incontro 1 17 01 2018 introduzione la meccanica

incontro #1 - 17. 01. 2018 introduzione la meccanica Insegnare la Fisica: teorie ingenue e misconcetti Dott. G. Casini Esperimenti didattici nella fisica classica e moderna A. Sgarlata - a. a. 2017/’ 18 1/100

La lezione frontale Idealmente utilizzando un linguaggio sufficientemente ricco e dettagliato possiamo a una trasmissione senza errori la conoscenza. Nella realtà la ricezione sarà parziale in quantità e qualità, a seconda di diversi fattori. dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 2

L’istruzione “tradizionale” • L’insegnante insegna trasmettendo il suo sapere al discente, che lo riceve. • Un insegnante è tanto più bravo quanto più ha: passione per la disciplina e per il suo lavoro capacità di relazionarsi con i discenti padronanza della disciplina che insegna sa porre il suo sapere in modi diversi adattandosi alle capacità del discente; – sa capire gli ostacoli che impediscono al discente di comprendere – – • La verifica consisteva nella trasmissione “all’indietro”, cioè se interrogato il discente sa ripetere la lezione • L’obiettivo dell’insegnamento dovrebbe essere la formazione di conoscenze, abilità e competenze, come verificarle? dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 3

Il costruttivismo • La conoscenza è costruita dal discente, che non si limita ad immagazzinare le informazioni, ma crea collegamenti e costruisce nuove relazioni fra queste informazioni • Secondo questo modello l’individuo è un soggetto attivo che costruisce interpretazioni dell’esperienza • La conoscenza non è una riproduzione nella mente del mondo reale, ma è la struttura, l’organizzazione e il significato dell’esperienza del discente • L’interpretazione della realtà è un processo continuo che comincia dalla nascita dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 5

Il costruttivismo • Già all'età di 5 -6 anni i bambini hanno costruito delle “teorie” (sistemi di pensiero) che riguardano i tre grandi ambiti che costituiscono la realtà: – Il mondo fisico – Il mondo degli esseri viventi – Il mondo degli esseri umani (Gardner 1991) • Queste teorie sono connesse al nostro modo di percepire gli eventi del mondo esterno, quindi influenzano il modo in cui ci appaiono le proprietà fisiche delle cose dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 6

BIAS (pregiudizio, predisposizione) Il bias (pron. 'baiəs) in psicologia cognitiva indica un giudizio (o un pregiudizio), non necessariamente corrispondente all'evidenza, sviluppato sulla base dell'interpretazione delle informazioni in possesso, anche se non logicamente o semanticamente connesse tra loro, che porta dunque ad un errore di valutazione o mancanza di oggettività di giudizio. (WP) Quello che sappiamo (e che non sappiamo) influenza le nostre conclusioni su quello che vediamo accadere. dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 7

Bias Nella prima immagine tratta da un testo medievale il proietto prosegue in linea retta fino ad esaurire il suo impeto e poi cade. Nella seconda immagine, di un testo del ‘ 600, si vede la traiettoria descritta come composizione di tratti rettilinei e circolari che dipendono dall’inclinazione con cui il cannone spara. dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 8

Quando l’inizio… non è l’inizio • Quando si inizia l’istruzione scolastica le teorie spontanee che i bambini si sono già formati sono spesso ignorate dagli insegnanti • Tuttavia queste teorie non si dissolvono con l’istruzione, ma restano potenti mezzi di interpretazione della realtà e possono benissimo riemergere con tutta la loro forza in determinate circostanze dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 9

Quando l’inizio… non è l’inizio • Ricerche hanno mostrato che le intuizioni ingenue che un individuo sviluppa riguardo ad alcuni aspetti della realtà possono coesistere con la conoscenza formale anche se tale conoscenza è in manifesta contraddizione con esse (Zan) • Le teorie ingenue esistono come un sistema di credenze sommerso di cui l’individuo può essere inconsapevole • Alla teoria ingenua che riguarda il mondo fisico diamo il nome di fisica ingenua o fisica di senso comune • Vediamo alcuni esempi dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 10

Cos’è la fisica ingenua? • La fisica ingenua è un sistema di credenze, sommerso ma molto più coerente di quanto non si sospetti comunemente, intorno alle proprietà degli oggetti inanimati che popolano il mondo della nostra esperienza • Queste credenze sono connesse fra loro e al nostro modo di percepire gli eventi del mondo esterno, quindi influenzano il modo in cui ci appaiono le proprietà fisiche delle cose. dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 11

Benny Shannon 1976 • Articolo Aristotelianism, Newtonianism and the physic of the layman • Domande a studenti della Stanford University non iscritti ad alcun corso di fisica sulla caduta dei gravi, del tipo: – Quanto tempo spende la palla a percorrere metà del percorso di caduta, posto che impieghi x secondi? • • Meno di x/2 X x/2 Più di x/2 dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 12

Shannon • Dalle risposte abbiamo un 20% di aristotelici e un 60% di newtoniani – Posto che una palla di 4 chili raggiunge il terreno in z secondi, quanto impiegherà a cadere dalla stessa altezza una palla di 2 chili? • 2 z • Z • Fra z e 2 z • In questo caso abbiamo ben il 60% di aristotelici e il 20% di newtoniani dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 13

Come interpretiamo? • Può darsi che la gente quando dimentica la fisica imparata a scuola si fidi di ciò che vede nelle comuni occorrenze della vita e fondi lì le sue teorie alternative? • Può darsi che le nostre percezioni tradiscano la realtà fisica e ci forniscano dati empirici illusori? • È da escludere che le persone conoscano Aristotele più di quanto conoscano la fisica dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 14

Champagne et al. 1980 1. 2. 3. 4. Una forza quando è applicata a un oggetto, produce movimento Sotto l’influsso di una forza costante, gli oggetti si muovono di velocità costante La grandezza della velocità è proporzionale alla grandezza della forza In assenza delle forze gli oggetti stanno fermi o, se sono in movimento (per aver immagazzinato movimento quando le forze agivano su di essi) essi rallentano (e consumano il momento immagazzinato. • Uno studente su cinque crede che un grave assuma istantaneamente la velocità di caduta • Quattro su cinque credono che un oggetto più pesante cada più rapidamente dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 15

Champagne 1980 • Aristotelica: confortable • Newtoniana: esoteric ed and intuitive unfamiliar dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 16

Il problema di Aristotele • Come fa una freccia a proseguire dopo che l’arco l’ha scoccata? • Come fa il proietto a proseguire dopo che il proiettore ha terminato la sua azione? • Aristotele si affida a due spiegazioni che coinvolgono l’aria come motore per il prolungamento dell’azione del proiettore • Giovanni Buridano postula l’esistenza dell’impetus, un progenitore del concetto di inerzia dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 17

Lancio e caduta • Disegnare la traiettoria della sfera che cade dal muro dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 18

1980 Mc. Closkey • Il tubo è posto su un piano orizzontale. Disegnare la traiettoria di uscita dal tubo di una pallina che viene iniettata con un soffio di aria compressa nel punto indicato dalla freccia dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 19

Pendolo • Disegnare la traiettoria della sfera lasciata dal pendolo dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 20

Aereo • Disegnare la traiettoria della sfera lanciata dall’aereo e la posizione dell’aereo al momento in cui la sfera tocca terra • Si noti la figura sbiadita dell'aereo nel momento in cui la bomba tocca a terra dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 21

Misconcetti • Misconception in inglese vuol dire errore, ma il termine riguarda specificatamente gli errori sistematici, o meglio le ragioni per cui tali errori si verificano: – Errore: si applica in modo scorretto un algoritmo corretto – Misconcetto: si applica in modo corretto un algoritmo scorretto dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 25

Un esempio matematico Johnnie fa la sottrazione usando un algoritmo scorretto, in cui sottrae sempre la cifra più bassa dal quella più alta indipendentemente dalla posizione 437 invece di 437284= 253 153 L’insegnante commenta: “hai dimenticato di sottrarre 1 da 4 nella colonna delle centinaia”. Johnnie non ha la minima idea di quello che intende l’insegnante e si sente molto stupido per il fatto che non capisce. dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 26

Un esempio matematico • L’insegnante è d’accordo con questa affermazione dato che nessuno dei suoi rimedi ha avuto effetto sulle performance di Johnnie (Brown e Burton 1978) • Inoltre l’effetto pigmaglione rafforzerà le convinzioni di entrambi, peggiorando la situazione dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 27

Un esempio matematico Il disorientamento di Johnnie fa pensare a quello che succede quando cerchiamo di dare un suggerimento ad un allievo che, interrogato, si dimostra in difficoltà, quasi bloccato: spesso il nostro suggerimento, invece di aiutarlo, sembra confonderlo ancora di più. Evidentemente la nostra indicazione costituisce un suggerimento per chi è già sul nostro percorso risolutivo, ma diventa motivo di disorientamento per chi invece sta riflettendo su un percorso alternativo (Zan) dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 28

Un esempio matematico • A questo punto per l’allievo non resta che imparare a memoria quello che l’insegnante si vuole sentir ripetere (se ci riesce) senza imparare nulla di significativo (nessuna formazione di abilità e competenze, solo conoscenza mnemonica) • Di sicuro non troverà piacere in una materia che non capisce • Per questo l’insegnante deve mettere l’allievo e i suoi processi di pensiero al centro dell’attenzione dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 29

Fonti dei misconcetti • Teorie ingenue, che funzionano da modelli primitivi taciti • Utilizzo di un linguaggio specifico che si confonde con quello comune: noi passiamo facilmente da uno all’altro, gli allievi no (es. ipotesi) • Informazioni considerate implicite, che tali non sono (conoscenza di default) • Utilizzo di simboli interpretabili con diversi significati (es. =) dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 30

Prevenzione dei misconcetti • Portare a livello consapevole le teorie ingenue, quindi mostrare la necessità della loro evoluzione in una teoria scientifica • Utilizzare un linguaggio non ambiguo. Occorre fare molta attenzione ai cambi di registro che noi esperti facciamo in automatico • Prestare attenzione ai processi di pensiero degli allievi, provare a capirli, a stimolare processi più ampi e profondi • Proporre situazioni sperimentali da interpretare e risolvere • Utilizzare il confronto fra pari dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 31

Conclusioni • Quando studiamo la fisica abbiamo già vissuto anni di esperienze nella vita quotidiana: possediamo già una fisica di senso comune o fisica ingenua • I cardini principali della fisica ingenua sembrano riferirsi ad un archetipo comune simile al pensiero aristotelico • I principali misconcetti della meccanica: – La caduta dei gravi è un moto uniforme – I gravi più pesanti arrivano prima al suolo – Una velocità costante è prodotta da una forza costante; terminata l’azione della forza il moto si “consuma” e si estingue – La teoria dell’impeto di G. Buridano dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 32

Insegnare la Fisica Il metodo scientifico cerca risposte valide per spiegare classi più generali di fenomeni, che formano il paradigma più valido. Eppure non possiamo insegnare direttamente la teoria nella sua forma più completa come la meccanica quantistica relativistica… Dobbiamo passare gradualmente attraverso diversi stadi, utilizzando concezioni e teorie che sono approssimate, provvisorie, in evoluzione g c h dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 33

Fisica e fisica ingenua • Per esporre i concetti iniziali, i fondamenti del linguaggio scientifico, dobbiamo necessariamente usare il linguaggio già conosciuto, quello di senso comune: i concetti i della fisica si innestano quindi su quelli della fisica ingenua • Il compito dell’insegnante è quindi condurre ad un ampliamento dei concetti preesistenti, guidare l’evoluzione, saperla motivare • È un dato di fatto che spesso i concetti della Fisica Ingenua, invece di essere un luogo di passaggio, diventano molto stabili e resistenti all’istruzione scolastica dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 34

Che significa capire la Fisica • Secondo Richard Feynmann capire la fisica significa che, di fronte ad un problema o a una situazione sperimentale, siamo in grado si capire come andranno le cose senza risolvere le equazioni • In questa chiave di lettura “capire” vuol dire essere capaci di prevedere correttamente l’evoluzione del fenomeno. Questa simulazione mentale è la nostra “intuizione” relativa al fenomeno, con la quale cerchiamo di prevederne l’evoluzione. • Più completa, ricca e dettagliata è la nostra simulazione mentale, maggiore la comprensione intuitiva (e non) dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 35

Perché la FI resiste? • È responsabilità sia dell’insegnante che dello studente • Alcuni misconcetti non sono affrontati da un insegnamento inadeguato • Se una reale e soddisfacente comprensione sembrano troppo difficili da raggiungere, l’alunno, se è in grado di farlo, ripiega su un atteggiamento condiscendente: per adempiere al contratto scolastico (prendere la sufficienza) l’allievo impara a memoria, simula, copia. Salva la sua funzionalità sociale di figlio e di scolaro mantenendo le sue concezioni ingenue (perché non ha appreso) • C’è il problema della percezione del valore della scuola: quello che si impara a scuola serve per il successo scolastico, non per la vita dott. Giovanni Casini - LDFM Uniroma 2 36