La ricerca in didattica della fisica temi e

La ricerca in didattica della fisica: temi e problemi Ugo Besson Università di Pavia - Dipartimento di fisica Centro di ricerca per la didattica e la storia delle scienze ugo. besson@unipv. it

La didattica della fisica: definizioni e temi di ricerca L’insegnamento dell’energia: problemi, approcci e strategie Un percorso didattico sugli effetti termici della radiazione e l’effetto serra Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 2

La didattica della fisica, e in generale di una disciplina, studia l'insegnamento e l'apprendimento, in ciò che essi hanno di specifico per la disciplina stessa. Si distingue dalla pedagogia e dalla psicologia dell'apprendimento, poiché tratta di fenomeni e problemi collegati con la specificità del contenuto disciplinare, non riducibili né risolubili in un quadro generale psicopedagogico. Nasce in contrasto con due idee diffuse, opposte e simmetriche: • l’idea di una didattica indipendente dai contenuti o pedagogia generale, l’arte di insegnare tutto a tutti ; • l’idea di una didattica basata solo sui contenuti, se conosci bene la materia, la sai anche insegnare bene, sapere è saper insegnare. Studiare problemi e soluzioni relativi all’apprendimento di specifici contenuti. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 3

Pone al centro del suo interesse il triangolo allievo – insegnante – sapere, e la costruzione di efficaci situazioni didattiche. I lati a dominanza epistemologica (S-I, elaborazione e analisi dei contenuti), psicologica (A-S, concezioni e rappresentazioni, strategie di appropriazione), pedagogica (I-A, interazioni didattiche in classe) e al centro la costruzione delle situazioni didattiche. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 4

Ricostruzione o trasposizione didattica Una disciplina scolastica non è il calco semplificato della disciplina universitaria o accademica. Una costruzione intermedia fra la fisica del fisico e la fisica dell’allievo Ricostruzione, rielaborazione Oggetto scientifico Trasposizione Oggetto da insegnare esterna interna Decontestualizzare Ugo Besson Università di Pavia Oggetto d’insegnamento Perdita di senso Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 5

Concezioni degli studenti. Gli studenti già possiedono schemi interpretativi, idee e concezioni su molte situazioni fisiche La didattica delle scienze ha una svolta e un suo momento fondante come disciplina autonoma negli anni ’ 70, con lo sviluppo delle ricerche sulle concezioni alternative degli studenti. Bruner. Piaget. Il cognitivismo. I progetti del dopo Sputnik. Ausubel (1968): “Il singolo fattore più importante che influenza l’apprendimento sono le conoscenze che lo studente già possiede. Accertatele e comportatevi in conformità nel vostro insegnamento”, “il sussistere di preconcetti è il fattore singolo più importante nell’acquisizione e nella ritenzione delle conoscenze in una data materia … questi preconcetti sono sorprendentemente tenaci e resistenti all’eliminazione” Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 6

Bachelard introduce l'idea di ostacolo epistemologico e pedagogico, “gli insegnanti non capiscono perché gli studenti non capiscono”. Spesso gli studenti sbagliano non per distrazione o incapacità, ma perché la pensano diversamente. Lo statuto dell’errore è alterato profondamente: non si tratta solo di sbagli, ma anche di differenti modelli interpretativi. Con questo sfondo culturale, si sviluppano rapidamente le ricerche sulle concezioni alternative degli studenti. La terminologia utilizzata varia col tempo, secondo le aree culturali ed i quadri interpretativi: pre-conceptions, misconceptions, prior ideas, alternative frameworks, children science, rappresentazioni mentali, ragionamenti spontanei, concezioni difformi. . . Si ritrovano concezioni simili in ambiti geografici e culturali molto differenti tanto da fare pensare ad una specie di “fisica spontanea”, come un risultato di ricerca fondamentale e stabile. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 7

Una volta riconosciuta l'importanza delle rappresentazioni mentali degli allievi, si studiano le strategie di cambiamento concettuale, che favoriscano il passaggio dalla concezione difforme ad una concezione coerente con gli obiettivi dell’insegnamento. Alcuni sottolineano la continuità (di. Sessa, Clement, Brown, Vosniadou, Weil-Barais. . . anche Piaget) fra idee comuni e conoscenza scientifica e considerano le pre-concezioni come risorse, altri insistono sulle rotture ed il conflitto cognitivo (Hewson, Strike, Posner. . . e Bachelard) e considerano necessario un cambiamento concettuale, come una personale fase di rivoluzione scientifica. Con riferimento a Vygotsky, che attribuisce alle interazioni sociali e al linguaggio un ruolo centrale nello sviluppo cognitivo, molti parlano di un conflitto socio-cognitivo come motore del cambiamento concettuale, suggerendo situazioni didattiche favoriscano la creazione di un dibattito scientifico in classe e alla relazione e discussione fra pari. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 8

La progettazione di percorsi d’insegnamento e apprendimento Utilizzare i risultati ottenuti per costruire situazioni didattiche consentano agli studenti di capire e di migliorare l’apprendimento. Percorsi o sequenze d'insegnamento e apprendimento (Teaching learning sequences, TLS), basati sui risultati delle ricerche sulle concezioni di senso comune e sui processi di apprendimento relativi a specifici contenuti scientifici. Il problema dello scarto fra le elaborazioni della ricerca didattica e la realtà scolastica. L'importanza dell'insegnante, molte ricerche si sono concentrate sullo studio del ruolo e la formazione degli insegnanti. Apprendimento come costruzione di conoscenza. L’insegnante come preparatore e mediatore nell’evoluzione cognitiva dell’allievo. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 9

Pedagogical content knowledge PCK (Shulman 1986) : “un amalgama speciale di contenuto e di pedagogia, che è caratteristica unica dell’insegnante, una sua specifica forma di comprensione professionale” ü comprensione di ciò che rende un argomento facile o difficile, le concezioni e rappresentazioni mentali degli studenti; ü strategie didattiche per riorganizzare gli schemi esplicativi degli studenti, superare le concezioni errate e assimilare nuove conoscenze; ü strumenti di rappresentazione e comunicazione (analogie, illustrazioni, esempi, spiegazioni, dimostrazioni). L’apprendimento non è un semplice trasferimento di conoscenza Ugo Besson Università di Pavia Pre-concezioni, stili cognitivi Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 L’insegnamento non ha successo se ignora le conoscenze e le modalità cognitive dell’allievo 10

Temi di ricerca della didattica della fisica Concezioni e rappresentazioni mentali Storia e filosofia della scienza STS - Scienza tecnica e società Tecnologie informatiche Didattica informale Modelli e analogie Ruolo degli esperimenti Cambiamento concettuale Risoluzione dei problemi Sequenze d’insegnamento - apprendimento Ruolo e formazione degli insegnanti Argomentazione scientifica … … Rilanciare l’interesse dei giovani per lo studio delle materie scientifiche e della Fisica. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica, Incontri di fisica 2011 11

Subject matter History of Science Philosophy of Science Teacher Science teaching Pedagogy and Didactics Cognitive Science Learning theories Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 12

Riviste di ricerca in didattica delle scienze • International Journal of Science Education, pubblicata dal 1979, prima europea, (European Journal…), poi diventata internazionale ed è ora fra le più autorevoli nel campo. http: //www. tandf. co. uk/journals/tf/09500693. html • Science Education, in USA, forse la più antica del settore, i primi numeri dal 1916, http: //www 3. interscience. wiley. com/journal/32122/home • Science & Education dedicata ai rapporti fra didattica, storia della scienza, epistemologia, società, dal 1992. www. springerlink. com/content/102992/ • Journal of Research in Science Teaching, rivista della NARST, National Association for Research in Science Teaching (USA), • Physical Review Special Topics - Physics Education Research di American Physical Society settore di Physical Review, attivato dal 2005. Solo on line. • Research in Science Education http: //www. springerlink. com/content/108230 • Journal of Science Teacher Education, the journal of USA Association for Science Teacher Education , http: //www. springerlink. com/content/102947/ Ugo Besson Università di Pavia Corso di Didattica della fisica Introduzione alla didattica 13

Riviste di didattica della fisica rivolte a insegnanti La Fisica nella Scuola, rivista dell’AIF, Associazione per l’Insegnamento della fisica. http: //www. aif. it/ • Physics Education, rivista del IOP, Institute of Physics, Regno Unito. http: //www. iop. org/EJ/journal/Phys. Ed • The Physics Teacher, dell’AAPT, American Association of Physics Teachers • http: //scitation. aip. org/tpt/ Le BUP, Bulletin de l’Union des physiciens, dell’associazione francese degli insegnanti di fisica e chimica. http: //www. udppc. asso. fr// • Giornale di fisica, della SIF, Società italiana di fisica • European Journal of Physics, di Institute of Physics, del Regno Unito. http: //www. iop. org/EJ/journal/EJP • American Journal of Physics, dell’American Institute of Physics (USA) Ugo Besson Università di Pavia http: //scitation. aip. org/ajp/ Corso di Didattica della fisica Introduzione alla didattica 14

Associazioni internazionali per la ricerca in didattica delle scienze o della fisica • ESERA, European Science Education Research Association , fondata nel 1995, organizza ad anni alterni un congresso internazionale e una scuola estiva per dottorandi in didattica delle scienze (ESERA Summerschool). • GIREP, Groupe International de Recherche sur l'Enseignement de la Physique, fondato nel 1966, organizza ogni anno una conferenza o un seminario. • IOSTE, International Organization for Science and Technology Education, fondata nel 1984, http: //www. ioste. org/ • International History, Philosophy and Science Teaching Group, IHPST, http: //www. ihpst. org , che pubblica anche la rivista Science & Education Le società di fisica hanno istituito commissioni specifiche per la Physics Education La European Physical Society, ha la Physics Education Division (PED). Lo IUPAP, International Union of Physics and Applied Physics, ha lo International Committee on Physics Education, ICPE, che organizza congressi internazionali annuali. http: //web. phys. ksu. edu/ICPE/ Ugo Besson Università di Pavia Corso di Didattica della fisica Introduzione alla didattica 15

La didattica della fisica: definizioni e temi di ricerca L’insegnamento dell’energia: problemi, approcci e strategie Un percorso didattico sugli effetti termici della radiazione e l’effetto serra Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 16

Molte ricerche sono state dedicate, a partire dagli anni ’ 80, alle concezioni e difficoltà degli studenti su concetti legati all’energia. Fra i più giovani, prevalgono concezioni antropocentriche e vitalistiche: l’energia è collegata alla vita e al movimento, alla capacità di compiere lavori. Non s’immagina l’energia associata a oggetti inanimati immobili, salvo per oggetti fabbricati per immagazzinare e fornire energia, come le pile e i combustibili. Gli studenti fondono in una nozione indifferenziata le idee di energia, forza, impulso, parole che spesso usano in modo intercambiabile L’energia come qualcosa che produce azioni ed effetti e si consuma, mentre spesso mancano o non sono utilizzate correttamente le idee di conservazione e degradazione di energia. Difficoltà a distinguere tra grandezze estensive e intensive, tra calore e temperatura, oppure la temperatura è considerata come una misura del livello di calore di un corpo. L'idea che soltanto lo scambio di calore può fare aumentare la temperatura. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 17

“Calore contenuto” in un corpo, come una sostanza che può passare da un corpo a un altro, concezione simile all’idea storica del calorico. Il linguaggio abitualmente utilizzato nei manuali favorisce questa idea: si parla di calore ceduto o fornito ma di lavoro compiuto. Per superare queste ambiguità sarebbe forse opportuno abolire le parole “calore” e “lavoro” e sostituirle con espressioni concettualmente più limpide, come trasferimento meccanico e trasferimento termico di energia. Romer (2001, Am. J. Phys. ): “If you want to think up a good noun for ‘energy transferred by virtue of a temperature difference’ that would be fine with me. Call it Harry, call it Quincy, anything except heat” Besson U. (1999) Quando la termodinamica incontra la meccanica : bilanci energetici di oggetti in movimento, La Fisica nella Scuola, XXXII, n. 3, pp. 135 -145. Besson U. (2001) Work and Energy in the Presence of Friction: The Need for a Mesoscopic Analysis. European Journal of Physics, 22 (November), pp. 613 -622. Besson U. (2003) The distinction between heat and work: an approach based on a classical mechanical model, European Journal of Physics, 24 (May) pp. 245 -252 Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 18

La comprensione del principio di conservazione dell’energia richiede una chiara distinzione fra i concetti di lavoro, calore, energia interna, temperatura. È importante anche la chiarificazione del ruolo della radiazione. Lo scambio di energia tramite radiazione deve essere considerato come lavoro, come calore o come una terza modalità specifica? Alcuni considerano tre tipi di trasferimenti di energia: lavoro, calore e radiazione. Altri solo due tipi, classificando la radiazione come lavoro o come calore secondo le situazioni. Zemansky (1957): “The gain or loss of internal energy, equal to the difference between the energy of thermal radiation which is absorbed and that which is radiated, is called heat”. Lo sviluppo storico dell’idea di calore radiante e il confronto con le proprietà della luce mostra come il processo di differenziazione sia stato lungo e impegnativo. Ciò suggerisce la necessità di affrontare esplicitamente il problema con gli studenti. Besson U. (2010) The history of cooling law: when the search for simplicity can be an obstacle. Science & Education, DOI 10. 1007/s 11191 -010 -9324 -1 Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 19

Che cosa è energia? Da un punto di vista ontologico: Una grandezza astratta inventata dagli scienziati per descrivere e prevedere i fenomeni oppure un’entità reale, una specie di sostanza. Nel passato, alcuni scienziati (Lodge, Ostwald ) consideravano l’energia una sostanza reale esistente nello spazio, mentre altri (Planck, Hertz, Thomson, ) si opponevano a questa idea. La sostanzializzazione delle grandezze fisiche è una tendenza spontanea del pensiero comune ed anche degli scienziati. . Feynman : “It is important to realize that in physics today, we have no knowledge of what energy is. ” L’energia evoca immagini, suggestioni e significati che vanno molto al di là del recinto di contenuti strettamente legato alla fisica. . Un fisico può anche tenersi lontano da queste implicazioni polisemiche, considerandole non pertinenti e non necessarie per la fisica. L’insegnante non può non tenere conto di immagini e suggestioni che molti studenti associano al concetto o alla parola energia. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 20

Da un punto di vista concettuale Molti manuali definivano l’energia come capacità di compiere lavoro, seguendo Maxwell (1871): “the energy of a body may be defined as the capacity which it has of doing work, and is measured by the quantity of work which it can do”. Questa definizione contrasta con il secondo principio della termodinamica e la teoria delle macchine termiche. La capacità di compiere lavoro può essere rappresentata dall’energia libera o dalla grandezza exergia (Ogborn 1986, Viglietta 1990). La modificazione della definizione in capacità di produrre cambiamenti cade sotto critiche simili alla precedente. Ogborn (1986): “energy is not the ‘go’ of things … the possession of energy is not what drives, explains or account for change … entropy or free energy is what decides if the change can happen”. Qualunque definizione semplice e breve di energia deve essere evitata, sostituita da una costruzione concettuale progressiva. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 21

Approcci per l’insegnamento dell’energia Diversi approcci d’insegnamento dell’energia sono stati proposti e sperimentati dalla ricerca didattica. Indico qui quattro tipologie: - Approccio costruttivo e graduale, che segue la successione usuale degli argomenti di fisica nel programma scolastico. - Approccio olistico, in cui si presenta subito un concetto generale di energia come grandezza che si conserva in tutte le trasformazioni - Approccio storico, in cui si propone una ricostruzione didattica di un percorso storico della nascita del concetto di energia, e della legge di conservazione, mostrando il progressivo definirsi e affinarsi dei concetti, con cambiamenti, controversie, errori. - Approccio STSE (Science Technology Society Environment), che si sviluppa attorno a problemi legati all’uso della tecnologia, alle risorse disponibili, alla salvaguardia dell’ambiente, con una caratterizzazione spesso multidisciplinare. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 22

Il nostro lavoro Centri d’interesse attorno cui costruire progressivamente una rete di concetti e modelli fisici Superare un tecnicismo eccessivo nell’insegnamento di argomenti di fisica, trattati come un mondo separato e autoconsistente. In particolare, per quanto riguarda l’energia, è necessario immergere i contenuti fisici in un contesto culturale più generale. Anche per dare un senso ai contenuti fisici e connetterli al mondo culturale dell’allievo e alle sollecitazioni provenienti da altre fonti, dedicando allo stesso tempo un’attenzione particolare ai problemi concettuali, alla progressione cognitiva e alla coerenza teorica. Besson U. , De Ambrosis A. (2011) L’effetto serra e l’insegnamento di concetti e fenomeni fisici legati all’energia. Giornale di fisica. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 23

Abbiamo elaborato un percorso sul problema dell'effetto della serra e del riscaldamento globale. Perché questo tema? L‘importanza del problema è riconosciuta dalla Comunità internazionale (Intergovernmental Panel on Climate Change 2001 e 2007). Inoltre: - Porta ad analizzare bilanci energetici in situazioni stazionarie dove non c’è equilibrio termico. Un tipo di situazioni importanti in vari argomenti di fisica che gli allievi hanno difficoltà a capire e in cui fanno confusione fra fasi transitorie e stazionarie. − Offre occasioni per chiarire la distinzione fra lavoro, calore, energia interna, temperatura, energia di radiazione e introdurre schemi e grafici per rappresentare flussi e bilanci di energia. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 24

La didattica della fisica: definizioni e temi di ricerca L’insegnamento dell’energia: problemi, approcci e strategie Un percorso didattico sugli effetti termici della radiazione e l’effetto serra Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 25

Un approccio « tridimensionale » per la progettazione di percorsi d’insegnamento e apprendimento (TLS). Trattamento usuale nei manuali e nella pratica scolastica Analisi del contenuto scientifico, la sua storia e le applicazioni Analisi della ricerca didattica sull’argomento (concezioni e TLS) Progettazione e sperimentazione di una TLS Diffusione nel contesto scolastico Formazione insegnanti Besson U. , Borghi L. , De Ambrosis A. and Mascheretti P. (2010) A three-dimensional approach and open source structure for the design and experimentation of teaching learning sequences, International Journal of Science Education 32, 1289– 1313. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 26

Effetti termici dell'interazione fra radiazione e materia ed effetto serra: un percorso didattico per studiare le basi fisiche del riscaldamento globale. La comprensione dell'effetto della serra e del problema del possibile riscaldamento globale della Terra costituisce un importante obiettivo generale socio-culturale. Spesso l’argomento di fisica e la tematica sociale rimangono separati e non si favorisce una comprensione approfondita e completa del problema. Il nostro scopo è di favorire la connessione fra i due aspetti, fornendo le necessarie basi concettuali di fisica. Collegare due temi, ottica e fenomeni termici, che sono strettamente correlati dal punto di vista concettuale, scientifico e tecnologico, ma che sono spesso presentati separatamente, senza evidenziarne le connessioni. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 27

Ricerche sulle concezioni degli allievi sull’argomento Le concezioni su calore e temperatura, cambiamenti di fase, conduzione termica ed il loro sviluppo dopo l’insegnamento (Stavy & Berkovitz 1980, Shayer & Wylam 1981, Erickson & Tiberghien 1985). Concezione degli allievi e sequenze d’insegnamento su luce, visione e colori (Guesne 1985, Andersson & Kärrqvist 1983, Kaminski 1989, Chauvet 1993). Poche ricerche sulle idee degli studenti sugli effetti termici della radiazione e in genere riguardanti aspetti particolari o ambientali (rischi per l’uomo e l'ambiente della radioattività e dei raggi X, cause del riscaldamento globale). Si è trovato, per esempio, che molti allievi considerano: • il buco dell’ozono e la radioattività come cause del riscaldamento globale ed il cancro della pelle come effetto; • un'idea di ‘intrappolamento’ dei raggi solari da parte dell’atmosfera come spiegazione dell'effetto della serra; • l’effetto serra è spiegato considerando una situazione non stazionaria nella quale entra più energia di quanta ne esca. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 28

L’accumulo di gas serra nell’atmosfera favorisce l’intrappolamento dell’energia della radiazione solare riflessa, determinando un aumento della temperatura della superficie della Terra. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 29

I raggi solari arrivano sulla Terra e forniscono calore e luce. Il calore rimbalza sulla superficie del nostro pianeta verso lo spazio. I gas nell’atmosfera conservano parte del calore che rimbalza indietro verso la Terra. Se c’è più Co 2, il calore sfugge di meno nello spazio. È il cosiddetto effetto serra. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 30

Abbiamo studiato le idee degli studenti sull’interazione fra radiazione e materia e l’effetto serra. Per esempio, abbiamo trovato: • mancante o errata considerazione dell’emissione infrarossa negli equilibri termici; • una confusione fra le fasi transitorie, in cui vi sono variazioni di temperatura e situazioni stazionarie; • un'idea di ‘intrappolamento’ dei raggi solari da parte dell’atmosfera come spiegazione dell'effetto della serra. • una tendenza a dare significato assoluto alle proprietà ottiche (trasparenza, assorbimento …) come qualità intrinseche dei corpi. Al contrario, la dipendenza di queste proprietà dalla frequenza di radiazione è essenziale per capire fenomeni come l'effetto serra e il riscaldamento globale. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 31

L'effetto serra ed il riscaldamento globale sono temi complessi che coinvolgono molteplici proprietà e fenomeni fisici. Per ottenere un apprendimento stabile, è necessario procedere per passi successivi, studiando i vari fenomeni fisici implicati, e trattare l'effetto serra soltanto alla fine di questo percorso. Occorre elaborare una attenta analisi concettuale e ricostruzione didattica del’argomento. Costruire una successione di esperimenti e di osservazioni teoriche, su cui costruire modelli esplicativi dell’effetto serra. Besson Ugo (2009) Paradoxes of thermal radiation. European Journal of Physics, 30 (5), 995– 1007. Besson Ugo, De Ambrosis Anna and Mascheretti Paolo (2010) Studying the physical basis of global warming: thermal effects of the interaction between radiation and matter and greenhouse effect. European Journal of Physics, 31 (2), 375 -388. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 32

Una sequenza di passi cognitivi necessari per la costruzione di una spiegazione coerente dell’effetto serra: 1) distinguere le grandezze temperatura, energia, calore e lavoro, mostrando come sia possibile scaldare senza fornire calore e fornire calore senza scaldare; 2) riconoscere e spiegare una condizione di temperatura stazionaria per oggetti esposti al sole o ad una lampada; 3) differenziare calore e radiazione e riconoscere che tutti gli oggetti emettono radiazione; 4) comprendere che il comportamento di un dato materiale nell’interazione con la radiazione dipende dalla regione dello spettro considerata; 5) organizzare e coordinare le conoscenze acquisite per capire l’effetto serra in una situazione–modello; 6) estendere il modello per capire l’effetto serra sulla Terra e il riscaldamento globale. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 33

1. Distinguere le grandezze temperatura, energia, calore e lavoro, mostrando come sia possibile scaldare senza fornire … Oggetti sono riscaldati facendo il lavoro su essi (con forze di attrito, correnti elettriche …), mediante scambio di calore e mediante la radiazione. Si sottolinea che è possibile ‘riscaldare’ i corpi senza dare calore e dare calore senza ‘riscaldare’. L’analisi di situazioni che comportino il raggiungimento di temperature stazionarie in condizioni di non equilibrio termico. Energia (in) = DU (variazione energia interna) + Energia (out) DU = mc. DT La relazione è discussa come conseguenza del principio di conservazione e aiuta a mettere a fuoco le differenze fra calore, lavoro, radiazione ed energia interna Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 34

2. Riconoscere e spiegare una condizione di temperatura stazionaria per oggetti esposti al sole o ad una lampada Piccoli cilindri di metallo di uguale massa con superfici diverse (bianca, nera, lucida) e un cilindro trasparente sono esposti alla luce del sole. Sensori di temperatura sono inseriti in un foro in ogni cilindro. Grafici temperatura tempo sono ottenuti con un data logger e mostrano l’andamento verso lo stato Alcune tipiche previsioni di studenti: stazionario. “Il cilindro aumenterà la sua temperatura indefinitamente” “raggiungerà la temperatura massima possibile a seconda del materiale” “si scalderà fino ad essere pieno di energia così che non ne può ricevere più” Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 35

I dati ed i grafici sono studiati in aula salvandoli sui calcolatori della scuola. Importanza dell'idea di bilancio energetico Energia che entra = DU (variazione energia interna) + Energia che esce Perché le temperature stazionarie sono differenti per cilindri di diverso colore? È opportuno dedicare tempo per spiegare e discutere il bilancio energetico in situazioni stazionarie e transitorie: per gli allievi è difficile capire bene questo punto e distinguere i due casi. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 36

3. Differenziare calore e radiazione e riconoscere che tutti gli oggetti emettono radiazione Confrontare il comportamento di oggetti trasparenti e opachi esposti al sole consente di precisare che la radiazione produce effetti termici solo quando è assorbita dal materiale. Questo mostra una differenza importante fra calore e radiazione: la radiazione passa solo se non riscalda il materiale Gli oggetti emettono la radiazione Usando un radiometro con range l = 0. 6 -30 mm Si misura la radiazione termica emessa da vari oggetti a differente temperatura. Nei bilanci energetici è necessario considerare l'energia scambiata per mezzo del calore e della radiazione Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 37

4. Comprendere che il comportamento di un materiale rispetto alla radiazione dipende dalla regione dello spettro considerata Vedere l'invisibile Dalla relazione di un allievo: “Abbiamo generato un arcobaleno con l'aiuto di una lavagna luminosa e di un prisma ottico. Usando una macchina fotografica digitale, abbiamo visto che c’è una radiazione oltre il colore rosso dello spettro visibile … abbiamo stabilito che non possiamo vedere naturalmente la radiazione infrarossa, ma possiamo rivelarla, usando una macchina fotografica. Abbiamo osservato con la macchina fotografica le radiazioni infrarosse emesse da un telecomando. ” Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 38

Due foto dello stesso telecomando, con una video-camera. Nella foto di destra, un fascio di radiazione infrarossa è stata emessa dalla video-camera durante l'osservazione. Gli allievi possono osservare che la copertura del telecomando è opaca alla luce visibile ma è trasparente all’infrarosso vicino. La parola “trasparente” usata nel linguaggio quotidiano si riferisce alla luce visibile. Si può dire che il vetro è nero per la radiazione IR termica mentre è trasparente per la luce visibile. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 39

- lo spettro della radiazione emessa da un corpo dipende dalla temperatura; - a temperature ordinarie la radiazione emessa è nell’infrrosso lontano. - le proprietà ottiche dei materiali dipendono dallaregione dello spettro considerata (frequenza o lunghezza d’onda); - alcuni materiali sono trasparenti alla luce visibile ma assorbono l’infrarosso lontano. Si insiste sulla dipendenza delle proprietà ottiche dei materiali dalla frequenza della radiazione Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 40

5. Organizzare e coordinare le conoscenze acquisite per capire l’effetto serra in una situazione–modello Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 41

Un modello per interpretare i risultati sperimentali I risultati sono interpretati con un modello dei flussi d’energia Energia che entra = DU (variazione energia interna) + Energia che esce Per superare l'idea comune dell'intrappolamento dei raggi solari, sottolineiamo che le radiazioni emesse RP non sono raggi del sole riflessi dalla piastra ma una nuova radiazione emessa dipendente dalla temperatura della piastra. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 42

6. Costruire un modello semplificato ma coerente dell’effetto serra della Terra e del riscaldamento globale Si stabiliscono corrispondenze (e differenze) fra gli elementi del sistema Terra-atmosfera e quelli della piccola serra. È importante sottolineare che l'effetto serra è utile per la vita sulla Terra perché ha prodotto una temperatura di equilibrio compatibile con la vita. È l'aumento dell'effetto che è pericoloso, non l'effetto. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 43

Per confermare il ruolo del CO 2 si può fare un esperimento in cui anziché con un coperchio la scatola della serra è coperta da un gas CO 2 prodotto da bicarbonato e aceto. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 44

Il percorso è stato sperimentato nel 2009 -2010 in sei classi di scuola secondaria superiore per un totale di 121 studenti. La sperimentazione ha confermato l’importanza di passare attraverso tutte le fasi del percorso dedicando un tempo sufficiente a ciascuna di esse. Il fenomeno è complesso e richiede un approccio graduale. I risultati ottenuti sono stati positivi e confermano la validità delle scelte fondamentali del percorso cognitivo proposto. Tuttavia, le risposte degli studenti e le osservazioni degli insegnanti evidenziano la difficoltà dell’argomento, indicano alcuni punti deboli del percorso e suggeriscono alcuni miglioramenti. Gli insegnanti hanno osservato che alcune difficoltà degli allievi potrebbero essere causate da una comprensione insufficiente dei concetti di base su energia e fenomeni termici. Esigenza di avere nuovi materiali didattici per gli allievi, per uno studio individuale e un ripasso, in quanto le trattazioni dei libri di testo erano giudicate inadeguate e talora fuorvianti. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 45

Abbiamo quindi avviato una nuova fase di lavoro per: - Modificare alcune parti della sequenza - Preparare nuovi materiali per gli allievi. I materiale preparati sono di tre tipi: schede guida per gli esperimenti; fascicoli di spiegazione e approfondimento; indicazioni per l’insegnante. L’esperimento è inteso come un momento del discorso scientifico sull’argomento, in un dialogo fra teoria, ipotesi ed esperimenti. I fascicoli di spiegazione cercano di essere aderenti agli specifici esperimenti fatti, citandoli, riprendendone particolari aspetti, in un dialogo con quanto osservato. Una discussione degli esperimenti e poi sistematizzare quanto ottenuto in un quadro teorico semplificato, provvisorio, ma il più coerente possibile, anche aggiungendo risultati sperimentali e/o teorici non direttamente ricavati o ricavabili dal lavoro fatto. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 46

Il materiale prodotto è diviso in tre parti: T (fenomeni termici), R (radiazione), S (effetto serra). Una fase introduttiva O fornisce alcune conoscenze di base su ottica e onde. O Onde e luce. T Fenomeni termici R Spettro della radiazione. Le proprietà dell’interazione fra radiazione e materia dipendono dalla regione considerata dello spettro. S Effetto serra, modello della serra. Effetto serra sulla Terra. Riscaldamento globale. Questi materiali rappresentano una ricostruzione didattica degli argomenti realizzata dal gruppo di insegnanti con il nostro gruppo di ricerca e sulla base della condivisione dei risultati della sperimentazione con gli alunni. http: //fisicavolta. unipv. it/pls/Materiali. htm 47

Abbiamo usato questi materiali nell’a. s. 2010 -2011 in quattro classi di liceo, la valutazione è in corso. La comprensione dei concetti di base sull’energia è necessaria per la comprensione dell'effetto della serra, ma anche viceversa lo studio dell’effetto serra può essere un centro d’interesse utile per introdurre concetti e fenomeni sull’energia. L'esperienza ha indicato che l’uso di centri di interesse motivanti può favorire la costruzione progressiva di concetti e modelli di fisica. La definizione di un particolare approccio didattico non consegue direttamente dalla conoscenza tecnica dell’argomento. È illusorio pensare di elaborare percorsi efficaci d’insegnamento senza un attento studio basato su rilevazioni e osservazioni empiriche organizzate con modalità di ricerca e/o su precedenti ricerche didattiche sviluppate da altri studiosi. Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 48

Basandosi sull’ormai vasta letteratura internazionale, elaborare e sperimentare percorsi e materiali specialmente adattabili al contesto concreto delle scuole e degli insegnanti italiani. Un problema attuale è lo scarto fra le elaborazioni della ricerca didattica e la pratica scolastica effettiva. Uno scarto che si può colmare solo con esperienze non episodiche di collaborazione fra ricercatori e gruppi di insegnanti. Ricerca in fisica o altre scienze Insegnanti Ricerca in didattica delle scienze Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 49

Fine Grazie dell’attenzione Ugo Besson Università di Pavia Ricerca in didattica della fisica Incontri di fisica 2011 50

Besson U. (2011) La ricerca in didattica della fisica, dallo studio delle concezioni spontanee all’elaborazione di percorsi d’apprendimento. In AA. VV. Ricerche in didattica e storia delle scienze a Pavia University press. In stampa. Besson U. , De Ambrosis A. (2011) L’effetto serra e l’insegnamento di concetti e fenomeni fisici legati all’energia. Giornale di fisica. Besson U. , De Ambrosis A. and Mascheretti P. (2010) Studying the physical basis of global warming: thermal effects of the interaction between radiation and matter and greenhouse effect. European Journal of Physics, 31 (2), 375 -388. http: //fisicavolta. unipv. it/pls/Materiali. htm Besson U. (2009) Paradoxes of thermal radiation. European Journal of Physics, 30 (5), 995– 1007. Besson U. (1999) Quando la termodinamica incontra la meccanica : bilanci energetici di oggetti in movimento, La Fisica nella Scuola, XXXII, n. 3, pp. 135 -145. Besson U. (2001) Work and Energy in the Presence of Friction: The Need for a Mesoscopic Analysis. European Journal of Physics, 22 (November), pp. 613 -622. Besson U. (2003) The distinction between heat and work: an approach based on a classical mechanical model. European Journal of Physics, 24 (May) pp. 245 -252 Besson U. (2010) The history of cooling law: when the search for simplicity can be an obstacle. Science & Education, DOI 10. 1007/s 11191 -010 -9324 -1 ugo. besson@unipv. it