Il Piano Lauree Scientifiche (PLS) attivato dal Ministero dell'Istruzione, dell'Università e della Ricerca Scientifica ha come obiettivi la diffusione della cultura scientifica, l'incoraggiamento dei giovani a intraprendere lo studio delle materie scientifiche e il miglioramento delle possibilità di orientamento attraverso iniziative che offrano l'opportunità di effettuare una prima esperienza diretta col mondo della ricerca.

ATTIVITÀ 2016-17

Azione a. Laboratorio per l’insegnamento delle scienze di base

VENGONO PROPOSTI 5 LABORATORI A 5 ISTITUTI DI ISTRUZIONE SECONDARIA SUPERIORE DISTINTI. IL DOCENTE TUTOR DI OGNI ISTITUTO INDIVIDUA 20 STUDENTI A CUI VENGONO PROPOSTE LE VARIE ATTIVITÀ, DA SVOLGERSI SECONDO LE MODALITÀ QUI DI SEGUITO BREVEMENTE DESCRITTE.

a1. Concentrare la luce solare

In questo laboratorio gli studenti apprendono le leggi dell’ottica geometrica, cogliendo in particolare che alcune costruzioni geometriche hanno interessanti applicazioni anche nell’ambito delle energie rinnovabili. L’attività fornisce inoltre l’occasione di utilizzare e valorizzare opportunamente leggi e metodi della trigonometria. Viene in particolare progettato un diottro con doppia superficie sferica col quale è possibile fare arrivare, con un dato rapporto di concentrazione, luce solare raccolta da una superficie sferica di qualche decimetro di diametro su di una superficie di più piccole dimensioni. Le superfici sferiche duali del diottro, quella maggiore in entrata e quella minore in uscita, sono confocali. Questo sistema ottico potrebbe trovare applicazione nel campo del fotovoltaico a concentrazione, in cui è importante che la direzione e l’uniformità originarie del fascio incidente siano mantenute anche nel fascio concentrato. Le dimensioni del sistema dipendono dal rapporto di concentrazione desiderato e dall’estensione della superficie da irradiare. Sono previste prove di laboratorio su modelli di plexiglas aventi la finalità di validare l’analisi teorica effettuata utilizzando esclusivamente concetti elementari di ottica geometrica.

a2. Proprietà fondamentali dei materiali superconduttori

Dopo una lezione propedeutica sul fenomeno della superconduttività (2 ore) agli studenti dell’Istituto partner viene proposto un esperimento in laboratorio. L’esperimento è dedicato alla misura della resistenza in funzione della temperatura di un materiale superconduttore tramite un semplice apparato sperimentale realizzato appositamente per gli studenti del Liceo. L’apparato sperimentale permette agli studenti di misurare la resistenza e la corrispondente temperatura del campione allo scopo di costruire il grafico della resistenza in funzione della temperatura durante il passaggio dallo stato normale a quello superconduttivo del materiale. Mediante un esperimento di levitazione magnetica si illustreranno inoltre alcune delle proprietà più rilevanti dei superconduttori del II tipo.

a3. La fisica Moderna nei Licei Scientifici

La riforma dell’esame di maturità nei Licei Scientifici non ha avuto un adeguato periodo di transizione e ha quindi colto di sorpresa non solo gli studenti ma anche gli insegnanti di Fisica i quali hanno dovuto riorganizzare in breve tempo la loro esperienza didattica. In vista della possibilità che la seconda prova scritta dell’esame di stato nei licei scientifici verta su argomenti di Fisica, si è pensato di proporre delle esperienze di laboratorio legate alle scoperte scientifiche che agli inizi del Novecento hanno segnato il passaggio dalla Fisica Classica alla Fisica Moderna. Vengono in particolare proposti esperimenti sul corpo nero e sull’effetto fotoelettrico la cui interpretazione permette di evidenziare la naturale corpuscolare della radiazione elettromagnetica. La parte sperimentale viene preceduta da lezioni teoriche (circa 6 ore) riguardanti una introduzione alla crisi della Meccanica Classica e all’avvento della Fisica Moderna, nella quale vengono illustrati i concetti fondamentali elaborati e utilizzati nell’attività di ricerca che ha caratterizzato quella fase.

a4. Costruire la materia

Si tratta di un’attività che si svolge prevalentemente in laboratorio sotto la guida di personale dell’Istituto SPIN del CNR, con un obiettivo particolarmente ambizioso per una classe dell’ultimo anno di liceo scientifico, visto il livello molto avanzato rispetto alla quotidianità scolastica delle conoscenze e strumentazioni richieste. Consiste nella realizzazione di un cristallo di elevatissima purezza e regolarità e nel successivo controllo delle proprietà morfologiche e composizionali tramite microscopia elettronica a scansione, attraverso l’uso di alcune delle tecniche abitualmente impiegate nelle attività di ricerca che si svolgono in questa area.

Lo scopo di questo laboratorio è quello di avvicinare i ragazzi alla fisica dei materiali, insegnare loro l'acquisizione e l'interpretazione dei dati, la comprensione delle immagini e la generazione di grafici. Inoltre, poiché l’attività prevede in particolare anche la caratterizzazione del cristallo ottenuto, viene mostrata agli studenti coinvolti una tecnica, quella della microscopia elettronica a scansione, che ha un impatto molto positivo sulla costruzione di una forma mentis in grado di generare interesse verso le materie scientifiche e la fisica dello stato solido. L’intera attività ha infine la finalità di far comprendere ai ragazzi quale sia il giusto atteggiamento da tenere in laboratorio e di trasmettere loro il rispetto per la ricerca, la valorizzazione della pazienza e la dedizione necessaria al raggiungimento di un obiettivo difficile.

a5. Magnetismo: attrazione speciale

L’utilizzo di materiali magnetici nella vita di tutti i giorni è tanto sconosciuto quanto vasto. Basti pensare che tutte le volte in cui parliamo al telefono, ascoltiamo la radio, utilizziamo un bancomat, scaldiamo un cibo nel forno a microonde, suoniamo una chitarra elettrica, usiamo un computer, o addirittura quando accendiamo una luce in casa, stiamo utilizzando gli effetti prodotti dall’utilizzo di materiali magnetici. E questi sono solo alcuni dei moltissimi esempi in cui sono coinvolti tali materiali e le leggi del magnetismo.

Ma i materiali magnetici sono anche oggetto di ricerca a livello avanzato, con l’obiettivo di rendere possibile il loro utilizzo in un prossimo futuro per la realizzazione di memorie, dispositivi logici magnetici, sensori avanzati per l’industria spaziale, aeronautica ed automobilistica, dispositivi di cura in medicina, solo per citare pochissime applicazioni futuribili.

Presso il Dipartimento di Fisica “E.R. Caianiello” è presente il laboratorio “LAMBDA” (Laboratory for Analysis of the Materials Behaviour in Dc and Ac fields) nel quale vengono studiate le proprietà magnetiche di materiali (sia magnetici che superconduttori), in presenza di campi fissi e/o variabili nel tempo. Le attrezzature e le tecniche di indagine permettono di ottenere informazioni sulle caratteristiche magnetiche più interessanti dei materiali analizzati, basandosi sulla comprensione dei meccanismi microscopici che sono alla base dei fenomeni rilevati.

Al di là della sofisticatezza e della sensibilità delle attrezzature utilizzate, tramite il presente percorso formativo ci si propone di ottenere un analogo obiettivo. Infatti si vuole mostrare come, utilizzando strumentazione relativamente semplice, ma con le opportune metodologie scientifiche, sia possibile studiare sperimentalmente il comportamento magnetico di un materiale e capirne i meccanismi microscopici che ne sono alla base. Viene proposto un percorso formativo che prevede un impegno di 6 ore per 20 alunni scelti dal tutor nell’Istituto partner. Si inizia con una lezione teorica propedeutica sul magnetismo (2 ore), cui fa seguito una fase laboratoriale dedicata alla determinazione sperimentale del ciclo di isteresi magnetica di barre di materiale ferromagnetico (due turni di 4 ore per ogni dieci alunni dell’Istituto partner).

Azione b. Autovalutazione

TALE TIPOLOGIA INTERESSA 6 ISTITUTI. IL DOCENTE TUTOR DI OGNI ISTITUTO INDIVIDUA 10 STUDENTI A CUI PROPORRE L’AZIONE DI AUTOVALUTAZIONE DI SEGUITO DESCRITTA.

Osserviamo innanzi tutto che l’obiettivo del laboratorio di autovalutazione è far acquisire agli studenti la consapevolezza della loro preparazione di base in relazione a quanto richiesto nei corsi di laurea scientifici. Evidentemente questa azione interferisce positivamente con quella mirata alla riduzione degli abbandoni in quanto avere una preparazione iniziale e una mentalità adeguata è un requisito che certamente aiuta ad affrontare consapevolmente le difficoltà. L’autovalutazione viene effettuata attraverso un percorso interdisciplinare così strutturato:

• Inizialmente vengono proposti dei test auto-valutativi per comprendere quanti studenti siano consapevoli della necessità di utilizzare metodi matematici o principi fisici per la comprensione di alcuni fenomeni biologici

• In una seconda fase gli studenti vengono esposti a un percorso di apprendimento di due temi particolari: la dinamica delle malattie infettive non letali e il processo di ventilazione dei seni paranasali. Gli studi interdisciplinari proposti riguardano la dinamica di alcuni fenomeni biologici, quali la diffusione dei virus influenzali in una comunità chiusa, oppure il processo di ossigenazione dei seni paranasali durante la respirazione e si mostra come tutto può essere compreso attraverso l’applicazione di alcuni concetti di base della fisica e della matematica. Viene in particolare studiato come i seni mascellari possano fungere da serbatoio di molecole calde utili a mitigare la temperatura dell’aria inspirata, se troppo fredda. Attraverso l’utilizzo di opportuni software grafici possono essere effettuate simulazioni di questo fenomeno.

• Nell’ultima fase gli studenti valutano il proprio grado di comprensione di questi fenomeni sulla base delle nozioni di matematica e fisica apprese durante le 20 ore di lezioni frontali.

Azione c. Formazione insegnanti

TALE AZIONE RIGUARDA GLI INSEGNANTI E NON GLI STUDENTI E VIENE PROPOSTA A SETTE ISTITUTI. IL DOCENTE TUTOR DI OGNI ISTITUTO INDIVIDUA E SEGNALA AL RESPONSABILE DEL PROGETTO TUTTI I COLLEGHI DELL’ISTITUTO CHE SONO INTERESSATI

Lo studio della Meccanica Quantistica e, più in generale, della Fisica Moderna riveste oggigiorno un ruolo importante, viste le recenti prescrizioni del MIUR sui programmi di studio dei Licei Scientifici. E’ ben noto infatti che gli argomenti di approfondimento della Fisica Moderna, scelti dai docenti fra uno o più temi specifici, possono essere oggetto della prova orale e della terza prova scritta. Un’altra novità importante è costituita dalla recente introduzione della prova scritta di Fisica nell’esame di maturità.

Tali prescrizioni hanno procurato disorientamento nel corpo docente dato che è mancata una fase di transizione adeguata e abbastanza lunga da permettere un passaggio non traumatico dal vecchio al nuovo esame di maturità.

Per collaborare col corpo insegnante in questo delicato percorso di adeguamento si propone nell’ambito dell’azione c) del PLS una Scuola Invernale di Fisica Moderna.

La scuola, della durata di 5 giorni, si tiene nel mese di febbraio presso il Dipartimento di Fisica e gli insegnanti possono essere ospitati presso le residenze universitarie a spese del PLS.

La scuola prevede lezioni teoriche seguite da un’attività di laboratorio in cui vengono proposti alcuni esperimenti significativi sul corpo nero finalizzati alla comprensione di alcune caratteristiche della radiazione elettromagnetica e, allo stesso tempo, all’introduzione di nuove ipotesi interpretative che trovano soluzione con l’ipotesi di Planck sui quanti di luce. Inoltre, viene utilizzata la semplice formulazione della teoria dell’atomo di idrogeno data da Bohr per richiamare concetti di base della Fisica Classica. Lo stesso effetto fotoelettrico può dare adito alla descrizione dei metalli secondo il modello classico di Drude e, allo stesso tempo, ripropone all’attenzione la necessità di superare le difficoltà interpretative dell’esperimento stesso, così come fatto da Einstein nel 1905. In questo ambito, pertanto, cercando di riprodurre in laboratorio semplici esperimenti dell’epoca, si potrebbe raggiungere un duplice scopo. Il primo è costituito dall’approfondimento di temi avanzati della Meccanica Classica. Il secondo è l’esposizione dei concetti fondamentali della Fisica Moderna attraverso il quadro storico che viene proposto nei libri di testo introduttivi alla Meccanica Quantistica.

Azione d. Riduzione abbandoni

CON QUESTA AZIONE SI PROPONE IL FINANZIAMENTO DI UNA SCUOLA ESTIVA PER STUDENTI CON LE SEGUENTI MOTIVAZIONI:

La scuola ha l’obiettivo di individuare le eccellenze e accompagnare gli studenti che superano la selezione di ingresso fino all’iscrizione al corso di laurea in Fisica. Questa azione ha l’obiettivo di motivare e fortificare gli iscritti al corso di laurea in modo che essi siano consapevoli del tipo di impegno richiesto e che siano anche pronti a gestire efficacemente eventuali difficoltà. In tal modo si ritiene di poter ridurre il tasso di abbandono che caratterizza questo percorso di studi in tutti gli atenei italiani.

Nell’anno solare 2017 la Scuola verrà organizzata come segue: ci sarà una fase aperta agli studenti che hanno partecipato alla stessa iniziativa nell’anno 2016 (attualmente al V anno) e una fase aperta a 30 studenti del quarto anno che risulteranno vincitori di un bando. Evidentemente questa strategia punta a coltivare quanto seminato l’anno precedente e a intraprendere un nuovo ciclo “di semina e di raccolta”.

Si ritiene che questo programma favorisca in maniera naturale l’iscrizione al corso di laurea in Fisica di un nucleo di studenti fortemente motivati in grado di portare avanti in maniera regolare il loro corso di studi fino al completamento del percorso nei tempi previsti.

Il programma dettagliato della scuola estivasarà reso noto con congruo anticipo.