Fisica: una scatola nera? Teach article

Traduzione di Francesco Marchi. Ľudmila Onderová dell'Università PJ Šafárik di Košice (Slovacchia), ci illustra l'utilizzo in classe di “scatole nere” per l'insegnamento della fisica.

L’idea che sta dietro l’utilizzo in classe di una “scatola nera” è quella di spingere gli studenti ad intuirne il contenuto – allestito dall’insegnante in una fase precedente – senza aprirla. Una volta che essi hanno determinato, tramite esperimenti, qual è il contenuto, gli studenti possono aprire la scatola per verificare la loro ipotesi. Qui di seguito descriveremo un esempio di utilizzo di scatole nere per l’insegnamento dei circuiti elettrici a studenti di 15-18 anni. Sono comunque molti i modi in cui è possibile utilizzare in classe queste scatole nere, anche per studenti più giovani ed in altre aree della fisica.^w1.

Ho avuto esperienze positive utilizzando questa tecnica di insegnamento, sia nelle scuole, sia nella formazione dei futuri insegnanti di fisica. Molti insegnanti non sembrano aver familiarità con essa, nonostante sia in realtà molto simile ai problemi che si affrontano nella vita quotidiana. Inoltre, condurre esperimenti incentiva la creatività degli studenti, e le scatole nere sono economiche e facili da costruire.

Costruire la scatola nera

Materiali

• Un tubetto di plastica per compresse (ad es. quelli usati per la vitamina C effervescente)
• Un trapano
• Due connettori o “jack” (ad es. quelli che connettono l’amplificatore agli altoparlanti in un impianto hi-fi)
• Componenti elettronici (ad es. resistori, capacitori, diodi, etc.) da inserire nel tubetto
• Cavi elettrici flessibili.

Procedura

1. Fare un buco con il trapano in ciascuna delle estremità del tubetto.
2. Inserire i connettori attraverso i buchi.
3. Connettere i componenti elettronici ai connettori usando i cavi (vedi Figura 2)
4. Inserire il tutto all’interno del tubetto e poi richiuderlo.

L’utilizzo di un tappo rimovibile e di cavi flessibili facilita lo studio dei componenti e del circuito all’interno della scatola nera. E’ importante assicurarsi che le connessioni fra gli elementi all’interno della scatola siano semplici e facili da individuare per gli studenti. L’aspetto esterno della scatola può essere realizzato a piacimento; io avvolgo i tubetti con dei fogli di carta nera.

Si possono creare scatole nere di diversa complessità, da quelle che contengono un solo componente elettronico (resistore, capacitore, diodo, spira, etc.) a quelle che contengono più componenti connessi fra loro in modo da formare semplici circuiti (vedi Figura 4).

Esperimenti con le scatole nere

Dopo aver appreso i fondamenti dei circuiti elettrici in corrente continua (DC) e alternata (AC), gli studenti possono cominciare a sperimentare con le scatole nere per applicare quello che hanno imparato alla soluzione di un problema concreto. Vengono forniti loro dei materiali (elencati più sotto) da utilizzare per determinare tutti gli elementi contenuti in una scatola nera. Essi vengono preliminarmente informati di tutte le possibili configurazioni interne delle scatole. In una prima fase, ciascun gruppo di studenti riceve cinque scatole nere, ciascuna delle quali contiene un solo componente elettronico. In seguito (non necessariamente nella medesima lezione), essi ricevono otto scatole nere contenenti configurazioni sia semplici che complesse. Il loro compito è quello di determinare il contenuto usando la propria esperienza ed una sorta di algoritmo che svilupperanno per analizzare le scatole.

Materiali per i gruppi

• Cinque scatole nere numerate contenenti singoli componenti elttronici (resistore, spira, condensatore, diodo, isolante)
• Otto scatole nere numerate contenenti circuiti sia semplici che complessi (vedi Figura 4)
• Fili elettrici
• Un amperometro
• Un voltmetro
• Un generatore di tensione, sia continua che alternata
• Uno schizzo delle possibili configurazioni interne.

Procedimento

1. Dividete gli studenti in gruppi di 2-3 ragazzi.
2. Distribuite tutto il materiale.
3. Gli studenti hanno 30 minuti per effettuare misure sulle cinque scatole semplici e determinare il loro contenuto.
4. Ogni gruppo riporta i propri risultati.
5. Confrontate i risultati fra loro e verificateli, aprendo le scatole nere.
6. Se l’ipotesi era sbagliata, individuate qual’è l’origine dell’errore. Nella mia esperienza, gli studenti hanno una percentuale di successo dell’80% circa. Generalmente hanno difficoltà nel distinguere la spira dal resistore, perché in genere si accontentano di notare che una scatola conduce corrente, senza analizzarne il valore.
7. Provate a creare un algoritmo ottimale per determinare gli elementi nella scatola. Ecco un possibile esempio:
   1. Allestite un circuito elettrico costituito da una scatola nera, un generatore di tensione, un amperometro e un voltmetro.
   2. Utilizzando il generatore DC, connettete il circuito, misurate corrente e tensione e scrivetene i valori.
   3. Cambiate la polarità del generatore, misurate nuovamente corrente e tensione, trascrivetene i valori e confrontateli con i precedenti.
   4. Usate un generatore AC, misurate corrente e tensione e confrontate i valori con quelli precedenti.
   5. Proponete un’ipotesi sulla struttura della scatola nera.
   6. Verificate l’ipotesi con ulteriori misurazioni
   7. Determinate il contenuto della scatola nera.
8. Successivamente gli studenti hanno 40 minuti per determinare il contenuto delle otto scatole, sia semplici che complesse
9. Ripetete la valutazione come nel caso precedente. Nella mia esperienza, questo compito risulta più difficile e non tutti i gruppi riescono a determinare il contenuto delle scatole nel tempo assegnato. Anche la percentuale di successo è più bassa, intorno al 70%. Si tratta comunque di un risultato molto buono, che probabilmente non sarebbe possibile se il compito fosse assegnato a singoli studenti piuttosto che a gruppi.

Nel secondo test, gli studenti tendono ad aver difficoltà non tanto con la determinazione dei singoli elementi; piuttosto, la difficoltà sta nei circuiti più complessi e nel distinguere tra resistori, termostati e lampadine. In questo compito è necessario che applichino le loro conoscenze teoriche, realizzando l’importanza di far variare il voltaggio ed eventualmente disegnare un diagramma per poter determinare correttamente il contenuto delle scatole.

Cosa imparano gli studenti da questi esperimenti?

Manipolare scatole nere è per i ragazzi un modo avvincente di verificare le loro conoscenze ed è gratificante in caso di successo. Alcuni cercano perfino di trovare ulteriori opportunità per applicare questo metodo nell’insegnarsi la fisica a vicenda. Cosa ancora più importante, gli studenti imparano ad usare un metodo di indagine sistematico. Sperimentare con le scatole nere incoraggia gli studenti a porsi le loro personali domande e a cercarne le risposte, a fare previsioni, a controllare le ipotesi fatte e a comunicare risultati ad un gruppo di pari. Un simile metodo aiuta perciò anche a compredere la natura della scienza. Inoltre, si tratta anche di un metodo applicabile nella vita quotidiana, ad esempio quando si cerca di far funzionare un apparecchio (scatola nera) di cui si è perso il manuale dell’utente.

Un punto cruciale nell’allestire il compito è la quantità di informazione fornita riguardo la possibile struttura del contenuto della scatola nera. L’insegnante deve assicurarsi che gli studenti abbiano preconoscenze sufficienti e deve fornire indicazioni chiare su come procedere. Poche informazioni stimolano maggiormente il pensiero creativo, ma, se l’informazione proposta è insufficiente, gli studenti potrebbero sentirsi sovraccaricati dal compito e perdere interesse.

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