Uso di immagini nella didattica della fisica

Gabriella Monroy

Dipartimento di Scienze Fisiche.

Università di Napoli “Federico II”

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

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.

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

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”

• OggiConvinzione che le immagini possono trasmettere

la conoscenza disciplinare più efficacemente che attraverso il testo.

Premessa e … domande di ricerca

• E’ efficace la comunicazione che fa uso del linguaggio visuale?

• La conoscenza che trasmettono le immagini è sempre coerente con la conoscenza disciplinare?

le immagini possono:Facilitare l’apprendimentoRinforzare difficolta’ o misconoscenze

Risultati di ricerca in questo campo

Nella comunicazione scientifica e in particolare nell’insegnamento il linguaggio naturale, quello visuale e quello formale sono compresenti

Non tutto è semplice come sembra

STTIS (Science Teacher Training in an Information Society)

www.blues.uab.es/˜idmc42/

Attitudini

Difficoltà

Ricerca

Risultati

Lista Attitudini

Categorie di difficoltà

“Ricorso a schemi di ragionamenti errati”

“Uso della conoscenza pregressa”

Attitudini nella lettura delle immagini

“Lettura narrativa”

“Non vedere oltre l’apparenza grafica”

Narrativa

Equivalente linguistico: verbi di azione

Processi; procedure

“Non vedere oltre la forma del grafico”: camminata sensore di moto

Correlare fenomeno e rappresentazione grafica

Uso didattico di immagini statiche e animate.

Contenuto: Le onde.

1. Risultati di ricerca sulle difficoltà di apprendimento

2. Sequenze didattiche che facilitano l’apprendimento

Cenni difficoltà indotte da immagini statiche: modello geometrico della luce

Immagini animate: le onde in acqua

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) – .........

Cenni a difficoltà indotte dalle immagini. Modello geometrico in ottica

• Il modello dell’ottica geometrica. Fronti d’onda, raggi …

Immagini statiche

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.)

• http://www2.physics.umd.edu/~wittmann/research/dissertation/index.html

• http://www.na.infn.it/Gener/did/ffc/form/web/mappa.htm

• Fazio C., Guastella I., Sperandeo-Mineo RM, Tarantino G.“Modelling Mechanical Wave Propafgation: Guidelines and

Experimentation of a Teaching Learning Sequence” IJSE in press

2. Sequenze di insegnamento (basate su risultati di ricerca) che facilitano

l’apprendimento

• Aiutano a comprendere la natura “dinamica” del processo ondulatorio

• Sono facilmente reperibili• Interattività

• Non aiutano a comprendere il modello soggiacente

• Possono causare difficoltà

Oggi....molti corsi web con applets java, gif animate and clips

Immagini che favoriscono l’apprendimento. Onde in acqua e modello geometrico

MA…..

Immagini dal web

Approccio di modellizzazione attraverso le immagini

• Integrazione experimenti e supporti multimediali – Ondoscopio (PSSC)– Cabrì® Géomètre www.cabri.com

Procedimento

Approccio “Da Reale a Ideale”: le caratteristiche dell’immagine

Fasi

Onde in acqua poco profonda

onde “ferme” sullo schermo

Regolarita’

foto digitali su Cabri’

Regole

Obiettivo

RENDERE PLAUSIBILE IL MODELLO GEOMETRICO DELLA PROPAGAZIONE

ONDULATORIA

• Grandezze fisiche– sorgenti– fronti d’onda– lunghezze d’onda

• Modello – punti– circonferenze/piani– segmenti

Modello geometrico

Onde circolari

Modello geometrico

Interferenza due sorgenti

riflessione

rifrazione

LeggeFenomeno

Il software Cabrì® Géomètre

• Disegnare oggetti geometrici: punti, rette, cerchi …

• Misurare distanze e angoli,

• Verificare condizioni di parallelismo, ortogonalita’….

Lunghezza d’onda (onde piane)

onde-piane-parallele-30.fig

Lunghezza d’onda: Onde circolari

onde-circolari-30.fig

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” …

Interferenza due sorgenti puntiformi

Intersezione rosso-blu

Cerchi bluCreste

Cerchi rossiValli

Posizioni nodali

Intersezioni rosso-rosso

o blu-bluPosizioni anti-nodali

Fenomeno Modello

Interferenza due sorgenti puntiformi: pattern geometrici

Nodes and nodal lines Antinodes and anti-nodal lines

Vantaggi dell’approccio

• Effettuare misure quantitative

• Coinvolgere gli studenti in attivita’ di modellizzazione

• Comprendere il modello geometrico

• ..........

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)

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.

REFERENZE

Lemke, J.L. 1998. "Multiplying Meaning: Visual and Verbal Semiotics in Scientific Text" in J.R. Martin & R. Veel, Eds., Reading Science. London: Routledge.

Kress, G. and van Leeuwen, T. (1996) Reading Images: the Grammar of Visual design (London: Routledge and Kegan Paul)

Lemke J.L. (1998) Teaching All the Languages of Science: Words, Symbols, Images, and Actions [Unpublished Paper]

Ametler, J. and Pintò, R. (2002). Students’ reading of innovative imagses of energy at secondary school level. Int. J. Sci. Educ., 24, 3, 285-312.

Colin, P., Chauvet F. and Viennot, L. (2002). Reading images in optics: students’ difficulties and teachers’ views. Int. J. Sci. Educ., 24, 3, 313-332.

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, 257-283.

Testa, I., Monroy, G., Sassi, E. (2002). Students’ Reading Images in Kinematics: The Case of Real-Time Graphs. Int. J. Sci. Educ., 24, 3, 235-256.

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 33. 189–216.

Simanek D. E. Tidal Misconceptions. http://www.lhup.edu/~dsimanek/scenario/tides.htm

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, 569-577.

Siti Onde•

http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/viewtopic.php?t=29• moto onde trasversali• http://www.walter-fendt.de/ph14e/stlwaves.htm• onde longitudinali stazionarie• http://www.walter-fendt.de/ph14e/stwaverefl.htm• riflessione• http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl• lente che ruota polarizzazione filtro• http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl• polarizzazione filtro• http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl• risonanza• http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl• ampiezza e periodo• http://www.ngsir.netfirms.com/englishhtm/TwaveA.htm• onde trasversali• http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/cortial/bibliohtml/ondegene.html• immagini animate realizzate con Cabri• Onde réfléchie et onde stationnaire• http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/cortial/bibliohtml/refsta.html• http://perg.phys.ksu.edu/vqmorig/programs/java/makewave/Waves/vq_mww.htm• 2 onde• http://perg.phys.ksu.edu/vqmorig/programs/java/makewave/Pulse/vq_mwp.htm• 2 impulsi• http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/viewtopic.php?t=35• sovrapposizione impulsi• http://www.phys.hawaii.edu/~teb/java/ntnujava/doubleSlit/doubleSlit.html• interferenza• http://www.phys.hawaii.edu/~teb/java/ntnujava/waveSuperposition/waveSuperposition.html• sovrapposizione• http://www.schulphysik.de/suren/Applets.html• battimenti• http://www2.biglobe.ne.jp/~norimari/science/JavaEd/e-wave2.html• sovrapposizione• http://www.colorado.edu/physics/2000/schroedinger/big_interference.html• foto interferenza onde acqua

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)

Interferenza due sorgenti puntiformi

Interferenza di due sorgenti puntiformi:

y = 0,80j - 0,01

y = 0,80j - 0,07

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6 7

index of node

Pat

h D

iffe

ren

ce (

c.u

.)

Lineare (Above anti nodal line)

Lineare (Under anti nodal line)

y = 0,79i + 0,02

y = 0,78i - 0,03

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6 7 8

index of antinode

Pat

h D

iffe

ren

ce (

c.u

.)

Lineare (Above antinodal line)

Lineare (Under antinodal line) 2 1

2 1

1 3 5, , ,...;

2 2 2

0,1,2,3,...;

j j

i i

N S N S j

j

A S A S i

i