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La difrazion otiche e modalitâts di aprendiment di bande dai students

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Presentazione sul tema: "La difrazion otiche e modalitâts di aprendiment di bande dai students"— Transcript della presentazione:

1 La difrazion otiche e modalitâts di aprendiment di bande dai students
Marisa Michelini, Alberto Stefanel Unitat di Ricercje in Didatiche de Fisiche DCFA, da l’Universitat dal Friul via delle Scienze 206, Udine, Italy

2 Passi del percorso didattico Contesto della sperimentazione
Introduzione Passi del percorso didattico Contesto della sperimentazione Materiali di Monitoraggio Data Conclusioni Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

3 1. Introduzione L’ottica fisica e la diffrazione in particulare dovrebbe essere un ambito rilevante nei curricoli della scuola secondaria superiore, almeno per tre diversi ordini di motivi: focus sul modello ondulatorio della luce (sulla natura dell luce) Raccordo tra fisica classica e fisica quantistica Rilevanza in molte applicazioni tecnologiche (laser; limite di risoluzione degli strumenti ottici) importanti anche nella vita quotidiana (puntatori laser, lettori CD e codici a barre, autovelox a laser) - Rilevanza in fenomenologie della quotidianità (diffrazione da piccole aperture, risoluzione dell’occhio umano, visione dei colori accostati (come nei quadri dei puntinisti) Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

4 Le ricerche sull’aapprendimento evidenziano diversi ordini di problemi:
La tendenza degli studenti ad usare il modello geometrico per interpretare fenomeni di diffrazione, o modelli ibridi o contraddittori in situazioni diverse (Ambrose et al. AJP, 1999), (Rabe, Mikelskis, Esera Conf. 2006) (Ambrose et al, AJP, 1999). Difficoltà a includere in uno schema coerente il concetto di fronte d’onda e il concetto di raggi (Colin, Viennot 2000) difficoltà a considerare un’onda come una perturbazione che si propaga e che consiste nello spostamento dall’equilibrio del mezzo in cui l’onda stessa si propaga (Wittmann 1996) Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

5 Onda come perturbazione che si propaga
Nello specifico della diffrazione ottica, i nodi disciplinari alla base di difficoltà di apprendimento: Onda come perturbazione che si propaga Fase, cammino ottico, concetto di fronte d’onda Ruolo interpretativo del principio di Huygens-Fresnel nel rendere conto della propagazione delle onde e dei fenomeni che esse determinano 1e2 Fare costruire un fronte d’onda con carta e matita 3.1 Chiedere agli studenti cosa si aspettando: sorta di onda stazionaria con i ventri e le creste nelle posizioni dei massimi di intensità Guardare le onde che si infrangono sul bordo finale dell’ondosopio e confrontarle con una figura generata da un laser su uno schermo 3.2 Fumo su raggi del laser Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

6 Affrontare le difficoltà degli studenti (Wosilait et al.; AJP, 1999)
Il valore multidimensionale dell’ottica fisica e I probelimi di apprendimemnto richiamati hanno indirizzato la ricerca a sviluppare proposte didattiche per: Affrontare le difficoltà degli studenti (Wosilait et al.; AJP, 1999) - Esplorare i fenomeni di diffrazione ottica usando oggetti tecnologici della quotidianità (Hudoba 1996) per realizzare semplici apparati (O’Connell, Phys. Teach., 1999; Moloney 1999; Beneson, Phys. Teach., 2000; Chaudhry e Morris 2000; Mirò, Pintò, Esera conf, 2001; Colin, Rodriguez 2002; Hernadez-Andres et al., AJP, 2002; Wheleer 2004; Vannoni, Molesini, AJP, 2004, Kezerashvili 2004), Analisi della fenomenologia usando sensori collegati in linea con l’elaboratore per costruire leggi descrittive, costruire ponti verso il piano interpretativo (Hirata, Girep conf., 1986; Bunch, AJP, 1990; Giugliarelli et al. 1994; Michelini 1999; Ouseph et al., AJP, 1999; Easton, Phys.Teach., 2001; Hinrichsen, AJP, 2001; Chauvat et al. 2003; Grove 2003). Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

7 La proposta didattica mira a tre obiettivi:
Il nostro approccio consiste nel costruire le leggi empiriche attraverso l’esplorazione della fenomenologia con sensori collegati in linea con l’elaboratore Costruire modelli basati su principi primi, utilizzzando il principio di Huygens per riprodurre le distribuzioni osservate sperimentalmente in situazioni via via più complesse 8da singola fenditura, da doppia fenditura, la n fenditure, ba bordo, da un ostacolo sottile La proposta didattica mira a tre obiettivi: Rendere familiari con i tipici fenomeni dell’ottica fisica Guadagnare nel processo di costruzione di modelli Avere esperienza nel processo di costruzione di interperatzioni, imparare a formulare ipotesi e confrontarle con gli esiti sperimentali Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

8 I passi del percorso didattico sulla diffrazione ottica
0 – Attività preliminari Evidente in molte situazioni Al bordo di uno schermo In un piccolo foro praticato in uno scermo Con una o più fenditure Con un reticolo di diffrazione Mono o bidimensionale Fenomi di diffrazione Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

9 I passi del percorso didattico sulla diffrazione ottica
0 – Attività preliminari Evidente in molte situazioni Fenomi di diffrazione Anche nell’arte Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

10 I passi del percorso didattico sulla diffrazione ottica
? 1-2 cm Previsione B) Esperimento C) Confronto ? 1 mm D) Per rendere conto di cosa hai ssrevato nel caso della fenditura da 1 mm: Come devi modificare le tue ipotesi alla base delle previsioni? Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

11 I passi del percorso didattico sulla diffrazione ottica
Per la situazione in cui la luce di un laser incide su una fenditura di 0,24 mm ? 0,24 mm A) Prevedere la distribuzione dell’intensità di luce sullo schermo B) Effettuare l’esperimento C) Confrontare previsione ed esperimento. Discutere ipotesi alla base della previsione D) Analisi qualitativa della distribuzione di diffrazione (Symmetria; distanze tra minimi, distanze tra massimi, cobfrobto tra intensità dei massimi, altri aspetti d’interesse I (x) E) Prevederee la distribuzione dell’intensità di luce ? x Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

12 I passi del percorso didattico sulla diffrazione ottica
al PC Effettuare la misura con l’uso di sensori on-line e Analizzare la distribuzione di intensità luminosa Gervasio M, Michelini M (2009) Lucegrafo. A Simple USB Data Acquisition System for Diffraction Experiments, MPTL14 Proceeding, CD-ROM and Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

13 I passi del percorso didattico sulla diffrazione ottica
Analisi quantitativa della distribuzione di intensità di luce Xm vs m XM vs M xM vs IM Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

14 I passi del percorso didattico sulla diffrazione ottica
x x0 L Q D Posizione MINIMI Posizione MASSIMI Intensità dei massimi vs ordine dei minimi vs ordine dei massimi vs posizione dei massimi If D>> a  L D Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

15 I passi del percorso didattico sulla diffrazione ottica
Modellizzare sulla base del principio di Huygens e fit dei risultati sperimentali previsti sulla base di un modello basato sul principio di Huygens-Fresnel. Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

16 Classi di medio livello (da valutazione nsegnante di classe)
Sperimentazioni in scuole con 85 studenti, usando tutorial basati su strategie Inquiry Based Learning e pre-test, post-test. Qui si documenta una sperimentazione realizzata con 29 studenti (due classi di 14 e 15 studenti del Liceo Scientifico di Tarvisio) Classi di medio livello (da valutazione nsegnante di classe) Nessuna esperienza in laboratorio Non trattata l’ottica geometrica nel percorso scolastico Studente di solito abituati a ricercare su Internet informazioni riguardanti gli argomenti in studio a scuola Attività proposta: 4 ore di attività laboratoriali condotte in gruppi di 4-5 students. Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

17 Domande di Ricerca RQ1: Come descrivono gli studenti i fenomeni di diffrazione che si riconoscono nella quotidianità? RQ2: Quale è il ruolo dell’esplorazione qualitativa di fenomeni di diffrazione in situazioni di vita quotidiana e semplici situazioni sperimentali? RQ3: Quale è il ruolo di un’analisi quantitativa della figura di diffrazione di luce laser da singola fenditura? Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

18 IBL Tutorial worksheets (PEC cycles)
Strumenti di monitoraggio IBL Tutorial worksheets (PEC cycles) WS1) riconoscimento della diffrazione Principali caratteristiche in situazioni della quotidianità Analisi qualitativa della figura di diffrazione di luce laser filtrata da una fenditura di largezza a WS2) EXP: posizione dei minimi vs ordine dei minimi WS3) EXP posizione dei massimi vs ordine dei massimi; WS4) EXP: intensità dei massimi vs posizione dei massimi WS5)EXP: differenti larghezze a, a’ e a’’ e differenti distanze WS6) modeling e fit dei dati con modello Analisi qualitativa Esperimenti On line Modeling Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

19 Pre/Post Test Strumenti di monitoraggio
Come cambiano le concezioni degli studenti sulla diffrazione ottica (estensione e intensione dei concetti esplorati) 9 quesiti (Q1-Q9) – con 2-3 domande Q1-2-3: diffrazione nei fenomeni quotidiai Q4-5-6: analisi qualitativa di figure di distribuzioni di diffraction prodotte da luce diffratta da aperture di diversa larghezza (1-2 cm e 1 mm o meno) Q7: analisi di immagini che riproducono effettive distribuzioni di diffrazione Da singola fenditura (larghezza 0,2 mm) Q8 elaborazione di dati sperimentali riguardanti intensità e posizione di massimi Q9 Immagini di diffrazione e richiesta di rappresentare la distribusione di intensità in funzione della posizione in funzione delle diverse larghezze di fenditura usate Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

20 Metodologia Analisi delle domande aperte secondo I criteri della ricerca qualitativa (Erickson, F. 1998; Niedderer, H. 1989; Stephanou A., 1999) Risposte interpretative vs risposte descrittive Modelli sottesi alle interpretazioni Riferimenti concettuali utilizzati Tipiche risposte degli studenti Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

21 Perdita di definizione Bordi sfuocati Luce sfuocata, oscurata (7/29)
WS1.1 Observe a light source through the gap formed between two fingers placed very close. Describe/illustrate.. Linee // ai bordi 16/29 Perdita di definizione Bordi sfuocati Luce sfuocata, oscurata (7/29) Raggi o fasci diffusi (2/29); La pelle delle dita sembra fondersi o le linee tendono a fondersi (4/29); Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

22 WS1.2 Situazioni: luce che passa attraverso una fenditura da 5-10 mm e una <1 mm.
Prevedere che cosa ti aspetti di osservare sullo schermo S. Spiegare e illustrare Previsione Fenditura Larga (2 cm) Fenditura stretta (<1 mm ) N Luce allargata Luce meno larga 14 La luce rimane la stessa La luce si espande 7 La luce si espande verticalmente (nella stessa direzione della fenditura) 6 Più linne all’interno 2 Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

23 (21/29) Allargamento  alla fenditura Ponti/linee (7/29). Esperimento
WS1.2 Situazioni: luce che passa attraverso una fenditura da 5-10 mm e una <1 mm. Effettuare l’esperimento. Riportare ciò che si osserva e illustrare con uno schizzo Esperimento (21/29) Allargamento  alla fenditura Ponti/linee (7/29). Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

24 Il riconoscimento che si tratta di un nuovo fenomeno osservato
L’”allargamento” della distribuzione di luce è l’aspetto maggiormente evidenziato Ciò si accompagna al fatto che, la richiesta di spiegare il modello alla base delle loro previsioni e spiegare il disaccordo con le osservazioni sperimentali produce solo l’ammissione “non avevo previsto l diffrazione” Il ciclo PEC: Attiva la competenza di prevedere adegatamente le figure di diffrazione Il riconoscimento che si tratta di un nuovo fenomeno osservato Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

25 14 studenti: si crea una successione di linee/punti
C) Quando gli stduenti hanno effettuato previsioni sulla distribuzione di intensità prodotta dalla luce che ha attraversato una fenditura molto sottile (0,24 mm): 14 studenti: si crea una successione di linee/punti 12 allargamento della luce 3 nessuna previsione Osservazione sperimentale: 22: si ha la formazione di una successione di linee/punti 7 di nuovo solo un allargamento Il riconoscimento dell’allargamento della distribuzione di intensità sembra precedere quello del riconoscimento della struttura a massimi/minimi della distribusione Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

26 D) Previsione della distribuzione di intensità per feditura dii 0,2 mm
4/12 12/29 2/29 14/29 1/29 NR Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

27 D) Previsione della distribuzione di intensità per feditura dii 0,2 mm
10/29 Linee // al bordo 16/29 12/29 4/12 2/29 7/29 11/29 14/29 Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

28 28/29 1/29 Rappresentazioni del grafico sperimentale
Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

29 28/29 1/29 Rappresentazioni del grafico sperimentale Previsioni
Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

30 28/29 1/29 Rappresentazioni del grafico sperimentale Esperimento
Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

31 Analisi della posizione dei minimi vs m effettuata dagli studenti
Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

32 Analisi della posizione dei massimi vs M effettuata dagli studenti
Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

33 Analisi dell’intensità dei massimi in funzione della loro posizione effettuata dagli studenti
Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

34 Q. Everyday situations where you find diffraction phenomena
Information emerging from post- test (administered by teacher in un-controlled way): Q. Everyday situations where you find diffraction phenomena Almost all: examples as that explored during the educational sequence (1 of them “always when light encounter an obstacle”) 9 colored light produced by CD-rom. Or butterlay wings (see wikipedia in Italian) 5 recall refraction phenomena (see wikipedia in Italian) Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

35 Q. Situazioni della vita quotidiana in cui è evidente la diffrazione
Informazion che emergono dal test (somministrato dall’insgenante in modo non controllato) Q. Situazioni della vita quotidiana in cui è evidente la diffrazione Quasi tutti: esempi tipo di fenomeni esplorati nel percorso didattico (uno di essI: “sempre quando la luce incontra un ostacolo”) 9: la luce colarta prodotta dai CD, dalle ali di una farfalla (si veda wikipedia in Italiano) 5: richiamano il fenomeno della rifrazione (si veda wikipedia in Italiano) Representazioni di una tipica distrubuzione di diffrazione La maggiorparte riporta uan sequenza di punti e traccia una distribuzione qualitativamente simile a quella osservata sperimentalemente come quelle illustrate In singoli casi: Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

36 Sperimentazioni nelle scuole. corretto andamento qualitativo (>80%)
Dati comuni all’insieme degli studenti di tutte le sperimentazioni (N=85) Sperimentazioni nelle scuole. corretto andamento qualitativo (>80%) relationi tra posizione massimi/minimi position – n ordibe (80%) relazione tra intensità e posisione mssimi (60%) inverse relations (I=k/(xM-x0)2) (40%) inverse relations I=k/(xM-x0) Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

37 Conclusioni RQ1: Come descrivono gli studenti i fenomeni di diffrazione che si riconoscono nella quotidianità? Più frequentemente come “allargamento” della luce, piuttosto che come successione di massimi e minimi (spetto che emerege successivamente) In qualche sporadico caso nelle descrizioni viene utilizzato il concetto di raggio In qualche caso. La diffrazione è associata alla formazione dei colori (non distinta da rifrazione) Modifica del percorso didattico: Includere l’osservazioen qualitativa di differenti situazioni in cui si ha diffrazione … …ma anche situazioni in cui NON si ha diffrazione Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

38 Conclusions RQ2: RQ2: Quale è il ruolo dell’esplorazione qualitativa di fenomeni di diffrazione in situazioni di vita quotidiana e semplici situazioni sperimentali? L’esplorazione fenomenologica influenza il modo con cui viene effettuata l’analisi delle misure sperimetali e l’impatto che detta analisi ha sulle concezioni degli studenti Modifica del percorso didattico Più tempo e attenzione all’esplorazione fenomenologica e alla discuzzione di ipotesi alla base delle prevsioni Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

39 Conclusions RQ3: Quale è il ruolo di un’analisi quantitativa della figura di diffrazione di luce laser da singola fenditura? Aspetti caratteristici del fenomeno della diffrazione (differente attenzione degli aspetti rilevanti) Dalla regolarità della distribuzione  come descriverla? Il ciclo PEC, l’analisi della distribuzione I=I() attiva un cambiamento nl modo con cui gli studenti osservano la fenomenologia della luce, nella capacità di effettuare prevsiioni corrette… Ma non attiva (in modo generalizzato) la necessità di un cambiamento di modello sulla natura della luce. Un’attività di modeling e fit di dati con modello può aiutare gli studenti a cambiare il proprio paradigma sulla natura della luce Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

40 Grazie dell’attenzione
F Corni, V Mascellani, E Mazzega, M Michelini, G Ottaviani, A simple on-line system employed in diffraction experiments, in Light and Information, Girep book, L C Pereira, J A Ferreira, H A Lopes Editors, Univ. do Minho, Braga 1993 Michelini M, Stefanel A, Santi L (2004) Teacher training strategies on physical optics: experimenting the proposal on diffraction, in Quality Development in the Teacher Education and Training, Michelini M ed., selected papers in Girep book s, Forum, Udine [ISBN: ], pp Michelini M, Stefanel A (2007) Interpreting Diffraction Using the Quantum Model, selected papers in Modelling in Physics and Physics Education, Van den Berg E, Ellermeijer T, Slooten O eds., selected papers in GIREP publication, University of Amsterdam, Amsterdam, [ ], pp and in Gervasio M, Michelini M (2009) Lucegrafo. A Simple USB Data Acquisition System for Diffraction Experiments, MPTL14 Proceeding, CD-ROM and V.Mascellani, E.Mazzega, M.Michelini, L'elaboratore on-line per lo studio di figure di diffrazione ottica, Ricerche in Didattica della Fisica, Atti del VII Convegno Nazionale GNDF, Pavia 1988, pag.251 V.Mascellani, E.Mazzega, M.Michelini, Un sistema per esperienze di ottica on-line e indicazioni per attività didattiche nello studio della diffrazione ottica, La Fisica nella Scuola, XXV, 1 (Speciale congiunto AIF-SIF), p.132 Michelini M (2010) Diffrazione: appunti a supporto dell’attività sperimentale, in Proposte didattiche sulla fisica moderna, Strumenti per una didattica laboratoriale, Michelini M ed., MIUR-PLS-UniUD, Udine [ISBN ], pp Michelini M, Stefanel A, Santi L (2002) Un percorso di esperimenti con sensori on-line in ottica fisica, in Nuovi obiettivi, curricoli e metodologie nella didattica della matematica e delle scienze, V Dileo, R Fazio, G Leoci eds, ADT, Bari, p.146 Michelini M, Santi L, Stefanel A (2006) Esperimenti e modelli in ottica fisica per l’innovazione didattica e la formazione degli insegnanti, in Incontri di discipline per la didattica, Griggio C ed., Franco Angeli, Milano (Italy) [ISBN:  ], pp Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE Grazie dell’attenzione


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