Laboratorio di fisica

Nuovi strumenti nella didattica scientifica  (tratto da Treccani.it)

RemoteLab - Remotizzazione di esperimenti di fisica
Con il termine remotizzazione viene inteso il processo che rende fruibile un apparato sperimentale collocato in un dato laboratorio anche ad utenti esterni e lontani, mediante un collegamento internet. Si permette così l'accesso ad esperimenti non facilmente proponibili in un laboratorio scolastico, sia per il costo degli apparati sia per la complessità e le competenze richieste. Per realizzarlo si rendono accessibili apparati sperimentali ad un server connesso in internet, permettendo agli utenti un accesso in remoto, tramite un client locale.

Tre diversi modi di realizzare un RemoteLab sono stati attuati rispettivamente da:

- Hans Jorg Jodl, e Sebastian Gröber, Università di Kaiserlautern in Monaco di Baviera (http://rcl.physik.uni-kl.de). Essi hanno integrato un ampio spettro di esperimenti di fisica allestiti presso varie università in Germania. L'accesso avviene tramite una pagina in Internet in cui si trova la lista degli esperimenti disponibili, con relative note. L'esecuzione dell'esperimento scelto avviene con controllo degli attuatori nel laboratorio remoto dal client sul proprio PC. È prevista una fase di analisi guidata dei dati. Questo approccio richiede: un apparato sperimentale asservito a PC, speciali pagine web con il codice java che interpreta l'azione dell'utente per attivare i trasduttori dell'apparato remoto ed i sensori che restituiscono l'effetto delle azioni eseguite dall'utente sulla pagina. È un RemoteLab completamente automatico, che non richiede assistenza di personale. Sono esempi presentati ad MPTL14:

1. La misura della velocità della luce con il tempo di volo di impulsi luminosi emessi da un LED, riflessi da uno specchio a distanze variabili e rivelati da un sensore di luce sullo schermo di un oscilloscopio.
2. Misure ed analisi delle distribuzioni di intensità della luce diffratta da sottili fenditure, usando fasci laser di vari colori.

- Giacomo Torzo e Paolo Peranzoni, Università di Padova, che propongono una remotizzazione facilmente realizzabile con uno strumento asservito al PC, usando software scaricabile liberamente dalla rete e una webcam brandeggiabile asservita a Skype. L'esempio di questo approccio semplice è stato la remotizzazione di un microscopio a scansione di sonda: il modello Nanoeducator, che consente l'acquisizione di immagini AFM, STM e di eseguire microlitografie.
Questo metodo richiede assistenza di personale remoto, per tutte le fasi dell'esperimento, dall'accettazione della connessione all'istruzione dell'utente nell'uso del software e delle strumentazioni, dal posizionamento dei campioni da analizzare al monitoraggio delle azioni dell'utente.

- Antonella Longo e Mario Bochicchio, Università del Salento, hanno proposto l'ambiente WeColLab, dedicato alla remotizzazione di un qualsiasi esperimento. Tale ambiente richiede un allestimento hardware e software non banale, ma permette un ampio spettro di applicazioni, come la remotizzazione di più apparati in parallelo, comunicazioni audio-video multipoint, accesso parallelo di utenti a diversi livelli di autorizzazione. Anche questo metodo richiede l'assistenza di uno staff locale per guidare gli utenti durante le sessioni di utilizzo in internet. Il controllo remoto di un telescopio e di un microscopio elettronico ne costituiscono significativi esempi.

VPYTHON - Programmazione 3D per comuni mortali
Bruce Sherwood, North Carolina State University, Raleigh NC, USA ha proposto VPython: un ambiente di programmazione basato sul linguaggio di programmazione Python (http://python.org) in grado di sostenere grandi comunità di utenti. Esso permette anche ad utenti inesperti di scrivere programmi per produrre animazioni 3D navigabili, in tempo reale. VPython aggiunge alla potenza della programmazione object-oriented di Python, un modulo di “visualizzazione”, con una libreria di oggetti geometrici e di strumenti di controllo (input di valori) e di visualizzazione (grafici, tabelle, etc). La nuova versione 5 offre nuove caratteristiche di produzione dell'immagine, quale la trasparenza e la texture dei materiali.
Come Python, VPython è open source freeware, disponibile quindi gratuitamente per Windows, Linux, e Macintosh (http://vpython.org). Una o due ore di istruzione mettono studenti universitari inesperti capaci di effettuare modellizzazioni al computer, come una vasta libreria di modelli mostra (http://www4.ncsu.edu/~rwchabay/mi).

Facili simulazioni Java (Easy Java Simulation - EJS)
Responsabili della proposta sono stati due nomi illustri: Wolfgang Christian, Davidson College, USA e Francisco Esquembre, Universidad de Murcia, Spagna.
Importanti progressi per l'apprendimento sono legati ad attività di modellizzazione. Si possano effettuare anche senza computer, ma la lunga elaborazione richiesta ne vanifica l'efficacia. L'utilizzo del computer permette agli studenti di affrontare anche problemi difficili, visualizzandone i risultati per la discussione con altri.

EJS è uno strumento per insegnanti e studenti, che aiuta a creare simulazioni interattive di fenomeni scientifici. Queste simulazioni possono poi essere utilizzate in laboratori con computer, per spiegare concetti difficili, per motivare gli studenti, offrendo loro la possibilità di lavorare con le simulazioni o addirittura crearne di nuove. Nelle sperimentazioni effettuate, tutte queste attività si sono dimostrate potenti risorse didattiche. EJS è una applicazione Java free-source che semplifica il processo di modellizzazione, spezzandolo in attività distinte: 1) Documentazione, 2) Modellizzazione, 3) Progettazione dell'interfaccia d'uso.

È stato specificamente progettato per poter essere usato da persone senza particolari capacità di programmazione, cercando di rendere semplici tutti i compiti necessari alla realizzazione di una simulazione. Gli autori di una simulazione devono tuttavia definire il modello del fenomeno studiato e progettarne la visualizzazione e l'interfaccia per i dati della simulazione stessa, in un ambiente estremamente più semplice di quelli tradizionali.
I modelli EJS, la documentazione ed esempi di material curriculari possono essere scaricati dalla libreria digitale di comPADRE, Open Source Physics, http://www.compadre.org/osp e dal sito Easy Java Simulations http://www.um.es/fem/Ejs.

Un'ampia libreria di modelli disponibili in rete costituisce già un'importante risorsa didattica per chi non intenda cimentarsi in nuove realizzazioni EJS.