ARTICOLO DI RECENSIONE
DANTAS, Cícero Samuel Gonçalves [1]
DANTAS, Cícero Samuel Gonçalves. Metodologie didattiche della fisica moderna e contemporanea incentrate sulla scuola superiore: incongruenze per quanto riguarda l’applicabilità. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Anno. 06, Ed. 12, Vol. 09, pp. 103-114. Dicembre 2021. ISSN: 2448-0959, Link di accesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/formazione-it/metodologie-didattiche
RIEPILOGO
L’inserimento di argomenti di Fisica Moderna e Contemporanea (FMC)[2][3] nelle scuole in Brasile oggi è già una realtà nei libri di testo incentrati sulla scuola superiore. Non è sufficiente inserire tali contenuti nei libri di testo elaborati dai docenti nelle aule, è anche necessario analizzare aspetti rilevanti coinvolti nel processo di insegnamento-apprendimento che consentono un insegnamento significativo. Attraverso una ricerca di revisione bibliografica, l’obiettivo di questo articolo è quello di analizzare le metodologie didattiche dirette all’insegnamento del FMC, osservando le divergenze o le incongruenze riguardanti l’applicazione nella scuola superiore, che, come è noto, presenta numerosi problemi sia di carattere curriculare che strutturale. Le analisi hanno mostrato che alcune metodologie implementate sfuggono alla realtà delle scuole brasiliane, come l’eccesso di argomenti FMC, contrastando il numero di lezioni finalizzate alla disciplina della Fisica.
Parole chiave: Rassegna bibliografica, Metodologie didattiche, Fisica moderna e contemporanea.
1. INTRODUZIONE
Storicamente, lo studio della fisica è diviso in tre fasi principali: Fisica Classica (FC); comprende le opere sviluppate da Copernico, Galileo e Newton; Fisica Moderna; insieme di teorie emerse all’inizio del 20 ° secolo; e Fisica contemporanea a partire dalla fine della seconda guerra mondiale il cui interesse principale sono le particelle subatomiche (DOMINGUINI, 2012). Così, in generale, la Fisica Moderna e Contemporanea (FMC) emerge all’inizio del 20 ° secolo per modificare e integrare i concetti della fisica classica, a partire dall’ipotesi di Max Planck (di quantizzazione dell’energia) per risolvere il problema del corpo nero. Nel 1905, Albert Einstein pubblicò articoli che trattavano dell’effetto fotoelettrico, del quantum di luce, della relatività ristretta e del movimento browniano. Alla fine del 1920 la struttura teorica della fisica moderna fu completata con le opere di Schrodinger, Broglie, Heisenberg e altri (SALES et al., 2008).
Ci sono diversi motivi per insegnare FMC al liceo. Uno di questi è il gran numero di implicazioni tecnologiche (TORRE, 1998), perché lo studio del FMC consente agli studenti di leggere e interpretare l’attuale società tecnologica, rendendo la conoscenza più significativa per loro (GARCIA; LOCK, 2009). Esempi di tecnologie disponibili nella nostra società basate sui progressi di FMC sono telefoni cellulari, tablet e computer.
Insegnare FMC al liceo non è un compito facile, sia dal punto di vista pratico che teorico. Pertanto, l’approccio a quest’area della fisica ha causato preoccupazione nei ricercatori e negli insegnanti per lungo tempo (CARUSO; FREITAS, 2009). A Gil et al. (1987), dal 1980, c’è un interesse nell’inserimento di contenuti di Fisica Moderna nelle scuole superiori. Dal 2002, diversi argomenti sulla Fisica Moderna sono stati implementati nelle scuole superiori, tra i quali possiamo menzionare: Linee spettrali, Teoria della relatività, Particelle elementari e Dualità onda-particella. Tutti questi temi sono stati sviluppati da studiosi del settore, sia nell’istruzione superiore che nella scuola superiore (PIETROCOLA e SABINO, 2016).
Per Garcia e Costa (2014) l’insegnamento della fisica è piuttosto complesso e, quindi, c’è una grande difficoltà degli studenti in questa disciplina. Costa (2004) afferma che la fisica è una delle discipline, se non la più, che fallisce al liceo a causa del requisito di una conoscenza minima dell’algebra, del ragionamento logico e di un ampio insieme di teorie scientifiche. A causa di questa complicazione che coinvolge lo studio della fisica, molti studenti finiscono immotivati e, oltre al disgusto, abbandoniamo gli studi.
Sebbene sia essenziale studiare il FMC, è noto che ci sono diversi fattori che “rendono impossibile” insegnare efficacemente FMC nelle scuole superiori, come il basso carico di lavoro della disciplina, in media due lezioni a settimana di Fisica, la mancanza di ambienti nelle scuole che consentono l’implementazione di classi esplorative o sperimentali, oltre al contenuto in eccesso del FC stesso. Quindi, è possibile applicare una metodologia diretta all’insegnamento di FMC In situazioni così avverse?
Lo scopo di questa ricerca è quello di analizzare alcune metodologie didattiche pubblicate su riviste in Brasile negli ultimi 20 anni, risalendo all’inizio del 2020, osservando le incongruenze riscontrate riguardo all’applicabilità nelle scuole superiori per quanto riguarda lo studio dei temi della Fisica Moderna e Contemporanea (FMC).
Abbiamo selezionato 17 articoli su riviste e analizzati tra maggio e luglio 2020 per questa ricerca, che erano: Caderno Brasileiro de Ensino de Física, di UFSC; Esperienze nell’insegnamento delle scienze, UFMT; Fisica a scuola; Ricerca nell’insegnamento delle scienze, oltre ai dati disponibili e selezionati in Google Scholar. La selezione delle opere è stata effettuata utilizzando la parola chiave “metodologia nella Fisica Moderna e Contemporanea (FMC)” nei database delle fonti sopra menzionate.
Infine, vale la pena notare che il numero di studi trovati era molto grande. Così, la scelta degli articoli è stata disaggregata secondo le metodologie la cui applicabilità era più vicina alla realtà delle scuole e, principalmente, agli studenti.
Il prossimo argomento descrive le metodologie didattiche di FMC dirette all’istruzione secondaria.
2. METODOLOGIE DI INSEGNAMENTO DELLA FISICA MODERNA E CONTEMPORANEA (FMC) PER LE SCUOLE SUPERIORI
Questo argomento è stato diviso in due parti: nella prima discutiamo le metodologie che affrontano la Teoria della Relatività Ristretta (TRR) e la teoria quantistica, in particolare. La seconda parte tratta delle metodologie didattiche per i temi della Fisica Moderna e Contemporanea in generale.
2.1 TEORIA QUANTISTICA E TEORIA DELLA RELATIVITÀ RISTRETTA (TRR)
La proposta del lavoro di Pietrocola e Sabino (2016) è quella di indagare quali conoscenze devono avere gli insegnanti in modo che possano inserire una sequenza didattica incentrata su temi di fisica moderna. A tal fine, hanno utilizzato l’analisi qualitativa dei dati attraverso le registrazioni delle lezioni sull’effetto fotoelettrico, insegnate dagli insegnanti del sistema scolastico pubblico statale. Le attività sono state distribuite in sei classi i cui obiettivi erano: simulare il carattere investigativo, in modo che gli studenti raccontassero il verificarsi del fenomeno; esposizione, analisi e discussione di un video sul concetto di quantum, risoluzione di un questionario, oltre alla lettura e interpretazione di un testo sull’effetto fotoelettrico.
I due autori sopra citati propongono una metodologia innovativa, rendendo gli studenti più partecipativi e autonomi durante le lezioni. Una delle difficoltà evidenziate dagli autori è stata la necessità di una migliore “preparazione” delle conoscenze curricolari da parte degli insegnanti. Pertanto, sulla base di queste informazioni, possiamo concludere che l’applicazione di questa metodologia di insegnamento richiede una preparazione continua degli insegnanti su argomenti FMC.
Utilizzando un ambiente di fisica virtuale, Sales et al. (2008) discutere l’applicazione di un Oggetto di apprendimento (LO), chiamato Quantum Duck, applicando attività esplorative nel calcolo della costante di Planck, utilizzando, come riferimento teorico, la teoria dell’apprendimento significativo di David Ausubel[4]. L’obiettivo di LO è quello di facilitare la comprensione dell’effetto fotoelettrico.
Utilizzando il dispositivo sperimentale, gli insegnanti consentono agli studenti di interagire maggiormente con il mondo fisico e con nuove situazioni problematiche dei fenomeni discussi, attraverso la modifica delle variabili durante la simulazione, immediatamente, che non potrebbero essere eseguite nella pratica concreta. L’insegnamento attraverso l’LO si è rivelato accessibile all’insegnamento di alcuni concetti fisici, dimostrando di essere uno strumento alleato al docente durante le situazioni didattiche in aula.
Caruso e Freitas (2009) discutono della relatività di Einstein nei fumetti (argomenti come l’unificazione dello spazio-tempo, il rapporto massa-energia e la dilatazione del tempo), cioè attraverso fumetti basati sul lavoro di uno studente del Laboratorio Educativo Attraverso Fumetti (ODUHQ)[5]. Questa proposta dimostra che questa lingua aiuta i temi scolastici (come TRR). Cioè, l’idea di base di questa metodologia è il legame tra Arte e Fisica.
La cosa interessante di questo progetto è che lo studente non genera conoscenza, traduce solo la conoscenza nel linguaggio dei fumetti; a condizione, ovviamente, che lo studente comprenda i contenuti studiati. Un altro punto positivo in questo approccio è il fatto che i fumetti sono facilmente sviluppati in classe e, naturalmente, mantengono l’originalità. Gli autori affermano che l’uso dei fumetti può aiutare l’insegnante a stimolare gli studenti a riflettere prima di un determinato contenuto (CARUSO; FREITAS, 2009).
La metodologia basata sui fumetti, oltre all’interdisciplinarietà, consente lo sviluppo della creatività e dell’immaginazione degli studenti. Tuttavia, molti insegnanti li usano solo come mezzo illustrativo nelle loro classi (CARUSO; FREITAS, 2009).
Attraverso un approccio storico, Wolf e Mors (2006) trattano i concetti della Teoria della Relatività Ristretta (TRR) nelle scuole superiori, sia nelle scuole private che pubbliche. Il materiale didattico prodotto dagli autori ha due testi: il primo è rivolto al docente e l’altro agli studenti. Nel materiale degli studenti gli autori si concentrano su due aspetti; uno storico e uno concettuale. Il materiale dell’insegnante cerca di supportare nell’insegnamento dell’approccio ai concetti di TRR, evidenziando dal pensiero di Aristotele (visione empirica), attraverso il lavoro di Galileo fino a raggiungere il TRR di Einstein.
Vale la pena ricordare che l’accettazione del tema da parte degli studenti è stato uno dei principali risultati riscontrati dagli autori nell’approccio storico, perché quelli non erano abituati a questa metodologia in classe.
Cavalcante; Tavolaro e Haag (2005) presentano diverse proposte sperimentali per lo studio degli spettri di emissione e assorbimento, oltre a una proposta con materiali a basso costo per l’osservazione dello spettro di assorbimento. Attraverso uno spettroscopio manuale, gli autori hanno ottenuto gli spettri di una lampada commerciale al mercurio (Hg) e di un LED rosso (semiconduttore) per confrontarli con gli altri metodi da loro approcciati.
Utilizzando un approccio costruttivista, Silva e Rodrigues (2013) analizzano quattro diversi approcci metodologici sull’effetto fotoelettrico e su come questi influenzano gli studenti delle scuole superiori. Le strategie utilizzate sono state: storia della scienza; Scienza, Tecnologia e Società (STS); esperimenti concreti e spiegazione del fenomeno attraverso lezioni espositive.
2.2 FISICA MODERNA E CONTEMPORANEA (FMC)
Il lavoro di Moreira e Osterman (2000) è una rassegna bibliografica nell’area della Fisica Moderna e Contemporanea (FMC). Questioni metodologiche (il nostro grifone), epistemologiche, storiche, strategie didattiche nel campo della FMC sono al centro del lavoro di questi autori. Nelle loro conclusioni, vengono identificate due difficoltà nell’attuazione dei temi della FMC nelle scuole superiori: il primo è, quale argomento/i dovrebbero essere inclusi nel curriculum scolastico; e il secondo come posizionare tali temi.
Il lavoro di Garcia e Lock (2009) analizza opere sviluppate per l’inserimento della Fisica Moderna e Contemporanea nelle scuole superiori, come La Teoria della Relatività (TR), La Meccanica Quantistica, la Fisica delle Particelle e la Superconduttività. Analizzando i risultati, gli autori hanno concluso che ci sono poche proposte didattiche rivolte ad alcune aree di FMC, come la fisica delle particelle (il nostro grifone).
Utilizzando la teoria dell’apprendimento significativo, Garcia e Costa (2014) propongono un approccio metodologico all’inserimento del FMC nelle scuole superiori, attraverso pratiche sperimentali e applicazioni in astronomia. Il materiale didattico con 6 unità didattiche è composto da 16 attività suddivise in 39 classi in cui sono state lavorate letture, discussioni di articoli scientifici, esperimenti, video e simulatori di Internet. Ogni unità didattica presenta le attività proposte. Nell’unità due, ad esempio, gli studenti hanno condotto un esperimento il cui obiettivo era misurare lo spessore di un capello utilizzando un fascio di luce (laser).
Gli autori (GARCIA E COSTA, 2014) hanno applicato un pre-test per diagnosticare le precedenti conoscenze degli studenti sui temi proposti. È stato verificato, dopo l’applicazione del pre-test, che gli studenti non avevano conoscenze precedenti; praticamente nulla. Tuttavia, dopo le attività, cioè post-test, gli autori hanno verificato che i risultati erano convincenti in relazione al pre-test. La proposta metodologica ha reso le classi più dinamiche, gli studenti più partecipativi e interessati a loro.
Il progetto Cavalcante e Tavolaro (2001) permette l’inserimento del FMC, nello specifico lo studio del duplice comportamento della luce, nelle scuole superiori attraverso laboratori, utilizzando materiali a basso costo. I workshop sono divisi in due parti: nella prima gli autori mostrano esperimenti che dimostrano la natura ondulatoria della luce attraverso interferenze e diffrazione, fenomeni tipici delle onde. Nella seconda parte, per evidenziare il comportamento corpuscolare della luce, gli autori hanno condotto esperimenti in cui è stata osservata la trasformazione dell’energia luminosa in energia elettrica. Cioè, l’effetto fotoelettrico. Oltre agli esperimenti concreti, hanno anche utilizzato software disponibili su Internet per studiare la dipendenza dell’energia cinetica degli elettroni emessi con la frequenza della luce emessa nella rimozione degli elettroni.
Parisoto; Moreira e Almeida (2017) pubblica una proposta per insegnare i concetti di Elettromagnetismo, Ottica, Onde e FMC nel contesto della medicina, utilizzando come riferimento teorico la teoria dell’apprendimento significativo di David Ausubel. Applicazioni mediche come ultrasuoni, funzione dell’occhio umano, funzionamento radiografico, mammografia, Risonanza Magnetica Nucleare (RMN), Medicina Nucleare (MN) e Tomografia Computerizzata (TC) fanno parte della proposta. La struttura della proposta è stata suddivisa in cinque incontri (di 10 h/class) le cui strategie utilizzate dagli autori sono state, tra le altre: precedenti organizzatori, modellazione computazionale, simulazioni e costruzione di mappe concettuali.
Oliveira; Vianna e Gerbassi (2007) hanno condotto una ricerca qualitativa con insegnanti delle scuole superiori il cui obiettivo era conoscere la loro opinione sull’introduzione di argomenti FMC (in particolare raggi X) nell’istruzione secondaria. Il lavoro è servito come base per la costruzione di una proposta metodologica in cui il tema selezionato è stato contemplato da una prospettiva STS (Scienza, Tecnologia e Società).
La proposta didattica di Costa (2004) consente di lavorare concetti di FMC con semplici strumenti di vita quotidiana, perché molti fenomeni della natura possono essere studiati attraverso esperimenti e questi sono la base per comprendere argomenti (la legge dello spostamento di Wien, per esempio) di FMC. Oltre a condurre esperimenti con materiali concreti, l’autore propone esperimenti virtuali (simulazioni) come l’effetto fotoelettrico.
3. CONSIDERAZIONI FINALI
Attualmente, è essenziale includere gli argomenti FMC nel curriculum scolastico; non solo nel curriculum delle scuole superiori, ma anche in quello delle elementari. Tuttavia, sono state rilevate alcune incongruenze nelle metodologie qui analizzate per l’inserimento efficace dei temi FMC nelle scuole superiori. La prima riguarda la preoccupazione degli autori solo di inserire temi FMC nel liceo, dimenticando altri aspetti rilevanti coinvolti nel contesto scolastico, poiché non è sufficiente inserire solo temi FMC nel curriculum, è necessario che gli studenti imparino in modo significativo (in linea di principio ) i contenuti programmati e insegnanti in aula da argomenti di FC.
la proposta di Parisoto; Moreira e Almeida (2017), sebbene sia piuttosto interessante sotto molti aspetti, presenta un eccesso di argomenti selezionati dagli autori, che superano il carico di lavoro delle lezioni di fisica nelle scuole in Brasile, in generale, sono due classi di 50 minuti a settimana, per la loro effettiva implementazione. Ecco la domanda, quindi: è possibile applicare una metodologia diretta all’insegnamento di FMC In situazioni così avverse? La risposta è “no”, perché le scuole mirano solo all’approvazione degli studenti negli esami e nei test esterni, “mirando” solo alla memorizzazione dei contenuti per l’approvazione di quelli. Il numero di temi dovuti al carico di lavoro, quindi, di quella metodologia di insegnamento è incoerente per la realtà (oggi) della maggior parte delle scuole brasiliane.
Secondo Costa (2004) gli esperimenti nell’area del FMC consentono agli studenti di interagire maggiormente con i fenomeni studiati. Tuttavia, il numero di temi proposti nella sua metodologia è elevato, il che lo rende incoerente a causa della piccola quantità di lezioni di fisica nelle scuole superiori nel nostro paese.
D’altra parte, una delle metodologie, l’uso di laboratori sperimentali, che sono più vicini alla realtà delle scuole brasiliane, per quanto riguarda il tema del costo è quella di Cavalcante e Tavolaro (2001), perché gli autori scelgono di utilizzare materiali quotidiani degli studenti, facilitando così l’apprendimento dei temi FMC nelle scuole superiori.
4. CONCLUSIONE
Sulla base delle analisi fatte sul lavoro qui descritto e sulla base del curriculum e dei problemi strutturali dell’ambiente scolastico, si percepisce che il modo migliore per inserire nuove metodologie su alcuni argomenti di FMC è durante tutto il corso di fisica attraverso i libri di testo, non solo nel terzo anno, ma fin dai primi anni in cui la disciplina fisica è inserita nel curriculum scolastico. Cioè, quando si affronta il movimento dei corpi nel corso meccanico nelle scuole elementari o superiori, è possibile per l’insegnante lavorare, (in parallelo, la relatività del tempo e la contrazione dello spazio (la teoria della relatività di Einstein), usando, quando possibile, la metodologia che più si appropria della realtà della classe, sia a livello cognitivo che materiale. Un altro esempio potrebbe essere in relazione alla struttura atomica della materia (inizio del corso di elettricità, terzo anno di scuola superiore): l’insegnante può quindi introdurre il concetto di antimateria in parallelo a quello. In breve: per ogni argomento di Fisica Classica, il docente può, senza alcuna perdita, inserire temi corrispondenti/complementari del FMC per quell’argomento lavorato, optando sempre per metodologie che contemplino l’utilizzo di materiali facilmente accessibili agli studenti.
RIFERIMENTI
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APPENDICE – NOTA A PIÈ DI PAGINA DI RIFERIMENTO
2. Física Moderna e Contemporânea (FMC).
3. Per Fisica Moderna e Contemporanea si intendono tutte le conoscenze scientifiche sviluppate nell’area della Fisica dall’inizio del XX secolo ai giorni nostri.
4. David Ausubel (1918-2008) foi um pesquisador norte-americano que desenvolveu o conceito de subsunçor (conhecimento prévio). Para ele, quanto mais o ser humano sabe, mais ele aprende. Para mais informações, veja <https://novaescola.org.br/conteudo/262/david-ausubel-e-a-aprendizagem-significativa>. Acesso: 13/07/2020.
5. Disponível em: <www.cbpf.br/eduhq>. Acesso: 25/06/2020.
[1] Master in Fisica Didattica, post-laurea in Ingegneria del Controllo Industriale e dell’Automazione, Laureato in Fisica e Tecnologo in Manutenzione Industriale.
Inviato: Marzo 2021.
Approvato: Dicembre 2021.
