Un'idea astronomica per la scuola

Dopo la pubblicazione del dossier dedicato alle comete, utile come base di partenza per affrontare il tema, oggi pubblico una versione in italiano, leggermente rivista, di una bozza di articolo (diciamo così) riguardante il lavoro da instructional designer per le Olimpiadi Italiane dell'Astronomia.

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Le Olimpiadi dell'Astronomia sono una competizione cui partecipano gli studenti delle scuole superiori italiane, suddivisi in due categorie (per l'edizione 2014 i junior sono i nati tra il 1999 e il 2000 e i senior tra il 1997 e il 1998). L'iniziativa rientra nei programmi del MIUR per la valorizzazione delle eccellenze scolastiche: i vincitori hanno, infatti, diritto a borse di studio, mentre la vittoria (sia nazionale che interregionale) va a costituire parte del curriculum studentesco. Chi vince le Olimpiadi (5 studenti per categoria) è insignito della Medaglia "Margherita Hack". I 3 migliori junior e i 2 migliori senior parteciperanno, a spese dell'organizzazione, alle Olimpiadi Internazionali, nel settembre 2014.
La selezione dei ragazzi avviene attraverso una preselezione, che implica l'invio di un elaborato su un tema astronomico proposto dal comitato olimpico. A questa prima fase seguirà una gara interregionale, costituita da una prova scritta di 2.5 ore su problemi astronomici (la sede per la Lombardia è l'osservatorio di Brera, a Milano, che è anche sede della presidenza del Comitato Olimpico Italiano), e infine una gara nazionale: due prove, una teorica, l'altra di conoscenza del cielo. Per l'edizione 2014 la finale si svolgerà a Siracusa, dal 12 al 14 aprile. I vincitori, come detto, andranno alle Olimpiadi Internazionali, cui verranno ulteriormente preparati grazie a uno stage estivo di alcuni giorni.
Tutto questo per quel che c'era fino ad ora. Quel che ora c'è e che si vorrebbe introdurre nelle scuole (principalmente licei scientifici, ovviamente, ma qualunque scuola superiore che pensa di poter essere interessata non verrà certo esclusa!) è la piattaforma didattica on-line che ho sviluppato negli ultimi anni per conto del Comitato Olimpico italiano presieduto da Stefano Sandrelli.
Il primo passo nella costruzione di una piattaforma di questo genere è sicuramente la scelta del software da utilizzare. La scelta cadde subito su Moodle, per vari motivi:

• il sistema open più diffuso tra le istituzioni⁽¹⁾;
• l'ampia gamma di strumenti di insegnamento messi a disposizione;
• una buona integrazione con gli SCORM⁽⁷⁾, lo standard più utilizzato per i learning object.

La scelta, ultimamente, era stata messa in discussione, e ho pensato di valutare altri sistemi, ovviamente tra le soluzioni più economiche. Strumenti che potrebbero essere utilizzati sono ad esempio Wordpress, che permetterebbe di fare un lavoro professionale anche per quel che riguarda la grafica, o Joomla. Mentre però il primo per essere all'altezza di Moodle ha bisogno di una serie di plugin molti dei quali a pagamento, Joomla può essere più che un'alternativa una integrazione a Moodle, fornendogli una interfaccia web meno spartana di quella che è installata di default. Ad ogni modo Moodle continua a essere il sistema più affidabile in circolazione per strumenti di questo genere, detti course managment system. Moodle, il cui acronimo sta per Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment⁽⁵⁾, è stato ideato da Martin Dougiamas per realizzare il corso on-line Constructivism di Peter C. Taylor^{(2, 3)}.
Fondamentalmente Moodle è un ambiente strutturato in blocchi, suddivisi in due grandi gruppi (risorse e attività) che rispondono alle due esigenze primarie della didattica: la trasmissione delle conoscenze, fatta attraverso pagine web e learning object, ad esempio, e la verifica dell'apprendimento, fatta attraverso test a scelta multipla o quiz. E' inoltre possibile utilizzare anche altri strumenti come la chat, una wiki interna (che personalmente reputo mal fatta: molto più utile, in questo senso, sarebbe crearne una esterna utilizzando uno dei tanti software presenti in rete), un forum. Inoltre presenta anche un'amministrazione degli utenti abbastanza varia e flessibile, andando dagli ospiti agli insegnanti creatori di corsi.
Prima di vedere come ho utilizzato Moodle per le Olimpiadi dell'Astronomia, cerchiamo di capire come, innanzitutto, la tecnologia digitale sia entrata nella fisica e in particolare nella didattica. Secondo Chonacky⁽⁶⁾ questa storia inizia sin dagli anni Settanta del XX secolo per poi ottenere un impulso importante con lo sviluppo del World-Wide Web ad opera di Tim Berners-Lee e Robert Cailliau, che ne compresero immediatamente le potenzialità e l'importanza in fisica. Ovviamente, oltre all'uso della tecnologia digitale nella didattica della fisica sono di pari passo andati anche gli studi sulla sua efficacia, come quello di Kenny et al.⁽¹⁰⁾, che si sono interessati dell'apprendimento basato sui problemi (problem based learning, PBL):

Il PBL si differenzia dall'approccio più tradizionale dove gli studenti prima vengono istruiti su alcune conoscenze e quindi possono avere l'opportunità di applicare ciò che hanno imparato su problemi di esempio. Con il PBL gli studenti lavorano collaborando in gruppi per identificare ciò che hanno bisogno di imparare in modo da comprendere il problema e imparare concetti più vasti e principi legati al problema. Il PBL, quindi, è stato progettato per incoraggiare la partecipazione attiva degli studenti immergendoli in una data situazione. Richiede loro di definire le conoscenze necessarie per il raggiungimento dell'obiettivo stabilito, quindi di identificare e cercare quelle conoscenze che hanno bisogno di acquisire per risolvere il problema.⁽¹⁰⁾

Seguendo Barrows⁽¹³⁾, Kelley e colleghi propongono le seguenti caratteristiche per l'approccio PBL:

1. Problem-based. Si parte con la presentazione di un problema (autentico) della vita reale che potrebbe essere incontrato dagli studenti.
2. Problem-solving. Aiuta l'applicazione delle competenze di problem solving richieste dalla pratica. Il ruolo del docente è di semplificare l'applicazione e lo sviluppo dei processi di problem-solving [il metodo di insegnamento alla Socrate è forse il primo esempio di PBL e problem-solving nella storia!].
3. Student-centred. Gli studenti si assumono la responsabilità per il loro apprendimento e la facoltà di agire come facilitatori. Gli insegnanti devono evitare di rendere gli studenti dipendenti da loro per quello che dovrebbero imparare e conoscere.
4. Self-directed learning. Sviluppa capacità di ricerca. Gli studenti hanno necessità di imparare come prendere le informazioni quando è necessario ed essere aggiornati, il che è una capacità essenziale in attività professionali.
5. Reflection. Questo dovrebbe essere il passo che segue al completamento del lavoro, preferibilmente attraverso una discussione di gruppo, ed è pensato per migliorare il trasferimento dell'apprendimento verso nuovi problemi.

L'importanza del problem solving è stata enfatizzata, ad esempio, Landau⁽⁸⁾ e Yasar⁽¹⁴⁾:

I ricercatori hanno scoperto che incorporare la teconologia nel problem solving è un modo più efficace di insegnare la scienza e la tecnologia piuttosto che concentrarsi direttamente sui componenti individuali.

Infatti

Un aspetto critico nel processo di apprendimento della fisica è lo sviluppo delle abilità per risolvere i problemi che rappresentano differenti situazioni fisiche (più o meno complesse). Gli studenti di solito trovano difficoltà nell'applicare le leggi e le equazioni che hanno visto in classe⁽¹¹⁾.

Un'altra importante competenza in fisica è l'applicazione della teoria ai problemi reali:

Suggeriamo che un modo migliore per eliminare le idee errate potrebbe essere applicare la fisica a problemi realistici^{(14, 8)}.

Un buon modo per progettare un corso di fisica che tenga conto di tutto questo è quello tracciato da Landau⁽⁸⁾, ovvero una combinazione di lezioni e di attività di laboratorio:

Gli studenti lavorano e discutono dei loro progetti con gli istruttori e scrivono delle relazioni con sezioni dedicate a problema, equazioni, algoritmi, codici, visualizzazioni, discussioni, critiche. L'emfasi è professionale, molto simile ai rapporti con un supervisore di lavoro.⁽⁸⁾

Ovviamente l'aspetto di laboratorio non è possibile inserirlo nella piattaforma, lasciandolo all'iniziativa delle scuole o degli stage astronomici estivi, ma strutturato come un portale web: nella schermata introduttiva c'è una breve presentazione del corso, con i collegamenti ad ogni argomento e una collezione di risorse on-line:

Il corso è strutturato, quindi, in argomenti, per ognuno dei quali sono proposte alcune voci, scritte come pagine web, cui si aggiungono risorse esterne, esercizi raccolti in learning object e quiz.
Per incoraggiare la discussione e la condivisione sono stati anche programmati due forum: Chiedi all'esperto, per domande specifiche sull'astronomia e l'astrofisica, e Bar Sport 3000 per le discussioni tra gli studenti.

Per ciascuna delle voci del così detto syllabus astronomico si è pensato di proporre e laddove necessario sviluppare gli aspetti matematici e i concetti chiave, sperimentando su alcune voci anche l'aggiunta di una breve introduzione storica⁽⁷⁾.

Come detto, sulla piattaforma vengono utilizzati i learning object, di cui quella che segue è una delle migliori definizioni:

I Learning Object possono essere considerati degli oggetti di apprendimento digitali e non che perseguono un obiettivo formativo specifico, utilizzati sia da docenti, sia da studenti in modo indipendente e senza una sequenza predefinita.⁽⁹⁾

Un'altra utile definizione è fornita dal contributo di Peter Dourmashkin all'edizione 2010 di Comunicare Fisica:

• Creare un ambiente di apprendimento attivo coinvolgente e tecnologicamente abilitato
• Allontanarsi dal formato di lezione passiva
• Includere esperimenti con le mani
• Migliorare la comprensione concettuale
• Migliorare il problem solving

Ed è soprattutto pensando a quest'ultimo aspetto che si è ritenuto opportuno utilizzare i learning object esclusivamente per gli esercizi: prodotti con il software di rapid e-learning eXe-Learning, ogni esercizio è diviso in due parti, il testo e i calcoli risolutivi; lo studente può vedere la seconda parte semplicemente cliccando un bottone alla fine della prima parte.

L'assenza della fase sperimentale (che al massimo è proposta in maniera descrittiva all'interno degli esercizi) può essere sostituita attraverso delle simulazioni al computer. Utilizzando uno strumento abbastanza semplice come geogebra, un software open source gratuito utilizzato nelle scuole superiori per sviluppare le competenze di geometria, algebra e analisi degli studenti. Sviluppato in Java, le sue applet sono disponibili in rete e possono girare si Windows, Linux e Mac⁽¹²⁾. E' inoltre possibile utilizzarlo direttamente all'interno di Google Docs.
L'esempio di simulazione, mostrato in figura, serve per mostrare l'utilizzo di uno gnomone: utilizzando uno slider, gli studenti possono cambiare la posizione del sole, e quindi l'inclinazione dei raggi di luce, e di conseguenza la lunghezza dell'ombra dell'asta.

Questa, in breve, la piattaforma astronomica realizzata come supporto alla preparazione per le Olimpiadi dell'Astronomia. Il sogno è che possa diventare anche un supporto didattico più generale per le scuole, nella speranza di esserci messi sulla linea tracciata dalle parole di Marisa Michelini all'edizione 2010 di Comunicare Fisica:

Quando un giovane capisce quello che stiamo dicendo, si coinvolge, si appassiona.

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(1) Fridolin W., Sobernig S. (2007) Learning tools in higher ecudation: products, characteristics, procurement (pdf)
(2) Dougiamas M. (2001). Moodle: open-source software for producing internet-based courses, (2001)
(3) Dougiamas M., Taylor P.C. (2003). Interpretative analysis of an internet-based course constructed using a new courseware tool called Moodle (online version), (2003)
(4) Bohl O., Scheuhase J., Sengler R. & Winand U. (2002). The sharable content object reference model (SCORM) - a critical review, Computers in Education, 2002. Proceedings. International Conference on, 2 950-951. DOI: 10.1109/CIE.2002.1186122
(5) Brandl K., Are you ready to "Moodle"?, Language Learning & Technology, vol.9, n.2 (2005)
(6) Chonacky N. (2006). Has Computing Changed Physics Courses?, Computing in Science & Engineering, 8 (5) 4-5. DOI: 10.1109/MCSE.2006.88 (
(7) Demattè A. (a cura di), Fare matematica con i documenti storici, Provincia Autonoma di Trento-Iprase Trentino, 2006 (pdf)
Vedi anche Matematica e documenti storici
(8) Landau R. (2006). Computational Physics: A Better Model for Physics Education?, Computing in Science & Engineering, 8 (5) 22-30. DOI: 10.1109/MCSE.2006.85 (pdf)
(9) Ruberto A., Il progetto @pprendere digitale e i learning objects (pdf), (2006)
(10) Kenny R., Bullen M., Loftus J., Problem Formulation and Resolution in Online Problem-Based Learning, International Review of Research in Open and Distance Learning, Volume 7, Number 3 (2006)
(11) Martin-Blas, T, E-Learning Platforms in Physics Education, in Technology Education and Development, edited by Aleksandar Lazinica and Carlos Calafate, (2009)
(12) Mussoi EM, Flores MLP, Bulegon AM, Margarida L, Tarouco LMR. GeoGebra and eXe Learning: applicability in the teaching of Physics and Mathematics (pdf), Journal of Systemics, Cybernetics and Informatics vol.9, n.2 (61-66), (2011)
(13) Barrows H. S., The essentials of problem-based learning, Journal of Dental Education, 62(9), 630-633 (1998)
(14) Yasar O., Maliekal J., Little L.J. & Jones D. (2006). A Computational Technology Approach to Education, Computing in Science & Engineering, 8 (3) 76-81. DOI: 10.1109/MCSE.2006.37
(14) Root-Bernstein R., Discovering, Random House, 1989