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Uso di immagini nella didattica della fisica

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Presentazione sul tema: "Uso di immagini nella didattica della fisica"— Transcript della presentazione:

1 Uso di immagini nella didattica della fisica
Gabriella Monroy Dipartimento di Scienze Fisiche. Università di Napoli “Federico II”

2 In questo seminario Situazione
Immagini “statiche” (su carta) e “dinamiche” (web, gif, ..). Questioni di ricerca Immagini statiche: efficacia didattica. Risultati di ricerca Immagini dinamiche. Risultati di ricerca Proposte didattiche per superare difficolta’ di apprendimento con uso di Cabrì Geomètre

3 Immagini e libri di testo
Vecchi libri di testo: molto testo, formule. Poche immagini perlopiù schematiche Nuovi libri (Amaldi, Hallyday e Resnick, Advancing Physiscs): il rapporto immagine/testo è molto piu’ alto.

4 Ieri… (1788) On ne trouvera point de Figures dans cet Ouvrage. Les méthodes que j'y expose ne demandent ni constructions, ni raisonnement géométriques ou mécaniques, mais seulement des opérations algébriques, assujetties à une marche régulière et uniforme J.L. Lagrange - Mécanique Analytique Oggi… (2000) U. Amaldi – Introduzione alla fisica Non sempre le immagini sono state considerate un mezzo di comunicazione nell’ambito della comunicazione scientifica. Sommerfeld riferisce che Lagrange era “orgoglioso che nel suo lavoro non vi fosse nemmeno un’immagine” (trova il riferimento)

5 Ragioni delle scelte Ieri
Sommerfeld riporta nel suo “Lectures on Theoretical Physics” che Lagrange era molto fiero del fatto che “nel suo lavoro non veniva usata neppure una figura” Oggi Convinzione che le immagini possono trasmettere la conoscenza disciplinare più efficacemente che attraverso il testo.

6 Premessa e … domande di ricerca
Nella comunicazione scientifica e in particolare nell’insegnamento il linguaggio naturale, quello visuale e quello formale sono compresenti E’ efficace la comunicazione che fa uso del linguaggio visuale? La conoscenza che trasmettono le immagini è sempre coerente con la conoscenza disciplinare? Risultati di ricerca in questo campo le immagini possono: Facilitare l’apprendimento Rinforzare difficolta’ o misconoscenze

7 Non tutto è semplice come sembra
STTIS (Science Teacher Training in an Information Society) Ricerca Attitudini Difficoltà La ricerca in STTIS è stata: qualitativa trasversale, cioè condotta in vari contesti Ha coinvolto Spagna, Francia, Italia, UK, Norvegia Attitudini generali degli studenti quando si trovano di fronte un’immagine con contenuto scientifico Difficoltà legate ad aspetti specifici delle immagini Risultati Lista Attitudini Categorie di difficoltà

8 “Ricorso a schemi di ragionamenti errati”
Attitudini nella lettura delle immagini “Ricorso a schemi di ragionamenti errati” “Lettura narrativa” “Uso della conoscenza pregressa” 1) Tendenza a dare una lettura narrativa delle immagini, cioè interpretarle come se avessero una struttura tipo storia. Gli studenti sembrano dare una rilevanza eccessiva ad elementi come “frecce” e/o alla disposizione degli elementi grafici (da sinistra a destra, dall’alto in basso, ecc.). Di conseguenza, il “tempo” è presente in molte descrizioni fatte delle immagini. 2) Di fronte a documenti che non includono informazioni sufficienti per interpretarli correttamente, gli studenti spesso ricorrono a ragionamenti che spesso mostrano una mancanza di conoscenza disciplinare 3) Quando le rappresentazioni iconiche presentano difficoltà interpretative, gli studenti basano la lettura dell’immagine sulla loro conoscenza pregressa che, in alcuni casi è alternativa a quella scientifica. Di conseguenza l’immagine non fornisce agli studenti alcuna informazione nuova né alcun concetto nuovo 4) Spesso, le interpretazioni degli studenti non tengono conto del significato concettuale degli elementi grafici di un’immagine “Non vedere oltre l’apparenza grafica”

9 Equivalente linguistico: verbi di azione
Narrativa Sono narrative quelle immagini che rappresentano azioni, eventi, processi di cambiamento e disposizioni spaziali transitorie. Le rappresentazioni narrative sono usualmente utilizzate per rappresentare processi tecnici (procedure sperimentali) o naturali (il ciclo del carbonio). L’equivalente linguistico di queste immagini sono i verbi d’azione Processi; procedure Equivalente linguistico: verbi di azione

10 “Non vedere oltre la forma del grafico”: camminata sensore di moto
Correlare fenomeno e rappresentazione grafica Per interpretare l’immagine occorre: Correlare le due rappresentazioni ed i grafici rappresentati (INT) Correlare rappresentazioni astratte (i grafici) con fenomeni reali (le camminate) (R/A) Elementi che possono creare difficoltà sono: La forma dei grafici s(t) che può indurre a pensare che sia stato rappresentato il moto di due persone che camminavano salivano e scendevano I “bozzi” dei grafici v(t) possono essere visti come irregolarità dell’apparato di misura e non interpretati come passi

11 Uso didattico di immagini statiche e animate.
Contenuto: Le onde. 1. Risultati di ricerca sulle difficoltà di apprendimento Cenni difficoltà indotte da immagini statiche: modello geometrico della luce 2. Sequenze didattiche che facilitano l’apprendimento Immagini animate: le onde in acqua

12 1. Onde: risultati di ricerca
Difficoltà degli Studenti (Arons, 1990; Grayson, 1996; Wittmann, 1999, 2002) Distinguere la perturbazione del mezzo e la propagazione Comprendere cosa trasporta un’onda Distinguere “cosa si propaga” e “cosa oscilla” Identificare le variabili che caratterizzano un’onda (ampiezza, frequenza, lunghezza d’onda); Comprendere la relazione fra velocita’ di propagazione e propretà del mezzo Studiare onde non armoniche (es. Impulsi) Research in physics education has investigated (clic) students’ difficulties about wave propagation, and here are some of the results. From this list I would like to focus your attention on separating what propagates from what oscillates and on the identification of physical variables which characterize the wave propagation (as wavelength). FORSE SI PUO’ TOGLIERE

13 Cenni a difficoltà indotte dalle immagini. Modello geometrico in ottica
Il modello dell’ottica geometrica. Fronti d’onda, raggi … Immagini statiche

14 Risultati di ricerca “Students give a prominent value to real world elements, transferring their everyday role/function to the interpretation of the image. As a consequence, iconic elements intended to be a metaphor end up with connotations added to them, especially in the case of younger students (e.g. Materialized rays) On the other hand, for older students, these iconic elements seem to facilitate the interpretation of the associated abstract images” (Viennot et al.)

15 2. Sequenze di insegnamento (basate su risultati di ricerca) che facilitano l’apprendimento
Fazio C., Guastella I., Sperandeo-Mineo RM, Tarantino G. “Modelling Mechanical Wave Propafgation: Guidelines and Experimentation of a Teaching Learning Sequence” IJSE in press

16 Immagini che favoriscono l’apprendimento
Immagini che favoriscono l’apprendimento. Onde in acqua e modello geometrico Oggi....molti corsi web con applets java, gif animate and clips Aiutano a comprendere la natura “dinamica” del processo ondulatorio Sono facilmente reperibili Interattività MA….. Non aiutano a comprendere il modello soggiacente Possono causare difficoltà

17 Immagini dal web

18 Approccio di modellizzazione attraverso le immagini
Integrazione experimenti e supporti multimediali Ondoscopio (PSSC) Cabrì® Géomètre Taking into account what has been said above, we have developed a modelling images approach for the teaching of wave phenomena. We rely on our previous experience with ICT and the teaching of wave propagation. The approach aims at integrating experiments and multimedia, using the ripple tank and a dynamical geometry software as the well known Cabrì Geometre

19 Procedimento Here, the procedure is shown: we start from a classic ripple tank apparatus, which you all are acquainted with, then we have shoot a digital photo of the image on the screen. The digital photo, possibly treated by means of an image editor software, is then imported in Cabrì and we can draw lines, points, or whatever we want on it. Il modello ondulatorio. Un ondoscopio. L’onda e’ prodotta sulla vaschetta e poi, grazie ad un sistema ottico, la vediamo “ferma” sullo schermo traslucido. Come se stessimo guardando la rappresentazione a t fissato dell’onda. Non vediamo la propagazione. L’immagine sullo schermo presenta delle caratteristiche che vogliamo sfruttare per comprendere aspetti generali e fondamentali della propagazione delle onde (in questo caso in acqua).

20 Approccio “Da Reale a Ideale”: le caratteristiche dell’immagine
Fasi Obiettivo Onde in acqua poco profonda RENDERE PLAUSIBILE IL MODELLO GEOMETRICO DELLA PROPAGAZIONE ONDULATORIA Regolarita’ onde “ferme” sullo schermo Regole foto digitali su Cabri’

21 Modello geometrico Grandezze fisiche Modello sorgenti fronti d’onda
lunghezze d’onda Modello punti circonferenze/piani segmenti (clic) Here are some basics facts about the modelling of water waves. The model is essentially geometrical (clic) with sources represented by points, (clic) wavefronts represented by circles and planes, (clic) wavelength defined as the distance between two consecutive wavefronts, is represented by a segment whose length is equal to such distance. (clic) The main physical laws are expressed by means of equations (clic) which relate angles (clic) or distances (clic) [andare veloce]

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23 Onde circolari

24 Interferenza due sorgenti
Modello geometrico Fenomeno Legge riflessione rifrazione (clic) Here are some basics facts about the modelling of water waves. The model is essentially geometrical (clic) with sources represented by points, (clic) wavefronts represented by circles and planes, (clic) wavelength defined as the distance between two consecutive wavefronts, is represented by a segment whose length is equal to such distance. (clic) The main physical laws are expressed by means of equations (clic) which relate angles (clic) or distances (clic) [andare veloce] Interferenza due sorgenti

25 Il software Cabrì® Géomètre
Disegnare oggetti geometrici: punti, rette, cerchi … Misurare distanze e angoli, Verificare condizioni di parallelismo, ortogonalita’….

26 Lunghezza d’onda (onde piane)

27 Lunghezza d’onda: Onde circolari

28 Quindi…. i valori medi sono circa uguali (nel caso delle immagini riportate λ = 1.24 cm +,- 0,03. La lunghezza d’onda è indipendente dalla forma del fronte d’onda. “Spesso infatti gli studenti, focalizzando l’attenzione sulla forma del fronte d’onda (attrattore cognitivo), non riconoscono che la lunghezza d’onda dipende dalla frequenza dell’onda e dal mezzo in cui essa viaggia, che nei casi proposti e’ l’acqua Inoltre spesso gli studenti confondono periodo e lunghezza d’onda. Per rendersi conto di questo si puo’ proporre di ripetere gli esperimenti facendo propagare le onde in fluidi diversi: olio” …

29 Interferenza due sorgenti puntiformi
Fenomeno Modello Creste Cerchi blu Valli Cerchi rossi Intersezione rosso-blu Posizioni nodali Another example is the interference from two point-sources. Students’ attention should be focused on crests (darker strips), troughs (lighter strips), the anti-nodal positions (where water undergoes maximum disturbance) and the nodal positions (where water is at rest). Note that it is very difficult to distinguish nodes and anti-nodes with the naked eye. In our example, frequency is 50 Hz (clic) Let us superimpose the model: (clic) we have blue circles that represent crests… (USARE IL PUNTATORE) (clic) …the red circles that represent troughs (clic) .. and we can mark the intersection between red and blue circles for nodes (clic) .. and the intersection between only red circles and only blue circles Intersezioni rosso-rosso o blu-blu Posizioni anti-nodali

30 Interferenza due sorgenti puntiformi: pattern geometrici
The construction results as in the following image (clic) where the intersection between red and blue circles (nodes) are indicated by crosses and jointed by segments. The broken lines are the well known nodal lines. In the same way, marking the intersection between red circles and between blue circles, we have (clic) the following image in which the intersection points are squares jointed by green segments. The resulting broken lines are the well known anti-nodal lines. Let me call your attention on the fact that the central antinodal line naturally arises here as the straightest line, and also as simmetry axis for all the other lines. Nodes and nodal lines Antinodes and anti-nodal lines

31 Vantaggi dell’approccio
Effettuare misure quantitative Coinvolgere gli studenti in attivita’ di modellizzazione Comprendere il modello geometrico The key advantages are here expressed: to overcome the main problems with the ripple tank apparatus (mainly demonstrative, students rarely make their own explorations, difficulties in arranging several apparatuses at the same time, difficulties in paper/pencil reproduction of images on screen); to exploit the possibilities offered by Cabrì which allows to draw and to manipulate geometric entities directly on the images. It allows also measurements of angles and distances hence making the experiments quantitative; to improve students’ engagement in modelling activities; to increase teachers’ use of a multi-purpose ICT tool as Cabrì.

32 Conclusioni L’uso di immagini “dinamiche” e’ utile per affrontare difficolta’ di apprendimento sulle onde. Cabrì® puo’ aiutare a connettere le proprieta’ matematiche con il modello fisico Il metodo puo’ essere usato anche in altri ambiti (misura di e/m) Some conclusions. (clic) We have shown how wave phenomena can be modeled by means of an images-based approach. (clic) Cabrè may help bridge mathematical and physical modelling. (clic) We plan to use the approach to model reflection and refraction phenomena and also we are carrying out measurement of e to m ratio. (clic) Finally, we will carry out the experimentation of a tutorial based on the modelling images approach in a teacher training intervention. Occorre controllare, nell’insegnamento, che le immagini che si usano inviino il messaggio disciplinare corretto. Disegnare sequenze didattiche che usino le immagini in modo appropriato.

33 REFERENZE Ametler, J. and Pintò, R. (2002). Students’ reading of innovative imagses of energy at secondary school level. Int. J. Sci. Educ., 24, 3, Colin, P., Chauvet F. and Viennot, L. (2002). Reading images in optics: students’ difficulties and teachers’ views. Int. J. Sci. Educ., 24, 3, Dimopoulos K., Koulaidis V. and Sklaveniti S. (2003). Towards an Analysis of Visual Images in School Science Textbooks and Press Articles about Science and Technology. Research in Science Education –216. Kress, G. and van Leeuwen, T. (1996) Reading Images: the Grammar of Visual design (London: Routledge and Kegan Paul) Lemke, J.L "Multiplying Meaning: Visual and Verbal Semiotics in Scientific Text" in J.R. Martin & R. Veel, Eds., Reading Science. London: Routledge. Lemke J.L. (1998) Teaching All the Languages of Science: Words, Symbols, Images, and Actions [Unpublished Paper] Stylianidou, F., Ormerod, F. and Ogborn, J. (2002). Analysis of science textbook pictures about energy and pupils’ reading of them. Int. J. Sci. Educ., 24, 3, Simanek D. E. Tidal Misconceptions. Testa, I., Monroy, G., Sassi, E. (2002). Students’ Reading Images in Kinematics: The Case of Real-Time Graphs. Int. J. Sci. Educ., 24, 3, Testa, I., Lombardi S., Monroy, G., Sassi, E. (2004). Dynamic images to address conceptual nodes about mechanical waves. Example materials and preliminary results of the experimentation of the teacher trainin module IMAGONDE Il Nuovo Cimento., 7, 5,

34 Siti Onde http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/viewtopic.php?t=29
moto onde trasversali onde longitudinali stazionarie riflessione lente che ruota polarizzazione filtro polarizzazione filtro risonanza ampiezza e periodo onde trasversali immagini animate realizzate con Cabri Onde réfléchie et onde stationnaire 2 onde 2 impulsi sovrapposizione impulsi interferenza sovrapposizione battimenti foto interferenza onde acqua

35 Errore di sensibilita’ Cabri
Si misura prima la lunghezza di un segmento espressa in cm e la si traduce in c.u (mettere un righello). Esempio h1 =13,71 c.u. h2 = 13,71 c.u per due segmenti che hanno misure reali (in cm) r1 e r2 Se n1 e’ la lunghezza in pixel di un segmento h1 (c.u.), per il caso considerato n1 =522px, mentre h2 (c.u.) ha lunghezza n2 = 511px. Se assumiamo che il minimo spostamento che può essere fatto in cabri e’ di 1 px, allora la distanza minima che puo’ essere stimata in c.u. e’ h1 / n1 = h2/ n2 = 0,03 c.u = δ Misura in cabri (h +- δ)

36 Interferenza due sorgenti puntiformi
(clic) After identifying nodal points, for example, we can estimate (clic) for each of these points the distances to the two sources and hence their difference (called the “path difference”). (clic) Qualitative, “naked eye”, comparison amongst path differences for each node can be made by means of the Cabrì function “measure transport”.

37 Interferenza di due sorgenti puntiformi:
Also quantitative mathematical model can be built up by students; as far as two the point-sources interference, one expects a linear relationship between the path difference and whole numers (for anti-nodes), half numbers for nodes. The slope is the wavelength in c.u. The graph shows the regression lines for nodal point above and under the antinodal line. The same procedure can be implemented for nodes obtaining the following (clic) graphs. The final estimation of lambda is (clic) with 0.9% accuracy.

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