MISCONCETTI  &   ARDUINO

 DIDAMATICA 2018

Sandro Corradini, Antonio Piva

sandro.corradini7@gmail.com

È la continuazione della sperimentazione svolta in una scuola secondaria di I grado sull’avvio all’uso di ARDUINO. La prima sperimentazione è stata presentata a DIDAMATICA 2016[1]. Quest’anno, sono stati replicati e rinnovati i progetti ponendo un’attenzione maggiore ai processi di apprendimento. Una volta rilevata la presenza di “misconcetti” è stata elaborata una strategia per superarli e giungere ad un “conceptual change” per affrontare in modo consono la progettazione con ARDUINO. È illustrato un semplice “sketch” e alcune considerazioni sulla curva di apprendimento degli allievi sulle competenze acquisite.

Keywords: Misconcetti, Conceptual Change, Arduino, Insight.

1.    Introduzione

È il terzo anno, nell’ambito del Tempo Prolungato, che è istituito presso l’IC di Maserada un laboratorio sulla progettazione con la scheda ARDUINO, riscuotendo un entusiastico consenso da parte di genitori e ragazzi.

Il lab. è strutturato in due quadrimestri. Ad ogno quadrimestre partecipano due gruppi di allievi provenienti da classi I, II e III. Ogni gruppo frequenta circa 14 lezioni di due ore pomeridiane. Ci sono gruppi di neofiti (in genere ragazzi di I) e gruppi che hanno già affrontato il lab. negli anni precedenti.

Si è sempre lavorato con il metodo della didattica laboratoriale e “learning by doing”.

Questa sperimentazione, messa in atto presso l’IC di Maserada TV, ha avuto un notevole successo presso gli studenti e genitori, tanto da essere replicata anche quest’anno.

Hanno partecipato 4 gruppi da 15 allievi per 2 ore pomeridiane (tempo prolungato) suddivisi 2 gruppi per il I q e 2 gruppi per il II q.

Ogni gruppo ha avuto a disposizione circa 30 ore di laboratorio. Due gruppi sono costituiti da ragazzini di I media e gli altri due da ragazzini di II media. Quelli di II media hanno già frequentato la sperimentazione dell’anno precedente.

Si è sempre lavorato con il metodo della didattica laboratoriale e del learning by doing[2].

2.    Fase iniziale

Nella fase iniziale viene proposto agli allievi neofiti un semplice questionario che testa le conoscenze informatiche presentate dai ragazzi. Non ci sono sostanziali differenze tra I, II e III media.

Propongo uno dei resoconti del test.

Resoconto test

È stato chiarito che se non si sentivano sicuri della risposta dovevano rispondere “non so”. Ho trascritto integralmente le risposte, compresi gli errori.

1. Cosa intendi con la parola informatica?

È una parola di uso comune, quanti sanno il vero significato di questo termine? Ecco alcune risposte:

• una scienza
• informazioni su un dispositivo
• la progettazione di sw per esempio creare programmi per i giochi
• con la parola informatica intendo i cellulari, i video game, i computer
• intendo oggetti elettrici
• intendo computer e suoi derivati
• faccio un esempio: si fanno giochi e si scrive sul computer……. Non sono sicura di quello che ho scritto!!
• Lavorare al computer
• Un oggetto che è fatto con i circuiti
• Secondo me l’informatica è imparare a usare i computer e gli apparecchi elettronici
• 6 non so

1. Chi ha inventato l’informatica?

È chiaramente una domanda trabocchetto che però ha prodotto alcune risposte:

• 15 non so
• 2 Alan Turing

1. La matematica c’entra con l’informatica?

Anche questa domanda presuppone un background che ovviamente questi ragazzi non hanno. Ecco le risposte:

• 2 si centra
• 7 si
• 3 no
• si, perché servono molti calcoli per creare circuiti
• si c’entra con i calcoli, e altre cose
• si: i calcoli informatici
• forse si perché bisogna fare calcoli e usare numeri per fare per esempio dei programmi come word, exel,…
• certamente perché è un dispositivo va ad un codice binario o decimale c’è sempre la matematica

1. Quali sono gli strumenti dell’informatica?

Domanda più semplice ma che presenta alcune risposte interessanti:

• 3 non lo so
• 2 computer, cellulare, tablet
• le tastiere, il mouse, e il computer
• computer, tablet e altri apparecchi simili
• strumenti dell’informatica sono il computer
• computer e molti altri oggetti con circuiti
• il computer, la calcolatrice
• gli strumenti dell’informatica sono: il computer che consiste tra il mouse e la tastiera per scrivere
• il computer
• il computer, il telefono
• per esempio computer – circuiti – software
• le tastiere, mouse, tablet, cellulari
• non ci sono per così dire basta avere una buona memoria o capacità ed impostarlo su dispositivo
• internet, maus, compute

1. Sapresti descrivere, brevemente, gli aspetti dell’informatica nella vita moderna?

domanda articolata, ma d’effetto:

• 5 non lo so
• in banca, nella posta, in ufficio, in casa
• linformatica si trova dentro casa, nei negozzi, di elettricisti
• l’informatica si trova in posta, in banca
• nel computer, nella tv e nei telefoni.
• Fonte di studio, calcolo, comprare online, TV, telefoni
• Il computer si trova in casa su un tavolino, a scuola in un’aula o negli uffici.
• La trovo negli uffici
• La trovo in aeroporto, nei negozi, nelle scuole, in casa perché ci sono i cellulari, i tablet, i computer
• Gli aspetti informatici di oggi è che è molto utile, si fanno calcoli più velocemente, però giovani di oggi la usano troppo.
• No
• L’informatica moderna sarebbe per lo dire un aiuto anche in banca, gioielleria ed ecc., anche per prelevare soldi dal bancomat è un aspetto informatico
• In ufficio, in aeroporto, in banca, in casa, alle poste

1. Chi sono i nativi digitali?

non sanno di esserlo, è stata la domanda che li ha più affascinati.

• 7 non lo so
• sono le persone nate con l’informatica attorno
• i nativi digitali sono le persone nate nel periodo in cui hanno inventato i computer, i tablet e i giochi digitali
• sono ragazzi del giorn d’oggi
• le persone nate senza l’informatica
• i bambini nati nell’era dei computer
• sono gli uomini, donne o bambini che sono nati nell’anno dove esisteva già il computer
• gli uomi che sono nati quando i computer erano già stati inventati
• i nativi digitali sono le persone che nascono nell’era della tecnologia
• le persone che sono nate e c’erano i cellulari, i computer, i tablet.
• Sono quelli che sono nati nell’era digitale

1. Cosa è la “rete”?

domanda abbastanza ovvia, anche i questo caso le risposte celano delle sorprese:

• la rete è una applicazione che ti permette di navigare in internet
• è internet
• la rete è come la rete telefonica, per cui i fili che portano i vari segnali.
• La rete è un filo lungo che trasporta, per esempio, internet, così la gente lo avrà, se lo vogliono.
• La rete è internet: dove si pubblicano cose
• La rete e in internet
• La rete è un passaggio che collega i nostri computer ai computer di diverse persone
• È un sistema per collegare persone
• È un insieme di miriadi di informazioni che compone internet
• È un insieme di informazioni che formano la “rete” oggi chiamato enternet dove ci sono tutte le informazioni che cerchi
• È un sito dove puoi cercare tutto quello che vuoi
• È un’”aplicazione” che puoi cercare quello che vuoi

1. Cosa sono le “logic gates”

A questa domanda non mi aspettavo risposte:

– 17 no

Considerazioni

Ho analizzato innanzi tutto il modo di scrivere. Provenendo dalle elementari questi ragazzi scrivono ancora in modo impreciso e inadatto, ricorrendo spesso allo stampatello.

da evidenziare che i più frequenti errori ortografici e grammaticali sono commessi da quelli che scrivono in stampatello.

La percezione che i cosiddetti “nativi digitali” hanno dell’universo informatico e del suo coinvolgimento nella vita di tutti i giorni è molto confuso, per niente formalizzata e con un guazzabuglio di luoghi comuni, sempre comunque mal digeriti.

Interessante notare che dalle risposte emergono concetti e conoscenze che hanno a che fare con l’informatica:

• L’elettricità
• La matematica
• Un solo nome è emerso è quello di Alan Turing[3]
• La rete per reperire tutte le informazioni
• Nessuna conoscenza sulle strutture logiche e circuitali

Da queste considerazioni si parte per costruire una base di conoscenze che possano permettere la formalizzazione di una giusta e corretta conoscenza dell’universo informatico..

Dalle risposte si evince la presenza di misconcetti, alcuni dei quali sono responsabili di “interpretazione erronea” ma altri indicano la presenza di “convinzioni specifiche scorrette”, altre (le risposte “non so”) indicano solo ignoranza dell’argomento. Tutte queste risposte possono rappresentare un effettivo “ostacolo all’apprendimento” e per questo motivo, una volta individuati i misconcetti, si è ricorso alla metodologia del “Conceptual Change”.

3.    CONCEPTUAL CHANGE MODEL

Il modello “conceptual change” utilizzato è stato il seguente:

1. UNFREEZE (lett. scongelamento) per creare l’ambiente giusto
2. CHANGE (lett. cambio) un cambiamento in sostegno allo stato desiderato
3. REFREEZE (lett. ricongelamento) rafforzare per ancorare il cambiamento

UNFREEZE – La prima proposta è stata quella di costruire assieme una timeline del pensiero informatico. La timeline è stata incentrata sui personaggi storici che hanno portato alla rivoluzione informatica, partendo da Aristotele (concetto di V/F), Liebnitz (sistema binario 0,1), Boole (AND, OR, NOT), Shannon (switching circuits), fino ad arrivare alla definizione delle LOGIC GATES. Un capitolo importante è stato riservato a Babbage e Ada Lovelace. La chiave del successo di questo lavoro è stato quello di associare ai concetti del pensiero informatico anche la vita e varie vicissitudini avute da questi personaggi[4].

Questa è stata la fase UNFREEZE, che ha permesso lo scongelamento e la creazione dell’ambiente adatto. Sono stati realizzati diversi cartelloni che sono poi rifluiti su una presentazione pptx. Questo è servito a rassicurare gli allievi e ha dato loro un punto di riferimento storico temporale del quale erano totalmente sprovvisti. È stato dato il giusto risalto all’importanza delle Logic Gates e alla loro semplice attuazione pratica sia dal punto di vista del calcolo, sia come costruzione su cartoncini.

CHANGE – La seconda fase è avvenuta sulla base dell’esperienza dell’anno precedente. Si è proceduto alla costruzione manuale[5], su cartoncini di formato A3, delle principali porte logiche: AND (due interruttori in serie), OR (due interruttori in parallelo), NOT (un interruttore invertitore). È stata una fase importante per l’accrescimento dell’autostima, per fissare i concetti relativi alle tre porte principali e iniziare a rispondere alla seguente domanda:

 “Cos’è un circuito e come funziona? (come e perché si accende la lampadina?)”

L’obiettivo primario è stato quello dello studio e comprensione delle tavole di verità sulla base dell’algebra di Boole e la corrispondenza con il circuito.  Eguale importanza ha avuto l’insperato effetto collaterale, non voluto o pensato, relativo alla costruzione dei circuiti che ha permesso la comprensione e visualizzazione della circuitazione rendendo l’approccio con la breadboard più facile e amichevole.

Dopo questa fase propedeutica ci siamo avvicinati ad Arduino con cognizione e senza timore.

REFREEZE – Per rafforzare il cambiamento bisognava rispondere adeguatamente a due domande:

1. “Il computer è una macchina da calcolo o una macchina logica[6]?”
2. “Il computer è una macchina programmabile?!”

Alla seconda domanda viene in soccorso il racconto (storytelling LEGO^®) su Ada Lovelace & Babbage reperibile al seguente URL:

L’ambientazione storica ha fatto conoscere il lavoro di Babbage e Ada Lovelace e la sua progettazione del primo protocomputer meccanico “programmable”. Ada Lovelace, detta l’incantatrice dei numeri, invece ha progettatto il primo sw e la sua introduzione nella macchina analitica tramite l’uso delle schede perforate[7].

Aver creato assieme la timeline ha consentito loro di immergersi nel periodo storico e prender parte delle vicissitudini dei due protagonisti e cominciare a capire le difficoltà che si sono dovute superare per arrivare al moderno computer.

Questo filmato illustra efficacemente l’introduzione del “programma” tramite schede perforate in questa macchina (device) meccanica che rappresenta il primo protocomputer.

4.    Arduino e progettazione sketch

Siamo passati quindi alla fase strettamente operativa su Arduino.

Le fasi di lavoro sono state:

1. definire un problema
2. individuare un algoritmo che risolva il problema
3. “disegnare” un programma (flow chart) che codifichi l’algoritmo
4. “traduzione” in linguaggio di programmazione del flow chart
5. compilazione (passaggio al binario) del programma

Una piccola premessa! I ragazzi hanno lavorato nella scuola primaria con SCRATCH[8] un linguaggio di programmazione molto intuitivo e utile all’introduzione del C++ alla luce del teorema di Böhm-Jacopini.

Questo teorema, in sostanza, afferma che qualunque programma sw può risolvere gli algoritmi proposti usufruendo di tre sole strutture di controllo (sequenza, selezione e ciclo). Abbiamo fatto un lavoro di ricognizione con un programma utilizzando SCRATCH facendo distinguere le tre strutture con un lavoro preciso di puntualizzazione.

Non è stato un passaggio difficile! Probabilmente ho avuto un buon gruppo, ma sono dell’avviso che di là dalle mirabolanti app, qualche volta i nostri ragazzi apprezzino anche i processi di formalizzazione.

A questo punto viene introdotto Arduino, spiegando lo spirito del “Phisical Computing”.

“Uno dei campi di maggiore applicazione di Arduino può essere assolutamente considerato il Physical Computing, che per definizione rappresenta la possibilità di realizzare dei sistemi, attraverso l’uso di hardware e di software, che possano interagire con il mondo esterno. Tale interazione avviene in entrambi i versi, nel senso che il sistema può acquisire e misurare grandezze reali attraverso l’utilizzo dei sensori e può intervenire verso l’esterno mediante l’uso di attuatori.” (tratto dal forum di HTML.it)

Sono introdotti i seguenti concetti e loro spiegazione:

1. scheda arduino
2. sensori & attuatori
3. mondo reale e come il computer lo interpreta tramite i sensori
4. il programma riguarda come impostare i sensori e come dovranno lavorare gli attuatori

Il progetto realizzato assieme ai ragazzi è la simulazione di un semaforo.

Si costruisce il circuito e si scrive il Code necessario per farlo funzionare. Questo progetto si presta a successive sofisticazioni che consentono l’introduzione delle strutture previste dal teorema di Böhm-Jacopini.

Concordato con il gruppo come dovesse agire il semaforo, siamo passati alla progettazione del circuito.

La fase successiva è stata la scrittura del Coding necessario al funzionamento del semaforo e successive sofisticazioni.

1. semaforo semplice
   semplice sequenza di istruzioni
2. semaforo con il giallo lampeggiante
   in questo caso dalla semplice sequenza si passa alla ripetizione della situazione di lampeggio del giallo e quindi l’introduzione dell’istruzione for (ripetizione di un blocco di istruzioni)
3. semaforo con richiesta
   si lascia il semaforo lampeggiante con il giallo, si introduce un bottone alla cui pressione si attiva il semaforo vero e proprio questo è possibile con l’introduzione dell’istruzione if  (struttura condizionale)

Questi sono i tre semplici progetti di avvio. Riporto, come sempio, il listato del semaforo lampeggiante.

// SEMAFORO lamp

int ledRed = 13;

int ledYellow = 10;

int ledGreen = 5;

int i = 0;

void setup()

{

pinMode(ledGreen, OUTPUT);

pinMode(ledYellow, OUTPUT);

pinMode(ledRed, OUTPUT);

}

void loop()

{

digitalWrite(ledGreen, HIGH);

digitalWrite(ledYellow, LOW);

digitalWrite(ledRed, LOW);

delay(4000);

digitalWrite(ledGreen, LOW);

digitalWrite(ledYellow, HIGH);

digitalWrite(ledRed, LOW);

delay(1000);

for(i = 0; i< 10; i++){

digitalWrite(ledYellow, LOW);

delay(250);

digitalWrite(ledYellow, HIGH);

delay(250);

}

digitalWrite(ledGreen, LOW);

digitalWrite(ledYellow, LOW);

digitalWrite(ledRed, HIGH);

delay(4000);

}

L’esperienza laboratoriale prosegue con lo studio e l’introduzione di altri sensori come ad esempio quelli ad ultrasuoni, RGB, TMP, servomotore……

5.    L’apprendimento

Il nostro lavoro è sempre finalizzato all’apprendimento, sia quello significativo, sia quello “learning by doing”. L’apprendimento è definito significativo (Jonassen 1994) se riesce ad integrare queste sette istanze fondamentali: attivo, costruttivo, collaborativo, intenzionale, contestualizzato, riflessivo, conversazionale.

Il fine ultimo non è l’acquisizione totale di specifici contenuti prestrutturati e dati una volta per tutte, bensì l’interiorizzazione di una metodologia di apprendimento che renda il soggetto progressivamente autonomo nei processi conoscitivi. (deutero apprendimento[9])

Questo laboratorio ha favorito la riflessione e la concentrazione, si notano diverse fasi nell’apprendimento, ma l’obiettivo è sempre quello di arrivare alla formalizzazione dei concetti, formalizzazione che comporta una interiorizzazione dei contenuti che uniti al saper fare portano alle competenze.

1. I fase
   avvicinamento ai contenuti, fatto con diversi metodi e strategie
2. II fase
   una volta scoperti i contenuti, è spontaneo il processo di imitazione con il quale l’allievo cerca di replicare e prova a giocare con i contenuti

• III fase INSIGHT
  ogni processo di apprendimento ha bisogno di una “energia di attivazione”, altrimenti i contenuti restano li fermi, senza contribuire alla costruzione delle competenze. L’analogia con le reazioni chimiche è notevole. Nelle reazioni chimiche si ha bisogno di un catalizzatore che permetta l’accendersi della reazione.

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

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 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”

6.    Conclusione

Le conclusioni sono qui elencate, ma sicuramente l’aspetto che più mi ha colpito è stato quello che si può raggiungere con un lavoro mirato e strutturato. Abbiamo affrontato argomenti che sono risultati molto formativi e hanno permesso di farmi “scoprire” l’Insight. L’Insight è la capacità, l’intuito, la voglia di risolvere il problema e nel nostro caso di codificarlo. La nostra società attuale ha bisogno di competenze e quindi il modo per attivarle è quell’energia di attivazione che viene dall’attività laboratoriale. Provando e Riprovando: come disse Dante!!!

• Sicuro possesso dei saperi disciplinari
• Padronanza delle metodologie

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

Quel sol che pria d’amor mi scald`o il petto Di bella verit`a m’avea scoverto Provando e riprovando, il dolce aspetto. Paradiso, canto terzo, 1-3. [That sun which erst had warmed my heart with love, by proving and refuting, had revealed to me the pleasing face of lovely truth] Paradise, III, 1-3. Dante Alighieri “La Divina Commedia”

“Proving and refuting” is the motto of modern science!

4.    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

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[1] È il paper 22 con il titolo di “LOGIC GATES verso ARDUINO” presentato a DIDAMATICA 2016

[2] Imparare facendo, imparare attraverso il fare.

[3] Era stato appena trasmesso il film “The Imitation Game” che narrava le vicende del matematico Alan Turing nella decrittazione della macchina Enigma durante la II guerra mondiale.

[4] La collocazione storica precisa e puntuale, è fondamentale! Parte delle loro disfunzioni didattiche deriva da una imprecisa conoscenza storica.

[5] questa esperienza manuale, fondamentale, è stata ridotta alla sola costruzione delle tre porte fondamentali (AND, OR, NOT) per mancanza di tempo.  

[6] Norbert Wiener, il padre della cibernetica, ha definito il computer come una macchina logica.

[7] Nel filmato c’è anche un riferimento molto importante al fatto che è stata lei a immaginare che il computer potesse processare anche altri simboli oltre i numeri. (Nota G)

[8] Scratch è un linguaggio di programmazione e il suo ambiente di sviluppo e d’autore sono gratuiti. Il linguaggio, ispirato alla teoria costruzionista dell’apprendimento e progettato per l’insegnamento della programmazione tramite primitive visive, è adatto a studenti, insegnanti e genitori, ed utilizzabile per progetti pedagogici e di intrattenimento che spaziano dalla matematica alla scienza, consentendo la realizzazione di simulazioni, visualizzazione di esperimenti, animazioni, musica, arte interattiva, e semplici giochi. Tratto da Wikipedia

[9] Imparare a imparare. (Bateson)