Fisica: dinamica 2 con Scratch: Esperimenti con Scratch sui moti oscillatori per mezzo di simulazioni numeriche.
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Info su questo ebook
Si può fare fisica usando applicazioni di Scratch nella didattica ordinaria facendo esperimenti e nel contempo si può introdurre un po’ di “coding” migliorando la comprensione della disciplina e promuovendo le capacità computazionali degli allievi.
Trattando di dinamica, il moto viene prodotto senza l’uso di espressioni analitiche ma con incrementi reiterati di spostamenti dovuti alle diverse forze in gioco.
Questa seconda pubblicazione di dinamica comprende lo studio dei moti oscillanti descritti da equazioni differenziali del secondo ordine: molla-massa, pendolo, bilanciere.
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, se possibile,
- si studiano gli script per imparare a programmare.
Lo scopo perseguito è quello di organizzare in un unico testo lezioni ed esercitazioni che sono proprie della materia “fisica”.
Questo approccio può servire anche per iniziare gli alunni della scuola secondaria alla programmazione con un linguaggio adatto a principianti in aggiunta all’approfondimento sperimentale di alcuni aspetti della dinamica.
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.
La “dinamica” è qui usata come 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, però, utilizzano soluzioni analitiche per le quali sono necessarie conoscenze di algebra e di calcolo infinitesimale.
Questo libro propone la costruzione del moto per mezzo di incrementi ripetitivi che risultano comprensibili anche ad alunni della scuola secondaria di primo grado che così possono apprezzare il moto come evoluzione di eventi anziché come soluzione di equazioni.
La validità didattica di questo approccio risiede nella possibilità che a scrivere il programma sia l’allievo stesso. Con Scratch è possibile!
Scratch è un progetto di Scratch Foundation, in collaborazione con il Lifelong Kindergarten Group al MIT Media Lab. È disponibile gratuitamente su https://scratch.mit.edu
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Anteprima del libro
Fisica - Giovanni Mastropaolo
appendici
presentazione
chi, cosa, come, perché
Cosa tratta la pubblicazione
Si fanno esperimenti e simulazioni di fisica utilizzando il coding.
Negli esempi vengono simulati gli effetti delle forze e delle inerzie sulla produzione di diversi tipi di moto oscillatorio¹.
Le simulazioni sono state realizzate esclusivamente con metodi numerici che prevedono l’uso delle sole addizioni.
I fenomeni rappresentati da equazioni differenziali del secondo ordine vengono ricondotti ad operazioni di aritmetica elementare.
In appendice vengono affrontati gli stessi temi utilizzando metodi analitici con lo scopo di approfondire i vari argomenti affrontati, effettuare verifiche ed illustrare le soluzioni adottate.
Talvolta è stato sacrificato il rigore in favore della facilità di comprensione con lo scopo di consentire esperienze anche ai meno dotati di conoscenze matematiche.
Il codice (gli script di Scratch) delle versioni base dei progetti è ampiamente comprensibile a studenti della scuola secondaria.
La scrittura del codice aiuta lo studente a comprendere il significato fisico del moto.
Le applicazioni realizzate nelle versioni più complesse possono essere utilizzate per studiare alcune proprietà di moti difficilmente riproducibili in laboratorio o difficili da affrontare con metodi analitici.
Con queste simulazioni si può fare laboratorio perché si rilevano misure, si fanno calcoli, si traggono conclusioni estendibili ad eventi reali.
Con gli esperimenti descritti si fa molta integrazione numerica e si indaga anche un po’ sul funzionamento di Scratch.
A chi è rivolta questa pubblicazione
La pubblicazione è rivolta a studenti e docenti della scuola secondaria di secondo grado con lo scopo di offrire occasioni di approfondimento della dinamica per mezzo di simulazioni numeriche.
La comprensione del codice prevede una po’ di conoscenze di base di Scratch.
Nel web esistono molte pagine prodotte per avviare i principianti all’utilizzo di Scratch.
In questa pagina web curata dall’autore ci sono alcune proposte.
In ogni caso gli script di base sono ampiamente spiegati ed illustrati, nonché giustificati con argomenti teorici sviluppati nelle appendici in fondo a questa pubblicazione o in quelle di altre pubblicazioni stralciate e messe a disposizione nel sito dell’autore.
Altre considerazioni
Altre considerazioni generali sull’uso didattico di Scratch sono illustrati alla pagina web dell’autore "Collana coding a scuola":
perché il coding
perché Scratch
a chi sono rivolte le pubblicazioni
note di utilizzo
altre pubblicazioni della collana
Impostazione degli esempi
In questa pubblicazione vengono presentati esempi con:
una prima versione ridotta all’essenziale con il necessario per illustrare il modo con cui è stato generato il moto: gli elementi grafici e lo script di base;
una o più versioni più complesse messe a punto al solo scopo di consentire simulazioni più verosimili o più precise o meglio adatte ad applicazioni didattiche;
approfondimenti e verifiche.
In questo modo con diversi progetti di Scratch si sviluppa l’idea di base fino a rendere possibile eseguire veri e propri esperimenti con tanto di misurazioni da mettere a confronto con i risultati desumibili da calcoli analitici o esperimenti realizzati in laboratorio.
I valori delle variabili coinvolte negli esperimenti vengono considerati alla stregua dei valori misurati di un esperimento, i valori desunti dai calcoli analitici vengono considerati valori veri.
I risultati di alcuni esperimenti vengono commentati e discussi effettuando confronti fra valori misurati e valori veri.
Un aspetto delicato riguarda l’uso delle unità di misura per le implicazioni esistenti fra simulazione e realtà (vedi appendice) e fra tempo reale e tempo simulato (appendice).
Collegamenti
Questo ed altri lavori di supporto alla didattica sono raccolti nel sito www.mastropaolo.net.
Il sito contiene attività svolte con Scratch, Picoboard, Micro:bit, Arduino e argomenti di elettronica ed elettrotecnica.
Alcune pagine del sito sono state predisposte per contenere eventuali ulteriori approfondimenti o video che si potranno rivelare interessanti in futuro.
Convenzioni
Le parole riservate (istruzioni, comandi) di Scratch sono presentate tra parentesi quadre [] e/o scritte con carattere rosso mattone.
I comandi o le etichette contenuti nei messaggi sono scritti fra virgolette; es.: "disegna punto".
Lungo il testo viene utilizzato indistintamente sia il termine istruzione
che il termine comando
per indicare la stessa cosa.
Il nome di una variabile o di un parametro è scritto in neretto, esempio: Ys o anche fra virgolette Ys
o in corsivo Ys.
I gruppi di istruzioni dello script vengono compresi fra parentesi graffe {}.
I soggetti che utilizzano Scratch sono:
- il programmatore che lavora con l’ editor di Scratch per creare il progetto,
- l’utente, che interagisce con il player , per utilizzare il progetto.
I programmi scritti in Scratch vengono chiamati applicazioni
oppure progetti
:
in modalità editor si possono introdurre modifiche o integrazioni agli script per effettuare esperimenti,
in modalità player
si utilizzano i comandi predisposti, in questa modalità non è necessario conoscere la programmazione di Scratch.
È stato fatto il possibile per evitare parole straniere, ma talvolta si è dovuto cedere davanti alla maggiore significatività della lingua inglese dovuta dall’uso che se ne fa in materia di programmazione.
L’autore

Giovanni Mastropaolo si è diplomato perito elettrotecnico
nel 1969 presso l’ITIS Amedeo Avogadro di Torino e si è laureato in ingegneria elettrotecnica
nel 1974 presso il Politecnico di Torino con una tesi sperimentale sugli alimentatori switching per macchine utensili a controllo numerico con produzione di un prototipo.
Ha insegnato elettrotecnica, misure elettriche ed impianti elettrici presso un istituto professionale industriale di Torino per 17 anni dove ha introdotto l’uso del computer per il controllo dei processi automatici e l’uso dell’elettronica per il comando dei motori.
Successivamente è stato Preside e poi Dirigente scolastico presso un istituto tecnico industriale di Torino.
È formatore in corsi di aggiornamento per docenti su temi riguardanti coding, Scratch, Arduino, robotica educativa.
Ha sempre avuto interessi per l’elettronica industriale e la programmazione, due aspetti che ora sono alla base della moderna robotica.
Giovanni Mastropaolo
Le applicazioni
Utilizzare le applicazioni
Informazioni e comandi
Le informazioni per l’uso della applicazioni sono raggiungibili dall’interno della stessa aperta in modalità player tramite [pulsante I ] per mostrare/nascondere informazioni.
I comandi utilizzabili sono quelli accessibili dal player:
la [bandierina verde] per avviare con inizializzazione di tutti parametri;
il [pulsante rosso] di stop oppure [tasto_spazio] per arrestare tutto;
da tastiera con [tasto ?] come indicato nelle informazioni;
tramite mouse e cursori sullo stage.
In genere sono previsti dei comandi specifici che aiutano l’osservazione e lo studio dei moti:
[tasto M] e [tasto N] per mostrare e nascondere le variabili;
[tasto P] per attivare/disattivare la funzione passo passo;
[tasto S] per procedere un passo alla volta
[tasto spazio] per arrestare i processi;
[mouse click su stage] per cambiare lo sfondo.
Scaricare Scratch e le applicazioni
Da gennaio 2019 la piattaforma online di Scratch utilizza esclusivamente la versione 3, mentre le applicazioni e le illustrazioni di questo libro sono state sviluppate con la versione 2.
I link inseriti nel testo portano al sito di Scratch per cui gli esperimenti saranno utilizzabili con la versione 3.
Per coloro che preferiscono lavorare ancora con la precedente versione di Scratch, in questo capitolo vengono forniti i link a file scritti nella versione 2 conservati in un’area cloud appositamente riservata.
La comprensione degli script è facilitata dal fatto che le due versioni differiscono di poco in quanto alla grafica, se non per i colori le dimensioni dei blocchi.
Gli esperimenti ed i relativi risultati sono stati effettuati con la versione 2 offline installata su iMac 2011. Con altri PC o con la versione 3 è possibile che alcuni valori siano differenti tuttavia la validità delle misurazioni e dei modelli matematici non viene meno.
Per utilizzare Scratch si può decidere se lavorare connessi alla rete (online) oppure scollegati (offline).
Per iniziare a lavorare con Scratch in modalità offline in versione 2 andare qui e per la versione 3 qui; vi troverete le indicazioni utili per scaricare le applicazioni e scoprire altri materiali di consultazione.