La visualizzazione scientifica è la resa in forma visuale di dati, al fine di meglio comprenderli per sé e più facilmente illustrarli ad altri. I dati visualizzati sono informazioni quantitative frutto di osservazione, astrazione o calcolo. Il processo di visualizzazione presuppone una serie di regole per la codifica e decodifica dell’informazione. Normalmente il codice rappresentativo è articolato, per gestire al meglio il compromesso tra la fedeltà di rappresentazione e i limiti del mezzo usato per rappresentarla; non di rado però è sottointeso. Nei casi in cui la rappresentazione visuale è densamente figurativa, cioè imita espressamente la realtà, questo può portare a una confusione tra significante e significato oppure a un’interpretazione errata da parte dell’utente guidata dall’analogia con la memoria e l’esperienza vissuta. Questo fraintendimento può dimostrarsi particolarmente rischioso nei casi in cui la rappresentazione visuale ha come oggetto qualcosa di fisicamente esistente ma, per cause legate alla natura fisica dell’oggetto, inaccessibile alla vista e agli strumenti ottici. Abbiamo argomentato come nel caso di rappresentazioni della realtà più arbitrarie e scarsamente figurative, la corrispondenza con il contenuto informativo è più cosciente nell’utilizzatore, permettendo di superare alcuni dei limiti cognitivi delle rappresentazioni visuali. Ci siamo quindi chiesti se non fosse possibile, e magari anche conveniente, realizzare rappresentazioni sensoriali che non fanno uso della vista e ne abbiamo studiato le potenzialità. Lo studio ha guidato la realizzazione di una resa in forma tattile e uditiva dell’emissione di onde radio da parte di oggetti celesti in una regione di cielo, attraverso parametri tattili e uditivi arbitrari e non necessariamente corrispondenti ad analoghi visuali. La sperimentazione, effettuata anche con l’aiuto di utenti non vedenti, ha evidenziato una notevole efficacia in termini di trasferimento di informazione e di coinvolgimento di un pubblico diversamente abile, mostrando interessanti spunti di ricerca futuri in ambito didattico, museale e sociale. / Scientific visualization is the visual representation of data, in order to better understand and illustrate them. The displayed data is any quantitative information, resulting from observation, abstraction or calculation. The display process implies a set of rules for encoding information in a visual form. Normally the code is complex, in order to better compromise between the fidelity of representation and the limits of the medium used to represent it; not infrequently, however, it is tacit. In cases where the visual representation is densely figurative (i.e. a clear imitation of reality), this can lead to mistake signifier for signified, or to misinterpret the represented data, due to the analogy of the representation with real experience. This misunderstanding may be particularly risky in cases where the object of the visual representation is something physical, but inaccessible to the eye and to optical instruments. We argue that in the case of more arbitrary and less figurative representations, the fruition is more conscious, also allowing to overcome some of the cognitive limits of visual representations. We investigate whether it is possible, and maybe even more suitable, to create sensorial representations that do not use the view, therefore we studied the potential of such representations. This study led to the realization of a tactile and acoustic map of radio waves emitted from celestial objects in a region of the sky, using tactile and auditory parameters not necessarily corresponding to visual analogues. The experiment, carried out also with visually impaired users, showed a significant effect in terms of transfer of information and involvement of a disabled audience, presenting interesting cues for future research in education, implementations for science centers and creation of integrations projects about sensory impairment.

The research work concerns the analysis of the foundations of Quantum Field Theory carried out from an educational perspective. The whole research has been driven by two questions: • How the concept of object changes when moving from classical to contemporary physics? • How are the concepts of field and interaction shaped and conceptualized within contemporary physics? What makes quantum field and interaction similar to and what makes them different from the classical ones? The whole work has been developed through several studies: 1. A study aimed to analyze the formal and conceptual structures characterizing the description of the continuous systems that remain invariant in the transition from classical to contemporary physics. 2. A study aimed to analyze the changes in the meanings of the concepts of field and interaction in the transition to quantum field theory. 3. A detailed study of the Klein-Gordon equation aimed at analyzing, in a case considered emblematic, some interpretative (conceptual and didactical) problems in the concept of field that the university textbooks do not address explicitly. 4. A study concerning the application of the “Discipline-Culture” Model elaborated by I. Galili to the analysis of the Klein-Gordon equation, in order to reconstruct the meanings of the equation from a cultural perspective. 5. A critical analysis, in the light of the results of the studies mentioned above, of the existing proposals for teaching basic concepts of Quantum Field Theory and particle physics at the secondary school level or in introductory physics university courses.

Il presente lavoro si rivolge all’analisi del ruolo delle forme metaforiche nella divulgazione della fisica contemporanea. Il focus è sugli aspetti cognitivi: come possiamo spiegare concetti fisici formalmente complessi ad un audience di non-esperti senza ‘snaturarne’ i significati disciplinari (comunicazione di ‘buona fisica’)? L’attenzione è sulla natura stessa della spiegazione e il problema riguarda la valutazione dell’efficacia della spiegazione scientifica a non-professionisti. Per affrontare tale questione, ci siamo orientati alla ricerca di strumenti formali che potessero supportarci nell’analisi linguistica dei testi. La nostra attenzione si è rivolta al possibile ruolo svolto dalle forme metaforiche nella costruzione di significati disciplinarmente validi. Si fa in particolare riferimento al ruolo svolto dalla metafora nella comprensione di nuovi significati a partire da quelli noti, aspetto fondamentale nel caso dei fenomeni di fisica contemporanea che sono lontani dalla sfera percettiva ordinaria. In particolare, è apparsa particolarmente promettente come strumento di analisi la prospettiva della teoria della metafora concettuale. Abbiamo allora affrontato il problema di ricerca analizzando diverse forme metaforiche di particolare rilievo prese da testi di divulgazione di fisica contemporanea. Nella tesi viene in particolare discussa l’analisi di un case-study dal punto di vista della metafora concettuale: una analogia di Schrödinger per la particella elementare. I risultati dell’analisi suggeriscono che la metafora concettuale possa rappresentare uno strumento promettente sia per la valutazione della qualità delle forme analogiche e metaforiche utilizzate nella spiegazione di argomenti di fisica contemporanea che per la creazione di nuove e più efficaci metafore. Inoltre questa prospettiva di analisi sembra fornirci uno strumento per caratterizzare il concetto stesso di ‘buona fisica’. Riteniamo infine che possano emergere altri risultati di ricerca interessanti approfondendo l’approccio interdisciplinare tra la linguistica e la fisica. / The present work deals with the role of metaphorical thinking in the public communication of contemporary physics. We focus on the cognitive aspects: how to disseminate complicated formal physical concepts to a non-professional public maintaining the ‘correct’ disciplinary meaning, that is aiming at communication of ‘good physics’. The focus is on the nature of the explanation and the problem is how to evaluate the effectiveness of public scientific explanation of advanced physical topics to a non-professional audience. For this purpose we have looked for formal tools apt at analyzing the linguistic features of dissemination texts. We have drawn our attention to the role of analogical and metaphorical forms in the construction of ‘actual’ physical meanings because they obviously play an important role in introducing new concepts from previous ones when dealing with contemporary physics phenomena that are far from the ordinary perceptive domain. For the purpose of our investigation the conceptual metaphor perspective, within the framework of cognitive linguistics, appeared to be the most promising analytical tool. We investigate the research problem by analyzing a set of ‘relevant’ analogies and metaphors taken from popular science literature. In particular an analysis of a case study, within the framework of conceptual metaphor, is presented : Schrödinger’s analogy for ‘elementary particle’. The results of the analysis suggest that the conceptual metaphor perspective might be a potential tool both to assess the quality of analogical forms used in explanation of contemporary physics and to design new and ‘better’ analogies and metaphors. Besides, in a recursive process this analysis could help to focus on those meaningful cognitive aspects that characterize, and refine, a ‘complete’ and ‘correct’ physical concept. We think that fruitful results of inquiry might come from a deeper interdisciplinary approach between linguistics and physics.

Catalysts are of great importance in many different fields, including the energy and the environmental sectors. It is important to produce them with simple preparation technique and to enhance the catalysts surface-to-volume ratio. The work undertaken in this thesis concerns the synthesis of nanostructures by Pulsed Laser Deposition (PLD) and R.F. sputtering deposition and the tailoring of their structures by varying deposition parameters. We synthesized Cobalt oxide nanoparticles (NPs) by PLD and studied the influence of the deposition parameters (i.e. substrate temperature, target-to-substrate distance and partial pressure of Oxygen in the chamber) on the final structure and crystalline phase of the NPs. The deposited NPs can be divided in two main categories: small NPs having a diameter of about 5 nm, and big NPs of size ranging from 50 to 400 nm. Depending on the value chosen for the deposition parameters, small NPs have CoO- or Co3O4 crystalline phase, and NPs can have a core/shell structure. The phase composition of the core and of the shell also vary according to the deposition conditions. We synthesized thin film of Co-B NPs by PLD. Depending on the energy density, the laser process is able to produce well-dispersed spherical Co NPs partially embedded within B-based film matrix in a single-step deposition. The small size, the polycrystalline nature of Co NPs, and the presence of Boron matrix is important for catalytic performance of the Co-B film. The catalytic activity of the Co-B has been tested in hydrolysis of chemical hydrides (ammonia borane and sodium borohydride). PLD deposition of C-film, to serve as support for Co-B NPs, was performed at different Ar pressures (from 10 to 50 Pa) to tailor film roughness in order to investigate the role of porous and irregular C- surface on supporting Co-B NPs acting as catalysts. The measured hydrogen generation rate attained with C-supported Co-B catalyst film is higher than both unsupported-Co-B film and conventional Co-B powder. Multilayer ITO/Cr-doped-TiO2 thin films have been synthesized by radiofrequency magnetron sputtering in order to sensitize TiO2 in visible light and to lower the charge recombination rate in the Cr-doped-TiO2. When the multilayer films were exposed to visible light, we observed that the photocurrent increases as function of the number of bilayers by reaching the maximum with 6-bilayers of ITO/Cr-doped- TiO2. The superior photocatalytic efficiency of the 6-bilayers film implies higher hydrogen production rate through water-splitting. Spontaneous growth of Lead nanowires (NWs) have been observed in composite Al-Pb film deposited by R.F. sputtering deposition. The parameters of deposition and the storage of the Al-Pb films after deposition has been changed in order to understand the growth process of NWs. Evolution of NWs growth was also observed inside a SEM chamber. We propose that a stress-driven mechanism and the corrosion occurring on the films surface in environment atmosphere are the cause of NWs growth.

Si presenta in questa tesi una serie di progetti didattici e divulgativi a tema energetica svolti nel corso del dottorato dal candidato. Trova spazio la presentazione di un'indagine originale che ha coinvolto 730 cittadini e volta alla comprensione di quale sia la percezione comune circa alcune tematiche di carattere energetico di estrema attualità. Sono, in seguito, presentati dei progetti didattici che hanno coinvolto scolaresche di scuole primarie e secondarie di primo e secondo grado. Lo scritto, infine, termina con la presentazione di un progetto di start Up accedemica volto alla divulgazione scientifica.

Il mio essere un’insegnante di matematica e fisica delle scuole superiori (il mio primo anno scolastico come insegnante è stato il 1989/90) mi ha portata a questo dottorato e mi ha guidata nella mia ricerca: il bisogno di un rinnovamento, di una modifica delle strategie didattiche e dei contenuti è per me un’emergenza della scuola. Stiamo perdendo i nostri alunni alla scienza, quando loro stessi avrebbero la massima necessità del pensare scientifico nella società contemporanea, per essere cittadini a pieno titolo; per la mia generazione era sufficiente che solo una piccola frazione degli studenti si interessasse ed appassionasse alla conoscenza scientifica, ed i metodi didattici rispecchiavano questo approccio. Non possiamo più permettercelo. Mi sono quindi orientata alla creazione di strumenti innovativi che potessero essere effettivamente utilizzati dai miei colleghi, ma che potessero avere spazio anche fuori da contesti formali come la classe. Lo sviluppo della mia tesi rispecchia il percorso che ho seguito nei tre anni di dottorato, dalla comunicazione della scienza in generale agli strumenti da me progettati. Nel primo capitolo definisco sinteticamente l’evoluzione del concetto e significato di science communication, dal modello di deficit alla partecipazione informata del pubblico alle scelte di politica della scienza. La situazione attuale evidenzia molte ambivalenze: il pubblico valuta gli scienziati, non legati al mondo degli affari, come tra le persone di cui maggiormente ci si può fidare, per poi, invece, ritirare la fiducia in certi ambiti, quali la discussione sugli OGM. Per quanto la scienza sia reputata importante per la qualità della vita, le energie dedicate ad informarsi sono poche e le conoscenze risalgono spesso agli studi scolastici. Fanno eccezione i gruppi di interesse, che, motivati da una condizione particolare (la malattia propria o di un familiare, la preoccupazione per un impianto industriale, la vicinanza ad un possibile sito di discarica), acquisiscono per vie informali approfondite conoscenze in ambiti ristretti e si pongono come interlocutori degli scienziati. Per questo aspetto, l’avvento del web e la possibilità di avere informazioni gratuite praticamente su qualsiasi tema hanno modificato l’approccio alla scienza da parte di chi ne sia interessato. Anche le scelte politiche in merito alla comunicazione della scienza e le posizioni degli scienziati sono schizofreniche: per quanto venga politicamente riconosciuto che la comunicazione con il pubblico faccia parte dei doveri di uno scienziato, questa attività non viene incentivata dal punto di vista economico e non influisce nella progressione di carriera. Gli scienziati, poi, sono in netta maggioranza convinti dell’importanza del loro public engagement, ma lo sentono spesso come un furto di tempo ed energie al loro vero lavoro, la ricerca. Nel secondo capitolo presento una teoria dell’apprendimento, il costruttivismo, che è al momento quella che viene maggiormente applicata, con forti segnali di efficacia, nel superare le difficoltà ed i problemi posti dalla didattica tradizionale, quella delle lezioni frontali per capirci. Secondo il costruttivismo, il discente non è un recipiente vuoto che possiamo riempire con la conoscenza che proponiamo, ma possiede già una serie di rappresentazioni della realtà che ha maturato nel corso della vita ed in funzione delle sue esperienze. Possiamo quindi sperare di “insegnare” qualcosa solo se possiamo dimostrare che la nuova conoscenza che proponiamo è un modello della realtà più efficace in termini di rappresentazione e previsione di quella già formata. Inoltre, un vero cambiamento concettuale è possibile solo attraverso il diretto coinvolgimento del discente nella costruzione delle propria conoscenza, nel guidare il proprio apprendimento. La conoscenza viene quindi costruita personalmente dallo studente, se questo è convinto della significatività del nuovo apprendimento e se l’insegnante riesce a creare il giusto ambiente, dove il discente potrà costruire il proprio percorso cognitivo: il ruolo del docente cambia, si sposta dietro le quinte e, invece di fornire risposte, pone domande, le domande adatte a stimolare la curiosità ed a indicare la direzione lungo la quale proseguire la ricerca. Il terzo capitolo presenta una serie di esempi di didattica costruttivista delle scienze: dalla biologia, con l’impronta genetica, alle scienze della Terra con i terremoti, all’astrofisica con il Sistema Solare. Tutte le attività sono contraddistinte dal fatto di rendere lo studente regista del proprio apprendimento: i percorsi forniscono suggerimenti, pongono domande, ed è compito degli studenti, che lavorano in piccoli gruppi, trovare risposte che possano essere inquadrate in una cornice unitaria del fenomeno. Alcune proposte tengono conto dei vincoli che regolano l’andamento di una scuola reale: lezioni scandite ad orari fissi, risorse limitate, aule che non permettono l’interazione tra studenti e tra questi e il docente. Avvicinandomi alla scelta degli strumenti su cui avrei lavorato, ho deciso di sfruttare il fascino che l’astrofisica ha sul pubblico non esperto (ma anche esperto!): galassie, supernovae, universo, ammassi stellari, satelliti sono cool, soprattutto se supportati da una serie di bellissime immagini. Sotto questo aspetto l’astronomia è imbattibile. Una cernita dei materiali già disponibili mi ha portato a scegliere come tema per un primo strumento l’evoluzione stellare: infatti il Sistema Solare è per ora l’indiscusso protagonista del materiale didattico astronomico già disponibile ed ho ritenuto che spostare l’interesse verso le stelle ed il loro ciclo vitale potesse offrire nuovi spunti. Proporre una serie di lezioni, però, non avrebbe fatto altro che ripetere gli errori che stiamo commettendo in classe: abbiamo bisogno di rendere i nostri alunni protagonisti della costruzione della loro stessa conoscenza, coinvolgendoli il più attivamente possibile nel processo. Ed abbiamo bisogno di superare quella prima resistenza che quasi tutti, arrivati alle superiori, hanno ormai sviluppato verso le materie scientifiche. Nel quarto capitolo descrivo il primo strumento che ho progettato e che si trova, in forma stampata nella appendice n.1. Mi serviva un aggancio con la realtà quotidiana degli studenti, un qualcosa che fosse per loro familiare, ma che potesse diventare anche uno strumento per “fare scienza”, ed ho scelto la macchina fotografica digitale. Ho quindi costruito un percorso didattico, sotto forma di manuale di fotografia astronomica for dummies, che unisce attività pratiche, analisi di dati con software disponibile liberamente in rete e modelli fisici. Il punto di arrivo è la costruzione di un diagramma HR con dati raccolti dall’utente stesso, ma non è questo il tratto importante del manuale: conta soprattutto il percorso per arrivarci. Partendo dai fondamenti della fotografia, dei CCD che popolano le digitali, il manuale offre spunti su contenuti della fisica molto vari: dalle basi dell’ottica ai telescopi dell’ultima generazione dell’ESO ed ai satelliti per rilevare i fotoni altamente energetici, dal colore delle stelle alla spettroscopia delle regioni HII, passando per le stelle supermassicce e l’evoluzione stellare, chiamando in gioco sia temi che fanno parte del curricolo scolastico, che risultati delle ultime ricerche pubblicate. Il manuale, comunque, non va letto, ma piuttosto fatto: determinante è la scelta di partire dalle osservazioni e dalle foto fatte dall’utente per “scoprire” un fenomeno e solo dopo cercarne il modello che lo spiega. Un esempio: ad occhio nudo le stelle hanno colori diversi: perché? E come quantificare questa diversità? Una serie di foto di due stelle come Arcturus e Spica con la digitale attraverso tre filtri RGB (di plastica trasparente colorata) sono analizzate con un software per valutarne la luminosità nelle tre bande: perché Spica è più luminosa nel blu e meno nel rosso di Arcturus? Si tratta di un modo alternativo per presentare la radiazione di corpo nero. Questa strategia, che vede lo studente protagonista del proprio processo di apprendimento, attivamente coinvolto nelle attività, cognitivamente sfidato a trovare un modello esplicativo per un fenomeno da lui stesso osservato e che non trova soluzione nelle conoscenze già possedute, segue i dettami della didattica costruttivista. Ho formulato due proposte di percorsi didattici a partire dal temi affrontati nel manuale. Il manuale può essere utilizzato sia in un contesto formale, dove l’insegnante guida gli studenti attraverso i molteplici contenuti e li esorta ad approfondire alcuni temi, oppure dal singolo utente, motivato dalla curiosità e dalla voglia di capire. I materiali richiesti sono per scelta poco costosi ed i software suggeriti gratuiti in rete; la scrittura è volutamente informale e cerca di alleggerire contenuti a volte corposi senza perdere la correttezza scientifica. Mentre sviluppavo il manuale, ho lavorato alla creazione di un altro strumento, un gioco da tavolo, cui è dedicato il quinto capitolo. Una breve carrellata delle possibili definizioni di gioco precede un esame dello stato dell’arte dell’utilizzo dei giochi nella didattica della scienza. Sempre nell’ottica costruttivista, ho predisposto un gioco che stimolasse la curiosità ed il desiderio di “saperne di più” nel giocatore, che può essere chiunque dai dieci/dodici anni in poi. Considerazioni di carattere economico mi hanno fatto escludere un gioco a computer; la grafica ha infatti dei costi improponibili all’interno di una ricerca di dottorato. In ogni caso, sia sotto forma di videogiochi che simulazioni che giochi da tavolo, sono stati ancora realizzati ben pochi giochi per la didattica della fisica Con la collaborazione di uno studente al corso di laurea triennale di fisica presso la facoltà di Scienze di Trento, Matteo Conci, ho quindi progettato e realizzato un gioco da tavolo che simula la progettazione e realizzazione di una missione con equipaggio su Marte. Il tabellone di gioco è composto di due parti: una prima orbita interna di caselle che offrono varie opzioni per la composizione della missione, come lo scudo di protezione per le tempeste solari, il modulo in rotazione per simulare la gravità, diverse tipologie di motore e molto altro. La scelta è vincolata dai costi e dalla massa, come anche dagli imprevisti che possono accadere nel corso dell’orbita esterna, che rappresenta il viaggio vero e proprio: una micro meteorite, un incidente ad un membro dell’equipaggio, un guasto dell’impianto di riciclo possono essere superati solo se nella preparazione della missione si sono acquistate le opzioni necessarie. Una partita dura circa un’ora e per vincere è necessario realizzare per primi due esperimenti tra quelli che si hanno disponibili; il lancio dei dadi decide quali caselle vengono raggiunte. Manuale, regolamento e tabellone del gioco sono raccolti nella seconda appendice. Oltre al puro divertimento, il gioco, all’interno di una classe, stimola il desiderio di approfondire le questioni poste: che cos’è una tempesta solare e perché serve uno scudo? Perché le condizioni di microgravità protratte sono dannose alla salute? Come funziona un motore solare-elettrico? Le domande che possono nascere sono tantissime e dettate dall’interesse del giocatore, quindi significative per lui stesso; l’insegnante può allora sfruttare questa situazione e guidare gli studenti nella ricerca delle risposte alle domande che loro stessi si pongono, secondo una didattica costruttivista. Gli studi di NASA ed ESA per una missione su Marte hanno fornito la struttura della missione e i dati utilizzati. Il gioco è stato presentato all’European Science Open Forum (ESOF2010) che si è tenuto a Torino dal 2 al 7 luglio 2010; in questo contesto è stato possibile testarlo con varie tipologie di giocatori ed raccogliere informazioni per migliorarne la fruibilità. Nel sesto capitolo raccolgo le mie conclusioni, frutto anche del mio rientro in servizio come docente di scuola secondaria superiore; sono conclusioni in parte amare, che analizzano gli ostacoli che si trovano sul percorso di un rinnovamento della scuola italiana.

Weather and climate are topical issues widely present in the media, in the public culture, in political and socio-economic agendas and also in school guidelines. Having said that, confusion and a lot of misconceptions still exist with regards to issues such as climate change, greenhouse gases and the greenhouse effect, pollution, anthropogenic emissions, ozone hole, predictability of weather and climate, stationary processes, radiation fluxes and balances in the Earth system etc. These themes are poorly addressed in the actual teaching practice in secondary schools, particularly from a quantitative point of view involving the underlying laws of physics, which are necessary for the understanding and construction of correct conceptual models of phenomena. Teachers often do not feel comfortable or lack the specific background for addressing such themes quantitatively, claiming for training initiatives which happen unfortunately only as a result of sporadic and local initiatives. For historical reasons, typical of the Italian context, these themes are usually addressed in subjects like geography or natural sciences for what concerns education in formal contexts such as primary and secondary schools and universities, but their treatment and significance would greatly benefit from an interdisciplinary approach, involving also the quantitative experimental approach of physics. At the same time, teaching physics from its general principles to their application in the context of weather phenomena and climate system, would improve the engagement and interest of students, fostering cooperation among teachers of different subjects, bridging boundaries and approaches characteristic of single disciplines. This would promote an integrated view of science as the result of a process, based on the application of the scientific method to the investigation and modeling of phenomena, where also technological advancement plays an important role, rather than as a mere collection of results and knowledge. In this perspective the present work develops from the research in atmospheric physics, performed by the candidate during one year at Concordia station, Antarctica, presenting on one hand a series of physics communication initiatives designed and tested with innovative formats such as TEDx conferences, videoconferences with researchers working on the field, social platforms and traditional media, targeted to different audiences. On the other hand it presents the proposal of a teaching learning sequence based on quantitative experimental activities, demonstrations and simulations, targeted to secondary school students and pre-service teachers, integrating general physics with its applications to the atmosphere and to the climate system. The teaching learning sequence has been experimented with graduate students of the course: ''Experimental physics laboratory at high school I'', held at the Department of Physics of the University of Trento and in collaboration with IPRASE, it has been proposed in the form of a training course for physics and chemistry teachers and their technical assistants as a framework for the integration of physics and chemistry. The results of pre and post tests used as an evaluation tool of this preliminary experimentation will be presented, encouraging future developments of the sequence and further diffusion of weather and climate issues in the teaching practice through capillary pre-teachers' and teachers' training initiatives.

In this work we discuss some of the most interesting new doors that the diffusion of low-cost, high-tech devices is opening. It is divided in two main sections. In the first part, Chapter I, the general research framework in which we are working is presented. Then, in the second, third and fourth chapters several examples of practical applications regarding the presented topics, all designed and realized by the author (within his research group) are discussed. In particular: a workshop about scientific visualization held at the University of Trento in Chapter II; a teaching/learning sequence based on a low-cost spectrometer in Chapter III; a mediated reality setup for physics education in Chapter IV.

E’ stato affrontato in modo approfondito lo studio dei campi gravitazionali della relatività generale (RG) che producono un’accelerazione uniforme, e si è confrontato tale studio con i sistemi si riferimento (SR) accelerati della relatività ristretta (RR). Nel corso di quest’analisi sono stati trovati alcuni aspetti non evidenziati in precedenza nella letteratura scientifica, di cui il più rilevante è il fatto che la metrica di Rindler produce un campo che, osservato con misure di tipo radar, appare uniforme a un osservatore solidale con il campo stesso. Si è inoltre trovata più di una metrica cui corrisponde un’accelerazione che non dipende dalla coordinata di partenza. Per il campo di Rindler è stata eseguita anche un’analisi approfondita, tramite un’applicazione diretta del principio di equivalenza (PE). La metodologia utilizzata e i risultati sono un contributo originale di questa tesi e sono di interesse da un punto di vista didattico. Nel corso dell’analisi delle proprietà del campo di Rindler sono stati analizzati in modo operativo: il confronto del ritmo di marcia di due orologi che si trovano a una quota differente, la deflessione dei raggi luminosi e la traiettoria di un corpo in caduta libera. Infine si è indagato sulla forma della metrica di una distribuzione di massa a simmetrica planare.

La domanda di molti studenti e molte studentesse a scuola si ripete anno dopo anno: “prof., perché dobbiamo studiare fisica?” Spiegare bene, trasmettere amore per la disciplina, usare metodologie innovative non è sufficiente. Le Indicazioni Nazionali, in quanto “indicazioni” e non “prescrizioni”, spronano a progettare e sperimentare liberamente percorsi nei quali l’insegnante sia una guida che stimola la creatività e l’autonomia degli studenti. Il lavoro presentato in questa tesi di dottorato consiste in una ristrutturazione per aree tematiche del curriculum di fisica del primo biennio del liceo scientifico e nella sua sperimentazione nelle classi, che ha coinvolto quindici insegnanti e quasi 380 studenti e studentesse. Il progetto è nato nell’ambito di un rinnovamento che si è reso necessario in un liceo scientifico della Provincia Autonoma di Trento dove, negli ultimi anni, erano stati rilevati un aumento del numero di carenze formative e un crescente disamore verso la disciplina. L’istituto è intervenuto incrementando le ore dedicate alla fisica, portandole da due a tre ore settimanali e, contestualmente, chiedendomi di proporre e coordinare un lavoro di rivisitazione del curricolo, in collaborazione con il Laboratorio di Comunicazione delle Scienze Fisiche dell’Università di Trento. La ricerca in didattica della fisica (di seguito denominata PER – Physics Education Research) da oltre vent’anni evidenzia l’efficacia dell’insegnamento in contesto, e la normativa scolastica a livello provinciale, nazionale ed europeo lo consentirebbe perché invita alla sperimentazione di percorsi innovativi volti all’acquisizione di competenze. Mentre in alcuni paesi stranieri sono stati progettati e sperimentati con successo interi curricoli tematici, nelle scuole italiane non risulta che gli insegnanti riescano a integrare in modo permanente ed efficace nella loro programmazione le unità di insegnamento-apprendimento in contesto proposte dalla PER. Si è deciso pertanto di indagare i motivi per i quali questo approccio non viene adottato sistematicamente. Per prima cosa, è stato somministrato un sondaggio a circa 300 studenti e studentesse frequentanti il triennio di licei scientifici nella Provincia Autonoma di Trento, focalizzato sull’esperienza di apprendimento della fisica al primo e al secondo anno, al fine di ricavare informazioni sulla loro percezione relativamente alle metodologie adottate e ai contenuti affrontati nel primo biennio. Sono quindi stati coinvolti in gruppi di studio e lavoro una ventina di docenti di liceo scientifico attivi nell'insegnamento di questa disciplina e direttamente interessati alla revisione del curricolo. In questi incontri gli insegnanti, pur ritenendo efficace l’apprendimento in contesto mediante un approccio tematico, hanno evidenziato alcune criticità che trovano riscontro anche in letteratura. Per esempio, la mancanza di tempo per pensare e progettare percorsi significativi, la necessità di scegliere temi rilevanti e stimolanti per la classe, sui quali però l’insegnante si senta preparato, e il bisogno di coerenza tra le competenze previste dalla normativa e quelle raggiungibili attraverso i percorsi tematici. In considerazione di quanto emerso da questa indagine, sono stati ideati quattro percorsi tematici la cui scelta è stata frutto di una lunga e attenta riflessione. Era infatti necessario individuare temi attuali, che potessero interessare la maggior parte degli studenti e delle studentesse e che permettessero di affrontare, mediante metodologie di apprendimento attivo, la maggior parte dei contenuti previsti dai piani di studio. Inoltre, si volevano individuare tematiche che permettessero di portare nella scuola i risultati PER e il lavoro svolto negli anni dal Laboratorio di Comunicazione delle Scienze Fisiche del Dipartimento di Fisica di Trento. I quattro percorsi, progettati ponendo particolare attenzione alle misconcezioni, all’uso del laboratorio povero, al processo di costruzione del sapere, al ruolo della comunicazione e a quello dei modelli e degli esperimenti nello studio dei fenomeni fisici, naturali o indotti dall’uomo, sono: 1. SARÀ VERO? Un approccio scientifico a credenze, fake news, video e post virali. 2. IL TELESCOPIO. Costruire un telescopio per comprendere le leggi dell’ottica. 3. PASSO DOPO PASSO. L’analisi della camminata e della corsa per affrontare le basi della meccanica. 4. CON LA TESTA TRA LE NUVOLE. L’analisi meteorologica per parlare di misure e proprietà termiche. Ciascun percorso è introdotto da due storie, accompagnante da opportune esperienze di laboratorio, che gli insegnanti degli istituti comprensivi possono utilizzare nella loro programmazione in modo tale da favorire la costruzione di percorsi verticali tra il primo e il secondo ciclo di istruzione. Il progetto è nato per il liceo scientifico ma, su richiesta di molti insegnanti, è stato esteso anche ad altre tipologie di licei. Nell’anno scolastico 2021-2022 e nei primi mesi dell’anno scolastico 2022-2023, hanno aderito e portato a termine la sperimentazione dieci classi di liceo scientifico e altrettante di licei non scientifici. La sperimentazione è stata attuata scegliendo di formare gli insegnanti affinché potessero lavorare direttamente con i propri studenti e le proprie studentesse, senza il tramite del ricercatore. Essa si è concretizzata mediante un rapporto costante con gli insegnanti che hanno proposto i percorsi nelle classi ed è stata controllata attraverso questionari e incontri di discussione rivolti a insegnanti e corpo studentesco. In due casi l’apprendimento è stato monitorato mediante una classe di controllo ma, nonostante gli insegnanti abbiano notato che le valutazioni medie delle classi sperimentali sono state leggermente superiori a quelle delle classi di controllo, si ritiene prematuro concludere che questo approccio abbia influito in modo significativo sul processo di apprendimento. Pur coinvolgendo un numero di insegnanti e studenti elevato, il fatto che la sperimentazione si sia svolta nel corso di un solo anno scolastico non consente infatti di trarre conclusioni definitive. I docenti dovrebbero avere il tempo di interiorizzare i percorsi e le metodologie proposte, pertanto, per poter valutare l’efficacia del progetto, si dovrebbe pensare alla costituzione di un gruppo ricerca-azione pluriennale. In ogni caso, dal confronto tra i questionari iniziali e quelli finali somministrati a tutte le classi e dalla lettura dei commenti degli studenti e delle studentesse, emerge l’efficacia di questo approccio in termini di motivazione e di atteggiamento verso la disciplina. Molti infatti hanno manifestato il desiderio che questo progetto possa essere esteso anche ad altri argomenti, evidenziando in particolare alcuni aspetti positivi: lavoro a gruppi, discussioni, possibilità di fare ipotesi ed esprimere le proprie idee, realizzazione di esperimenti con materiale povero, costruzione di strumenti di misura, momenti di confronto con i compagni, con le compagne e con l’insegnante, legame con la realtà. Dal momento che il progetto è nato proprio con questo scopo, si può concludere che i dati a disposizione confermino in una certa misura la validità di questo approccio. Infine si ritiene che questo modo di lavorare in sinergia con gli insegnanti abbia contribuito a rinforzare i rapporti tra il mondo della scuola e il mondo della ricerca, conformemente con quanto auspicato dal Piano Strategico di Ateneo