costruzione culturale, visione organica sui piani disciplinare e didattico sui contenuti principali) Ø Experienziale (coinvolgimento nell’esplorazione di percorsi didattici basati sulla ricerca sviluppati attraverso esperimenti, giochi ed utilizzando tutorial validati da ricerche empiriche ric azione) Ø Situata (PCK in action) - Personale coinvolgimento sui nodi concettuali PCK test - Reflessione su differenti prospettive (personale, in gruppo) - Progettazione percorsi didattici e sperimentazione - Documentazione e discussione/analisi apprendimenti 3

In questa prospettiva, nel contesto del progetto «Adotta scienza e arte nella primaria» (http: //www. esplica. it/adotta-scuola-primaria): Ricerca basata su Modulo di Intervento Formativo (FIM) sull’ottica per lo sviluppo professionale degli insegannti in servizio Proposta a 5 gruppi di insegnanti (79): • • • 18 in Aquileia (UD) 20 in Codroipo (UD) 7 in Faedis (UD) 12 in Crema (CR) 22 in Trescore Cremasco (CR) Ciascun gruppoinclude insegnanti di: scuola infanzia (K); primaria (P); secondaria di primo grado (M) 4

Si sono integrati un modello meta-culturale, uno esperienziale e questionari PCK nella proposta formativa per gli insegnanti dell’infanzia e del I ciclo, che hanno aderito alla sfida di innovazione sul tema della luce per attività didattiche portassero i bambini a produrre un’opera artistica illustrata anche sul piano scientifico. Le scelte progettuali degli insegnanti sono state analizzate alla luce delle proposte formative per individuarne ruolo ed efficacia. 5

Il Modulo di Intervento Formativo (FIM) I. Seminario con multiprospettiva metaculturale (3 h) II. Fase sperimentale: gli insegnanti esplorano i fenomeni attraverso simplici esperimenti (3+2 h) III. PCK test centrato sui nodi concettuali (1 h) IV. Fase di Riflessione (individuale e collettiva) (3 h) V. Griglia di indicazioni per il progetto didattico VI. Discussione per/sulla progettazione (ricercatori/insegnanti discutonoipercorsi autonomamente dagli insegannti) (3 didattici progettati h) VII. Implementazione in classe interazione con ricercatori VIII. Documentazione 6

IV fase di RIFLESSIONE Ø «Che cosa ho imparato» : v Prospettiva storica v Prospettiva dei Contenuti v Prospettiva Didattica Ø Nodi del test PCK: ü Analisi dei contenuti ü Insegnabilità di quesiti/situazioni Ø Attività di Microteaching inframezzate con incontri formativi di discussione degli esiti 7

Linee guida per la progettazione delle attività didattiche con i ragazzi: A) Studenti: A 1) Ricerca libera di rappresentazioni (foto, immagini…) in cui compaiono phenomeni della luce; A 2) scrivere 3 frasi sulla luce B) Studenti: raggruppamento spontaneo delle rappresentazioni raccolte C) Nuova classificazione (secondo criteri basati sui fenomeni fisici e discussione sul confronto dei criteri adottati) D) Experimenti (sui fenomeni effettuati in classe con simplici apparati) E) I ragazzi spiegano le rappresentazioni raccolte in A) (secondo i criteri della fisica) F) Visista Virtuale di una galleria on-line riconoscendo I fenomeni luminosi in dipinti selezionati G) Ogni ragazzo produce un disegno di un fenomeno con una frase che sintetizza il fenomeni rappresentato 8

Domande di ricerca: RQ 1: Che ruole ha ogni parte/fase del FIM nello sviluppoprofessionale? RQ 2: Ruolo del questionario PCK-Q sui nodi concettuali sulla formazione disciplinare e didattica degli insegnanti RQ 3: Gli insegnanti come mettono a punto e implementano i progetti didattici del FIM 9

Metodi di Ricerca Dati del processo formativo attivato nel FIM raccolti con: A) note scritte da ciascun insegnante sulla percezione personale di che cosa ho imparato durante il FIM e quali problemi sono rimasti aperti; B) PCK-test, compilato dagli insegnanti sia durante il FIM sia come lavoro a casa C) Analisi critica del test (lavoro a casa) D) Percorsi di microteaching progettati e implementati dagli insegnanti coi propri studenti. Differenti dimensioni dell’analisi - Contenti secondo una specifica rubrica - Esperimenti effettuati durante la fase sperimentale - Prospettive (risonanti con quelle proposte nel FIM) incluse negli artefatti didattici (portfolio dell’insegnante) 10

Analisi dei progetti didattici: Rubrica dei Concetti A. Propagazione Rettilinea e conseguenze A 1 – Propagazione Rettilinea A 2 – Formazione delle ombre C. Fenomeni/processi interazione Luce -materia C 1 – Fenomeni di Interazione Lucemateria C 2 - Assorbimento B. fenomeni/processi di propagazione C 3 – Dispersione B 1 - Riflessione C 4 - Colori (formazione dei colori) B 2 - Diffusione B 3 - Rifrazione D. Oggetti/apparati ottici B 4 - Intersezione/sovrapposizione di D 1 – Sorgenti di Luce raggi senza interazione D 2 – Corpi trasparenti, opachi, B 5 – Trasmissione traslucidi B 6 – Diffrazione D 3 - lenti, specchi 11

Analisi dei progetti didattici: Rubrica dei Concetti E. Formazione Immagini E 1 – Meccanismo Visione E 2 - Formazione e simmetria delle immagini riflesse da uno specchio piano E 3 – Formazione immagine da lente G. Natura della luce G 1 – Modelli sulla luce G 2 - Onde G 3 - Raggi H. Costrutti Formali, leggi, principi H 1 –Cammino Ottico F. Proprietà della luce H 2 - Principio di Fermat F 1 – Luce come entità separata dalla H 3 – Legge della Riflessione (angolo inc. sorgente/concetto di luce =angolo rifl) F 2 - Intensità (riduzione quando H 4 – Legge Rifrazione (Cartesio-Snell) viene trasmessa attraverso un H 5 – Legge delle lenti sottili (punti mezzo) coniugati) 12

Domande di Ricerca specifiche RQ 1 a: Delle multiprospettive dalla formazione, quali prospettive e aspetti sono risonanti nei progetti degli insegnanti? RQ 1 b: Quali aspetti vengono «arruolati» nella pratica? Come? RQ 2 a: Quale ruolo formativo hanno i nodi concettuali? RQ 2 b: Quale ricaduta ha un PCK questionario? RQ 3: Negli interventi in classe basati sulla stessa formazione e sulle stesse linee guida strategiche: Quale è lo spettro delle caratteristiche ? 13

FIM – Fase Metaculturale - Problematizzazione (Stimoli Problematici) focalizzata sulla fenomenologia inquadrata in un percorso storico: - Integrazione di diverse prospettive: Ø Aspetti didattici, principlmente riguardanti i fenomeni di propagazione della luce discusse in termini di attività per i bambini Ø Aspetti Culturali Ø Teorie, modelli, spiegazioni e interpretazioni Ø Aspetti quotidiani, artistici e sperimentali 14

Prospettive offerte nel seminario metaculturale 1. Natura della luce: rappresentazione artistica, atomisti (eidola), raggi visivi, aristotelica di fluido, geometrica e modello di raggio, cartesiana e dei vortici, particellare 2. Tipologia di fenomeni nell’esperienza comune e nell’arte 3. Un carattere (propagazione rettilinea) come modello per le spiegazioni di più fenomeni (ente indefinito con propagazione rettilinea e ombre, riflessione, rifrazione) 4. La visione e i relativi meccanismi, le immagini formate nei diversi fenomeni, il ruolo del tipo di radiazione nella visione e le conseguenze cromatiche con esempi nell’arte 15

Prospettive offerte nel seminario metaculturale 5. Fenomeni di Propagazione nell’interazione lucemateria 6. Processi energetici dell’interazione luce-materia ed i vari tipi di assorbimento (elettronico, strutturale e nanostrutturale) 7. Spiegazioni geometriche di alcuni fenomeni di propagazione (il minimo percorso di Erone per la riflessione, la camera oscura ed Alhazen, la rifrazione di Cartesio e Fermat) 8. Applicazioni ottiche: specchi, lenti, fibre ottiche 9. Sorgenti di luce (incandescenti, a scarica di gas, chemio e bioluminescenti, fluorescenti, fosforescenti, diodi, laser) e caratteristiche della luce prodotta, raccordo con la dispersione 10. Esperimenti, curiosità e giochi 16

Aspetti Geometrici e formali Fenomeni Applicationi Natura della luce 1. Separation light-darkness (Sistine Chapel) 3. The vision as tactile sensation 12 Euclid and the geometry of the vision 11 Hero and reflection law (minimum) Esperimenti Didattici 2. Phenomena known by the Greeks 5 and 22: Images reflected in the lake (Narcissus myth) 4. Reflection 6. Pythagoreans and perspective 7. Rectilinear propagation of light beam Different imagess 8. Features of bodies in interaction with light (opaque, transparent, reflective, translucent. . ) 10. Reconstruction optical paths in the smoke box 14. Fermat, Descartes and the laws of refraction 15. The light-matter interaction phenomena: reflection, refraction, diffusion, absorption 9. Educational explorations with candle and sheets + smokebox 13. Refraction 16. Refracted images 17. Optical paths 18. Didactic experiments 19. Nature of radiation 20. The mechanism of vision 21. The different types of absorption (electronic, structural, nanostructural) 24. Symmetries in reflection 25. Applet image reconstruction reflected 29. Light sources 26. Applications of reflection 28. Refraction and lenses 22. Reflections and refractions in nature and in experiments 23. Analysis of the physical characteristics of the reflection 27. Experiments and analysis 17 of the characteristics of refraction

Il questionari CK-PCK sull’ottica 20 quesiti (Q 1 -Q 20) Ognuno: uno o due nodi concettuali (dalla letteratura) • Q 8: meccanismo della visione (Guense 1985, Galili 1991) • Q 1, Q 4, Q 9, Q 12: propagazione rettilinea e ombre; sorgente puntiforme, due sorgenti puntiformi, sorgente estesa; la luce diffusa in una giornata nuvolosa (Wosilait et al. 1998) • Q 3, Q 5, Q 7, Q 13: andamento rettilineo e luce riflessa • Q 3, Q 17: come si forma l’imagine riflessa da uno specchio piano (Bouwens 1987, Chauvet et al. 1999, Ronen, Eylon); • Q 11: Stanza con pareti perfettamente riflettenti illuminata con una lampadina (Ronen, Eylon 1993; Viennot 1996) 18

Il questionari CK-PCK sull’ottica • Q 6, Q 7, Q 18: percorso della luce che passa da un mezzo di propagazione a un altro • Q 2, Q 6, Q 14, Q 16, Q 19, Q 20: immagini formate per rifrazione Ø Contesti della vita quotidiana (un tiratore spara a un pesce che si trova in una piscine) Ø Rappresentazioni schematiche (l’imagine di una matita parzialmente immerse in acqua) Ø Rappresnetazione simbolica (un pesce in a lago e un pescatore con laser e fiocina) Ø Foto di situazioni reali (una moneta posta nel fondo di una tazza riempita di acqua, una matica immerse nell’acqua contenuta in un bicchiere) (Linder 2014) • Q 15: Formazione dell’immagine da lente sottile coperta parzialmente con uno schermo (Goldberg, Mc. Dermot 1987). 19

Q 11. Sorgente puntiforme e sorgente estesa e formazone delle ombre - N zone illuminate - Forma delle zone illuminate in relazione alla forma del foro - Forma delle zone illuminate luminose e tipo di sorgente Da Mc. Dermott et al. 20

Q 11. Sorgente puntiforme e sorgente estesa e formazone delle ombre 29/54 NA 8/25 Ragionamento : proiezione della sorgente attraverso il foro utilizzando ila propagazione rettilinea 21

Q 11. Sorgente puntiforme e sorgente estesa e formazone delle ombre Triangolo, due triagoli 1 triangolo (5/25) Il modello ad alone (12/25) 22

Riepilogo CK-PCK – Intero campione di insegnanti in servizio Uso del modello a propag rettilinea per rendere conto ombre: 8/54 Parziale (soloin situazioni standard): 50/54 Uso del modello a propagazione rettilinea per rendere conto Dell’immagine riflessa: 29/54 Analisi del fenomeno della Rifrazione: 36/54 Immagine formata da una lente parzialmente coperta 28/54 20/54 Immagini di oggetti in acqua 16/54 Identificazione ragionamento/probl. apprendimento ragazzi Interventi didattici sui nodi concettuali dei ragazzi 26/54 15/54 23

Dati: Che cosa hoimparato (N=15) (percezione esplicita dell’insegnante) Contributi alla propria formazione GENERALE su: A) contenuti (12/15) B) metodologie di didattica attiva (3/15) C) didattica dell’ottica ( 5/15) Contributi su: prospettiva generale/culturale/storica: 2/15 (generico) prospettiva didattica: 6/15 (apprendimento attivo) Prospettiva degli esperimenti: 4/15 (did basata su exp) Prospettiva disciplinare: 9/15 (esplicito, focalizzato) Prospettiva della connessione interdisciplinare Phys-Mat/Bio: 5/15 (esempi) Focus su nodi specifici (12/15): Meccanismo della visione: Propagazione rettilinea: Interazione luce-materia: Moto delsole e ombre: Colori: 5/15 7/15 5/15 4/15 5/15 Diffusione: 4/15 Riflessione: 9/15 Rifrazione: 10/15 Interazione luce-materia: 5/15 24

Quesiti del questionario PCK più usabili in classe Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 Q 6 Q 7 Q 8 9 6 7 4 7 1 3 18 Q 9 Q 10 Q 11 Q 12 Q 13 Q 14 Q 15 Q 16 Q 17 Q 18 Q 19 Q 20 2 2 2 4 7 5 4 11 10 7 5 2 elementi: Il contesto proposto nel quesito è chiaro Il contestoproprosto nelquesito è realizzabile con oggetti quotidiani 25 8

Aspetti Problematici 26

Analisi dei progetti didattici messi a punto dagli insegnanti 25 insegnanti in servizio: § 4 insegnanti dis scuola infanzia § 18 insegnanti scuola primaria (1 con laurea in Scienze Formazione Primaria) § 3 insegnanti scuola media (laurea in Sci Naturali) 27

5/14 – Farsi dei bambini sulla luce (documentando le frasi in 2 casi) Attività introduttiva non la base per le attività successive 14/14 – Raccolta immagini 14/14 – Classificazione Spontanea immagini 12/14 – Gli studenti esplicitano i criteri usati 6/14 – Individuazione di criteri condivisi 9/14 – Formulazione di criteri scientifici Attività preliminari senza connessione la parte sperimentale Classificazione in base a criteri scientifici: 5/14 da parte dei bambini 4/14 da parte dell’insegnante 14/14 – Esplorazione degli esperimenti 28

Contenuti inclusi nei progetti degli insegnanti (N=25) 29

Aspetti inclusi piùdi frequente nei progetti A 1. Propagazione rettiline B 1. fenomeno della riflessione Contenuti inclusi nei progetti degli insegnanti (N=25) B 3. fenomeno della rifrazione E 1. Meccanismo della visione D 2. Oggetti trasparenti, opachi, traslucidi C 1: Fenomeni di interazione luce. materia 30

Tipici punti di partenza Contenuti inclusi nei progetti degli insegnanti (N=25)E 1. Meccanismo della visione D 1. l. Sorgenti di luce A 1. Propagazione rettilinea A 2 Formazione ombre 31

Contenuti fisici Esperimenti didattici proposti 32

Contenuti fisici Esperimenti didattici proposti La camera a fumo Il fascio di luce passa attarverso cartoncini con fori allineati Fascio di luce riflesso da uno specchio La moneta sul fondo di una tazza piena d’acqua 33

Contenuti fisici Esperimenti didattici proposti Ridondanza di esperimenti Proposti sullo stesso tema 34

Principali prospettive della parte Metaculturale del FIM 1. Natura della luce: rappresentazione artistica, atomisti (eidola), raggi visivi, fluido aristotelico, modello geometrico e a raggio, vortici cartesiani, particellare 2. Tipologia di fenomeni nell’esperienza comune e nell’arte 3. Un carattere (propagazione rettilinea) come modello per le spiegazioni di più fenomeni (ente indefinito con propagazione rettilinea e le ombre, la riflessione e la rifrazione) Frequenza nei progetti insegnanti N=25 0 o 1 20 and 7 25 (2) 4. Visione e relativi meccanismi, le immagini formate nei diversi fenomeni, il ruolo del tipo di raiazione nella visione e conseguenze cromatiche (esempi nell’arte) 17 5. Fenomeni di propagazione nell’interazione luce materia 23 6. Processi energetici dell’interazione luce-materia ed i vari tipi di assorbimento (elettronico, strutturale e nanostrutturale) 1 (0) 7. Spiegazioni geometriche di alcuni fenomeni di propagazione: il minimo percorso di Erone per la riflessione, la camera oscura ed Alhazen, la rifrazione di Cartesio e Fermat 0 -6 -1 8. Applicazioni ottiche: specchi, lenti, fibre ottiche 2 -6 -1 9. Sorgenti di luce (incandescenti, a scarica di gas, chemio e bioluminescenti, fluorescenti, fosforescenti, diodi, laser) e caratteristiche della luce prodotta, raccordo con la dispersione 12 (0) 10. Esperimenti, curiosità e giochi 25 -20 35

Conclusioni. Il punto di vista (esplicito) degli insegnanti: La parte esperienziale del FIM (esperimenti+ PCK test) la più importante per: - CK - Cambiamento concettuale nella propria visione di come insegnare scienze La parte metaculturale: importante per la formazione culturale ma non per specifici obiettivi di apprendimento 36

Conclusioni. RQ 1 a: Delle multiprospettive della formazione, quali prospettive e aspetti sono risonanti nei progetti degli insegnanti? 2. Tipologia fenomeni nell’esperienza commune Nell’arte solo in pochi casi 3. Propagazione rettilinea (come modello reconosciuto Nelle ombre, nella riflessione, nella rifrazione) 4. Il meccanismo della vision 5. Fenomeni di propagazione nell’interazione luce-materia Non come modello per spiegare… Come sorgenti primarie 9. Sorgenti di Luce 10. Esperimenti, curiosità e giochi 1. Natura della luce 6. Processi energetici 7. Spiegazione geometrica di alcuni fenomeni 8. Applicazioni 37

Conclusioni. RQ 1 b: Quali aspetti vengono «arruolati» nella pratica? Come? • • • Propagazione Rettilinea Fenomeni di riflessione (in qualche caso simmetria immagine) Fenomeni di refrazione Meccanismo della visione Oggetti trasparenti, opachi, traslucidi & fenomeni di interazione Light-materia RQ 2 a: Quale ruolo formativo hanno i nodi concettuali? RQ 2 b: Quale ricaduta ha un PCK questionario? - Formazione sui CK-PCK (analisi approfondita dei nodi concettuali) - Selezione dei contenuti (ciò che è conosciuto è insegnabile) Gli aspetti problematici superati aspetti da implementare in un percorso didattico come problem solving 38

RQ 3: Negli interventi in classe basati sulla stessa formazione e sulle stesse linee guida strategiche: Quale è lo spettro delle caratteristiche ? L’approccio per quasi tutti: esplorazione dei fenomeni per: - Riconoscerli nel loro manifestarsi (in situazioni differenti) - e/o esplorare alcuni aspetti caratteristici (es simmetria dell’imagine riflessa) - o correlate ai nodi concettuali (es: la moneta nella tazza) • Soplo 6/25 include anche come unico aspetto l’esplorazione della legge della riflessione (l’angolo di incidenza è uguale all’angolo riflesso) 39

Ø Solo in 2 progetti: Le strutture concettuali costruite, sono utilizzate per riconstruire la fenomenologia (es. : reconstruzione della simmetria dell’immagine riflessa, partendo legge della riflessione; ricostruzione della formadell’ombra utilizzando il concetto di raggio) Il processo di attribuzione di significato per costruire le categorie concettuali in termini empirici influenza le scelte operative e prelude alla identificazione dei fenomeni in termini scientifici. Grazie per la vostra attenzione 40