LOGIC GATES verso ARDUINO DIDAMATICA 2016

autore: Sandro Corradini

Il convegno si è svolto presso l’Università degli studi di Udine il 19-2021 aprile del 2016. Il lavoro si trova negli atti come “paper 22”.

sandro.corradini7@gmail.com

È una sperimentazione che si svolge in una scuola secondaria di I grado sull’avvio all’uso di ARDUINO. È una pratica di didattica laboratoriale per coniugare l’apprendimento formale con l’apprendimento non formale in situazioni didattiche di compito di realtà. In una prima fase si costruiscono circuiti riferiti alla logic gates AND, OR, NOT, XOR fino alla costruzione di un half adder (semisommatore), un circuito composto dalle Logic Gates che somma due bit. In una seconda fase s’introduce la scheda ARDUINO, realizzando ben sette progetti. È un percorso metacognitivo che conduce alle competenze di coding e all’assimilazione di una timeline storica informatica incentrata sui grandi personaggi come Liebniz, Boole, Dodgson, Shannon.  

Keyword: Arduino, Conceptual change, Logic Gates, Half Adder, bit

1.    Introduzione

È una sperimentazione messa in atto presso l’IC di Maserada nelle ore a disposizione dell’organizzazione oraria del Tempo prolungato.

È una didattica laboratoriale basata su compiti di realtà, i ragazzi coinvolti sono studenti di I media. Il primo gruppo (IQuadrimestre) è composto di tredici elementi per sedici incontri da due ore. Il secondo gruppo (IIQuadrimestre) è composto di diciannove elementi, sempre per sedici interventi da due ore.

Lo scopo del laboratorio è quello di far costruire su semplici cartoncini le porte logiche AND OR NOT XOR e nel contempo seguire una corretta timeline riguardanti i protagonisti storici della grande avventura informatica come Liebniz, Boole, Dodgson, Shannon, arrivando alla costruzione di un Half Adder. Questo ha interessato le prime due fasi, la terza riguarda l’introduzione della scheda ARDUINO e relativa programmazione con l’avvio al coding.

Sono pregnanti quattro aspetti: teorico, storico, circuitale-costruttivo e l’avvio alla scheda ARDUINO UNO.

Dal punto di vista didattico si è lavorato per competenze. Difatti:

Lo scopo del laboratorio è l’introduzione della didattica laboratoriale con esercitazioni pratiche e lezioni frontali, per coniugare l’apprendimento[1] formale con l’apprendimento non formale, in una situazione didattica di compito di realtà.

2.    Descrizione I & II fase   LOGIC GATES & HALF ADDER

All’inizio del laboratorio si proietta il film “Alice nel paese delle meraviglie”[2] .

Lo stupore è grande! E subito chiedono perché?  Cosa c’entra con quello che dovremmo fare?

È un escamotage per introdurli nel periodo storico, il 1800 vittoriano, e introdurre così la logica booleana, passando attraverso il linguaggio di Lewis Carroll[3].

Contestualizzare il lavoro con l’appropriato periodo storico è d’importanza vitale per favorire l’apprendimento: ne costituisce le radici.

Per il sistema binario non s’incontra  difficoltà, anche perché la costruzione dei numeri binari e le regole delle quattro operazioni sono cose note, perché già affrontate con il sistema decimale nella scuola primaria.

S’introducono in seguito i concetti di V/F legati ai connettivi AND, OR, NOT, XOR.  Il conceptual change[4] necessario per formalizzare i concetti relativi all’algebra booleana è favorito dalla costruzione dei circuiti.

 È la parte più divertente e più performante!

1. Prima si costruiscono i circuiti AND, OR, NOT, XOR su pannelli di formato A3.
   1. Si parte disegnando il progetto su carta A3 (scala1:1) ed elencando i materiali che saranno necessari per la costruzione del circuito.
   1.  Si costruisce il circuito con materiali poveri[5].
2. Il prodotto finale è il semisommatore (half adder[6]).
   1. Il progetto è disegnato su due fogli A3 (scala 1:1) secondo lo schema

• che viene “tradotto” su due cartoni A3 nel seguente modo:

Questo evento formativo si realizza nel rispetto di un insieme coerente d’indicazioni metodologiche con strumenti progettuali e di lavoro ben definito.  Esiste una dimensione documentale necessaria ad approntare le fasi progettuali. Queste fasi devono essere legate a una prassi reale, sensata e compiuta rispetto alla quale promuovere le competenze, che verranno illustrate successivamente.

Accendere e spegnere una lampadina seguendo un determinato progetto, che loro dovevano disegnare su un foglio a quadretti di formato A3 (scala 1:1) elencando anche tutti i materiali di cui avevano bisogno, ha prodotto soddisfazione, autostima e vera partecipazione. La metodologia prevalentemente usata è quella riguardante il Cooperative Learning.  Ha contribuito alla creazione di un’interdipendenza positiva tra i ragazzi. Lo scopo, il compito, i materiali e le risorse hanno permesso la creazione di un clima favorevole al conseguimento degli obiettivi didattici e metacognitivi previsti. L’obiettivo metacognitivo importante è il conceptual change che l’attività pratica ha favorito nei ragazzi.

L’accensione/spegnimento di una lampadina, secondo la tipologia degli interruttori usati, non serve solo per fare luce, ma per comunicare qualcosa! Con questa sperimentazione pratica, si mostra l’isomorfismo duale tra numeri binari, logica booleana e circuiti.  L’accensione della lampadina porta alla formazione di un concetto basilare: il bit interpretato come unità minima d’informazione.

Questo concetto è sorretto da una timeline indicativa, che ricorda il contributo di Liebniz per il sistema binario, di Boole per la logica proposizionale e Shannon per l’isomorfismo dell’algebra booleana con i circuiti elettrici.

Queste due fasi si concludono con la presentazione del Codice ASCII che permette loro di conoscere le  word o parole composte 8 bit (1 byte) con le quali il computer comunica e lavora con noi, grazie alle logic gates. Le lezioni impiegate per queste due fasi sono dieci per il I gruppo nove per il II gruppo.

3.    Descrizione III fase  ARDUINO

Le lezioni dedicate all’introduzione della scheda ARDUINO sono sei/sette secondo i gruppi. Avendo 8 kit starter ARDUINO è stato possibile formare sei gruppi da due e due gruppi da tre/quattro ragazzi ciascuno. In questa fase il linguaggio diventa più formale e preciso, più vicino all’argomento scientifico trattato. Si entra nel campo del phisical computing[7]. Le precedenti fasi sono state indispensabili e propedeutiche per la continuazione della sperimentazione.  Ha permesso loro di capire i concetti di circuito, d’interruttore e posizione spaziale degli stessi. È stato più semplice del previsto introdurli alla circuitazione della bread board.

Replicare i circuiti è stato il loro primo compito. Hanno dovuto poi ri-formalizzarli con appropriati disegni e simbologia.

Hanno preso confidenza con i materiali elettronici: jumper, resistenze, led e interruttori.

Si passa a progetti che prevedono la programmazione di ARDUINO. È stata la loro prima volta che si sono avvicinati a un coding. 

Hanno visto che si può comunicare con il computer con un linguaggio che prevede regole e sintassi precise.

Il fatto di dovere accendere uno o più led a varie intermittenze, ha permesso l’introduzione di due importanti strutture come il loop e la condizionale (if then else).

Sono state accolte in modo del tutto naturale, permettendo loro di replicare situazioni analoghe e gestite in modo autonomo.

4.    Conclusione

Con questo laboratorio si esalta la funzione del docente che passa da una funzione puramente trasmissiva, applicando tecniche di cooperative learning, a una didattica laboratoriale.

Il docente coniuga i necessari input teorici, integra i compiti di realtà al fine di ottenere “…una testa ben fatta…[8]”:

Il primo compito di realtà, la costruzione di un half-adder, permette di ottenere le seguenti conoscenze:

1. Sistema binario
   1. Costruzione numeri binari
   1. Le quattro operazioni in binario
   1. Il passaggio da un numero da binario a decimale
   1. Momento storico identificato con Liebniz
2.  Logica proposizionale
   1. V/F
   1. Connettivi logici AND   OR    NOT
   1. Momento storico identificato con Boole
3. Logic Gates
   1. Progettazione circuiti
   1. Costruzione circuiti
   1. Progettazione half-adder
   1. Costruzione half-adder
   1. Momento storico identificato con Shannon & Turing
   1. Momento storico tecnologico con Shockley & Faggin

Il secondo compito di realtà è stato quello di lavorare con ARDUINO, le conoscenze acquisite sono:

1. Sensore (converte altre forme di energia in elettricità)
2. Attuatore (converte l’energia elettrica in altre forme di energia)
3. Circuiti
   1. Corrente (intensità e tensione)
   1. Resistenza
   1. Anodo & catodo
   1. Breadboard
4. Componenti
   1. LED
   1. Resistenza
   1. Interruttori
   1. Jumper
   1. connettori
5. Schema circuito elettrico
6. Programmazione in Wiring
   1. Void setup
   1. Void loop
   1. If then else

Per essere la prima volta che è stato proposto questo laboratorio, il successo formativo e di partecipazione è stato notevole, ottenendo:

• Sicuro possesso dei saperi disciplinari
• Padronanza delle metodologie

• Coinvolgimento della dimensione affettiva-relazionale
• Acquisizione di capacità metacognitive

5.    Bibliografia

Lewis Carroll, Alice,  Mondadori, 2015.

Seth Lloyd, Il programma dell’universo, Einaudi, 2006.

Mario G. Losano, Informatica per le scienze sociali, Piccola Biblioteca Einaudi, 1985.

Maik Schmidt, Il manuale di Arduino, Apogeo, 2015.

Mattia Valsania, Corso pratico di Arduino Modulo base, Area 51, 2015.

https://www.google.it/webhp?sourceid=chrome-instant&rlz=1C5MACD_enIT557IT558&ion=1&espv=2&ie=UTF-8#q=ermanno+puricelli+unit%C3%A0+apprendimento, LE UNITA’ DI APPRENDIMENTO, di Ermanno Puricelli

http://www.fisica.uniud.it/GEI/GEIweb/ricerche/res.htm, IL CONCEPTUAL CHANGE, Michelini Salvi

Edgar Morin, La testa ben fatta. Riforma dell’insegnamento e riforma del pensiero, Milano, Raffaello Cortina Editore, 2000, pp.138, ISBN 88-7078-613-7

L’articolo è succinto perchè è un paper presentato in un convegno dove le pagine erano limitate. Se si desiderano informazioni più dettagliate le trovate nel sito oppure scrivetemi alla mia mail.

---

[1] Questo documento tiene conto di quanto è emerso nelle riunioni preparatorie sul tema dell’istruzione non formale, al quale hanno partecipato: Federico Fierli, Mario Fierli, Filomena Rocca, Claudio Salone, Micaela Ricciardi e Liù M. Catena.  

Per apprendimento formale s’intende quello che avviene in un contesto organizzato e strutturato (scuola, università, istituti di formazione accademica e post-scolare), esplicitamente progettato come tale e che conduce, attraverso un percorso curricolare, ad una qualche forma di certificazione dei risultati.

Per apprendimento non formale s’intende quello collegato ad attività che, seppure formalizzate e definite (ambienti di lavoro, musei ecc.), non sono esplicitamente progettate per il raggiungimento di specifici obiettivi di apprendimento, in sequenze curricolari. L’apprendimento non formale è intenzionalmente esperito dal discente ed è in genere motivato dal bisogno di migliorare l’esercizio di precise attività e l’acquisizione di competenze specifiche; il sapere che è trasmesso è prevalentemente volto all’agire pratico e dà luogo a esiti immediatamente visibili e riconoscibili. Esso è tendenzialmente: libero, olistico e orientato al processo; accessibile a tutti; partecipativo e centrato sull’apprendimento; fondato sull’esperienza e sulla relazione; impostato sulle esigenze del soggetto in apprendimento.

Per apprendimento informale s’intende quello non organizzato né strutturato, che si protrae lungo tutto l’arco della vita e risultante dal flusso delle esperienze e delle attività connesse con la quotidianità, con il lavoro, la famiglia, lo svago, l’associazionismo; in tali contesti le persone apprendono comportamenti, valori, competenze e conoscenze. I contenuti di quest’apprendimento non sono sistematici né organizzati: caratteristica essenziale è che in questo caso l’apprendimento è spesso connesso alla soluzione di problemi.

Per tutta questa materia si veda quanto definito sul piano normativo dalla L 92/2012, art.4 “Disposizioni in materia di riforma del mercato del lavoro in una prospettiva di crescita”

[2] Animazione 1951 Disney

[3] Lewis Carroll, pseudonimo di Charles Lutwidge Dodgson (Daresbury, 27 gennaio 1832 – Guildford, 14 gennaio1898), è stato uno scrittore, matematico, fotografo e logico britannico. È celebre soprattutto per i due romanzi “Le avventure di Alice nel Paese delle Meraviglie” e “Attraverso lo specchio e quel che Alice vi trovò”, opere che sono state apprezzate da una straordinaria varietà di lettori, dai bambini a grandi scienziati e pensatori.

[4] Salto concettuale che si verifica quando da una attività pratica o esemplificativa si coglie il concetto formale dell’azione.

[5] I materiali usati sono: pile da 9 Volt, normale filo elettrico, porta lampadine e nastro isolante.

[6] L’half adder, detto anche semisommatore, è un componente elettronico digitale che esegue la somma di due bit A e B e la presenta sull’uscita S; inoltre viene calcolato anche il riporto C, senza tener conto però di un riporto precedente. La somma binaria di due bit si calcola allo stesso modo della somma di due numeri decimali, per cui il riporto è generato se e solo se i due addendi sono pari a 1.

[7] Per Physical Computing, s’intende un’infrastruttura di sensori flessibili e liberamente programmabili capaci di essere implementati in diversi contesti, rispondendo a tutte le esigenze.

[8] “una testa ben fatta è una testa atta a organizzare le conoscenze così da evitare la loro sterile accumulazione” E. Morin”