Il Corso di Karlsruhe (KPK)

Analisi della proposta didattica del KPK:

introdurre il concetto di forza come intensità

di corrente di quantità di moto.

Presentazione per l’esame finale del corso di

Didattica della Fisica – Laurea Magistrale in Fisica

dell’Università degli Studi di Bologna

A.A. 2013-2014

Elena Tea Russo

Premessa

KPK: trattazione fenomenologica, attinente alla termodinamica

macroscopica, di “tutta” la fisica di base.

Proposta disallineata con la “fisica tradizionale” scolastica.

DOMANDA:

Quale FISICA? Quali STUDENTI?

QUALE SISTEMA SCOLASTICO?

Il Corso di Karlsruhe (KPK)

http://www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/

http://www.job-stiftung.de/index.php?il-corso-di-fisica-di-karlsruhe/

“ […]physics course which has been developed over the past 20 years at the Didactics Department of the University of Karlsruhe. Although the most elaborate version of the course is for the lower secondary school (Herrmann 1994, 1997, 1998a), the project was not just to write a new school book. The objective was to develop a new way of teaching physics, independent of the target group of learners. The course is now known under the name Karlsruhe Physics Course.”

“Only after having completed the university course, more elementary versions have been developed.”

[The Karlsruhe Physics Course F. Herrmann, Abteilung für Didaktik der Physik, Institut für Theoretische Festkörperphysik, Universität, 76128 Karlsruhe, Germany]

KPK – I livello KPK – II livello

13-14 anni

(GYMNASIUM – circa scuole Medie

Italiane)

15-18 anni

Tradotto in Italiano (e anche in

cinese…)

Esiste solo in Tedesco

3 Volumi:

1) Energia – Correnti – Quantità di

moto – Entropia

2) Dati – Elettricità – Luce

3) Reazioni – Massa ed Energia –

Onde e Fotoni – Nube elettronica -

Atomi

5 Volumi:

1) Elettrodinamica

2) Termodinamica

3) Onde

4) Meccanica

5) Atomi

I tre punti d’intervento:

eliminazione di concetti antiquati e inadeguati

all’insegnamento della fisica

utilizzo delle analogie

stretti legami con le altre discipline come la Chimica, la

Biologia e l’Informatica.

Proposta del KPK: trattare tutto con “il modello a sostanza”

Modello a “Sostanza” (I)

The Karlsruhe Physics Course is an attempt to modernize the physics syllabus by eliminating obsolete

concepts, by restructuring the contents and by extensively applying a new model, the substance model.

[The Karlsruhe Physics Course F. Herrmann, Abteilung für Didaktik der Physik, Institut für Theoretische

Festkörperphysik, Universität, 76128 Karlsruhe, Germany]

The amount of scientific knowledge increases rapidly, whereas the time we dispose of to teach science

remains essentially constant. Thus, in order to give a new generation of students an overview of what is

considered the essence of contemporary science, knowledge has to be processed in some way. This

problem is mostly solved by specialization: The students learn the nucleus of a science, physics for instance,

in a more general and, inevitably, more superficial way and deepen their understanding only in a special

subbranch of physics.

[The historical burden on scientific knowledge – F. Herrmann (Institut für Theoretische Festkörperphysik,

Abteilung für Didaktik der Physik, Universität, 76128 Karlsruhe, Germany) G. Job (Institut für Physikalische

Chemie, Universität, 20146 Hamburg, Germany) PACS numbers: 0140, 0165 ]

Modello a “Sostanza” (II)

Modello a “Sostanza” (III)

Un unico modello per tutta la fisica “di base”:

Energia e correnti

Forza e quantità di moto (I)

Perché mi soffermo su questa quantità:

Forza – parola comune; quantità di moto – parola tecnica

Rapporto tra le due sempre mal trattato nei curricola

“Forza” è un concetto ricco di conoscenza spontanea, fra iprimi che si incontrano nei curricula tradizionali e fra Ie piùricorrenti in tutta la fisica.

Promettente “riformulazione” delle leggi di Newton senzasnaturarle, stressando sulla conservazione della quantità di moto (MODELLO A SOSTANZA => PRINCIPI DI CONSERVAZIONE più chiari)

Forza e quantità di moto (II)

Passi per giungere al concetto di “forza” nel KPK:

Introduzione del concetto di

quantità di moto come quantità

a sé

Viene introdotta un’unità di

misura propria (HYUGENES)

non appartenente al SI

E’ una quantità estensiva.

Forza e quantità di moto (III)

Osservazioni fenomenologiche per definire la quantità di moto [ESPERIMENTI CON I CARRELLI SU ROTAIA]:

Un corpo in movimento contiene quantità di moto. Se si muove rapidamente ed è massiccio, contiene molta quantità di moto. Se non si muove, non contiene quantità di moto.

Più la velocità di un corpo è elevata, più quantità di moto contiene.

Più la massa di un corpo è grande, più quantità di moto contiene.

La quantità di moto può passare da un corpo a un altro.

La quantità di moto si può distribuire su più corpi.

Se un veicolo si muove con attrito in modo da fermarsi spontaneamente, la sua quantità di moto defluisce a terra.

La quantità di moto di un corpo è positiva se il corpo si muove verso destra, negativa se si muove verso sinistra.

Forza e quantità di moto (IV)

La quantità di moto può passare da un oggetto all’altro

Fluisce

CONDUTTORI E NON CONDUTTORI DI QDM

CIRCUITI DI QUANTITA’ DI MOTO (conservazione)

CORRENTE DI QDM

Forza e quantità di moto (V)

Le leggi di Newton

Osservazioni su questo tipo di trattazione

Cinematica pressoché non trattata (in KPK-I né in KPK-II)

Revisione della parola “forza”, intesa come intensità di

corrente quantità di moto – si suggerisce di non chiamarla

proprio “forza” ma appunto corrente di qdm.

Non c’è un “mondo ideale” (senza attriti…), ogni fenomeno

fa parte dell’analogia del modello a sostanza; anzi, l’attrito è

ben che presente in tutti I “subfield” trattati (es: resistenza in

elettrodinamica)

Aspetti positivi

Enorme simmetria in tutti I “subfield” trattati: unica strutturaconcettuale rende più semplice comprendere le varie quantità e le leggi a loro associate

Costruzione fenomenologica (anziché assiomatica) può aiutare a riordinare le conoscenze spontanee sulla struttura proposta

La termodinamica diventa un “subfield” come un altro

Il concetto di corrente merita di essere studiato a fondo per poterentrare nella quantistica e trattare le correnti di probabilità e l’equazione di continuità

Facili collegamenti con Chimica, Biologia e Informatica

Aspetti negativi

Notevole eliminazione della dimensione storica della Fisica

Un unico modello per tutti i “subfield”, con pressoché inesistenti accenni aglialtri possibili

Struttura fenomenologica non lascia spazio alle assiomatiche, che spessohanno fatto la storia della fisica. Poche dimostrazioni, non ci sono “teoremi”.

In generale, una modellizzazione “nascosta”, una linearità e coerenza del discorso da manuale dotato di un unico punto di vista, di un’unico approccioteorico, di un unico modo di fare le cose (metodo “sperimentale”)

UN APPROCCIO A POCHE DIMENSIONI, una teoria elegante ma un po’ miope

PS: notato mancanza di trattazionedell’ errore di misura

Quale fisica?

(NOTA: il KPK-I è stato tradotto anche in cinese…)

Quale immagine della fisica fa passare il KPK?

Pulita, elegante, potenzialmente chiara

Univoca! Non si “esce” dai binari dell’analogia portante

Non contestabile – non v’è margine di discussione (scienzaaccreditata)

… ok, ma … è un male?

Quali studenti?

Il KPK è stato progettato su tre livelli, nell’ordine:

Universitario

Scuola secondaria di primo livello

Sscuola secondaria di secondo livello

“The objective was to develop a new way of teaching physics, independent of the target group of learners. The course is now known under the name Karlsruhe Physics Course.”

[The Karlsruhe Physics Course F. Herrmann, Abteilung für Didaktik der Physik, Institut für Theoretische Festkörperphysik, Universität,

76128 Karlsruhe, Germany]

… MA LA FISICA NON E’ “SEMPRE LA STESSA”!

Quale obbiettivo?

Una riflessione personale sull’utilità del KPK a seconda del contesto, e, in generale, sull’insegnamento delle scienze

Il KPK è potenzialmente molto efficace per trasmettere conoscenza accreditata. Questo è utile

a livello universitario (specialmente in cdl a matrice ingegneristica)

a livello di scuola professionale

a livello di scuola media (per la necessità di fornire parole e concetti che entranonel linguaggio di ogni giorno e consentono di interpretare il mondo)

…. Ma non siamo tutti ingegneri

Né non siamo tutti fisici

E non siamo tutti filosofi….

… ma siamo tutti cittadini

E ad un certo punto dell’istruzione è fondamentale almeno accennare (e, ovepossibile approfondire) ad una serie di aspetti fondanti della scienza e del processo scientifico che il KPK trascura completamente:

PRIMO FRA TUTTI IL CONCETTO DI MISURA E L’INCERTEZZA

CHE SI LEGA FORTEMENTE ALLA MODELLIZZAZIONE DEL MONDO

CHE E’ UNO DEGLI ASPETTI FONDAMENTALI DELL’EPISTEMOLOGIA

DI MODO DA POTER FORMARE UNA CITTADINANZA SCIENTIFICA

La “forza” del KPK in un’ottica

multidimensionale della Fisica (I)

Proposta:

All’introduzione della dinamica, con il modello di Newton (corpo puntiformeecc…), trattare anche il modello fenomenologico della quantità di motodel KPK

Perché:

Sulla meccanica “tradizionale” c’è poco gioco, essendo tendenzialmentepresentata come una conoscenza accreditata, un dato di fatto, “ovvio”.

Spesso non è ben compresa, e porta lo studente a sentirsi incapace di affrontare la materia, provocando disaffezione.

Modello del KPK aiuta a fare ordine nei concetti.

La “forza” del KPK in un’ottica

multidimensionale della Fisica (II)

Trattare ANCHE la visione del modello a sostanza consente di:

Generare potenziali link con argomenti succesivi come termodinamica e fluidodinamica; favorire la comprensionedel concetto di energia

Entrare nel gioco della modellizazione fin da subito

Fornire altri strumenti per risolvere gli esercizi cercando di stimolare un approccio personale: non esiste un UNICO modo giusto, solo che alcuni sono più efficaci di altri… a volte.