Quale conoscenza hanno i ragazzi?

“Perchè abbiamo le stagioni sulla Terra?” non è una domanda alla quale gli studenti riescono a rispondere facilmente.  Cercando di rispondere a questa domanda, gli studenti coinvolti nel test hanno dedotto che il fatto di avere le stagioni ha a che fare con l’orbita della Terra. Hanno spiegato che la Terra non gira intorno al sole in un cerchio perfetto, ma che l’orbita ha più una forma ovale. Hanno dedotto che quando la Terra è vicina al sole, è estate, e quando è più lontana dal sole è inverno.  Una spiegazione davvero intelligente, ma questo comune misconcetto non spiega perché le stagioni sono invertite nell’Emisfero Nord e in quello Sud.

Provare invece di spiegare
Agli allievi è stata data una lampadina ed una Terra fatta di schiuma espansa.  Con le luci affievolite in classe, hanno usato questo modello per mostrare come la Terra gira per avere il giorno e la notte. Per spiegare le stagioni è stata data loro un’altra informazione: l’asse della Terra è leggermente inclinato, ed il Polo Nord punta sempre (all’incirca) verso la Stella Polare, nel nostro modello indicata da una grande stella disegnata sulla lavagna. Sebbene sia stato difficile per loro spiegare l’esistenza delle stagioni da soli, guidati da una serie di domande, alla fine della lezione tutti gli studenti sono stati in grado di spiegare perfettamente e mostrare quando è estate nei Paesi Bassi, quando è inverno, perché l’Australia celebra il Natale con feste e barbecue e perché in pieno inverno i giorni, vicino al Polo Nord, durano solo un paio di ore.

La lezione ha avuto successo?

Alla fine della lezione abbiamo chiesto di nuovo “Perché abbiamo le stagioni sulla Terra?”. Alcuni studenti ancora insistevano che questo ha a che fare con la forma ovale dell’orbita del sole. Dopo un’ulteriore spiegazione da parte dei compagni che non erano d’accordo, erano ancora confusi. Anche se avevano compreso il modello con la palla di schiuma espansa, il passaggio concettuale dalla pallina simulante la Terra alla rotazione effettiva dei pianeti per qualcuno non è stato così semplice.

La lezione ha avuto successo? Pensiamo di sì. Ha cambiato la loro idea a livello del modello. Ora hanno bisogno di tempo per cambiare le loro idee con riferimento al mondo reale.

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Conduction is one of the topics on which big misconceptions exist with secondary education students in the Netherlands. NEMO Science Museum developed a set of activities to try and change the existing misconceptions. We tested these at a secondary school in the Netherlands.

We tested the activities with three groups of Higher General Secondary Education students, aged around 16. The test was executed to see what works better to change the misconceptions: a cookbook method or an open inquiry based method.

In the first two groups we tested with pretty detailed inquiry experiments (cookbook version) with the last group we did an open inquiry activity. We provided this second group with a range of materials and the assignment to investigate. After the test, we realized that both methods worked really well to reach our goal of changing misconceptions. However, the second (open) method, resulted in both more fun as more frustration for the students and even more important. The students of the open method felt proud of their accomplishments.

The Activities

Both lessons started with a conversation about a butter melting experiment. The students have to predict on which spoon (wooden, plastic, glass, metal) butter will melt the quickest, if the spoons are placed in hot water. After this the students were told that to be able to predict the experiment more carefully, they were going investigate materials and conductivity.

In the cookbook version they conducted the following experiments, accompanied by a worksheet.

1. Investigate if and/or why humans are/aren’t objective thermometers. Place fingers in cold and hot and in lukewarm water after that.
2. Melt an ice cube on metal and plastic.
3. Use thermo chromatic paper to research the conduction of hot water in different materials.

In the open inquiry based method we handed the students all the materials and asked them to use the materials to think of an experiment with which you can better predict the experiment from the introduction. We provided them with a worksheet with example questions.

Results of the test

• Students seem to enjoy the ‘cookbook’ activities from the start, where the group with the open assignment didn’t know where to start and they felt more frustrated at start.
• In the end the students from the open experiment felt more proud and interested in the topic, compared to the other group.
• The students are most surprised by the ice melting experiment.
• The students like working with the materials a lot. They use the infrared thermometer to measure other things than assi
  gned, and they play with the different materials to get acquainted with them.

And now..

The test show that it is important to go forward with the open, inquiry based variant, but it still needs some improvements:

• Start or end with the experiment that shows people are not objective thermometers.
• Use the opening experiment to have a conversation about conducting heat and cold and let them explore after that.

Want to try?

After making some changes to the materials one of our partners will also test it. All materials will be cross-tested in different countries to get the widest feedback by end-users and once corrected, they will be freely available on the website: https://misstohit.deusto.es/ from May 2017

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Heavier objects fall faster than lighter objects, this is a common misconception at secondary schools in the Netherlands, was the starting point for a new activity we developed

Designing a hands-on activity

After researching the subject we found out that a multidisciplinary approach to the topic would work the best to explain the concept. Furthermore, we wanted the activity to be hands on and inquiry based. Therefore we asked the students to design their own experiments to find out what influences the falling, rolling and gliding speed of an object.

Testing the activity

In July 2016 we piloted the activity with 55 students of pre-vocational secondary education (VMBO). We were very curious how the students would respond to the materials and the open design of the activities. Especially because in the Netherlands this type of students are not used to do open designed activities at school.

Piloting in small groups

Our objective with this activity was to beat the misconception. To understand if we could meet our objective with this activity we tested each activity in small groups of 15 students. This was a very successful way of working with the subject. In this setting we were able to really guide the students during their research. There was enough time to walk around and help every student with their set-up for a good research(question). We spoke with them about what they are doing, which gave them enough new ideas and realization.

What worked well

1. It was good to see how the students experiment with the materials and it gave us lots of insights on how we needed to further develop the activity.
2. We start and end the lesson with an activity where the students talk about their ideas. In this way you can compare and use the answers of the students during the introduction, the experimenting and at the end of the lessons use their answers to draw conclusions on falling.

What we need to improve

1. After the tests with the students we had to fine tune the materials, to make all the experiments work. We looked for suitable material and came to the following experiments.

3D printed materials

We are excited to have the possibility to work with IBIMET in designing 3D printed materials for our rolling experiment. We asked them to design a cylinder with which you can  transport weight on different places in the cylinder. For example you can put the same amount of weight in the center of a cylinder and  on the outside of another cylinder and compare what happens.. This will give the students even more opportunities to explore the subject. We are looking forward to see if it enhances the learning of the students.

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Volevamo dimostrare che questo fenomeno non è negativo per il pianeta.

Innanzitutto è stata chiesta l’opinione degli allievi sul fenomeno.  Quasi tutti hanno osservato che  l’Effetto serra  è responsabile degli odierni problemi ambientali;  sebbene alcuni abbiano affermato che non fosse negativo, non sono stati in grado di fornire alcuna spiegazione.

Poi siamo andati in laboratorio, dove gli studenti  hanno lavorato con i materiali forniti loro.

• Hanno compilato una tabella con le temperature prese in diverse condizioni.
• Sono state prese in considerazione varie variabili che potevano influenzare la temperatura .
• Ogni gruppo ha fatto l’esperimento due volte.

Tornati in classe gli allievi hanno continuato a discutere dell’effetto serra  e sono arrivati alla conclusione che esso è un fenomeno naturale utile a creare condizioni di temperatura compatibili con la vita, in modo da evitare temperature estreme come quelle della Luna, per esempio.

Ovviamente , è stato sottolineato che  le attività dell’uomo, che contribuiscono all’aumento di CO_2,  sono causa di una variazione significativa della temperature del nostro pianeta.

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Il test è stato condotto per vedere che cosa è più efficace per cambiare i misconcetti: un metodo da ricettario o una metodologia basata sull’open inquiry learning.

Nei primi due gruppi le attività sono state svolte con esperimenti basati sull’inquiry ma in una versione abbastanza dettagliata (da ricettario) mentre con l’ultimo gruppo l’attività è stata svolta in modalità open inquiry, più libera. Abbiamo dato a questo secondo gruppo una serie di materiali ed il compito di indagare. Dal test ci siamo resi conto che entrambi i metodi hanno funzionato molto bene per raggiungere l’obiettivo di chiarire i misconcetti.

Tuttavia, il secondo metodo (open), è risultato più divertente anche se per certi aspetti più frustrante, sicuramente più importante per gli studenti, che alla fine si sono sentiti orgogliosi dei risultati ottenuti.

Le attività

Entrambe le lezioni sono iniziate con una discussione su un esperimento riguardante lo scioglimento del burro. Gli allievi dovevano prevedere su quale cucchiaio (di legno, plastica, vetro, metallo) il burro si sarebbe sciolto più velocemente, una volta che i cucchiai sarebbero stati messi in acqua calda.

E’ stato detto agli studenti che per prevedere l’esperimento in maniera più accurata, avrebbero dovuto studiare i materiali e la loro conducibilità.

Nella versione ‘ricettario’ gli studenti hanno svolto i seguenti esperimenti, utilizzando una scheda.

1. Investigare se e/o perché gli umani sono/non sono termometri oggettivi (dopo aver messo le dita in acqua fredda, calda e tiepida).
2. Sciogliere un cubetto di ghiaccio su una piastra di metallo e una di plastica.
3. Usare carta termo-cromatica per esaminare la conduzione dell’acqua calda nei diversi materiali.

In ogni esperimento gli studenti avevano una scheda-guida con domande a cui rispondere.

Risultati del test

• Sembra che agli studenti siano piaciute le attività “ricettario” fin dall’inizio mentre il gruppo che a svolto l’attività in modo ‘aperto’ non sapeva da dove iniziare ed all’inizio si sono sentiti più frustrati.
• Alla fine gli studenti dell’esperimento aperto erano più orgogliosi ed interessati all’argomento, rispetto all’altro gruppo.
• Gli studenti si sono sorpresi di più dall’esperimento sullo scioglimento del ghiaccio.
• Agli studenti è piaciuto molto lavorare con i materiali. Hanno usato il termometro infrarosso per misurare altre cose rispetto a quelle assegnate, ed hanno giocato con i diversi materiali familiarizzandoci.

Adesso ….

Il test ha mostrato che è importante andare avanti con la versione dell’open inquiry, ma c’è bisogno di fare alcuni miglioramenti:

• Cominciare o iniziare con l’esperimento che mostra che le persone non sono termometri oggettivi.
• Usare l’esperimento aperto per discutere sulla conduzione del caldo e del freddo e poi lasciarli esplorare.

Vuoi provare?

Dopo avere apportato alcune modifiche ai materiali uno dei nostri partner di progetto lo testerà. Tutti i materiali saranno verificati in maniera incrociata nei diversi paesi per avere il più ampio feedback dagli utenti finali ed una volta corretti, saranno liberamente disponibili sul sito web: https://misstohit.deusto.es/ a partire da Maggio 2017.

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L’attività

L’attività inclusa nel modulo didattico è appropriata per studenti dal 1° al 3° anno della scuola secondaria di ogni tipo, nelle ore di scienze. Gli studenti, divisi in gruppi, confrontano 5 condizioni diverse in cui le variabili cambiano una alla volta. Per esempio, utilizzando gli stessi materiali, confrontano il comportamento della temperatura di diverse miscele di gas iniettate in contenitori uguali per dimensione e materiale e riscaldate da una lampada incandescente. L’elio, il vuoto, l’aria ambientale e l’aria con aggiunta di vapore acqueo e anidride carbonica, se riscaldati dimostreranno come i gas serra portano a un prolungato riscaldamento del sistema soprattutto rispetto all’elio e al vuoto.

I risultati ottenuti dai diversi gruppi vengono elaborati con il lavoro a casa e confrontati con una discussione plenaria in cui il professore fa da moderatore.

Gli esperimenti con il vuoto e con l’elio hanno l’obiettivo di far capire agli studenti che la Terra, senza gas serra in atmosfera, perderebbe velocemente il calore, mentre al contrario, tratterrebbe più calore con quello con il vapore acqueo e soprattutto con l’anidride carbonica.

L’attività si presta anche a spiegare l’evoluzione del pianeta terrestre in funzione dell’evoluzione della sua atmosfera.

Test

L’attività è stata testata con circa 120 studenti in Italia e in Spagna. In generale, gli studenti hanno imparato a svolgere un esperimento scientifico e coloro che hanno svolto liberamente gli esperimenti da soli, hanno identificato le variabili ambientali e tecniche che interessano il confronto dei risultati di diversi gruppi. Pertanto, hanno capito l’importanza di utilizzare lo stesso settaggio per poter confrontare i risultati. Tuttavia gli studenti sembra esser piaciuta l’impostazione dell’esperimento, mentre le maggiori difficoltà sono state incontrate da coloro che hanno fatto l’elaborazione dati con i fogli di calcolo. Interviste e osservazione in classe, hanno mostrato come gli studenti hanno apprezzato l’indagine e hanno manifestato interesse per l’argomento.

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Ideare un’attività hands-on

Dopo aver studiato l’argomento abbiamo scoperto che un approccio multidisciplinare all’argomento avrebbe funzionato meglio per spiegare il concetto. Inoltre, volevamo che l’attività fosse hands-on e inquiry based.  Perciò abbiamo chiesto agli studenti di costruire i propri esperimenti per scoprire cosa influenza la velocità di caduta, il rotolamento e lo scivolamento di un oggetto.

Verifica dell’attività

A luglio 2016 abbiamo fatto il test di prova dell’attività con 55 studenti di una scuola secondaria professionale (VMBO). Eravamo curiosi su come gli allievi avrebbero reagito davanti ai materiali ed alle attività di progetto con la metodologia open inquiry, soprattutto perché nei Paesi Bassi questo tipo di studenti non sono abituati a svolgere a scuola attività di questo genere.

Test di prova a piccoli gruppi 

Il nostro obiettivo con questa attività era quello di rimuovere il misconcetto sui tre tipi di movimento. Per capire se saremmo riusciti a realizzare il nostro obiettivo con questa attività abbiamo provato ogni attività in piccoli gruppi di 15 studenti.  Questo modo di affrontare l’argomento ha avuto successo in quanto siamo riusciti veramente a guidare gli studenti durante l’indagine. C’è stato tempo per girare tra i ragazzi e aiutarli con i materiali a disposizione per investigare al meglio. Inoltre, abbiamo avuto modo di discutere di quello che stavano facendo, il che ha dato loro abbastanza nuove idee da realizzare.

Cosa ha funzionato bene

1. È stato positivo vedere come gli studenti hanno sperimentato con i materiali dati e ci ha fatto capire come sviluppare ulteriormente l’attività.
2. Abbiamo iniziato e finito la lezione con un’attività in cui gli studenti discutevano le loro idee. In questo modo si possono confrontare ed usare le risposte degli studenti risultate nell’introduzione, con quelle della sperimentazione ed alla fine della lezione si possono usare le loro risposte per trarre conclusioni sulla caduta.

Cosa abbiamo bisogno di migliorare

1. Dopo I test con gli studenti abbiamo dovuto ritoccare i materiali per far funzionare tutti gli esperimenti. Abbiamo cercato materiali adatti e siamo giunti agli esperimenti che sono sul sito web del progetto.

Materiali stampati in 3D

Siamo entusiasti di avere avuto la possibilità di lavorare con INTERZONAS per progettare i materiali stampati in 3D per il nostro esperimento di rotolamento. Abbiamo chiesto loro di progettare un cilindro che possa trasportare il peso in diversi punti nel cilindro. Per esempio si può mettere la stessa quantità di peso al centro del cilindro ed all’esterno di un altro cilindro e vedere cosa succede. Questo darà agli studenti ancora più opportunità di esplorare l’argomento. Non vediamo l’ora di vedere se ha migliorato l’apprendimento degli studenti.

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Imparare facendo per ricercatori e ideatori

In MisstoHit gli studenti imparano facendo, sperimentando.  Anche i ricercatori e gli ideatori hanno imparato facendo durante il test di prova. In effetti abbiamo imparato molto da queste prime esperienze.  Per evitare che gli allievi siano impegnati solo in attività di gioco è importante essere specifici sulle attività. Questo lo si può fare fornendo ai docenti domande specifiche e attive che possono avviare gli studenti e delle schede che specificano le domande su cui gli studenti devono lavorare.

La più importante lezione appresa: discutere con gli studenti!

Abbiamo anche imparato che come insegnanti è molto importante parlare con gli studenti delle loro scoperte nella fase di conclusione e discussione.  Quando gli studenti sperimentano con la pratica utilizzando dei materiali e attraverso i metodi di indagine, sono invitati a condurre i propri esperimenti ed a trarre le proprie conclusioni. Questo può condurre ad ottenere risultati diversi dovuti all’ampia varietà di materiali utilizzati per gli esperimenti, ma potrebbero incorrere anche errori di misurazione. La discussione di classe dà ai docenti l’opportunità di confrontare i risultati dei diversi gruppi, discutere le differenze con gli studenti e cercare spiegazioni.

Nel nostro test di prova abbiamo discusso per esempio delle differenze causate dalla scelta dei materiali. Le piste usate nelle nostre attività sono state prese in prestito e erano state usate precedentemente, quindi, alcuni materiali non erano molto lisci e questo può aver causato troppo attrito sulla pista. Inoltre, non tutti i mulini giravano in maniera fluida e quindi alcuni studenti hanno trovato difficile creare una corsa di biglie che facesse girare il mulino in maniera costante. È stato un problema? Da un lato, sarebbe stato più semplice usare materiali perfettamente lisci, dall’altro se deve considerare che i materiali che vengono usati frequentemente nelle scuole non avranno mai una forma perfetta. Secondo gli insegnanti che hanno partecipato la discussione ha dato un valore aggiunto all’esperienza di apprendimento, perché gli studenti hanno imparato a riflettere criticamente sulle loro scoperte ed a cercare spiegazioni alternative. E questo è un aspetto importante della pratica scientifica.

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