Karwasz G, Engstrom V, Michelini M, Viola R (2009) I materiali didattici del progetto europeo Mosem, LFNS, XLII, 3-sup, pp.140-150

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I materiali didattici del Progetto europeo Mosem

Grzegorz Karwasz1, Vegard Engstrom

2 , Marisa Michelini

3, Rossana Viola

3,

1Dipartimento di Fisica dell’Univerità di Torun, Polonia

2Simplicatus AS, Norvegia

3Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Udine, Italia

Introduzione

Al progetto del programma Leonardo da Vinci dell’Unione Europea MOSEM (Minds-On

Experimental Equipment kits in Superconductivity and ElectroMagnetism for the continuing

vocational training of Upper Secondary School Physics Teachers) aderiscono partner di 15 Paesi

diversi. L’Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Udine è il responsabile

italiano. Il progetto è finalizzato a promuovere l’innovazione didattica in fisica utilizzando i risultati

dei Progetti Supercomet e Supercomet2.

Fig 1. Il logo del Progetto MOSEM

Molti sono i materiali prodotti nel progetto: kit di esperimenti Minds-On, applicazioni multimediali

fortemente interattive – con video, animazioni, riferimenti bibliografici.. - , una guida per

l’insegnante. Essi costituiscono la base di riferimento per le scuole, i partner gli insegnanti coinvolti

nell’innovazione didattica sui temi dell’elettromagnetismo e della superconduttività, che il progetto

propone. La sperimentazione che si svolgerà nell’anno scolastico 2008-’09 è sostenuta da 4

tipologie di seminari, percorsi didattici, che seguono diverse impostazioni: quella delle proprietà

elettriche, quella delle proprietà magnetiche, quella dell’energia, in forme differenziate per biennio

e triennio di scuola superiore. Diverse metodologie di insegnamento attivo sono suggerite al fine di

facilitare motivazione e apprendimento attivo dei ragazzi.

2. I materiali del progetto

2.1 La guida per l’insegnante

Una ricca guida per gli Insegnanti è il risultato di un lavoro biennale di selezione e messa a punto di

materiali prodotti a seguito delle sperimentazioni pilota nei progetti europei Supercomet 1 e 2. Essa

è organizzata nei seguenti capitoli: 1) Una introduzione su come insegnare la superconduttività con

SUPERCOMET2 e sull’uso delle TIC nell’insegnamento delle scienze; 2) Le TIC

nell’insegnamento delle scienze che suggerisce alcuni modi di utilizzare le TIC in classe; 3) La

Fisica della superconduttività, che descrive teoria e modelli interpretativi; 4) Alcuni esempi di

moduli, con prerequisiti, obiettivi e test sulle conoscenze; 5) Esempi di attività con i materiali del

progetto e proposte di lezioni; 6) Carrellata degli esperimenti low-tech e high-tech messi a punto

durante il progetto, descrizione delle tipologie di seminario di formazione per gli insegnanti; 7)

Alcuni suggerimenti per la valutazione e alcuni commenti di insegnanti e studenti; 8) Ulteriori

risorse: testi che trattano il tema, risorse in web, materiali on-line..

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2.2 Le applicazioni multimediali

Le applicazioni multimediali (Fig. 2) si snodano in un percorso di nove moduli: Magnetismo,

Conduzione elettrica, Induzione elettromagnetica, Introduzione alla superconduttività, Spiegazione

della superconduttività, Materiali superconduttori, Attività coi superconduttori, Applicazioni, Storia

della superconduttività.

Il gruppo di applicazioni multimediali è fruibile all’indirizzo http://online.supercomet.no.

Fig. 2.a. La schermata di accesso ai moduli

Esso offre una serie di strumenti utili sia allo studente che naviga autonomamente tra i moduli che

all’insegnante che progetta e costruisce un percorso didattico utilizzando in maniera libera e

flessibile tutti gli strumenti a sua disposizione, da quelli più tradizionali a quelli multimediali. Ogni

schermata dell’applicativo consiste di una animazione interattiva e di una parte di testo esplicativa

che guida lo studente sia al pieno utilizzo delle potenzialità della animazione che ad una profonda e

consapevole comprensione dei fenomeni e dei concetti coinvolti. Sono disponibili vari tasti per la

navigazione diretta tra i moduli, la possibilità di segnare (Bookmarks) pagine per poi ritrovarle

velocemente più tardi, e varie Risorse per l’attività dei ragazzi: risposte alle Faq di studenti, un

Glossario con la spiegazione dei concetti notevoli coinvolti, accesso a documenti di testo, video e

audio supplementari, filmati di esperienze, Referenze con links utili, testi, articoli che trattano il

tema. La traduzione dei materiali nelle lingue dei Paesi coinvolti nel progetto è ormai conclusa e

permette di lavorare in lingua madre, se lo si desidera.

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Fig. 2.b. Ogni schermata consiste di una animazione interattiva e di una parte di testo esplicativa

Fig. 2.c. Gli strumenti e le funzioni offerti dall’applicativo

I tasti per la navigazione diretta tra i moduli Bookmarks, risposte alle Faq di studenti, un

Glossario con la spiegazione dei concetti

notevoli coinvolti

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Accesso a documenti di testo, video e audio

supplementari, filmati di esperienze,

Referenze con links utili, testi, articoli che

trattano il tema

L’applicativo è disponibile in tutte le lingue

dei paesi partner del progetto

2.3 Il kit di esperimenti Hands-On Minds-On

Circa 80 sono gli esperimenti predisposti per il progetto. Un gruppo selezionato è in corso di

riproduzione per essere reso disponibile alle scuole. Vi sono esperimenti a bassa tecnologia di

elettromagnetismo (Low-tech) ed esperimenti qualitativi e quantitativi sulla superconduttività

(High-tech). Alcuni dei più significativi sono:

• caduta di un magnete in un tubo di rame: vengono confrontati i tempi di caduta di un

magnete e di un pezzo di legno delle stesse dimensioni in un tubo di rame.

• anello che salta: tre anelli di diverso materiale (rame, alluminio e plastica) – a temperatura

ambiente, pre-riscaldati o pre-raffreddati - vengono sottoposti ad una brusca e intensa

variazione di flusso magnetico; l’altezza del salto che compiono viene analizzato in funzione

del materiale e della temperatura.

• misura via USB della resistività in funzione della temperatura e del tempo di un campione di

materiale superconduttore (YBCO) raffreddato con azoto liquido; i grafici che si ottengono

vengono analizzati e discussi anche in correlazione all’esperimento di levitazione

magnetica.

• magneti sovrapposti: sospensione magnetica. Cinque magneti a forma di anello sono

impilati ad un’asta di plastica in modo che coppie di magneti successivi affaccino la stessa

polarità; il loro comportamento è studiato in termini di distanze relative all’equilibrio e di

reazione a perturbazioni esterne.

• effetto Meissner: levitazione magnetica: vengono osservate e discusse le caratteristiche della

levitazione di un magnete su un superconduttore.

. Tra gli esperimenti high-tech è compresa la misura on-line della resistività in funzione della

temperatura per semiconduttori, metalli e superconduttori, e del coefficiente di Hall a temperatura

ambiente per metalli e semiconduttori.

Fig. 3. Gli esperimenti di elettromagnetismo e superconduttività

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Caduta di un magnete in un tubo di rame Anello che salta

Misura via USB della resistività in funzione della

temperatura e del tempo di un campione di materiale

superconduttore (YBCO)

Sospensione magnetica

Effetto Meissner Sospensione magnetica: il diamagnetismo

della grafite pirolitica

3. La metodologia e le strategie di insegnamento

La metodologia ampiamente proposta è quella del lavoro a piccoli gruppi con i materiali

sperimentali, multimediali e testuali del Progetto. Per un efficace coinvolgimento degli studenti e

per favorire i processi di apprendimento sono proposte 13 diverse strategie didattiche (Engstrom et

al, La Fisica nella Scuola, questo stesso Vol, 2008).

4. I percorsi didattici

Gli Insegnanti possono usufruire di un’ampia documentazione delle precedenti sperimentazioni che

adottano impostazioni diverse:

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P1. Proprietà magnetiche. “La via di Faraday alle proprietà magnetiche del superconduttore” si

snoda dall’analisi delle linee di campi nel caso del dipolo elettrico e di quello magnetico

(mappatura e caratterizzazione in entrambi i casi); confronta le linee di campo magnetico associate

alle situazioni di sospensione e levitazione , analizzando le situazioni di equilibrio stabile e non

stabile: sono utilizzate le due esperienze dei magneti impilati a forma di anello e non forati (geomag

impilati in un tubo di plexiglass); si esamina la caduta “rallentata” in un tubo di rame del magnete e

del superconduttore per effetto delle correnti indotte e si propone l’analogia con l’Effetto Fontana;

possibilità di avvolgere il superconduttore con delle linee di campo: esperienza della levitazione

magnetica; introduzione dell’ipotesi del diamagnetismo; possibilità di correzione della posizione di

equilibrio instabile.

Fig. 4 Espulsione del campo magnetico da parte del superconduttore

P2. Proprietà elettriche. “ Le proprietà elettriche del superconduttore” si analizza la dipendenza

della resistività dalla temperatura con particolare attenzione all’intervallo di temperature 80K<T

<300K per un campione di YBCO (superconduttore ad alta temperatura). La misura, realizzabile a

scuola con azoto liquido, evidenzia la caduta di resistività a zero e offre l’occasione di discutere le

proprietà di conduzione nei superconduttori a confronto con quelle nei semiconduttori e nei metalli.

Ciò prepara all’analisi di circuiti elettrici con elementi superconduttori virtuali.

P3. Approccio energetico. Sperimentato in una classe seconda di un corso PNI, si colloca nel

curricolo dopo lo studio delle trasformazioni di energia e del campo elettrico. La conservazione

dell’energia meccanica e la sua trasformazione in energia elettrica costituisce la base per lo studio

del campo elettrico e della conduzione elettrica (modulo 4), nel cui contesto si analizza il

comportamento magnetico delle correnti (Moduli 1 e 2 ), l’induzione elettromagnetica (Modulo 3) e

la superconduttività (Modulo 5). L’attività didattica integra esperienze di laboratorio, materiali

multimediali del progetto Supercomet ed applet interattive costruite ad hoc. Schede - stimolo per i

ragazzi sono il riferimento per l’attività sperimentale, peraltro prevalente e consolidata con

discussioni di intergruppo per condividere i ragionamenti e le conclusioni.

5. La formazione per gli insegnanti

La formazione per insegnanti è possibile di diversa durata e impegno, secondo 4 tipi di modalità

(Engstrom et al, La Fisica nella Scuola, questo stesso Vol, 2008):

1- Workshop intensivo di mezza giornata con attività di laboratorio a gruppi su esperimenti inerenti

la superconduttività (WS1);

2- Corso di Formazione (CF1) articolato in 4 mezze giornate sulle proposte didattiche, gli

esperimenti e i materiali multimediali del progetto MOSEM

3- Corso di Formazione e ricerca-azione On-Line annuale sulla Superconduttività sulle proposte

didattiche, gli esperimenti e i materiali multimediali del progetto MOSEM (CF2);

4 - Corso di Perfezionamento istituzionale (CP) on-line e in presenza, organizzato con una parte

comune trasversale dedicata al Problem Solving per l’Orientamento formativo disciplinare (PSO) su

cui si innesta una parte disciplinare su uno dei temi: A. Meccanica Quantistica, B. Relatività, C.

Superconduttività (e/o i temi di D. Tempo, E. Energia. F. Fisica ed Arte). Durata: gennaio -

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dicembre 2009 (15 cfu). Il Corso prevede la sperimentazione con ragazzi di moduli didattici

progettati nell’ambito dell’attività formativa. Attività di ricerca – azione si integrano e sono valutate

ai fini della prova finale, che dà luogo ad un titolo con valore legale di Perfezionamento.

6. Conclusioni

Il progetto MOSEM del programma Leonardo da Vinci dell’Unione Europea ha prodotto molti e

diversi materiali. La differenziazione dei materiali permette di lavorare con impostazioni, strategie e

metodi scelti dall’insegnante in relazione al proprio stile e ai bisogni della classe. Le molte risorse

disponibili, inoltre, consentono attività differenziate e di approfondimento per gruppi di studenti:

per sostenere quelli in difficoltà e valorizzare le eccellenze. L’innovazione proposta dal progetto è

su molti piani: contenuti, metodi, strategie, impostazioni culturali e permette di portare in classe le

punte dell’attuale sviluppo scientifico e tecnologico inserendosi in continuità con strumenti e

metodi del contesto scolastico in cui si opera.

Bibliografia

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8. Engstrom, V., Karwasz, G., Michelini, M., Peeters, W., Viola, R., Il Progetto Europeo

MOSEM su elettromagnetismo e superconduttività: strategie per il coinvolgimento attivo

dei ragazzi e risorse in rete telematica, La Fisica nella Scuola, questo stesso Vol (2008)

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10. Michelini M, Santi L, Viola R, Corni F, Superconductivity in Italian Secondary Schools:

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14. Michelini M, Viola R, Conceptual knots, learning questions and curricular paths in mosem

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15. Marcolini L, Michelini M, Viola R. Il progjet european MOSEM pe inovazion didattiche sul

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16. Traduzione e adattamento al curriculum italiano della “Supercomet Teacher Guide”, delle

“On-line Computer Application”, dei materiali per i Teacher Seminars, del sito web

Supercomet.