I laboratori pls del progetto idifo3 a Udine ed IL laboratorio sull’energia



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Michelini M, Mossenta A., Santi L, Stefanel A (2014) I laboratori PLS del Progetto IDIFO3 a Udine ed il laboratorio sull’energia, La Fisica nella Scuola, XLVII-Supp.n.4, pp. 105-121

I laboratori PLS del progetto IDIFO3 a Udine ed il laboratorio sull’energia

Michelini M., Mossenta A., Santi L., Stefanel A. Vercellati S.

Unità di Ricerca in Didattica della Fisica, Università degli Studi di Udine
Introduzione

Un significativo ed efficace insegnamento della fisica richiede che si attuino strategie didattiche risonanti con le metodologie e gli ambiti propri della disciplina, in cui gli studenti assumono responsabilità del loro stesso apprendimento realizzato in attività individuali e di gruppo (Silke Mikelskis-Seifert, Manfred Euler, 2011). In una prospettiva costruttivista (Bednar et al 1991; Jonassen 1991; Merril 1992; Fensham, Gunstone, White 1994; Duffy, Cunningham 2003) questo si traduce nell’insegnamento/apprendimento della fisica attraverso una didattica laboratoriale, in cui attività hands-òn/minds-on coinvolgono gli studenti in sfide interpretative di fenomenologie rilevanti sia dal punto di vista disciplinare, sia da quello applicativo, sia della vita quotidiana (Michelini 2005; Enghag, Niedderer 2008). Significativi percorsi di apprendimento sono stati ottenuti coinvolgendo gli studenti in un processo di ricerca di modelli interpretativi via via più coerenti e generali, di descrizioni di fenomenologie attraverso organizzatori cognitivi che si identificano progressivamente nei nuclei fondanti della disciplina, di costruzione di leggi empiriche che vengono progressivamente generalizzate ed estese riconoscendone il valore di principi fisici (Euler 2004).

L’Inquary Base learning (IBL) su cui si basa tale approccio può essere visto come un processo che prevede “il coinvolgimento degli studenti in attività di ricerca, in cui essi descrivono oggetti, eventi, si pongono domande e si costruiscono spiegazioni, testandole sulla base di osservazioni e semplici esperimenti, comunicano tra loro idee e, attraverso l’analisi dei fenomeni, identificano i processo fisici che ne stanno alla base, costruiscono ipotesi, utilizzano il pensiero critico e logico, e prendono in considerazione spiegazioni alternative” (NRC, 1996).

Nella prospettiva di ricerca L. McDermott l’IBL comporta che gli studenti siano coinvolti nella esplorazione paso dopo passo (step-by-step) di contesti problematici, per costruire modelli qualitativi, e via via più formalizzati, prevedere e spiegare l’esito di semplici esperimenti. Il processo di modellizzazione si incentra sull’analisi di specifiche difficoltà di apprendimento e i modelli, seppure formalizzati, sono ad un primo livello qualitativi e solo successivamente espressi matematicamente. I concetti via via sviluppati vengono utilizzati dagli studenti per esplorare nuove situazioni problema che gli consentono di identificare un nuovo concetto, un nuovo ente. Gli studenti, in questo processo sviluppano gradualmente progressivi livelli di concettualizzazione e formalizzazione (McDermott et al. 2000). Altri ricercatori sottolineano che le strategie IBL coinvolgono gli studenti in un “consapevole” processo  di analisi di problemi, critica di esperimenti, scelta tra alternative, pianificazione di indagini, di ricerche e congetture, ricerca di informazioni e “costruzione di argomentazioni coerenti” (Linn, Davis & Bell, 2004),

Le nuove tecnologie consentono di rendere efficaci e potenziare queste strategie, sia con attività di laboratorio in tempo reale (RTL) (Michelini et al 2002; Thornton e Sokoloff 1984; Sokoloff , Lawson, Thornton 2004), che attivano il ciclo Previsione, Esperimento Confronto (PEC) (Theodorakakos 2010), sia attività di modellizzazione che favoriscono la costruzione del pensiero astratto e formale (Hestenes 1992; Michelini 2005).

Nel progetto IDIFO3 del PLS di Fisica, coordinato da M. Michelini e sviluppato in sede locale dall’Unità di Ricerca in Didattica della Fisica (URDF) dell’Università degli Studi di Udine (Michelini et al. 2012) la coprogettazione dei laboratori didattici si è focalizzata nella implementazione delle strategie e metodologie discusse, traducendo con diverse modalità lo standard dei Laboratori PLS (PLS 2009): attività non episodiche strutturate su una serie di incontri di almeno 16-20 ore di lavoro degli studenti con la presenza e l’intervento dei docenti; co-progettazione e co-realizzazione tra scuola e università; attività curriculari e/o extra-curriculari delle tre tipologie standard LabA_PLS - Lab che avvicinano alle discipline scientifiche, LabB_PLS-Lab di autovalutazione, LabC_PLS di approfondimento.

La co-progettazione, effettuata congiuntamente da insegnanti e ricercatori, di proposte didattiche, da implementare in classe, riprogettare, valutare, è stata oggetto di ricerca dell’Unità di Ricerca in Didattica della Fisica di Udine nell’ambito del progetto IDIFO3 per quello che riguarda in particolare: A) le modalità progettuali e realizzative dei laboratori e le caratteristiche delle attività condotte con gli studenti; B) gli esiti ottenuti; C) le criticità del processo attivato sia nell’interazione scuola università, sia nella fase di sperimentazione. Se ne discutono gli aspetti generali, esemplificando alcuni casi di studio particolarmente significativi, come il laboratorio sull’energia.
Laboratori come Moduli Formativi per Insegnanti e Studenti

I laboratori svolti nell’ambito del progetto IDIFO3 sono tutti di impostazione PLS (PLS 2009), attivati a partire dal coinvolgimento di insegnanti, che co-progettano interventi di apprendimento basato sull’esplorazione di situazioni problema e ne seguono lo svolgimento, monitorando gli apprendimenti degli studenti personalmente impegnati in attività (hands-on e minds-on) basate su strategie e metodi qualificati da ampie sperimentazioni di ricerca didattica sull’apprendimento attivo (Michelini, Sperandeo, santi 2002; Michelini 2005; Michelini 2010a,b,c). Essi sono tutti di 30 ore, corrispondenti a 3cfu svolte in presenza o a distanza, differenziandosi per la durata delle fasi preparatorie, di sperimentazione e di valutazione, secondo le seguenti tipologie:

• LabA - Laboratori PLS tipo A – Didattica Laboratoriale - comprensivi di 6 ore di formazione generale e caratterizzante, 4 ore di progettazione didattica, 16 ore di sperimentazione in classe con studenti e 4 ore di analisi dati e rielaborazione;

• LabIDIFO3 – Laboratori di formazione insegnanti PLS - comprensivi di 14 ore di formazione generale e caratterizzante, 5 ore di progettazione didattica, 6 ore di sperimentazione in classe con studenti e 5 ore di analisi dati e rielaborazione;

• LabPSOF – Laboratori di problem solving per l’orientamento disciplinare organizzati in 10 ore di preparazione, 6 ore di attività basata sul metodo PPS con i ragazzi, 2 ore di discussione delle soluzioni individuate, 2 ore di discussione su aspetti epistemici e meta cognitivi, 10 ore di rielaborazione dell’insegnante ed altrettante degli studenti.

Sono Laboratori di durata inferiore, adatti a singoli interventi, i seguenti tipi di laboratorio, da realizzare cooperativamente da parte di docenti universitari e secondari con i ragazzi:

• MasterClass – L’attività a cui partecipano 70 università nel mondo è descritta agli indirizzi http://www.physicsmasterclasses.org/mc.htm e http://www.physicsmasterclasses.org/mc.htm. Essa prevede una giornata di lavoro di ricercatori con studenti che si cimentano nella raccolta ed analisi di dati di ricerca da grandi acceleratori (CERN di Ginevra)

• LabEXPLO – Attività esplorative di tipo operativo con studenti in contesti speciali ed informali (mostre, Laboratori dedicati) di 3 ore

• CLOE – Conceptual Labs of Operative Exploration – Attività con studenti di esplorazione concettuale in contesti operativi per la scuola di base (1-3 ore)

Per i soli insegnanti sono stati attuati anche i moduli formativi di altra impostazione

• MF – Moduli formativi di tipo generale e caratterizzante in rete telematica su temi avanzati

Ciascun modulo/Laboratorio ha costituito un’offerta formativa fruibile autonomamente ed integrata in percorsi di Perfezionamento e Master istituzionalizzati (Michelini 2012).

Ciascuna sede cooperante al progetto IDIFO 3 ha inoltre offerto per i percorsi di Perfezionamento e Master IDIFO moduli laboratorio, organizzati a livello locale a carico del proprio Progetto PLS o del Progetto IDIFO3 stesso.

Nella sede di Udine, i laboratori sono stati proposti alle scuole con circolare inviata dall’USR a tutti i dirigenti scolastici, unitamente ai depliant illustrativi (Fig.1) e alle schede di adesione, mail e informativa diretta ai docenti e alle scuole già collaboranti a diverso titolo con l’URDF, in molti casi anche nelle precedenti edizioni del PLS, pubblicazione sulla home page del DCFA e del CIRD di locandine, moduli di iscrizione e informative di diverso tipo, due incontri preliminari svoltisi il 10 e il 24 ottobre 2010.





Figura Frontespizi dei depliant illustrativi dei laboratori didattici IDIFO3 proposti alle scuole di base e superiori rispettivamente

I Laboratori del Progetto IDIFO3 attuati sono tutti stati documentati nel sito CINECA e chiusi per permetterne la valutazione da parte degli insegnanti e degli studenti coinvolti.

In sintesi si è trattato di:

- Laboratori PLS per le scuole secondarie superiori, gestiti dall’URDF dell’Università di Udine, coinvolgendo 15 scuole, più di 30 classi e 800 studenti in FVG, Veneto e Calabria. Sono riepilogati in tab. 1 e vengono più estesamente discussi ed esemplificati in un successivo paragrafo.



Tabella 1 - Quadro riepilogativo dei principali laboratori attuati dall’URDF nelle scuole secondarie superiori, su: Energia e leggi di conservazione; Laboratorio RTL sul Moto; Laboratorio RTL sui fenomeni elettrostatici; Esperimenti di fisica avanzata; Diffrazione e ottica fisica; Percorsi di elettromagnetismo; Percorsi sui fenomeni termici con sensori; superconduttività.

- Laboratori PLS per le scuole di base hanno coinvolto 24 scuole, 47 classi, più di 800 studenti di scuola media, primaria e dell’infanzia della Regione FVG. In tab. 2 sono riepilogati i laboratori attuati per la scuola di base, discutendo a parte il laboratorio sull’energia.



A)

B)

C)



- Laboratori CLOE di IDIFO3 gestiti in collaborazione con il Progetto LabGEI, della durata di 1-2 ore, realizzati come occasione di educazione informale con modalità diverse e che hanno coinvolto 1100 studenti dai 3 ai 13 anni quasi 200 insegnanti in servizio e e in formazione, come viene ampiamente presentato e discusso sul piano scientifico in altro contributo del presente volume (Chiallapalli et al. 2012),
Tabella 2 – Riepilogo dei laboratori attuati dall’URDF per le scuole di base: A) Laboratori CLOE su fenomeni magnetici e elettromagnetici, su fenomeni termici, energia, moto per le scuole Medie; B) laboratori di educazione informale nelle visite alla Mostra GEI; C) laboratori PLS su. fenomeni termici con sensori on-line; Energia; Fluidi, La misura; Studio del moto; Il tempo.
Alcuni esempi dei principali Lab A in IDIFO3 per SSS

Si discutono qui brevemente alcuni laboratori, mettendone in luce gli aspetti che li hanno caratterizzati soprattutto per quello che riguarda la collaborazione scuola-universita e le attività di co-progettazione e co-sperimentazione.



Il laboratorio di esperimenti di fisica avanzata.

Il laboratorio si basa su un set di esperimenti di fisica moderna e avanzata costituito da tredici apparti che consentono la realizzazione di oltre 20 esperimenti (tab 3). Il laboratorio, unico per ricchezza delle proposte tra i laboratori didattici italiani, è stato messo a punto con i progetti IDIFO1 e 2 del PLS e sperimentato sia con insegnanti, nei workshop in presenza del Master IDIFO, e con studenti, nelle tre edizioni delle scuole estive di fisica moderna (Cassan 2010; Gervasio et al. 2010).



Questo laboratorio, nato come proposta didattica come un set di apparati prototipali, si è via via arricchito con kit sperimentali di costo contenuto e più repliche degli esperimenti più significativi. Può essere attuato con diverse modalità in più sedi: nella sede universitaria, condotto da ricercatori dell’URDF, integrandosi con la attività didattica curricolare condotta a scuola; per diverse proposte, in copia non unica, è stato anche possibile utilizzarne i materiali in sedi esterne, sia a livello locale, per quello che riguarda ad esempio gli esperimenti di ottica fisica, e sia in sedi fuori regione, ad esempio con le attività sperimentali sulla superconduttività realizzate a Udine, Pordenone, Treviso, Siena, Roma, Cosenza e Crotone. Nel contesto del progetto IDIFO3 questo laboratorio è stato realizzato anche nell’ambito della scuola Estiva di fisica moderna organizzata a Udine nel luglio 2011, e come laboratori di formazione insegnanti e coprogettazione del Master IDIFO3 nelle sedi di Udine e Siena (Michelini 2012).


Titolo

Descrizione

Frank e Hertz

Misura delle energie di transizione atomica del mercurio

Spettri di emissione

Analisi con reticolo di diffrazione di spettri di emissione di elementi diversi

Rapporto e/m per l’elettrone

Misura del rapporto tra la carica e la massa dell’elettrone con il metodo delle bobine di Helmoltz

Diffrazione ottica

Acquisizione con sensori on line e analisi della distribuzione di intensità luminosa

Polarizzazione

Introduzione operativa alla polarizzazione come proprietà della luce e suo ruolo per comprendere lo stato quantico

Trasmissione ottica

Sensori on line per leggi di Malus e trasmittività di polaroid

Effetto Hall

Misura della costante di Hall per materiali diversi

Resistività

Misura della resistività di metalli, semiconduttori e superconduttori in funzione della temperatura.

Effetto fotoelettrico

Esplorazione dell’effetto fotoelettrico e misura di h

Avogadro

Misura del numero di Avogadro

Effetto termoionico

Esplorazione dell’effetto termoionico con un diodo a vuoto

Velocità della luce

Misura della velocità della luce in mezzi diversi

Effetto Ramsauer

Assorbimento quantistico risonante degli elettroni da parte di atomi di Ar e determinazione del raggio medio di tali atomi

Tabella 3. Esperimenti di fisica moderna messi a punto e proposti nel Master IDIFO e nelle scuole estive di Fisica Moderna e offerto alle scuole del territorio nel laboratorio di fisica avanzata.
Laboratorio sulla diffrazione della luce e l’ottica fisica

Il laboratorio si sviluppa a partire dallo studio sperimentale della diffrazione ottica con sensori collegati in linea con l’elaboratore. La misura della distribuzione della figura di diffrazione prodotta da una fenditura (fig. 1) viene effettuata con un apparato esito di progetto di ricerca didattica e sviluppo dell’URDF e brevettato dall’Università di Udine (Gervasio, Michelini 2010). La proposta didattica associata a questa misura prevede l’analisi quantitativa della figura di diffrazione per riconoscere le caratteristiche peculiari (Santi et al. 1993). La modellizzazione del fenomeno basata su una ipotesi ondulatoria della natura della luce consente di ottenere un ottimo fit della distribuzione sperimentale. La natura ondulatoria della luce viene quindi riconosciuta su base sperimentale.

Il laboratorio sulla diffrazione realizzato in IDIFO3, si è caratterizzato per l’integrazione dell’attività di esplorazione della diffrazione effettuata in una mattinata presso i laboratori dell’università e condotta da un ricercatore dell’URDF, con il percorso didattico sviluppato a scuola da un insegnante di classe (prof. A Visentin, Liceo Puiatti di Sacile-PN) sull’ottica fisica e in particolare focalizzato sulla polarizzazione della luce esplorata con i kit sperimentali messi a punto nei progetti IDIFO1-2 e prestati alla scuola per lo svolgimento del modulo formativo (Fig. 2).



Figura 2 - L'apparato per l'acquisizione della distribuzione di diffrazione e tipico grafico acquisito

Figura 3-Il kit sulla polarizzazione

Per la realizzazione del modulo formativo è stata realizzata un’attività di co-progettazione a distanza mirata a definire i temi dei diversi interventi, essendo la traccia dei percorso già conosciuta dalla docente in precedenti esperienze formative.



Laboratorio di Superconduttività
Il laboratorio sulla superconduttività si basa sui materiali sviluppati nell’ambito dei progetti europei Supercomet e MOSEM 1 e 2 (Greczylo 2010) e in particolare gli apparati per la misura della resistenza in funzione della temperatura di campioni di metalli, semiconduttori e superconduttori su misure di coefficiente Hall, illustrati in fig. 3 (Gervasio, Michelini 2010b).


Figura - Apparato USB per la misura della resistività in funzione della temperatura di superconduttori, metalli e semiconduttori e misure di coefficiente Hall

Questo laboratorio ha dato luogo a diverse modalità attuative. In due scuole partecipanti ai progetti Supercomet e MOSEM 1 e 2 (Liceo Marinelli di Udine e Liceo Torricelli di Bolzano) si è sviluppato in continuità con laboratori effettuati negli anni precedenti come sperimentazioni pilota dei progetti stessi. Ha avuto carattere di Lab Explo nella sede di Udine in particolare per quello che riguarda le misure di resistenza in funzione della temperatura e di effetto Hall nella sede di Udine (Liceo Quadri di Vicenza), di esplorazione della fenomenologia magnetica della superconduttività in diverse sedi (Università di Udine, Liceo Grigoletti di Pordenone, Laboratori Nazionali di Frascati). Si à sviluppato come modulo formativo del Master IDIFO3 (presso la sede di Udine, presso L’istituto Duca degli Abruzzi di Treviso, presso l’istituto Torricelli di Bolzano, presso la sede di Siena). È stato proposto nel contesto di moduli integrati di formazione insegnanti in cui l’attività di sperimentazione con gli studenti condotta da un ricercatore aveva al tempo stesso carattere formativo per gli insegnanti delle classi coinvolte (Nella sede IDIFO3 di Cosenza e presso il Liceo Filolao di Crotone).

Quest’ultima modalità di implementazione si configura come proposta innovativa di formazione insegnanti in cui i ricercatori si mettono in gioco in prima persona nella costruzione di percorsi di apprendimento/insegnamento con gli studenti su uno specifico tema (nel caso specifico la superconduttività), mentre gli insegnanti assistono e collaborano all’attività, discutono successivamente con i ricercatori sulle linee di sviluppo del percorso didattico, le strategie adottate, i materiali didattici utilizzati, i nodi di apprendimento emersi con gli studenti. Confrontano le proprie proposte su come modificherebbero o integrerebbero l’attività, ovvero come essa possa integrarsi efficacemente con la programmazione curricolare. Ripropongono l’attività formativa in altre classi.

Fig. 5 Gli studenti del Liceo Filolao esplorano la levitazione di un magnete posto sopra a un superconduttore

L’esperienza sviluppata del Liceo Filolao di Crotone si è caratterizzata inoltre per una iniziale fase aperta a docenti e studenti in cui è stata presentata una serrata carrellata di tutti i fenomeni che poi gli studenti avrebbero approfondito nel percorso didattico seguito nel laboratorio vero e proprio. Un ulteriore elemento di qualità di questa attuazione del laboratorio è stata inoltre la sinergia con il “Progetto Maturità”, progettato congiuntamente dall’URDF con la dirigente scolastica prof. A. Cosentino e definito in fase attuativa con gli insegnanti della scuola. È stato aperto alla partecipazione di studenti di classi diverse interessati alla tematica decisamente innovativa della superconduttività, con la prospettiva di farla ricadere negli approfondimenti che avrebbero poi portato all’Esame di Stato Conclusivo. Gli studenti hanno potuto partecipare al laboratorio al di fuori della normale attività didattica, in orario sia mattutino, sia pomeridiano. La particolare motivazione e la provenienza da classi diverse, il coinvolgimenti diretto in personali esplorazioni della fenomenologia (fig, 5) hanno portato nel laboratorio un’ampia ricchezza di punti di vista, competenze e stili di lavoro e significativi esiti ‘apprendimento. La partecipazione dei docenti al laboratorio, ha avuto una ricaduta nell’immediato con gli approfondimenti per l’esame di stato realizzati dagli studenti con sotto la loro supervisione.


Laboratorio Percorsi di Elettromagnetismo

Questo laboratorio è stato sviluppato in 4 scuole diverse con oltre 100 studenti di 8 classi coinvolte.

Il percorso didattico di riferimento di questo laboratorio si sviluppa su attività sperimentali esplorative e misure realizzate con sensori collegati in linea con l’elaboratore. Mira alla . costruzione della rappresentazione del campo magnetico tramite le linee di campo e sulla costruzione del concetto di flusso come strumento, che consente di fondare tale rappresentazione su basi quantitativa rendendola non ambigua e univoca. Il concetto di variazione nel tempo del flusso gioca poi un ruolo centrale nella unificazione dei processi di induzione elettromagnetica, che vengono esplorati sia qualitativamente sia quantitativamente anche sempre il concetto di flusso cone strumenti formale e concettuale d’indagine fenomenologica (fig. 5).


Figura 6 Esplorazione del campo magnetico con un sensore di campo magnetico e misura della f.e.m. indotta in una bobina all'interno quando un magnete la attraversa.

L’attività di progettazione iniziale in questo laboratorio si è caratterizzata nei diversi contesti (Liceo Buonarroti di Monfalcone, ISIS Manzini di S. Daniele, Liceo Classico Canova d Treviso, Liceo Filolao di Crotone – Tab. 1) come pianificazione dell’attività, selezione dei temi da trattare, modalità di integrazione con la programmazione curricolare. La sperimentazione è stata condotta in collaborazione da ricercatore e docente di classe seguendo un filo di lavoro proposto dal ricercatore e calato nei contesti specifici in base alle indicazioni e richieste dei docenti.

Nel contesto del Liceo di Crotone ha avuto, anche in questo caso, analoghe caratteristiche del laboratorio sulla superconduttività configurandosi come attività didattica situata di un modulo formativo per docenti e come progetto per la maturità, introdotta con una panoramica iniziale dell’intero percorso.

Tutte le sperimentazioni condotte in questo laboratorio si sono anche caratterizzate per le modalità di verifica e valutazione degli apprendimenti effettuata sia sulla base dei tutorial con cui gli studenti hanno lavorato in classe, sia sulla base dei questionari iniziale e finale somministrati loro in apertura e chiusura del laboratorio.


Il Laboratorio IDIFO Energia nella Scuola Secondaria Superiore

Il laboratorio sull’energia e le leggi di conservazione si è sviluppato secondo due diverse linee, come esito di diverse scelte dei docenti con cui sono stati co-progettati e implementati in classe coinvolte (Tab. 1).

In due scuole (Liceo Buonarroti di Monfalcone, proff. L. Cavallero e F. Predolan; ISIS Manzini di S. Daniele, prof. D. Stabon) è stato seguito un primo percorso didattico il cui nucleo centrale è incentrato su misure di trasformazioni di energia effettuate con sensori on-line. In particolare si usa uno stesso oggetto (un cilindretto di alluminio) per riconoscere come i diversi tipi di energia (cinetica, potenziale, interna e associata alla luce) possono tutte trasformarsi nell’energia interna di uno stesso oggetto preso come riferimento (IPS 2 1974). Si studia quindi la trasformazione di energia potenziale di un peso in energia interna del cilindretto, con il dispositivo illustrato in fig. 6 in cui il peso cade frenato dal filo che striscia sul cilindretto stesso, e con apparati basati sullo stesso principio si studiano la trasformazione di energia potenziale di un peso che mette in energia cinetica di un ruota che viene posta in rotazione dalla caduta del peso, la trasformazione dell’energia interna di un sistema nell’energia interna del cilindretto di riferimento (Colombo 2008).

In un secondo percorso, attuato presso una scuola di Udine (ITG Marinoni, prof G. Comino), l’energia è stata introdotta in modo più tradizionale nel contesto della meccanica e nello specifico dello studio cinematico e dinamico con sensori di moto e di forza dell’oscillatore massa molla. In conseguenza delle scelte di approccio. Anche le modalità di interazione tra docenti e ricercatori sono state diverse




Figura 7 L'apparato per lo studio della trasformazione di energia potenziale in energia interna del cilindretto di alluminio e relative misure campione.

Nel caso del primo percorso l’attività di co-progettazione rivolta a definire i singoli passaggi del percorso, a negoziare le parti su cui dedicare maggiore attenzione, coordinare l’integrazione di parti svolte da un ricercatore e parti condotte dal docente, si è integrata con laboratori esperienziali in cui gli insegnanti hanno effettuato le misure in laboratorio, hanno utilizzato le schede di lavoro che poi i propri studenti avrebbero utilizzato in classe. L’attuazione si è realizzata con la compresenza e collaborazione di decente della classe e ricercatore universitario in due classi, mentre in un classe p stata interamente curata dall’insegnante di classe, che ha potuto usufruire del prestito dei materiali progettati dall’URDF per la realizzazione degli esperimenti.

Il processo attuato nel caso del secondo percorso è stato messo a punto dal ricercatore, sperimentato in classe in collaborazione con il docente e completato da quest’ultimo integrandolo nella programmazione curricolare e provvedendo a tutta la fase di valutazione degli apprendimenti e monitoraggio.

Come caso di studio si discute più a fondo il laboratorio sviluppato in collaborazione con il Liceo Buonarroti di Monfalcone. Il processo ha previsto: 1) Incontro 1, preparatorio – Esplorazione esperimenti con sensori; 2) Incontro 2, preparatorio (in rete) – definizione temi e modalità di attuazione del progettato intervento in classe; 3) Incontro 3, preparatorio – messa a punto del percorso e degli strumenti di lavoro (schede e questionario pre/post); 4) 16 ore di sperimentazione condotta con 30 studenti di due classi 3 Liceo Scientifico, di cui 1 iniziale e una finale per la compilazione del questionario iniziale e finale.

Nel primo incontro di attività con gli studenti, realizzato in orario curricolare dagli insegnanti di classe è stato analizzato il potere energetico dei cibi e il rapporto KJ/Kcal – energia interna dei cibi e energia interna del corpo e descritto come si effettua la misura del potere energetico dei cibi. Nel secondo incontro con gli studenti, 4 ore svolte in orario pomeridiano in compresenza da un ricercatore e i docenti delle classi coinvolte, con l’uso di sensori collegati in linea con l’elaboratore e la LIM, si sono analizzati i seguenti processi: a) il rimbalzo di palline di pongo, plastica, ping-pong che cadono sul pavimento, con analisi sperimentale delle trasformazioni di energia coinvolte in termini di energia cinetica, potenziale, interna; b) la caduta di palline nella farina e lo studio delle variabili da cui dipende l’energia potenziale; c) il rimbalzo della pallina da ping-pong studiato con sensori di moto e valutazione del coefficiente di restituzione; d) misura con sensori on line di temperatura del riscaldamento del cilindro di alluminio con l’apparto di figura 6; e) misura con sensori on-line di temperatura relativa alla trasformazione da energia potenziale a energia cinetica e quindi di nuovo in energia del cilindretto di alluminio l utilizzato come freno. In successivi tre incontri i docenti delle classi, in orario curricolare, hanno completato il percorso con lo studio dell’energia potenziale elastica, le trasformazioni di energia nel sistema massa molla, il teorema dell’energia cinetica, il principio di conservazione dell’energia.

Il laboratorio si è concluso con la compilazione da parte degli studenti del post/test (lo stesso dato in ingresso).

Come esemplificazione degli esiti e delle modalità di monitoraggio degli apprendimenti adottate nei laboratori del progetto IDIFO3, si riportano le risposte ai test in ingresso e uscita su tre quesiti: Q1: che cosa sai sull’energia; Q4: L’energia si conserva? Spiega che cosa intendi per conservazione dell’energia?; Q5: l’energia si trasforma? Porta due esempi.


Figura 8 Analisi delle risposte al quesito Q1. Distribuzione dei principali elementi con cui è stata identificata l’energia e delle categorie mutuamente esclusive di elementi: A) Proprietà dei corpi, grandezza che si trasforma o si conserva, esiste in diverse forme; B) proprietà dei corpi, grandezza che si trasforma o si conserva; C) l’energia è utile (per la società, per fare funzionare le cose); D)capacità di compiere lavoro E) grandezza che si trasforma, si conserva ed esiste in diverse forme; F) esistono diversi tipi/forme, NA; non risponde.

In figura 8 sono riepilogate le risposte al quesito 1. In tutte le risposte date gli studenti hanno costruito criteri di identificazione dell’energia. Nel grafico a sinistra sono riepilogati gli elementi emersi nel pre test e nel post test, in cui spicca la presenza dell’energia come proprietà dei corpi inizialmente, emersa nel post/test in metà del campione, ma non presente nel pre/test, un incremento decisamente significativo in merito alla natura dell’energia di ente che si trasforma (da 18 a 59%) è presente in diverse forme (da 18 a 42%). Quando le risposte si classificano in categorie mutuamente esclusive di modi di identificare l’energia si vede che le categorie A, B, E in cui l’energia viene identificata in più modi (proprietà dei corpi, grandezza che si trasforma da una forma all’altra e si conserva, si manifesta in diverse forme, seppure) coprono oltre il 60% del campione. Emerge in modo marginale la categoria di chi identifica l’energia come capacità di compiere lavoro (non presente nel pre/test e invece largamente diffusa nei libri di testo) e rimane praticamente stabile la categoria di chi identifica l’energia in termini di utilità. L’ultimo aspetto da sottolineare è la rilevante diminuzione degli studenti che eludono il quesito (da 40% all’8%), a fronte di risposte in cui viene identificata l’energia secondo le categorie sopra discusse.



Figura 8 Categorie di risposte al quesito Q4 sul significato di conservazione dell'energia (A) Il valore resta uguale, anche se la forma cambia; B) Uguale valore; C) Si trasforma (senza altra specificazione) D) negli accumulatori/batterie; NR) e Q5 sul significato di trasformazione dell’energia (A) Si; B) non si crea e non si distrugge e esempi; C) Esempi di trasformazioni da una forma a un’altra; E) esempi di fenomeni; NR).
Evidenti cambiamenti si rilevano anche quando si analizzano le risposte ai quesiti 4 e 5 (fig.9) e in particolare si evidenzia in questo caso l’impatto del processo formativo sull’idea di conservazione dell’energia, che invece non era emerso dall’analisi del primo quesito, e sulla competenza di esemplificare i processi di trasformazione da una forma di energia a un’altra forma.

Dai dati discussi si può concludere che il processo formativo attivato in questo laboratorio è risultato efficace nell’affrontare nodi importanti, usualmente individuati come problemi di apprendimento degli studenti, come: A) energia come grandezza fisica associata ai sistemi fisici, piuttosto che come ente diffuso o come benzina universale che fluisce da un sistema ad un altri (Stead 1980; Watts 1983; Solomon 1983; Nicholls and Ogborn 1993); B) l’energia come ente che si presenta in diverse forme e si trasforma da un tipo ad un altro, piuttosto che come ente che si trasforma in un altro ente o scompare (es. energia si trasforma in movimento, o l’energia si trasforma in forza) (Carr, Kirkwood 1998); C) la natura conservativa dell’energia e il suo significato, spesso confuso con quello di conservazione utilizzato nel linguaggio quotidiano (Goldring, Osborne 1994; Duit 1984; Heron et al. 2008, 2009).


Il Laboratorio IDIFO sull’Energia nella Scuola di base

Come esempio di laboratorio PLS per la scuola di base viene illustrato qui il laboratorio sull’energia. Esso ha come riferimento un percorso didattico basato sulla ricerca in cui i bambini costruiscono l’analisi dei processi di trasformazione energetica coinvolti in semplici esperimenti e giochi (fig. 10).

Ciascuna proposta operativa si offre come contesto in cui i bambini scoprono un nuovo tipo di energia ovvero un nuovo processo di trasformazione. Essi costruiscono passo dopo passo il nuovo linguaggio di descrizione dei fenomeni basato sul concetto di energia, negoziando significati univoci di espressioni come conservare, trasformare, disperdere, trasferire energia I bambini nell’affrontare questo percorso (Heron 2008, 2009).

Questo laboratorio è stata sviluppato sia nella sede di Udine, sia presso l’Istituto Comprensivo di Palazzolo dello Stella coinvolgendo tutte le dieci scuole che esso include e che coprono in pratica tutta la zona litoranea del Friuli, 15 docenti e 180 studenti (Tab. 2).

L’attività di co-progettazione si è sviluppato in incontro realizzati come laboratori esperienziali nella esplorazione del percorso di riferimento e dei materiali che compongono, nella definizione delle scelte di percorso, ovvero delle modalità diverse con cui implementare il percorso a seconda del livello scolare. Le sperimentazioni sono state condotte con modalità tipiche della ricerca azione, venendo affiancate da incontri in itinere per condividere lo sviluppo dei percorsi attuati, i problemi emersi, ricalibrare gli interventi in base agli esiti. Anche la fase di valutazione, tuttora in atto, ha coinvolto congiuntamente insegnanti e ricercatori per quello che riguarda le modalità di raccolta dati e documentazione delle attività, l’individuazione di categorie di analisi, la elaborazione quantitativa dei dati.

Figura 10. Semplici apparati utilizzati nel percorso sull'energia nella scuola di base

Osservazioni critiche sull’intera esperienza svolta

A conclusione di questa rassegna delle diverse tipologie di laboratori attuati nel contesto del progetto IDIFO3, si possono riepilogare alcune osservazioni critiche che individuano elementi positivi e di valore e criticità sui piani degli insegnanti, degli studenti, delle istituzioni scolastiche, del mondo universitario.

Gli elementi positivi e di valore sono:

V1. Rispetto agli insegnanti: a) Coinvolgimento diretto per l’innovazione in piccolo gruppo di insegnanti; b) Creazione o consolidamento di collaborazioni tra insegnanti della stessa scuola e spesso nascita di team progettuali, con evidente valorizzazione delle risorse umane e delle competenze nelle scuole; c) focalizzazione dell’attenzione degli insegnanti su aspetti di miglioramento metodologico e dei contenuti nell’insegnamento della fisica; d) attivazione dell’interesse degli insegnanti nel poter dotare le proprie scuole di attrezzature nuove, a costi anche contenuti con impegno ad utilizzarle; e) impegno degli insegnanti a utilizzare e rielaborare strumenti e metodi didattici innovativi.

V2. Rispetto agli studenti: a) incremento delle attività laboratoriali e sperimentali nelle ore di fisica/scienze nella scuola di base; b) partecipazione attiva degli studenti, con incremento di motivazione per un impegno diretto; c) insorgere di interessi di approfondimenti; d) aumento di qualità nello studio, con seria attenzione alla raccolta, analisi, rappresentazione, verifica e confronto con la teoria ed altri esperimenti.

V3. Rispetto ai dirigenti scolastici: a) impegno a sostenere gli insegnanti per una formazione che si attua e ricade sulla pratica didattica e contribuisce a riflettere su come attuare la riforma della scuola; b) disponibilità a dotare le scuole di attrezzature nuove; c) apertura ad attuare progetti innovativi per il sostegno e le eccellenze.

V4. Rispetto al mondo universitario: a) crescente attenzione alla didattica e alle problematiche della scuola; b) limitata ma crescente disponibilità a mettersi in gioco per attività rivolte a insegnanti e studenti; b) impegno a migliorare e manutenere le attrezzature per la didattica, cominciando ad usarle di più e a potenziarle, con vantaggi anche per gli studenti universitari di tutte le Facoltà scientifiche; c) potenziamento e miglioramento della qualità dei rapporti con le scuole.

In merito alle difficoltà ed aspetti critici o negativi sono emersi:

D1. Rispetto agli insegnanti: a) necessità di un sostegno più ampio ed approfondito di quanto possibile nel modello di 10 ore di co – progettazione per le 16 ore di sperimentazione in classe; b) tendenza a delegare al docente universitario il proprio ruolo docente, per insicurezza e interesse a vedere esemplificazioni di modalità di lavoro con i ragazzi rispetto a quanto co – progettato; c) più raramente la delega è motivata da un bisogno di non aumentare il proprio carico di lavoro pur garantendo attività motivanti ed interessanti per i ragazzi; c) soprattutto in alcuni contesti e in particolare nell’ambito delle scuole superiori, tendenza ad accogliere con diffidenza o non accogliere affatto l’innovazione didattica perché, seppure considerata significativa sul piano culturale o dell’orientamento, viene ritenuta poco significativa a livello degli esiti formativi che più produrre nella prospettiva ad esempio degli esami conclusivi di stato ovvero dei test di ammissione alle facoltà universitarie; d) richiesta di sostegno anche per attrezzature e materiali didattici di facile reperimento, soprattutto per lo scarso tempo disponibile per predisporli o il bisogno di formazione al loro impiego sia tecnico, sia didattico; e) diffidenza nell’uso delle ICT nel laboratorio didattico, in genere per insicurezza nell’utilizzo autonomo degli strumenti, e preferenza per strumentazioni tradizionali; f) difficoltà nell’analisi qualitativa e sintetica degli esiti di apprendimento e dell’apprezzamento delle attività da parte dei ragazzi, con in più la tendenza a identificare la valutazione con l’assegnazione di una scala di valore all’operato dei ragazzi; g) limitato tempo disponibile per attività progettuali e ri-elaborative con i colleghi, anche se il valore di una ricerca di condivisione dell’esperienza emerge in modo diffuso; h) scelte di attività auto - consistenti il più brevi possibile e limitata integrazione delle stesse nel curriculum sul piano delle strategie e dei metodi, quando gli elementi di innovazione sono rilevanti; i) limitato riconoscimento per la propria carriera del valore di un attestato di corso singolo, corso di perfezionamento o master universitario; l) differenziata attenzione al monitoraggio in web del progetto soprattutto perché richiede che sia fatta a scuola affinché gli studenti effettivamente la facciano

D2. Rispetto agli studenti: a) ricaduta della natura episodica dell’attività sul ruolo che essi attribuiscono alla stessa; b) bisogno di conquistare strumenti e metodi di attività esplorative, sperimentali e laboratoriali con tempi più lunghi di quelli dedicati ai Laboratori PLS.

D3. Rispetto ai dirigenti scolastici: a) non uguale consapevolezza e impegno dei diversi dirigenti rispetto al PLS: dovrebbe essere fatto uno specifico lavoro per coinvolgerli; b) necessità di costruire un contesto scolastico in cui il lavoro degli insegnanti impegnati nel PLS viene riconosciuto, valorizzato e talvolta potenziato con fondi scolastici, come alcuni dirigenti hanno iniziato a fare; c) limitata integrazione dei diversi progetti scolastici con il PLS: è necessario costruire contesti di raccordo e collaborazione affinché la progettazione delle scuole e dell’università convergano e si integrino sinergicamente; d) scollamento tra iniziative sulla riforma della scuola PLS: è necessario inquadrare il contributo del PLS nel contesto del sostegno alla riforma della scuola; e) dicotomia tra piani di formazione degli insegnanti nelle scuole e attività PLS, che potrebbero invece utilmente integrarsi e valorizzarsi vicendevolmente.

D4. Rispetto al mondo universitario pare necessario: a) rafforzare il raccordo e la collaborazione per gli aspetti operativi con l’USR; b) selezionare e qualificare le persone impegnate nel PLS a livello locale; c) riconoscere il valore del lavoro e del tempo impiegato, nonché del ruolo di raccordo università – scuola svolto da chi opera localmente per il PLS; d) valutare il merito e non solo limitarsi agli aspetti amministrativi e di gradimento delle attività e dei rispettivi contenuti.


Conclusioni

I laboratori didattici attivati nel progetto IDIFO3 si sono caratterizzati per alcuni elementi caratterizzanti e qualificanti: Innovazione di approcci e percorsi didattici basati sulla ricerca che si integrino nella programmazione curricolare; innovazione nelle strategie e metodologie didattiche implementate, basate sull’inquiry base learning (IBL), sull’uso delle nuove tecnologie nella realizzazione di laboratori didattici in tempo reale (RTL) basati sul ciclo previsione, esperimento confronto; utilizzo di apparati semplici e realizzati con materiali facilmente riproducibili; misure con sensori collegati in linea con elaboratore e elaborazione dati; attività di modelling; utilizzo di tutorial per la conduzione delle attività e relativo monitoraggio in itinere; Pre/post test e questionari di diversa tipologia sia nelle fasi di coprogettazione con gli insegnanti sia in quelle di sperimentazione nelle classi; analisi dati basato su metodi tipici della ricerca; analisi dei dati emersi dalle sperimentazioni, valutazione deli esiti, riprogettazione delle attività-

Alcune modalità generali di attuazione costituiscono riferimenti per attività collaborative scuola università nella messa a punto e sperimentazione dell’innovazione didattica sia nella fase collaborativa tra insegnanti e ricercatori (attività progettuali e di revisione finale) sia in quella di attuazione delle sperimentazioni in classe.

Riguardo alla, co-progettazione, essa è stata sviluppata in tre fasi: 1) un incontro iniziale per definire temi e programma di lavoro, in qualche caso integrato con un seminario generale di discussione dei temi e delle problematiche scientifiche e didattiche che si intende affrontare; 2) 3-4 incontri successivi per definire contenuti, esperimenti, materiali di lavoro, programma di lavoro in classe, realizzatasi in diversi casi con modalità esperienziali nell’analisi dei materiali didattici di riferimento basati sulla ricerca e delle proposte da utilizzare con i ragazzi stessi, in altri come laboratorio di progettazione didattica basata sulla riorganizzazione di materiali di ricerca di riferimento, oppure come attività di ricerca azione con condivisione dei percorsi attuati di sperimentazione, degli esiti via via ottenuti e dei problemi incontrati, riprogettazione in itinere degli interventi, sia con la progettazione e messa a punto di nuove proposte sperimentate poi in classe e monitorate con metodologie di ricerca.

Costituisce una modalità formativa particolarmente innovativa quella attuata in alcuni contesti in cui i ricercatori universitari hanno costruito percorsi di apprendimento/insegnamento con gli studenti in classe su specifici temi, in presenza degli insegnanti. Questa modalità formativa situata si sviluppa poi nella discussione degli insegnanti con i ricercatori sulle modalità di integrazione con la programmazione curricolare, sulle linee di sviluppo del percorso didattico attuato con i ragazzi, le strategie adottate, i materiali didattici utilizzati, i nodi di apprendimento evidenziati dagli studenti. Prevede, ancora, il confronto dei percorsi attuati come le proposte sviluppate dagli insegnanti, i suggerimenti da loro proposti per modificare i percorsi, sia negli obiettivi, sia nelle specifiche linee di sviluppo, sia nelle possibili integrazioni.

Per quello che riguarda le sperimentazioni in classe hanno previsto differenti modalità attuative, anche all’interno degli stessi laboratori tematici: l’insegnante sperimenta autonomamente, un percorso co-progettato documentando il lavoro e valutando con i ricercatori universitari il lavoro svolto e riprogettando il percorso a posteriori; l’insegnante accoglie il ricercatore in classe e collabora al monitoraggio in itinere, alla gestione dell’attività di gruppo, fornisce un feed-back al lavoro svolto coi ragazzi dal ricercatore e partecipa alla riprogettazione dell’intervento ovvero al suo completamento e monitoraggio finale; insegnante e ricercatore conducono l’attività con gli studenti in fasi successive integrate dal comune filo di sviluppo della tematica definita,

L’intero processo attivato con l’attivazione dei laboratori IDIFO3 ha dato luogo a una riflessione critica sui diversi piani dei soggetti e istituzioni coinvolte. Se ne richiamano alcune rimandando al precedente paragrafo un panorama completo.

Le valenze per gli insegnanti dei laboratori IDIFO3 sono legate al loro coinvolgimento diretto per l’innovazione, riconoscendone caratteristiche, metodologie e strumenti, potenzialità, uso del laboratorio e di efficaci metodiche di didattica laboratoriale. A cascata tali valenze si riversano da un lato sugli studenti che possono esplorare significativi percorsi sul piano culturale con forti connotazioni orientanti e dall’altro sulle istituzioni scolastiche in termino di formazione insegnanti, introduzione dell’innovazione didattica, del laboratorio didattico in ambito scientifico.

Tra le diverse criticità è in particolare importante soffermarsi qui sulla necessità di prevedere un’interazione più lunga tra ricercatori e insegnanti per ottenere un efficace processo di innovazione sui diversi piani dei contenuti, delle metodologie e strategie didattiche utilizzate. Tale esigenza d’altro canto si scontra con una non strutturale integrazione di proposte fortemente innovative, come quelle del laboratori IDIFO3-PLS e dei processi formativi che esse richiedono e attivano, con la pratica didattica curricolare nelle scuole, che tende a riprodurre processi educativi e formativi tradizionali, anche laddove si riconosca il valore culturale, formativo e orientante di proposte non necessariamente finalizzate a un esito concreto come può essere la preparazione (addestrativa) a un esame conclusivo di stato o a un test di ammissione all’università.

È quindi quanto mai necessario costruire un contesto favorevole all’integrazione strutturale nelle scuole di proposte al tempo stesso di formazione dei docenti e didattica laboratoriale come quelle del progetto PLS, attraverso l’attivazione di azioni di raccordo e collaborazione scuola-USR-università, come pure azioni che valorizzino sia nelle scuole sia nelle università attività fortemente significative e qualificate, come pure diano un riconoscimento effettivo al lavoro svolto e al tempo impiegato dei soggetti universitari e della scuola coinvolti.



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