Fisica: cinematica 1 con Scratch: Esperimenti con Scratch sul moto con uso del calcolo numerico

Di Giovanni Mastropaolo

Questa prima pubblicazione comprende la creazione e lo studio di moti semplici scalari: moto rettilineo uniforme e uniformemente accelerato, moto armonico, la caduta di un grave, palla che rimbalza, lancio di un sasso, dischi rotanti.

In questo modo si propone di fare fisica usando applicazioni di Scratch nella didattica ordinaria e nel contempo si può introdurre un po’ di “coding” migliorando la comprensione della disciplina e promuovendo le capacità computazionali degli allievi.

Si fa cinematica usando Scratch o, anche, si usa Scratch per fare cinematica.
Nella produzione del moto non si usano espressioni analitiche ma esclusivamente metodi di integrazione numerica.

Il libro é utilizzabile per scopi diversi:

• si usano le applicazioni messe appositamente a disposizione online per osservare le proprietà dei moti in relazione ai valori delle grandezze in gioco,
• si prova a modificare i parametri per osservare come cambiano i moti,
• si verificano i risultati ottenuti confrontandoli con quelli desunti con metodo analitico,
• si considerano gli errori di calcolo e di algoritmo,
• si studiano gli script per imparare a programmare.

Lo scopo perseguito è quello di organizzare in un unico testo lezioni ed esercitazioni proprie di una disciplina che possono servire per iniziare gli alunni alla programmazione con un linguaggio adatto a principianti.

L’impiego di Scratch per descrivere il moto di un punto migliora la capacità di analisi, contribuisce all’approfondimento della fisica e permette l’acquisizione di quelle capacità computazionali che sono alla base dei processi di apprendimento.

Con la “cinematica” si usa un pretesto per imparare ad utilizzare le istruzioni intorno ad una situazione concreta, definita e ben documentata.
Un alunno di scuola secondaria può utilizzare le conoscenze che va apprendendo in materia di “Fisica” per cominciare a programmare o, meglio, per imparare a costruire algoritmi.

Per utilizzare le applicazioni non è necessario conoscere Scratch.

Per la visualizzazione del moto di oggetti ci sono programmi molto più potenti che, per giunta, utilizzano soluzioni analitiche per le quali sono necessarie conoscenze di algebra.
Questo libro propone la costruzione del moto per mezzo di incrementi ripetitivi che risultano comprensibili anche ad alunni della secondaria di primo grado che così apprezzano il moto come evoluzione di eventi anziché come soluzione di equazioni.

La validità didattica di questo approccio risiede nella necessità che a scrivere il programma sia l’allievo stesso. Con Scratch è possibile!

• Lingua: Italiano
• Editore: Giovanni Mastropaolo
• Data di uscita: 22 gen 2018
• ISBN: 9788827556146

Anteprima del libro

dell’algoritmo

presentazione

Questo libro fa parte della collana Coding a scuola creata per offrire strumenti didattici che mettano insieme coding e conoscenze disciplinari curricolari.

Cosa tratta la pubblicazione

In questa pubblicazione si illustrano esperimenti di cinematica usando Scratch.

Lo scopo è quello di provare ad utilizzare il PC per fare calcoli, prove, simulazioni che possano aiutare nello studio di questa parte della fisica.

Un secondo scopo è quello di fare coding attraverso attività che servono per apprendere una disciplina curricolare.

In questo libro ci si concentra sulla realizzazione del moto sullo schermo del computer con l’uso dei comandi disponibili con Scratch.

La conoscenza delle istruzioni basilari di Scratch si dà per scontata e comunque nel web ci sono spiegazioni esaurienti.

Alcune spiegazione e collegamenti a pagine web ritenute utili dall’autore sono recuperabili dal sito dell’autore.

Perché il coding

Usando Scratch, di fatto, si fa coding.

Il coding è da considerare una vera e propria modalità didattica data la sua intrinseca capacità di contribuire a strutturare il pensiero.

Di recente la scuola pubblica è stata coinvolta in un processo di formazione dei docenti nell’area del coding che deve diventare un linguaggio aggiuntivo da utilizzare nella comunicazione al pari del parlato, dello scritto, del calcolo e del disegno.

Perché Scratch

Ci sono moltissimi modi per fare coding, ma Scratch:

è gratuito e funzionante su tutte le piattaforme di Personal Computer scaricabile da qui (scratch.mit.edu),

di fatto è uno standard internazionale,

consente di introdurre il coding nella didattica nelle lezioni usuali,

la costruzione del codice è facile grazie alla sua interfaccia grafica,

l’output è grafico con grande effetto sulla verifica del risultato e sulla motivazione all’apprendimento,

la programmazione è facilitata grazie alla caratteristica di avere accorgimenti adatti ad evitare blocchi di esecuzione in caso di errore,

il codice viene scritto man mano che si procede con la costruzione dell’esperimento e può essere aggiustato ed arricchito in ogni momento,

le pubblicazioni che trattano l’argomento sono ormai innumerevoli,

il linguaggio è potente quanto basta per creare simulazioni di livello universitario (vedi qui),

è utilizzabile per fare robotica o per pilotare e/o programmare la scheda elettronica Arduino (altro standard internazionale di fatto), il robot mbot e realizzare applicazioni pratiche interattive con Picoboard, MaKey-MaKey, … e chissà quale altra diavoleria che uscirà in futuro.

Impostazione degli esempi

Gli esempi sono presentati con complessità crescente in modo da accompagnare il lettore a maturare una competenza nella programmazione via via più evoluta.

In ogni progetto ci sono esempi facili da comprendere ma che possono produrre errori dovuti al metodo di calcolo adottato ed esempi più complessi che producono valori esatti confrontabili con quelli che si possono dedurre utilizzando i metodi analitici.

Alcuni esempi permettono di procedere passo passo per consentire l’esame dei valori e delle traiettorie in ogni intervallo e permetterne un uso didattico.

Gli esempi sono impostati per consentire la realizzazione di esperimenti con rilevazione di dati e possibilità di fare calcoli e discussioni sugli errori di approssimazione.

Sono esperimenti veri perché ci sono spostamenti, velocità ed accelerazioni che si vedono e si possono quantificare, anche se avvengono solo sullo schermo di un PC e quindi sembrano simulati perché di tangibile non c’è nulla.

Utilizzo del calcolo numerico

Gli esperimenti non sono ottenuti con l’impiego di soluzioni analitiche ma sono realizzati con metodi di integrazione numerica.

Per movimentare gli sprite non serve manipolare equazioni.

Per questo motivo l’esame del moto eseguito in questo modo è accessibile a studenti della scuola media che non sono ancora abituati al calcolo analitico.

Il metodo è valido sia perché si avvicina di più alla evoluzione naturale degli eventi sia perché permette di utilizzare solo addizioni (incrementi).

Si possono fare delle misurazioni, eseguire prove, fare confronti e congetture.

Si può anche sperimentare: vediamo cosa succede se …

Nota: questo argomento è stato trattato in forma semplificata sul sito dell’autore alla pagina web "ESS: calcolo numerico" per risolvere problemi di elettrotecnica.

Piano della pubblicazione

Vengono esaminati i moti semplici cioè quelli che sono descrivibili con la variazione di un unica grandezza in funzione del tempo.

In "moti semplici a vengono presentati moti rettilinei lungo la direzione dell’asse x" con possibilità di inserire parametri per il controllo del moto e di effettuare misurazioni, calcoli di verifica e discussione degli errori.

In "moti semplici b" vengono considerati i moti dei gravi, lancio di sassi e palle che rimbalzano.

Viene anche presentato il moto rotatorio di un disco con considerazioni sull'effetto stroboscopico.

Ogni esperimento realizzato con Scratch viene riassunto in tre video dimostrativi.

Chi usa un tablet e si trova in difficoltà con le applicazioni di Scratch può rimediare provvisoriamente con i video messi a disposizione.

L’impostazione dei progetti di Scratch consente ad un principiante di iniziare a produrre il moto ed a manipolare le grandezze che lo governano senza necessità di basi teoriche.

Nelle appendici vengono approfonditi diversi aspetti riguardanti gli script, la grafica, i blocchi funzionali, gli errori e la costruzione dei grafici

Non si affrontano moti che prevedono calcoli vettoriali su velocità ed accelerazioni che saranno oggetto di studio in un altro libro (moto vario, moto circolare, moti composti, moti sul piano).

Collegamenti

In questa pagina web, curata dall’autore del libro, ci sono link utili per degli approfondimenti e per i video dimostrativi che si riveleranno interessanti in futuro.

È stata anche predisposta una pagina per gli aggiornamenti, compresi il recupero di eventuali errori… non si sa mai.

Questo ed altri lavori di supporto alla didattica sono raccolti nel sito  www.mastropaolo.net.

Il sito contiene attività svolte con Scratch, Picoboard, Arduino e argomenti di elettronica ed elettrotecnica.

Hardware

Il libro è in formato ePub ed è fruibile su PC/Mac, tablet e smartphone se