La ricerca nella didattica Sperimentazioni in corso

Presentazione sul tema: "La ricerca nella didattica Sperimentazioni in corso"— Transcript della presentazione:

1 La ricerca nella didattica Sperimentazioni in corso
Titolo La ricerca nella didattica della fisica moderna Sperimentazioni in corso DOPO IL TITOLO SEGUONO BRANI MUSICALI, QUADRI E POESIE DEI PRIMI ‘900. TUTTA QUESTA E’ ARTE ENTRATA DA TEMPO NEL PATRIMONIO CULTURALE DEL CITTADINO MEDIO. E PER LA FISICA COME STANNO LE COSE? Marco Giliberti Trento

2 STRUTTURA DEL SEMINARIO
PERCHÈ UNA DIDATTICA DELLA FISICA? STRUMENTI E METODI DELLA RICERCA DIDATTICA RICERCHE E SPERIMENTAZIONI SULLA FISICA QUANTISTICA Trento

3 PERCHE’ UNA DIDATTICA DELLA FISICA?
Trento

4 ANCHE QUANDO L’ISTRUZIONE E’ COMPLETA E ACCURATA,
“QUELLO CHE GLI STUDENTI APPRENDONO E’ SPESSO MOLTO DIVERSO DA QUELLO CHE VIENE LORO PRESENTATO, ANCHE QUANDO L’ISTRUZIONE E’ COMPLETA E ACCURATA, GLI STUDENTI SPESSO LASCIANO LE CLASSI DI FISICA CON IDEE CHE SONO IN FORTE CONTRASTO CON QUELLO CHE PENSANO I FISICI”. M Wittmann, R. Steinberg, E. Redish, Am. J. Phys. 70 (3), March (2002) Cfr. anche L. Mc Dermot, Am J. Phys. 59, (1991) Trento

5 DIDATTICA DELLA FISICA (INIZIO’ CIRCA 40 ANNI FA)
SOLUZIONI AL PROBLEMA DI COME MIGLIORARE L’APPRENDIMENTO E L’INSEGNAMENTO DELLA FISICA Trento

6 INIZIO’ CON UN RIPENSAMENTIO SULLA FISICA
(VARI PROGETTI TIPO PSSC ECC.) CONTINUO’ CON RICERCHE SULLE IDEE DEGLI STUDENTI (VIENNOT, DRIVER ECC.) SI SCOPRIRONO SCHEMI SPONTANEI O INTUITIVI DI CONOSCENZA. Trento

7 INSEGNAMENTO INADEGUATO DI UNA “BUONA FISICA”
QUESTO SPOSTO’ LA RICERCA PREVALENTEMENTE SUI PROBLEMI DELL’ APPRENDIMENTO PASSARE DA UN INSEGNAMENTO INADEGUATO DI UNA “BUONA FISICA” RISCHIO DA EVITARE: AD UN “BUON” INSEGNAMENTO DI UNA FISICA “INADEGUATA” C. Bernardini, C. Tarsitani. M. Vicentini “Thinking Physics for Teaching” Plenum Press, New York, 1995. Trento Trento

8 DELLA RICERCA DIDATTICA
STRUMENTI E METODI DELLA RICERCA DIDATTICA Trento

9 Tutto l’intervento viene monitorato (registrato e/o videoregistrato)
Analisi delle concezioni iniziali Es. Questionario Es Interrogazioni lunghe Interventi degli studenti Lavoro in laboratorio Verifiche scritte Analisi in itinere dell’organizzazione delle idee Es. Questionario Interrogazioni Gradimento e significatività del corso Analisi delle concezioni finali Analisi dell’apprendimento a lungo termine Es. domande aperte con richiesta di spiegazione Tutto l’intervento viene monitorato (registrato e/o videoregistrato) Trento

10 Paragone con una classe di controllo
INDIVIDUAZIONE DEI CONCETTI FONDAMENTALI COSTRUZIONE DI UN PERCORSO “UNIVERSITARIO” DEDUZIONE DI UNA PROPOSTA DIDATTICA “PREUNIVERSITARIA” PROPOSTA DIDATTICA Es. gruppo di Milano ANALISI DELLA RISPOSTA DEGLI STUDENTI NUOVA PROPOSTA DIDATTICA ANALISI DELL’APPRENDIMENTO DI ALCUNI STUDENTI PARTICOLARMENTE BRILLANTI STUDIO DELLE MODALITA’ DI APPRENDIMENTO Trento

11 RICERCHE E SPERIMENTAZIONI SULLA FISICA QUANTISTICA
Trento

12 L’istruzione “tradizionale” per argomenti di fisica quantistica è molto simile in tutti i paesi occidentali. Corpo nero Effetto fotoelettrico Effetto Compton Modello atomico di Thomson Modello atomico di Rutherford Modello atomico di Bohr De Broglie… L’elettrone come una trottola Modello atomico di Sommerfeld Il principio di indeterminazione (microscopio di Heisenberg) Modello atomico a orbitali Trento

13 ESEMPIO DI TEST DI INGRESSO
Es. di domande aperte Cos’è per te la luce? Descrivi quello che ti viene in mente a sentire le parole: atomo, elettrone, fotone, corpo nero, principio di indeterminazione Hai già sentito parlare di queste cose? mai a scuola: elementare, media, liceo  dai mass media: quotidiani, riviste, televisione, radio, in casa (spiegare in che ambito: in una discussione, leggendo un libro, da un fratello, ecc.) M. Giliberti C. Marioni LFNS XXX 3 (1997) Trento

14 La teoria a fotoni della luce prevede fra l’altro che:
 (a) il fotone si muova di moto ondulatorio  (b) la velocità dei fotoni nel vuoto dipenda dalla loro energia  (e) la luce si propaghi senza che il fotone segua una traiettoria definita  (d) la probabilità di osservare un fotone abbia carattere sinusoidale  Spiegazione: Andare ai lucidi 1, 2 Trento

15 Descrivi quello che succede quando i seguenti materiali quando essi vengono inseriti tra i seguenti contatti collegati ad una batteria. C. Wittman, N. Steinberg, E. Redish Am. J. Phys. March 2002 Trento

16 Quali sono le proprietà essenziali di un oggetto classico?
Che cosa intendi con “fotone”? Come ti immagini gli elettroni in un atomo? … I più ci sono questionari sull’interesse degli studenti D. Zollman, S. Rebello, K. Hogg Am. J. Phys. March 2002 Trento

17 Es. di domande chiuse Abbiamo una teoria fisica precisa della luce?
  (a) sì ed è risultata corretta in tutti gli esperimenti effettuati  (b) no, infatti non abbiamo ancora capito se è fatta da onde o da corpuscoli  (c) sì ma in molti esperimenti si sono avuti risultati inattesi  (d) no, infatti abbiamo non una ma due teorie fisiche della luce, una che si applica agli esperimenti macroscopici (teoria ondulatoria), l’altra a quelli microscopici (teoria corpuscolare)  Spiegazione: … Trento Gruppo di ricerca di Milano

18 Sono stati evidenziate notevoli idee errate su:
Fotone si muove in forma di un’onda progressiva Ha una massa solo quando si muove alla velocità della luce … Elettrone La diffrazione di elettroni è dovuta alla loro carica elettrica Cfr R. Mueller, H. Wiesner Am J. Phys 70 (3) 2002. Trento

19 Rel. Di incertezza Stud.: “quando misuro la posizione in maniera precisa, altero il momento” Stud.: “Se commetto un errore a determinare la posizione allora ho fatto per forza anche un errore nel determinare il momento” M. Giliberti, C. Marioni “Teaching about Heisenberg’s Relations”; Proc. G.I.R.E.P. I.C.P.E. International Conference: New Ways of Teaching Physics 1996. Trento

20 ALCUNI RISULTATI GENERALI ACQUISITI DALLA RICERCA
IN DIDATTICA DELLA FISICA QUANTISTICA Trento

21 “In un corso introduttivo non è possibile raccontare la storia della radiazione di corpo nero in un modo intellettualmente onesto e significativo e un discorso approssimativo sull’argomento lascia solo disorientati gli studenti.” A. Arons “Guida all’insegnamento della fisica”, Zanichelli Per quanto riguarda l’apprendimento sul problema del corpo nero: “Viene confermata la difficoltà di comprensione…: anche persone in genere molto brave hanno fatto confusione.” Tesi di laurea di L. Maddalon; relatore C. Marioni, correlatori Lanz, Giliberti a. a Trento

22 “Si sa che dopo l’istruzione tradizionale, gli studenti mostrano facilmente misconcezioni classiche e confondono nozioni classiche e quantistiche.” R. Mueller, H. Wiesner Am. J. Phys. 70 (3) (2002) “…la nostra ricerca in classe ha mostrato una notevole difficoltà dei ragazzi nella comprensione dei difficili problemi connessi alla crisi della fisica classica (probabilmente perché conoscono questa troppo poco per poterne apprezzare la crisi).” M. Giliberti, C. Marioni ”Introduzione di alcuni elementi di Fisica dei quanti nella scuola secondaria superiore” LFNS XXX 3 Supplemento (1997) Trento

23 “Orientato agli sviluppi storici l’insegnante sovra-enfatizza i concetti della fisica classica”
“L’apprendimento della fisica moderna è reso più difficile per gli studenti perché l’insegnamento spesso usa modelli (per es. il modello atomico di Bohr) e concetti (per esempio quello di dualismo) semiclassici.” “Da tutte le indagini nella psicologia dell’apprendimento si può ricavare almeno un principio: i modelli semplificati devono essere costruiti in modo tale che sia possibile estenderli e lo studente non sia forzato successivamente a riorientare le concezioni fondamentali.” H. Fishler, M. Lichtfeldt “Modern physics and students’ conceptions” Int. J. Sci. Educ. 14, (1992) Trento

24 Cfr. M Wittmann R. Steinberg, E. Redish, Am J. Phys. 70 (2002)
L’uso di numerosi modelli, trattati spesso sbrigativamente, per spiegare la struttura dell’atomo non dà, in generale, buoni risultati di apprendimento Soffermiamoci sul modello di Bohr “Gli studenti a cui è stata mostrata l’efficacia del modello di Bohr è molto difficile che lo abbandonino” H. Fishler, M. Lichtfeldt “Modern physics and students’ conceptions” Int. J. Sci. Educ. 14, (1992) Vedere lucidi sul modello di Bohr Studenti che hanno avuto un insegnamento “insistito” del modello di Bohr hanno grandi difficoltà a capire la conduzione nei solidi e, ad esempio, la legge di Ohm Cfr. M Wittmann R. Steinberg, E. Redish, Am J. Phys. 70 (2002) Trento

25 Inoltre ci sono i problemi legati alla divulgazione…a scuola…
Trento

26 SPERIMENTAZIONI Trento

27 Teaching quantum mechanics on an introductory level
R. Müller, H. Wiesner München Scuola Superiore Trento

28 523 studenti risposero al questionario dopo un’istruzione tradizionale
27 studenti furono intervistati oralmente 37 studenti universitari futuri insegnanti furono intervistati allo stesso modo I due gruppi diedero risposte simili! Trento

29 Quali sono le proprietà essenziali di un oggetto classico?
massa, peso (85%) dimensioni,volume, forma (43%) velocità movimento (38%) quantità di moto (27%) posizione (15%) densità (15%) energia (12%) Trento

30 Quali sono le proprietà essenziali di un oggetto quantistico?
massa (37%) Carica (37%) velocità/quantità di moto (37%) energia (26%) spin (22%) livelli di energia/quantità di moto (15%) posizione non determinate esattamente (11%) no massa assoluta (11%) lunghezza d’onda di de Broglie (7%) Trento

31 Come ti immagini gli elettroni in un atomo?
Bohr o planetario (17%) “Ci sono cerchi…attorno al nucleo…orbite…Tutti gli elettroni sono su differenti orbite…possono saltare da un’orbita all’altra” Bohr con precauzione (24%) “Le orbite…L’atomo lo immagino così…mi è stato detto che non è corretto, ma ci sono così abituato e poi è così tanto usato…” Idea concreta di nuvole/Carica distribuita (14%) Orbitali con distribuzione di probabilità (38%) Anche quando vengono menzionate le idee quantistiche, il punto di partenza è l’atomo di Bohr Trento

32 L’interpretazione di Born è introdotta presto e abbondantemente usata.
STRUTTURA DEL CORSO Per evitare misconcezioni classiche si sono concentrati sugli aspetti della MQ che sono radicalmente diversi a quelli della MC L’interpretazione di Born è introdotta presto e abbondantemente usata. Nessun mistero il dualismo onda particella quando si sia capita l’interpretazoine probabilistica Alcune proprietà classicamente ben definita (posizione, quantità di moto ecc.) non possono essere sempre attribuite ad un oggetto quantistico. Il processo di misura non può essere “passivo”. C’è grande differenza tra “avere una proprietà” e “misurare una proprietà” Alcune proprietà classicamente ben definita (posizione, quantità di moto ecc.) non possono essere sempre attribuite ad un oggetto quantistico. Trento

33 Per es. polarizzazione Trento

34 INTERFEROMETRO Trento

35 RELAZIONI DI INCERTEZZA DI HEISENBERG
Y rappresenta l’ensemble Dx e Dt sono le deviazioni standard OPERATORI Trento

36 VALUTAZIONE DEL CORSO Trento

37 Trento

38 Trento

39 Trento

40 Trento

41 Trento

42 Quantum mechanics for everyone: Hands-on activities integrated with technology
D. Zollman, N. Rebello, K. Hogg Kansas State University Per studenti di scuola superiore, di college e anche più su 160 scuole coinvolte Zollman Rebello Hogg Zollman Trento

43 Uso di Visual Quantum Mechanics
Meccanica Solidi e luce Luninescenza ()fosforescenza ecc) Onde e Materia Vedere il molto piccolo: Tunnel quantistico Diagrammi di energia potenziale Fare onde Orientato agli apparecchi (per es. LED) Trento

44 Dal laboratorio virtuale a…carta e matita
Trento

45 Disegnatore di funzioni d’onda
Trento

46 Visual quantum Mechanics
© , Physics Education Research Group, Kansas State University. Trento

47 Advanced visual quantum mechanics
In order to visualize complex numbers we use a color map that associates a unique color with every complex number z = x + i y. The set of complex numbers forms a two-dimensional plane (the "complex plane"). In the image to the left, each point (x,y) of that plane has a unique color (hue and lightness/saturation). A complex number z can be represented by its "absolute value" (or "modulus") abs(z) and by its "argument" (or "phase") arg(z). The absolute value is the distance of z from the origin in the complex plane, arg(z) is the angle between the line from (0,0) to (x,y) and the positive x-axis. The polar representation of z reads z = abs(z) ei arg(z) The color map uses the HLS color system ("hue-lightness-saturation"). The hue represents the argument arg(z) of the complex number z. The absolute value abs(z) is given by the lightness of the color. All colors of the color map have the maximal saturation (with respect to the given lightness). Positive real numbers always appear red. The primary colors appear at phase angles 2 pi/3 (green) and 4 pi/3 (blue). The subtractive colors yellow, cyan, and magenta have the phases pi/3, pi, and 5 pi/3. The poles of a complex function are white, the zeros are black. This color map is obtained by a stereographic projection from the surface of the three-dimensional color space (in the hue-lightness-saturation system) onto the complex plane. Trento

48 f(z) = 1/z Trento

49 Another stationary state of the hydrogen atom
Another stationary state of the hydrogen atom. The quantum numbers for this example are principal quantum number n = 4, orbital angular momentum quantum number = 2, and magnetic quantum number m = 2 (see Advanced Visual Quantum Mechanics). This image shows an isosurface of the position probability density. The colors describe the complex phases of the wave function according to the standard color map. Created with QuantumGL. This image shows a wave function describing the state |11,5,3> of the electron in the field of a proton (a hydrogen atom). The radius of the figure is about 200 Bohr radii. (1 Bohr radius = 5 x m.) The proton is assumed to be at rest at the center of the image. It is way too small to be visible at this magnification. Trento

50 Hydrogen eigenstate obtained via separation in parabolic coordinates
Hydrogen eigenstate obtained via separation in parabolic coordinates. The quantum numbers for this example are n1 = 6, n2=7, and m = 2 (see Advanced Visual Quantum Mechanics, Section 2.6.) This image shows an isosurface of the position probability density. A part of this surface has been made transparent so that you can look inside. The colors describe the complex phases of the wave function according to the standard color map. Created with QuantumGL Trento

51 Investigating student understanding of quantum physics:
Spontaneous models of conductivity M. Wittmann, R. Steinberg, E. Redish University of Maine Corso di Meccanica quantistica per ingegneri

52 Tipica presentazione di modelli di conduttività:
Flusso di carica attraverso una certa area Moto casuale con drift Descrizione attraverso diagramma del moto nelle bande Trento

53 Interviste… 13 studenti furono intervistati in dettaglio (9 prima e 4 dopo il corso tradizionale) Studente: “Perchè gli elettroni fluiscano attraverso il filo, essi devono lasciare l’atomo. Bisogna fornire loro abbastanza energia perché scappino dalle forze che li tengono nell’atmosfera dell’atomo, poi si muovono liberamente.” Studente: “C’è una catena a reazione di elettroni…; questo elettrone sarà proiettato sul prossimo atomo e diventa instabile…e via di seguito” Trento

54 CURRICULUM PER LA PARTE DI CONDUCIBILITA’
Modello a bande a partire dalla buca di potenziale finita monodimensionale Visual Quantum Mechanics Moto degli elettroni Modello di Drude e suoi limiti Trento

55 VALUTAZIONE Modificato 1:
prima moto degli elettroni, poi modello a bande Modificato 2: prima bande poi moto degli elettroni Stesso tempo di lezione per tutti e 3 gli approcci Trento

56                         Spiegare e Capire in Fisica proposte e percorsi per l’insegnamento preuniversitario della fisica   Da una Collaborazione di Ricerca (PRIN 99) fra le Università di Milano, Napoli, Palermo, Pavia, Torino, Udine IL PROGETTO UNO SGUARDO D’INSIEME PROPOSTE E PERCORSI Copyright © 2002 SeCiF per l’intero Sito pctidifi.mi.infn.it/secif L’uso e la circolazione non-commerciale del materiale scaricato da questo Sito è benvenuta e incoraggiata, naturalmente a condizione di citarne la fonte Trento

57 M. MICHELINI L. SANTI A. STEFANEL
Università di Udine Udine Trento

58 Trento

59 Qualunque sia la direzione permessa v, il versore u determina il comportamento statistico dei fotoni. Lo stato di polarizzazione lineare di un fotone è quindi rappresentato da un vettore in uno spazio bidimensionale SCHEDA 1 Trento

60 In meccanica quantistica
Operatori lineari In meccanica quantistica a ogni osservabile fisica è associata ad un operatore lineare. Un gioco per capirli Consideriamo un oggetto / un operatore O del tipo a b· Applichiamolo a un vettore c il risultato dell'operazione è un nuovo vettore proporzionale ad a a b· c a è autovettore Trento

61 I@PhT | Cerca su IA@PhT | Contact
Torino                     La Meccanica Quantistica con il metodo della somma sui molti cammini di Feynman Mi auguro che riusciate ad accettare la Natura per quella che è: assurda R. Feynman TEORIA OSTACOLI OMBRE Trento

62 M. Giliberti, L. Lanz, G. Vegni
Mathesis Quanta-Mi QUANTA-MI N. Bergomi, L. Cazzaniga, M. Giliberti, L. Lanz, G. Vegni Trento

63 Spiegare e Capire in Fisica
Progetto in cofinanziamento coord. naz.: Prof. Paolo Guidoni MECCANICA TERMODINAMICA OTTICA FISICA QUANTISTICA SeCiF Spiegare e Capire in Fisica MILANO TORINO PALERMO UDINE PAVIA NAPOLI Trento

64 METODOLOGIA UGUALE A QUELLA UTILIZZATA PER LA DIDATTICA DELLA FC
METODOLOGIA UGUALE A QUELLA UTILIZZATA PER LA DIDATTICA DELLA FC PARTICOLARE ATTENZIONE AI FATTI SPERIMENTALI CHE VANNO SCELTI ACCURATAMENTE SCELTA DI UN PERCORSO DIRETTO E RIPULITO DA CONSIDERAZIONI “POCO FISICHE” PRESENTAZIONE “SERIA” MA SEPARATA DI FATTI IMPORTANTI DI STORIA DELLA FISICA Trento

65 La Fisica “è una” e di essa dobbiamo fornire un quadro unitario.
Per questo motivo la distinzione e, in particolare la frattura tra Fisica Classica e Fisica Moderna non torna utile. E’ necessario superare la distinzione tra “Classico” e “Moderno” e sviluppare le conoscenze solo in base al tipo di fenomenologia e alla “profondità” della descrizione considerati. Trento

66 Non utilizziamo la cronologia della Fisica come sistema di riferimento rispetto al quale costruire tale quadro coerente Perciò presentiamo una ricostruzione logica delle conoscenze fisiche indipendente dalla ricostruzione fornita dalla “successione” dei fatti. Indipendente però non vuol dire in opposizione: in alcuni casi lo sviluppo storico delle idee coincide con la logica della nostra presentazione. Trento

67 La Fisica Quantistica non è equivalente alla Meccanica Quantistica
La Fisica Quantistica non è equivalente alla Meccanica Quantistica. Noi ci ispiriamo alla Teoria Quantistica dei campi La visione del mondo che scaturisce dalle due teorie è, infatti, diversa. La Meccanica Quantistica è l’adattamento del mondo newtoniano delle particelle puntiformi ai fenomeni quantistici mentre la Teoria Quantistica dei Campi è l’evoluzione della teoria dei Campi Classica per rendere conto della quantizzazione. L’oggetto primario di quest’ultima teoria è il campo e non le particelle Trento

68 La Fisica non è finita nei primi trent’anni del secolo scorso
Molte conoscenze acquisite nei 70 anni successivi sono utili per chiarire alcuni punti, altrimenti oscuri, delle teorie quantistiche. Perciò abbiamo preso in considerazione, per quanto possibile, tutto il ‘900 e non soltanto i sui primi 3 decenni (quindi “lavoriamo” anche esperimenti recenti). Trento

69 Schema CAMPI DI FORZA CONTINUI LA MATERIA COME UN CONTINUO OTTICA
Trento Grandi somiglianze tra il comportamento dei campi materiali e di forza (non ancora quantizzati). CAMPI DI FORZA CONTINUI LA MATERIA COME UN CONTINUO OTTICA E. M. PACCHETTI D’ONDA OTTICA MAT. EQ. ONDE E. M. EQ. ONDE MAT. I quanti emergono nelle descrizioni delle interazioni (sia per i campi di forza che per quelli materiali). Non c’è frattura tra FC e FM. INTERAZIONI E. M. E QUANTI INTERAZIONI CHIMICHE E QUANTI

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71 INTERPRETAZ. STATISTICA PARTICELLE COME QUANTI DEI CAMPI
Trento INTERFERENZA INTERPRETAZ. STATISTICA PARTICELLE COME QUANTI DEI CAMPI Il punto centrale e’ il concetto di campo quantizzato RELAZIONI DI HEISENBERG STATI STAZIONARI SPETTRI FRANCK-HERTZ Gli esperimenti giocano un ruolo centrale RUTHERFORD LIVELLI DI EN. STATO FOND DELL’ATOMO DI H STRUTTURA ATOMICA

72 ESEMPI SCHEMATICI… Trento

73 PROBLEMI DI AI QUALI STIAMO LAVORANDO Formazione insegnanti
ABBIAMO INDICAZIONI ABBASTANZA PRECISE DI COME SVILUPPARE UN PERCORSO “SIGNIFICATIVO” PROBLEMI DI AI QUALI STIAMO LAVORANDO Introduzione dello spin Formazione insegnanti Estensione alla fisica delle particelle Iniziale (SSIS) Lauree magistrali? … In servizio (SSIS ?) Continua (SSIS ?) Trento

74 I poeti dicono che la scienza allontani dalla bellezza delle stelle:
Nient’altro che globi di gas . Nient’altro? Anch’io posso vedere le stelle In una notte deserta e palpitare Ma vedo, io, di meno o di più? La vastità dei cieli colpisce La mia immaginazione; Bloccato su questa minuscola giostra Il mio piccolo occhio carpisce la luce Vecchia di milioni di anni… O col più grande occhio di Palomar Posso vedere le stelle Correre via l’una dall’altra, Allontanandosi da uno stesso punto Dove forse, erano tutte riunite assieme. Trento

75 Qual è lo schema, O il significato, O il perché? Non nuoce al mistero conoscerlo un po’. Perché la verità è di gran lunga più meravigliosa di quanto gli artisti del passato hanno mai immaginato! Perché i poeti del presente non ne parlano? R. Feynman Trento