Laboratori virtuali, scienza reale Inspire article

Non solo per l'insegnamento a distanza: i laboratori virtuali sono diventati davvero unici durante la pandemia da COVID-19, ma generalmente possono essere un'utile aggiunta alla cassetta degli attrezzi dell'insegnante STEM.

Introduzione

Il contenuto dei libri di testo e gli esperimenti pratici sono entrambi fondamentali per l’educazione scientifica. Gli esperimenti e le dimostrazioni aiutano a stimolare l’attenzione degli studenti e possono inoltre aiutarli a comprendere i concetti appresi.

Con molti insegnanti che hanno dovutoinsegnare a distanza durante la pandemia da COVID-19, gli esperimenti pratici sono diventati difficili. Un’opzione per introdurre un elemento più pratico nelle lezioni online è l’uso di laboratori virtuali. Come suggerisce il nome, un laboratorio virtuale è un’attività basata su computer in cui gli studenti interagiscono con interfacce simulate di computer per eseguire esperimenti utilizzando strumenti, apparati o materiali virtuali.[1,2]

Tuttavia, molti insegnanti sono titubanti ad utilizzare laboratori virtuali perchè temono che possano essere costosi o complicati da utilizzare, o che non vale la pena di darsi da fare per impostare tutto quando poi non saranno più usati al termine della pandemia. Al contrario, molti di questi strumenti sono facili da usare e alcuni, come PhET Interactive Simulations (PhET), sono disponibili gratuitamente, Inoltre, mentre i laboratori virtuali non possono sostituire l’esperienza di fare esperimenti fisici, essi hanno caratteristiche che sono complementari alle lezioni pratiche ed essere un utile complemento per le attività didattiche ordinarie.[3] Per esempio, i modelli virtuali in questi programmi consentono agli studenti di visualizzare processi, come il moto molecolare, che normalmente sarebbero invisibili.

Questo articolo presenta PhET – le sue caratteristiche fondamentali e alcune delle simulazioni che offre – nella speranza di ispirare i docenti a dare una possibilità a questi sistemi. Al termine viene presentato un confront con alter piattaforme di simulazione.

PhET Simulazioni interattive

PhET è una delle piattaforme di simulazione più popolari, è disponibile gratuitamente e consente simulazionni interattive per una serie di argomenti scientifici.[4,5] Iè stata lanciata nel 2002 da un gruppo di fisici dell’ University of Colorado Boulder (USA), guidati dal premio Nobel Dr Carl Wieman.[6]

PhET non è difficile da usare. I docenti possono scaricare le simulazioni o utilizzarle online, e le istruzioni sono disponibili sulla homepage di ogni simulazione alla voce ‘Suggerimenti per gli insegnanti’. Tutte le simulazioni sono accompagnate da spiegazioni della teoria fondamentale, dispense (che includono suggerimenti per i docenti), fogli di lavoro per le attività e domande per la discussione. Gli insegnanti possono aggiungere il loro insieme personale di domande.

PhET sta per Physics Education Technology e inizialmente offriva solo simulazioni basate sulla fisica. Da allora, è stato esteso alle simulazioni che coinvolgono chimica, biologia, matematica e scienze della Terra (figura 1). Le simulazioni PhET sono progettate per coinvolgere gli studenti attraverso un ambiente intuitivo, narrativo o simile a un gioco, in cui gli studenti imparano attraverso l’esplorazione. Attualmente, PhET dispone di un totale di 159 simulazioni interattive per studenti delle scuole primarie e secondarie in cinque discipline.

Figura 1: immagini di esempio da simulazioni PhET di fisica, biologia, chimica e matematica
PhET Interactive Simulations/ University of Colorado Boulder

Esempi di simulazioni di PhET

Gli stati della materia costituiscono un argomento fondamentale in chimica che risulta critico per la comprensione prima di passare a concetti più complessi. Sfortunatamente gli studenti hanno spesso difficoltà nel visualizzare le particelle fondamentali (atomi e molecule) e il loro moto. PhET fornisce un’opportunità non solo di visualizzare l’organizzazione degli atomi e delle molecole in uno stato particolare, ma anche di vedere i cambiamenti che si verificano durante un cambiamento di stato.

Figura 2: Simulazione dello stato della materia. Se lo si desidera si possono visualizzare un grafico del potenziale di interazione e un diagramma di fase in aggiunta alla disposizione delle particelle.
PhET Interactive Simulations/ University of Colorado Boulder

Dallo schermo della simulazione, gli utenti possono selezionare da un elenco diverse molecole (neon argon, ossigeno, e acqua). Si possono poi cambiare la temperature e la pressione del sistema e vedere come cambiano la disposizione e il comportamento delle particelle (figura 3).

Figura 3: Distribuzione di molecule di ossigeno in tre diversi stati (solido, liquid e gassoso), ottenuti cambiando la temperature
PhET Interactive Simulations/ University of Colorado Boulder

Questo è particolarmente utile per spiegare perchè il ghiaccio galleggia sull’acqua, cosa che spesso confonde gli studenti che si basano sulle loro conoscenze pregresse secondo cui i solidi sono più densi dei liquidi corrispondenti. Con questa simulazione gli studenti possono facilmente visualizzare come le molecule di acqua si dispongano secondo una struttura simile a una gabbia quando si abbassa la temperatura, rendendo così il ghiaccio meno denso dell’acqua allo stato liquido (figura 4).

Figura 4: Disposizione di molecule d’acqua in tre stati differenti (solido, liquid, gassoso). La struttura simile a una gabbia del ghiaccio è diversa da quella dell’ossigeno solido mostrato nella figura 2.
PhET Interactive Simulations/ University of Colorado Boulder

C’è anche un gruppo di simulazioni che riguardano l’elettricità, che coprono temi quali la carica elettrica e la conducibilità, l’elettrostatica, la resistenza e la conduttanza, la costruzione di circuiti. Un esempio è ‘Hockey sul campo elettrico’, in cui gli studenti possono imparare cosa sono le cariche elettriche e le loro interazioni tentando di fare gol in un gioco simulato di hockey sul ghiaccio, e ci sono diverse attività divertenti presentate sotto forma di gioco che gli studenti possono esplorare da sè (figura 5).

Figura 5: Una simulazione di PhET simile a un gioco per introdurre il concetto di forza
PhET Interactive Simulations/ University of Colorado Boulder

PhET può essere utile anche per spiegare i fenomeni che influenzano i cambiamenti climatici e il riscaldamento globale. La simulazione dell’effetto serra, per esempio, spiega come la Terra assorba i raggi di Sole e li ri-emetta come radiazione infrarossa, e come le nuvole e i gas serra impediscano a questa radiazione di disperdersi nello spazio (figura 6). Nella tabella di assorbimento dei fotoni, gli studenti possono scegliere diverse molecole dell’atmosfera e vedere come interagiscono con i fotoni dei raggi di Sole o con la radiazione infrarossa.

Figura 6: a) La Terra assorbe I fotoni dei raggi di Sole (gialli) e li ri-emette come fotoni della radiazione infrarossa (rosso), che non possono disperdersi nello spazio alla presenza di nubi e gas serra. b) Fotoni infrarossi possono interagire come molecole come il metano nell’atmosfera e possono essere assorbiti o sparpagliati. PhET Interactive Simulations/ University of Colorado Boulder

Altri laboratori virtuali

PhET è un pioniere nelle simulazioni virtuali e rimane fondamentale e con un gran numero di accessi persino dopo due decenni, Sfortunatamente, PhET al momento offre poche simulazioni per biologia, matematica e scienze della Terra, sebbene nuove simulazioni vengano continuamente aggiunte. Inoltre l’interfaccia potrebbe risultare leggermente datata se confrontata con quella di alcuni laboratory virtuali che vengono messi in commercio, e alcune simulazioni potrebbero essere complesse da portare a termine dagli studenti senza l’aiuto dei loro insegnanti. Sarebbe utile se PhET offrisse un’opzione vera e propria di valutazione.

Ci sono molti altri laboratori virtuali disponibili, sia commercialmente sia open-source. La Tabella 1 fornisce un confronto di quattro di essi (PhET, OLabs, Beyond Labz e Labster), scelti sulla base delle loro caratteristiche e l’applicabilità per un’ampia gamma di materie per l’educazione scolastica, scelti in base alle loro caratteristiche e applicabilità per un’ampia gamma di materie per l’istruzione scolastica, l’integrazione con diverse istituzioni e un gran numero di utenti [4, 7–9]. Esistono molti altri laboratori virtuali che offrono simulazioni per lo più specifiche per soggetto, una lista completa può essere trovata in Ref. [10].

Tabella 1. Confronto delle caratteristiche di quattro laboratory virtuali: PhET, OLabs, Beyond Labz, Labster.
Phet OLabs Beyond Labz Labster
Argomenti fisica, chimica, biologia, matematica, scienze della Terra fisica, chimica, biologia, matematica chimica generale, chimica organica, biologia, fisica, scienze fisiche fisica, chimica, biologia, medicina, ingegneria
Target di riferimento Dalla scuola primaria alla scuola secondaria dalla scuola media alla secondaria dalla scuola media dalle superiori
Piattaforma sito web, app sito web sito web sito web, app (versione beta disponibile solo per alcune nazioni)
Connettività online/offline online online/ offline online
Accesso open-source/gratuito open-source/gratuito periodo di prova gratuito; poi accesso a pagamento periodo di prova gratuito, simulazione gratuita della sicurezza in laboratorio; quindi accesso a pagamento

I laboratori virtuali più realistici e sofisticati sono solitamente a pagamento, cosa che può essere un ostacolo per l’accesso a meno che l’istituto scolastico non possa pagare per averlo.

Sommario

I laboratori virtuali hanno guadagnato lentamente slancio negli ultimi anni e molti gruppi di ricerca, start-up e grandi aziende hanno lavorato per migliorare le simulazioni esistenti o sviluppare nuove idee. Tuttavia, con il diffuso insegnamento a distanza durante la pandemia da COVID-19, questi strumenti sono diventati davvero unici e sono stati ampiamente utilizzati per supportare l’insegnamento STEM online. PhET, ad esempio, ha visto un aumento significativo del suo utilizzo in tutto il mondo e fino al 500% in paesi come Francia e Italia.[11] Questi strumenti sono utili oltre l’insegnamento a distanza e possono essere un prezioso complemento agli esperimenti pratici in classe.

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References

[1] Woodfield et al. (2004) The Virtual ChemLab Project: A Realistic and Sophisticated Simulation of Inorganic Qualitative AnalysisJ. Chem. Educ. 81:1672–1678. doi:10.1021/ed081p1672

[2] Rutten N, van Joolingen WR, van der Veena JT (2012) The learning effects of computer simulations in science education. Computers & Education 58:136–153. doi:10.1016/j.compedu.2011.07.017

[3] Ali N, Ullah S Review to Analyze and Compare Virtual Chemistry Laboratories for Their Use in EducationJ. Chem. Educ.  97:3563–3574. doi:10.1021/acs.jchemed.0c00185

[4] PhET: https://phet.colorado.edu/

[5] Moore EB et al. (2014) PhET Interactive Simulations: Transformative Tools for Teaching Chemistry. Journal of Chemical Education 91:1191–1197. doi: 10.1021/ed4005084

[6] Finkelstein N et al. (2006) High tech tools for teaching physics: The physics education technology project. MERLOT Journal of Online Learning and Teaching 2:110–121.

[7] OLabs: http://www.olabs.edu.in/

[8] Beyond Labz: https://www.beyondlabz.com/

[9] Labster: https://www.labster.com/

[10] Risorse didattiche aperte: simulazioni e laboratori virtual: https://libguides.mines.edu/oer/simulationslabs

[11] Leytham-Powell C (2020) PhET simulations keep students engaged while learning science remotelyColorado Arts and Science Magazine

Resources

Author(s)

Il dottor Subhadip Senapati ha conseguito il dottorato di ricerca in Chimica presso l’Arizona State University (USA). Attualmente è ricercatore senior presso il Prayoga Institute of Education Research, Bangalore (India) e lavora a diversi progetti nel campo della ricerca sull’educazione scientifica e della ricerca su piccola scala.




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