SCUOLA ESTIVA DI FISICA MODERNA PER STUDENTI DI SCUOLE SECONDARIE

SUPERIORI. UDINE, 27-31 LUGLIO 2009 Cristina Cassan, Mario Colombo, Marisa Michelini, Alessandra Mossenta, Lorenzo Santi, Alberto Stefanel, Stefano Vercellati, Rossana Viola Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università degli Studi di Udine

Introduzione La valorizzazione dell’eccellenza nella scuola è stato recentemente affrontato dalla ricerca didattica in termini di modalità di attuazione e valutazione della loro efficacia (Comer 2002; Reston 2003). In particolare è stato evidenziato che l’eccellenza può essere garantita solo se vi è un processo di continuo rinnovamento, creatività e si pone gli studenti di fronte a nuove sfide (Bowers 2008). Da un lato pertanto è rilevante proporre temi che siano di forte impatto e interesse per i ragazzi, come quelli di fisica del ‘900 purtroppo non ancora entrati nella pratica didattica delle scuole, e dall’altro è prioritario prevedere un forte coinvolgimento personale degli studenti con l’oggetto di studio, condizione necessaria per garantire un effettivo apprendimento scientifico (Bednar, et al 1991; Merrill 1992; Michelini, Cobal 2002) e per l’orientamento formativo (La porta 1996; Bosio 1996; Burba et al 2004; Honsel et la 2004; Disint et al 2005) La Scuola Estiva di Fisica Moderna, progettata e messa a punto dall’Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Udine (URDF), è nata come proposta che traduce operativamente questi esiti di ricerca ed esito essa stessa di ricerca in termini di percorso formativo di eccellenza per studenti degli ultimi anni delle scuole superiori italiane, con le seguenti finalità generali: offrire come sfide, in contesti ludici, significative proposte di percorsi operativi, per la costruzione del pensiero formale su rilevanti aspetti di fisica moderna; offrire esempi di attività sperimentali realizzabili direttamente dai ragazzi in laboratorio didattico; fornire quadri concettuali di rifermento attraverso attività seminariali; prevedere un equilibrato bilanciamento tra le diverse attività. La Scuola Estiva è stata organizzata nell’ambito del Progetto Lauree Scientifiche (PLS) ed in particolare nel contesto del Progetto IDIFO, meglio illustrato all’indirizzo http://www.fisica.uniud.it/URDF/laurea/index.htm La prima scuola estiva nazionale di eccellenza è stata realizzata nel luglio 2007, come ricaduta del master IDIFO per insegnanti di scuola secondaria superiore sulla fisica moderna. È stata riproposta e rinnovata nel luglio 2009 nell’ambito del progetto IDIFO2 del PLS2, descritto alla pagina http://www.fisica.uniud.it/URDF/laurea/ftp/pls2/idifo2.pdf. L’ambiente web di gestione della Scuola estiva è http://agenda.fisica.uniud.it/difa/conferenceDisplay.py?confId=45 La scuola estiva IDIFO2 - 2009 è stata attuata in collaborazione con la Scuola Superiore, la Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche Naturali, la Facoltà di Scienze della Formazione dell’Università di

Figura 1. Il frontespizio del depliant della scuola estiva

Udine, il Dipartimento di Fisica dell’Università di Trieste, l’Area di Ricerca del Sincrotrone di Trieste, il MIUR - Direzione Generale dello studente e degli Ordinamenti Scolastici. Se ne presentano e discutono le principali caratteristiche progettuali, modalità attuative, fornendo alcuni primi elementi sui suoi esisti, tuttora in corso di analisi. Il bando La Scuola Estiva è stata offerta a studenti del IV e V anno delle Scuole Secondarie di II grado nell’a.s. 2008/2009, diffondendo sull’intero territorio nazionale il pieghevole con la presentazione della scuola e la scheda da compilare per la domanda di ammissione alla scuola (fig1) e attivando il sito web della scuola (http://agenda.fisica.uniud.it/difa/conferenceDisplay.py?confId=45). Il numero massimo di studenti ammessi, inizialmente fissato in 30 unità, è stato successivamente portato a 40 grazie ai contributi del MIUR e dei diversi enti locali collaboratori (l’Università di Udine, L’Università di Trieste, L’ERDISU, la Fondazione CRUP, Il centro di simulazione numerica Democritos). La selezione è stata effettuata, da un’apposita commissione, sulla base dei seguenti criteri di priorità: a) certificazione del profitto riportato dallo studente nelle materie scientifiche nell’anno scolastico 2007-2008 e al termine del primo quadrimestre dell’anno scolastico 2008-2009, rilasciata dall’Istituto di appartenenza; b) regione di residenza per la miglior distribuzione nazionale (ai sensi del Progetto IDIFO2 il 20% dei posti è riservato a studenti residenti in Friuli Venezia Giulia); c) tipologia di Scuola Secondaria; d) altri titoli eventuali (in particolare partecipazione a gare di fisica e altre materie scientifiche); e) maggiore età anagrafica.

La selezione La selezione è stata effettuata sulle domande di iscrizione presentate da 290 studenti di 168 scuole distribuite su tutto il territorio nazionale. Il maggior numero di domande si è avuto nell’ordine da: Veneto, Friuli VG, Puglia, Lombardia, Lazio. La commissione di ammissione ha stilato la graduatoria delle domande traducendo in punteggio i criteri prima richiamati. La base del punteggio è stata data dalla media delle valutazioni sui due anni indicati e dalla scuola di provenienza. Ad eventuali altri titoli documentati sono stati attribuiti ulteriori punteggi a scalare per: partecipazione alle prove internazionali, nazionali, regionali, locali delle olimpiadi della fisica, della matematica, delle scienze, della chimica; superamento di esami di ammissione all’accademia militare; frequenza a corsi universitari di non meno di 25 ore. Sono stati infine tenuti in conto i criteri territoriali, da un lato per garantire la presenza del 20% di studenti del Friuli VG come da bando, e dall’altro per garantire la più ampia rappresentanza delle diverse regioni italiane, compatibilmente con una elevata soglia di punteggio. In figura 2 è illustrata la distribuzione geografica delle domande e dei 40 studenti ammessi alla scuola di Fisica Moderna dell’Università di Udine 2009. I due studenti, che pure ammessi hanno dovuto rinunciare alla partecipazione, sono stati integrati con i primi due studenti tra gli esclusi. Un quadro della tipologia di studenti che hanno partecipato al bando è illustrata nella figura 3 dove é stata rappresentata la distribuzione della somma delle valutazioni medie riportate dagli studenti alla fine dell’a.s. 2007/08 e al termine del primo periodo di valutazione del 2008/2009. Tale distribuzione ha una media sui due anni di valutazione di µ= 16,2/20 (8,1 per anno) con una deviazione standard σ = 1,6. Essa evidenzia un livello decisamente alto della prestazione scolastica degli studenti accompagnata da una notevole omogeneità del campione. L’elevato numero di domande pervenute, nonostante il breve tempo in cui è stato aperto il bando, l’alto livello degli studenti che hanno fatto domanda, l’elevata aspettativa dimostrata attraverso vari canali comunicativi da moltissimi dei partecipanti al bando, sono tutti indicatori del fatto che la Scuola Estiva proposta dall’Università di Udine risponde ad un ben preciso bisogno di alta formazione su temi di fisica moderna espresso da studenti di tutta Italia.

Fig 2. Distribuzione geografica delle domande pervenute e tra parentesi delle 40 domande accettate. In Friuli VG ai 6 studenti in graduatoria, sono stati ammessi in soprannumero in qualità di valutatori due degli studenti che pur avendo fatto domanda non erano rientrati tra i 40 ammessi ed uno studente della Scuola Superiore dell’Università di Udine.

Figura. 3 Distribuzione della somma delle medie delle valutazioni sui due anni considerati nel bando. Tale distribuzione ha una media di µ= 16,2/20 (8,1 per anno) con una deviazione standard σ = 1,6 . Tale distribuzione è statisticamente simile a quelle scorporate per gli studenti del 4 e del 5 anno.

Modello attuativo Il modello attuativo della Scuola Estiva di fisica moderna è caratterizzato dall’integrazione delle seguenti attività: A. Percorsi esplorativi di apprendimento basati su attività di esplorazione operativa di contesti, con

metodologie tipiche dell’inquiry learning (McDermott 2001; Abd-El-Khalick et al. 2004; Michelini 2006) e del problem solving (Munson 1988; Watts 1991) su tematiche di fisica moderna;

B. Laboratorio sperimentale per gruppi a rotazione; C. Esperimenti a grande gruppo; D. Laboratori di simulazione; E. Seminari formativi di esperti; F. Gli studenti relazionano; G. Gare; H. Visite, attività complementari, attività sociali. Esse vengono qui brevemente illustrate. A.Percorsi esplorativi. Sono stati proposti i tre percorsi: MQ- L’esplorazione dei fenomeni di polarizzazione della luce come sfida per avvicinarsi alla teoria della Meccanica Quantistica; SC - Mettersi in gioco nell’esplorare e interpretare fenomeni di superconduttività; RBS - Rutherford Backscattering Spectroscopy - Cimentarsi in una tecnica di analisi della ricerca nella fisica dei solidi. Si tratta di laboratori didattici che hanno in comune i seguenti elementi:

1) utilizzo di strategie PEC (Michelini, Santi, Sperandeo 2002; Lawson 2008), nell’esplorazione di contesti fenomenologici semplici per riconoscere operativamente concetti e grandezze, pianificando ed effettuando misure significative spesso con sensori on-line con il computer;

2) analisi di dati per la costruzione di leggi fenomenologiche;

Figura 4. Il kit per l’esplorazione della polarizzazione messo a punto nell’ambito del progetto IDIFO

3) costruzione di ipotesi interpretative e confronto con gli esiti sperimentali, anche mediante analisi di simulazioni che propongono situazioni ideali o effettuando attività di computer modeling;

4) utilizzo di schede di lavoro aperte basate sul metodo dell’inquiry learning (McDermott 2001; Martongelli et al. 2001; Michelini, Santi, Stefanel 2008);

5) questionari di valutazione, secondo le modalità di valutazione variazionale dell’apprendimento (Aiello et al 2000).

I tre percorsi attuati si caratterizzano per i seguenti aspetti: Il percorso MQ (Ghirardi et al 1997; Michelini et al 200; Michelini, Stefanel 2004; Michelini 2008) mira alla costruzione del pensiero formale a partire dall’analisi della fenomenologia della polarizzazione ottica (Michelini, Stefanel 2006), per la costruzione dei concetti fondanti della meccanica quantistica: il concetto di stato quantico e il ruolo del principio di sovrapposizione, i concetti di incompatibilità e indeterminismo, il ruolo giocato dal formalismo nell’attribuire significato agli enti fisici. In tale attività sono stati impiegati i kit sperimentali sulla polarizzazione messi a punto nel contesto di IDIFO (fig. 4). Il percorso SC sulla superconduttività, si avvale delle proposte sviluppate nell’ambito del progetto MOSEM per l’introduzione dello studio della superconduttività nella scuola secondaria superiore a partire dal contesto dell’elettromagnetismo (Engstrom et al. 2008; Viola et al. 2008). Un’attività preliminare di esplorazione dei fenomeni magnetici mira alla costruzione della rappresentazione delle linee di campo magnetico come strumento per la descrizione e identificazione della fenomenologia elettromagnetica. Lo studio dell’induzione elettromagnetica viene approfondito anche in termini interpretativi prima di affrontare i fenomeni tipici prodotti da superconduttori coma la levitazione dovuta all’effetto Meissner o all’effetto pinning (fig. 5). Il percorso RBS si propone come laboratorio di preparazione ad un problem solving sperimentale per l’analisi di tipici spettri RBS (Corni et al. 1996) Costruisce concetti di base per l’analisi del processo di interazione, come quello di sezione d’urto, energie di processo, coefficiente cinematico e potenza di arresto (stopping power). Si affronta si esplorano semplici esperimenti di urti meccanici per costruire ponti analogici tra situazione esplorata in laboratorio e processo di scattering colombiano. L’analisi di spettri RBS incogniti, proposta con modalità tipiche del problem solving, diviene una sfida in cui la dimensione ludica attiva il gioco interpretativo. B. Laboratorio sperimentale per gruppi a rotazione. Una delle attività qualificanti della scuola è il laboratorio sperimentale su esperimenti cruciali della fisica moderna, proposto a gruppi di 4-5 studenti a rotazione. Per consentire a tutti i gruppi di realizzare le esperienze sono stati proposti i sei percorsi di attività sperimentali realizzati a gruppi su due mezze giornate di lavoro: A) Diffrazione ottica con sensori on-line; B) Misura della velocità della luce; C1) Misure di resistività ed C2) effetto Hall in semiconduttori, metalli, superconduttori; D1) Esperimento di Franck & Hertz e D2) determinazione del rapporto e/m. Si tratta di una selezione di esperimenti tra quelli messi a punto e proposti nel contesto di IDIFO e delle due scuole estive e elencati in tabella 1. La maggior parte delle altre proposte sperimentali è stata presentata o a grande gruppo o inserita nei percorsi didattici esplorativi come specificato nel seguito.

Figura 5. Levitazione di un magnete su un superconduttore

Figura 6. L’interpretazione degli spettri RBS

Titolo Descrizione

Frank e Hertz Misura delle energie di transizione atomica del mercurio

Spettri di emissione Analisi con reticolo di diffrazione di spettri di emissione di elementi diversi

Rapporto e/m per l’elettrone Misura del rapporto tra la carica e la massa dell’elettrone con il metodo delle bobine di Helmoltz

Diffrazione ottica Acquisizione con sensori on line e analisi della distribuzione di intensità luminosa

Polarizzazione Introduzione operativa alla polarizzazione come proprietà della luce e suo ruolo per comprendere lo stato quantico

Trasmissione ottica Sensori on line per leggi di Malus e trasmittività di polaroid

Effetto Hall Misura della costante di Hall per materiali diversi

Resistività Misura della resistività di metalli, semiconduttori e superconduttori in funzione della temperatura.

Effetto fotoelettrico Esplorazione dell’effetto fotoelettrico e misura di h

Avogadro Misura del numero di Avogadro

Effetto termoionico Esplorazione dell’effetto termoionico con un diodo a vuoto

Velocità della luce Misura della velocità della luce in mezzi diversi

Effetto Ramsauer Assorbimento quantistico risonante degli elettroni da parte di atomi di Ar e determinazione del raggio medio di tali atomi

Tabella 1. Esperimenti di fisica moderna messi a punto e proposti nel Master IDIFO e nelle scuole estive di Fisica Moderna. Per ciascun esperimento hanno operato due tutor, ciascuno seguiva un gruppo di studenti. Il tutor aveva il compito di introdurre la fisica dell’attività proposta, presentando il principio della misura, le caratteristiche dell’apparato, gli obiettivi della misura e fornire il supporto tecnico ai ragazzi laddove si rendesse necessario. Effettuata l’introduzione doveva però lasciare che ciascun gruppo conducesse l’esperimento in autonomia, basandosi sulle indicazioni delle schede proposte per la raccolta dati. Le schede per l’attività di laboratorio fornivano stimoli e indicazioni operative, più che guidare i ragazzi nel lavoro.

C. Esperimenti a grande gruppo. Per offrire un quadro completo degli esperimenti cruciali per le nuove teorie fisiche del Novecento (Tabella 1) sono stati effettuati esperimenti dalla cattedra. Con particolare dettaglio sono stati effettuati gli esperimenti sull’effetto Ramsauer e l’effetto fotoelettrico, con presa dati in tempo reale e discussione di dati campione. D. Laboratorio di simulazione. Il laboratorio di simulazione “Fare fisica con il computer (il moto browniano)” ha offerto un’occasione per vivere in prima persona un’esperienza di fisica computazionale. Ha permesso di esperire un modo di fare fisica, che si è sviluppato con l’avvento dei computer: studiare fenomeni basandosi su simulazioni numeriche, che riproducono situazioni sperimentali. Organizzato dal Dipartimento di Fisica dell’Università di Trieste (Peressi Maria e Pastore Giorgio), con la collaborazione del Gruppo di Fisica Computazionale dell’Università di Udine (Giannozzi P), tale laboratorio si è incentrato sulla simulazione del moto browniano al computer. Esso ha consentito di passare dall’analisi di processi aleatori allo studio della distribuzione di Boltzmann, allo studio di micro particelle in sospensione in un liquido introducendo in modo operativo il concetto di libero cammino medio.

E. Seminari culturali. Per offrire quadri culturali di ampio respiro, legati alle attività di ricerca in corso, sia nell’ambito della fisica, che in quello dell’informatica e della matematica, sono stati integrati nella scuola estiva seminari condotti da responsabili di progetti di studio e ricerca. Le ricerche di punta nel campo delle alte energie condotte con i grandi acceleratori o telescopi di nuova concezione sono stati il cuore delle prospettive di ricerca in fisica illustrate. Sono state in particolare illustrati gli esperimenti ATLAS, che sta cominciando la raccolta dati al grande acceleratore LHC al CERN e l’esperimento MAGIC che ormai da alcuni anni a Las Palmas fa osservazioni ai confini dell’universo, avendo il cosmo come laboratorio. Altri seminari hanno riguardato tematiche di confine tra matematica e fisica su evoluzione e complessità, modelli e ontologie, i gruppi di simmetrie sul piano. I problemi della relatività dal punto di vista storico è stato un seminario di approfondimento alle misure, di completamento all’attenzione data nella Scuola alla fisica quantistica e della materia. F. Gli studenti relazionano. Uno degli obiettivi più importanti della scuola è quello di offrire occasioni formative in cui non solo è previsto il coinvolgimento attivo degli studenti, ma è anche prevista l’esplicitazione da parte degli studenti di quali sono gli apprendimenti. È questo un obiettivo considerato centrale anche in termini di valutazione della qualità dell’offerta formativa con la Scuola. Sulla scorta di analoga esperienza realizzata nella prima scuola, è stato effettuato un seminario finale in cui gli studenti hanno relazionato a piccoli gruppi sull’analisi di spettri RBS, i concetti di Meccanica Quantistica, le attività di laboratorio. I diversi gruppi in cui erano stati suddivisi gli studenti partecipanti alla scuola hanno relazionato sui segmenti principali in cui erano suddivisi i percorsi esplorati. Due gruppi per ciascun segmento di percorso hanno proposto presentazioni a confronto analizzate e valutate sia dai docenti della scuola sia dai ragazzi partecipanti alla scuola. Così si sono avuti due gruppi che hanno relazionato su ciascuno degli esperimenti proposti in laboratorio evidenziando i problemi sperimentali e concettuali inerenti le misure, sottolineando aspetti e prospettive diverse sugli esperimenti svolti. Nel caso della diffrazione in particolare in cui sono stati proposti due diversi tipi di apparati, gli studenti si sono anche misurati in una gara di analisi delle potenzialità dei rispettivi strumenti utilizzati. Nel caso della MQ le coppie di gruppi a confronto hanno relazionato su: A) fenomenologia della polarizzazione e sua interpretazione in termini di processi a singolo fotone; B) polarizzazione come proprietà quantistica dinamica dei fotoni, proprietà mutuamente esclusive e incompatibili; C) impossibilità di attribuire una traiettoria alle particelle quantistiche; D) introduzione del formalismo vettoriale per la rappresentazione dello stato quanto- meccanico. Per l’RBS gli studenti a coppie di gruppi hanno ripercorso l’introduzione dei concetti di stopping power, sezione d’urto e coefficiente cinematico e gli elementi di analisi degli spettri RBS. G. Gare. Un aspetto che ha caratterizzato la scuola estiva del 2009 rispetto alla prima edizione del 2007 è stata la proposta di competizioni come attività di sintesi e valutazione affiancate alle citate relazioni finali a confronto. Sono state proposte competizioni sui diversi temi: 1) Laboratorio; 2) Meccanica quantistica; 3) Superconduttività; 4) RBS. La gara relativa al laboratorio sperimentale si è svolta contestualmente alle presentazioni finali sui diversi esperimenti degli studenti. I premi sono andati alle presentazioni migliori per: analisi e presentazione della situazione sperimentale considerata; qualità dei dati presentati e loro elaborazione; significatività delle considerazioni sviluppate in merito alla conduzione dell’esperimento.

La gara di MQ è stata proposta sempre nel contesto della presentazione a gruppi avendo preventivamente specificato per ciascun gruppo il nodo da affrontare nello sviluppare il tema assegnato: l’analisi del passaggio tra gli esperimenti fenomenologici sulla polarizzazione e quelli ideali a singolo fotone; l’attribuzione di proprietà e il nodo dell’indeterminismo non-epistemico nella misura in MQ; la perdita di significato del concetto di traiettoria in MQ; il ruolo del formalismo vettoriale nel definire il significato dello stato quantistico.

Figura10. Da sinistra a destra: Gli studenti premiati della gara sulla RBS e quelli della gara di SC con alcuni dei docenti. La gara di SC ha riguardato “Il treno MAGLEV a levitazione magnetica”. Ai ragazzi è stato richiesto di rispondere in forma aperta sui seguenti tre punti: 1) Descrivere il treno; 2) Descrivere il suo funzionamento; 3) Spiegare il suo funzionamento. Per la valutazione sono stati considerati: la significatività e completezza degli elementi descritti in merito ai punti 1) e 2); gli elementi interpretativi messi in gioco nella spiegazione del punto 3. La gara di RBS ha previsto l’analisi di spettri di film sottili di 50 nm di Au, Ag, Cu e T, non necessariamente di elementi puri. su un substrato di silicio. Agli studenti è stato dato il compito di determinare per ciascun campione gli elementi costituenti e la stechiometria. La valutazione è stata fatta in base al numero di analisi corrette effettuate. H. Visite e attività sociali. La presenza del sincrotrone Elettra nell’area di ricerca situata nel carso triestino a poche decine di chilometri da Udine, offre una interessante occasione di visita da parte degli studenti della scuola a una rilevante struttura di ricerca dove si incontrano sia ricerche di ambito prettamente accademico, sia ricerche di tipo applicativo e industriali. La struttura di Elettra, il suo funzionamento, la caratteristica della luce da esso prodotta e i suoi sviluppi appena attuati e futuri sono stati presentati agli studenti ella scuola estiva dal vicedirettore di Elettra prof. G. Comelli e da M. Bertolo, project manager della rete fra i laboratori di luce di sincrotrone e i free electron laser europei. Una breve rivista di alcune tra le principali ricerche condotte con Elettra ha fornito una panoramica sull’attività del centro costituendo una rilevante attività di orientamento per i ragazzi. Le attività sociali organizzate sono state poche, per l’intenso impegno richiesto nelle numerose attività formative, ma gli studenti le hanno apprezzate e vissute intensamente. Esse sono le seguenti: la visita alla città di Trieste, abbinata alle attività formative condotte nel capoluogo giuliano e la cena di fine scuola, alla sera dell’ultima giornata.

Organizzazione e modalità attuative. Le attività della scuola sono tutte state organizzate presso il polo scientifico dell’Università di Udine, eccetto che una conferenza serale ospitata presso il prestigioso Centro Internazionale di

Scienze Meccaniche (CISM) di Udine e la giornata a Trieste svoltasi tra l’area di ricerca del sincrotrone, i laboratori informatici del Dipartimento di Matematica dell’Università di Trieste, il centro cittadino. Gli studenti sono stati alloggiati presso il collegio universitario dell’ERDISU di Udine.

Tabella 2. Il programma della scuola estiva Per ciascuna attività c’è stata: 1) una preliminare discussione per individuazione degli obiettivi disciplinari e metodologici specifici cui si mirava e parallelamente di domande di ricerca a cui si voleva dare risposta; 2) la messa a punto della proposta tematica e/o operativa (proponendo differenziate modalità di lavoro che garantissero la multidimensionalità richiamata e soddisfacessero ai vincoli di contesto); 3) la preparazione degli strumenti didattici con cui far lavorare i ragazzi (esperimenti, schede, test, questionari), costruiti anche per poter raccogliere informazioni da cui estrarre risposta alle domande di ricerca che erano state individuate; 4) la conduzione dell’attività da parte di almeno due ricercatori o un docente esperto; 5) il monitoraggio di un tutor che da un lato fungeva da osservatore dell’attività, raccogliendo, in base a griglie aperte, indicazioni sulle modalità di lavoro del conduttore, sui nodi emersi e i processi cognitivi attivati dagli studenti, e dall’altro aveva il compito di coadiuvare il conduttore soprattutto nella fase riepilogativa del lavoro e in quelle in cui gli studenti svolgevano attività in gruppo; 6) raccolta dei prodotti realizzati dagli studenti (schede, test e questionari lasciandone copia agli studenti); 7) prima analisi di tali materiali per dare un feedback immediato agli studenti indirizzando la discussione riepilogativa di ciascuna attività sui nodi che si sono riscontrati come maggiormente problematici.

Programma

Lunedì 27 luglio

8.30-10.30 Saluto Rettore Università di Udine e autorità. Presentazione delle attività

10.30-13.00 Seminari: Evoluzione e complessità, L. C. Piccinini, Dir. Scuola Superiore, Univ. Udine; Modelli e ontologie, E.

Toppano, Resp. PLS Matematica, Univ. Udine; Osservazioni ai confini dell’universo, A. De Angelis, Resp. Naz. esperimento

Magic,

14.00-18.30 Lab. Didattico: Mettersi in gioco nell’esplorare e interpretare fenomeni di superconduttività – Parte I e Parte II R.

Viola, Università di Udine

Martedì 28 luglio

8.30-13.00 Lab. Didattico: L’esplorazione dei fenomeni di polarizzazione della luce come sfida per avvicinarsi alla teoria della

Meccanica Quantistica – Parte I e Parte II, M. Michelini, A. Stefanel, Università di Udine

14.00-18.30 LSG – Laboratorio Sperimentale a Gruppi: A) Diffrazione ottica con sensori on-line, B) Misura della velocità della

luce, C) Misure di resistività ed effetto Hall in semiconduttori, metalli, superconduttori; D) Esperimento di Franck & Hertz e

determinazione del rapporto e/m, URDF

Mercoledì 29 luglio

8.30-13.00 LSG – Laboratorio Sperimentale a Gruppi: A) Diffrazione ottica con sensori on-line, B) Misura della velocità della

luce, C) Misure di resistività ed effetto Hall in semiconduttori, metalli, superconduttori; D) Esperimento di Franck & Hertz e

determinazione del rapporto e/m, URDF

14.00-18.30 lab Didattico: RBS-Rutherford Backscattering Spectroscopy. Cimentarsi in una tecnica di analisi della ricerca nella

fisica dei solidi. Parte I –Parte II, M. Gervasio, A. Mossenta, Università di Udine

21.00-22.00 Fare fisica con il computer, M. Peressi e G.Pastore, Università di Trieste

Giovedì 30 luglio

9.15-10.45 Visita guidata al Sincrotrone a cura di G. Comelli, vicepresidente di Elettra, e M. Bertolo, project manager della rete

fra i laboratori di luce di sincrotrone e i free electron laser europei

11.00-13.00/14.00-15.30 Fare fisica con il computer: il moto browniano. Parte I/Parte II Attività proposta da M. Peressi e G.

Pastore, Università di Trieste, e P. Giannozzi, Università di Udine, e Centro Nazionale di Simulazione Numerica CNRINFM

Democritos.

15.30-17.30 Visita a S. Giusto, Piazza della Borsa e Piazza Unità a Trieste

Venerdì 31 luglio

8.30-10.30 Seminari: I gruppi di simmetrie sul piano, P. Corvaja, Università di Udine; I problemi della relatività visti dal punto

di vista storico, G.L. Michelutti, Università di Udine

11.00-13.00 Lab. Sperimentale a grande gruppo: Risonanza di spin ed esperimento Ramsauer, L. Santi, Università di Udine;

Effetto fotoelettrico, I. Sciarratta, Sezione AIF di Pordenone

14.00-18.30 Gli studenti relazionano su: Analisi degli spettri RBS, Coordina: A. Mossenta, Università di Udine; i concetti di

Meccanica Quantistica, Coordina: M. Michelini, Università di Udine; Attività di laboratorio, Coordina: L. Santi, Università di

Udine

I materiali Agli studenti ammessi alla scuola, insieme allo zainetto della scuola contenete le documentazioni informative (invito alla Scuola Estiva, lettera di benvenuto, programma, informazioni turistiche sul territorio friulano) e il materiale illustrativo della Scuola Superiore, sono stati consegnati documenti di studio e tutorato sulle attività: presentazione delle attività sperimentali; schede operative; schede stimolo del tipo PEC; illustrazioni dei percorsi e relative schede di lavoro; libretto di presentazione del la proposta di modulo. In tabella 3 sono elencati i materiali di studio forniti agli studenti.

Tabella 3. I materiali forniti agli studenti. Rai – Educational Il Ministero ha deciso di valorizzare l’iniziativa, segnalandola alla RAI. Un regista di RAI-Educational ha curato la videoregistrazione di tutte le attività della scuola, effettuate da ricercatori e tecnici del Dipartimento di Fisica, del Centro Linguistico Audiovisivi dell’Università di Udine. L’ultima giornata è stata interamente ripresa dalla troupe di RAI-Educational, in presenza del regista Bruno R con l’obiettivo di realizzare una trasmissione appositamente dedicata alla scuola estiva in cui venissero documentate sia le diverse attività sia soprattutto le relazioni effettuate dai ragazzi.

Il monitoraggio e la valutazione La presenza di valutatori esterni, suggerita dal Ministero per garantire una valutazione il più oggettiva e differenziata possibile, è stata ampia e differenziata. Sono stati valutatori esterni: 1 responsabile MIUR; 1 ricercatore ANSAS di Palermo; 1 segretario di Sezione dell’Associazione per l’Insegnamento della Fisica; 2 studenti. Il gruppo di valutatori esterni ha dato un riscontro da più punti di vista: quello organizzativo - istituzionale, quella della ricerca didattica, quello della scuola, quello dei ragazzi. Sul piano della valutazione degli apprendimenti con strumenti specifici, sono state utilizzati i seguenti strumenti:

- le schede di lavoro che hanno accompagnato le diverse attività; - questionari aperti utilizzati come strumenti di riepilogo di ogni modulo; - i materiali prodotti dagli studenti a seguito di ogni attività; - i documenti prodotti dagli studenti nelle gare;

Materiali relativi alle attività didattiche - Michelini M., Stefanel A., Avvicinarsi alla teoria della Fisica Quantistica. Una proposta per la didattica, Università degli

Studi di Udine – Unità di Ricerca in Didattica della Fisica, 2004 − Michelini M., Stefanel A., Esplorare con gli oggetti di ogni giorno i Fenomeni Elettromagnetici, Università degli Studi di

Udine – Unità di Ricerca in Didattica della Fisica, 2004 − Michelini M., Stefanel A., La polarizzazione della luce. Catalogo di esperimenti, Università degli Studi di Udine – Unità di

Ricerca in Didattica della Fisica, Forum, 2006 − Asimmetrie – Rivista dell’Istituto nazionale di Fisica, Anno 4, N. 8, 2009 - Il Bosone di Higgs − Viola R., La superconduttività – La fisica – La storia – Le applicazioni

− Mossenta A., Rutherford Backscattering Spectrometry − Santi L., Schede Esperienze con le relative Schede di Lavoro: − Viola R., curatore, Mettersi in gioco nell’esplorare e interpretare fenomeni di superconduttività − Michelini M., Stefanel A., L’esplorazione dei fenomeni di polarizzazione della luce come sfida per avvicinarsi alla teoria

della Meccanica Quantistica − Mossenta A., RBS-Rutherford Backscattering Spectroscopy. Cimentarsi in una tecnica di analisi della ricerca nella fisica

dei solidi. − Viola R., curatore, Mettersi in gioco nell’esplorare e interpretare fenomeni di superconduttività − Michelini M., Stefanel A., L’esplorazione dei fenomeni di polarizzazione della luce come sfida per avvicinarsi alla teoria

della Meccanica Quantistica − Mossenta A., RBS-Rutherford Backscattering Spectroscopy. Cimentarsi in una tecnica di analisi della ricerca nella fisica

dei solidi − Piccinini, Evoluzione e complessità − P. Corvaia, Simmetrie del Piano

- le relazioni finali presentate anche oralmente dai ragazzi. Le diverse attività della scuola sono state inoltre valutate dagli studenti sulla base di schede di monitoraggio che prevedevano per ciascun seminario, modulo formativo, attività sperimentale, visita le voci previste nel monitoraggio REQUS del PLS. Non potendo qui documentare per esteso quanto emerso dal monitoraggio, per evidenti motivi di spazio, si riportano qui di seguito solo i commenti finali aperti da parte degli studenti:

• Complimenti a tutti • è stata un'esperienza BELLISSIMA e i docenti sono preparatissimi! Forse il lavoro è stato

troppo intenso e andrebbe fatta più teoria, ma questi sono dettagli! Esperienza formativa

unica, davvero un privilegio! • I materiali scritti sono stati probabilmente la cosa più utile di questo corso perché anche a

distanza di tempo potrò riguardare dettagliatamente le esperienze fatte. Bellissimi i coffee

breack!!!! SIMPATICISSIMI E DISPONIBILI I PROFESSORI !!!!!GRAZIE • Ho apprezzato l'iniziativa per l'organizzazione precisa che ha permesso lo svolgimento di

un programma intenso e di altissimo valore, grazie anche soprattutto alla professionalità,

disponibilità e passione dei docenti, dei tutor e degli altri organizzatori • Distendere le attività su più giorni. BELLISSIMA esperienza, complimenti! • Molto interessante ma sarebbe necessario più tempo per svolgere al meglio le attività al di

fuori del laboratorio • è stata davvero una bella esperienza, ne è veramente valsa la pena, non solo dal punto di

vista formativo, ma anche umano • L'attività è stata bellissima, 10 e lode

Un ruolo importante è stato svolto dai due studenti-valutatori esterni. Essi hanno messo a punto prima dell’inizio della scuola un protocollo di monitoraggio delle attività ed un altro di intervista dei partecipanti, hanno partecipato loro stessi alle attività ed hanno intervistato da pari gli altri studenti partecipanti alla scuola. Sul piano della ricerca didattica e della qualità di materiali ed attività è stata soprattutto la valutazione esterna dell’ANSAS. Si riportano qui solo alcune frasi del nutrito rapporto consegnato dal ricercatore incaricato: “…..A conclusione dei lavori, si esprime un giudizio altamente positivo

sia sulle singole professionalità impegnate nella Scuola, sia sull’impegno davvero eccezionale

profuso dal gruppo dei referenti scientifici. Le attività sono state sempre dense e costruttive, i

metodi e le tecniche scelte in tutte le fasi sono stati sempre strettamente funzionali agli obiettivi

della Scuola e singolarmente efficaci. Il gruppo di Progetto ha inoltre dato prova di intelligente

duttilità nell’adattare le soluzioni via via ipotizzate alle condizioni operative riscontrate sul

terreno, senza mai perdere di vista gli obiettivi del progetto, garantendone un’alta validità

scientifica. Perfetto, rapido ed efficiente il lavoro; fluida e funzionale la comunicazione, sia

orizzontale che verticale, all’interno del gruppo..” Conclusioni La Scuola Estiva IDIFO2 progettata e realizzata dall’URDF dell’Università di Udine ha offerto agli studenti degli ultimi due anni delle scuole secondarie superiori italiane una opportunità formativa di alto livello, rivolta alla valorizzazione delle eccellenze nell’ambito della fisica moderna. Essa ha offerto ai giovani un ambiente stimolante di approfondimento scientifico e matematico, basato sul personale coinvolgimento in sfide ludiche da vivere in cooperazione tra giovani e docenti universitari. Un ambiente in cui l’atmosfera, i metodi e gli strumenti della ricerca scientifica sono direttamente esplorati da ciascun partecipante. Essa ha costituito una risposta efficace a una esigenza delle scuole sia per quello che riguarda la valorizzazione delle eccellenze sia per quello che riguarda i temi di fisica moderna, in generale tuttora assenti dai programmi effettivamente svolti nelle classi. La risposta al bando da parte di un elevato numero di studenti in entrambe le edizioni (nonostante i brevi tempi di apertura) testimonia

che c’è una forte esigenza e richiesta sia di una formazione di qualità in particolare sulla fisica moderna I temi di fisica moderna scelti come proposte di esplorazione concettuale di 6 u.o. sono stati la Meccanica Quantistica, data la sua rilevanza come teoria guida della fisica moderna e base per la costruzione nel pensiero teoretico, la superconduttività, per la sua rilevanza sul piano applicativo e la possibilità di proporla in termini esplorativi attraverso semplici proposte sperimentali; la Rutherford Backscattering Spettroscopy (RBS) come esemplificazione di tecnica di analisi della fisica dei materiali, che impiega essenzialmente apparati concettuali classici. Altre tematiche rilevanti, come la relatività, le particelle elementari, ricerche di informatica e matematica di raccordo con la fisica sono state oggetto di attività seminariali. Un nucleo di 6 proposte di attività di laboratorio sperimentale su esperimenti cruciali della fisica moderna è stato effettuato a rotazione dagli studenti per un totale di 8 ore. In questo modo è stato possibile offrire una proposta equilibrata di piano orario che consentisse lo svolgimento dei micro percorsi garantendo adeguati tempi di lavoro, prevedendo opportuni momenti e modalità di valutazione degli apprendimenti, fornendo esemplificazione delle metodiche tipiche dell’indagine fisica moderna. L’integrazione di differenti proposte e attività mirava anche a dare occasioni di orientamento formativo in fisica in particolare con esemplificazioni di metodologie e modalità tipiche di lavoro della fisica. Gli esiti degli apprendimenti, la cui analisi è tuttora in corso, verranno pubblicati successivamente per le diverse tematiche. Il monitoraggio diretto e in particolare l’alto livello riscontrato nelle presentazioni effettuate dai diversi gruppi di studenti nella giornata conclusiva e riprese per essere trasmesse su RAIEDUCATIONAL, oltre a confermare l’eccellenza degli studenti selezionati hanno fornito utili indicazioni sui possibili percorsi di apprendimento dei ragazzi e i nodi su cui anche studenti di eccellenza trovano in merito ai temi trattati. La valutazione effettuata dagli studenti partecipanti ha indicato che la scuola estiva ha risposto alle loro attese, superandole in non pochi casi. Nei report dei valutatori esterni è stato rimarcato il ruolo giocato dalla ricerca didattica nel progetto della scuola e nella sua attuazione. Bibliografia Abd-El-Khalick F, BouJaoude S, Duschl R, Lederman N G, Mamlok-Naaman R, Hofstein A, Niaz M, Treagust D &

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