Il progetto MISSION è realizzato dai seguenti enti:

Ente capofila

• Liceo Filzi, Rovereto. Trento. [link]

Enti partecipanti 

• IIS Ricci Macerata [link] 
• Zadig srl. Milano [link] 
• MUSE. Museo delle Scienze di Trento [link]

Scuole che partecipano alla sperimentazione

• Scuola media Caiatino, Caiazzo, CE
• Scuola primaria "primo circolo" Istituto Comprensivo 1 Novi Ligure (AL)
• Scuola secondaria Ottolini (Rescaldina) Monza (MI)
• Scuola media Istituto Comprensivo "de Magistris", Caldarola (MC)
• Scuola primaria Via Le Grazie, Istituto Comprensivo "Badaloni", Recanati (MC)

Il progetto è realizzato con i fondi del Bando MIUR della divulgazione scientifica (codice bando) e prevede la collaborazione di insegnanti appartenenti a 12 scuole distribuite su tutto il territorio nazionale.

 

1. Definizione delle unità didattiche

In questa fase avviene l’ideazione, l’ingegnerizzazione, la prototipazione, il testing e la produzione delle attività didattiche e dei casi di studio, basati su “macchine trasformatrici”. Si definiranno i dettagli delle attività didattiche da svolgere in ogni livello, ideando, realizzando e testando anche nuovi prototipi di macchine.

2. Produzione dei set di macchine e allestimento dei materiali didattici

Il FabLab del MUSE procede alla produzione dei set di macchine (denominati kit-MISSION) da distribuire alla rete di scuole pilota. Ognuno è composto da ca.12 marchingegni meccanici originali, che possono essere configurati in diversi modi, e andranno ad affiancare altre tipologie di “black-box” costruibili anche dagli stessi allievi con materiale d’uso comune. Il kit viene fornito completo dei materiali didattici (scheda insegnante e scheda studente) per lo svolgimento delle attività con i vari tipi di macchine per ogni livello e ordine di scuola 

3. Training e svolgimento delle lezioni-pilota

Consiste in un breve momento di formazione (in presenza e online) che coinvolgerà i ca. 10 insegnanti-pilota che partecipano alla sperimentazione con le proprie classi durante l’anno scolastico 2015-16. Le istruzioni ricevute permetteranno sia di usare correttamente il materiale prodotto nonché di svolgere correttamente la fase di valutazione e restituzione dei risultati.

4. Comunicazione e disseminazione

Al termine del progetto, previsto per il Dicembre 2015, verranno pubblicati i risultati della sperimentazione e tutti i materiali utilizzati: sia le schede per la realizzazione delle attività didattiche nonchè i file digitali per la stampa in 3D dei componenti del kit-MISSION. Tutto il materiale verrà pubblicato sui siti degli enti partner e disseminato nelle community professionali di riferimento nazionali e non Il mondo della scuola e dell’apprendimento scientifico formale, quello dell’educazione scientifica informale (musei e science centres) nonché nella community mondiale dei FabLab.

  

Il progetto pilota MISSION, di divulgazione della natura della scienza, propone un corpo coerente di attività investigative scientifiche laboratoriali per costruire una corretta percezione del metodo sperimentale e dei principi fondamentali di funzionamento del processo scientifico. Le attività proposte sono adatte ai tre ordini di scuola.

Rispetto ad altre proposte in cui si fa uso delle "black box" (vedi rif. "fisica, una scatola nera?" e altri rif. lì citati) il progetto MISSION ha come obiettivo esclusivamente l'attività di investigazione scientifica in sé prescindendo da particolari contenuti di apprendimento. Dunque le "macchine mission" non sono un modo per imparare la meccanica o gli ingranaggi; le "Macchine Operatrici" non sono un modo per imparare le quattro operazioni. 
Il risultato è che le attività proposte sono idonee a tutte le età, dato che non richiedono conoscenze pregresse particolari.

Un'altra importante differenza dalle altre proposte è data dal fatto che viene dato un congruo spazio anche all'attività manipolativa e costruttiva degli stessi oggetti da investigare. Ciò rende l'attività molto più entusiasmante, offrendo al tempo stesso maggiori opportunità di coinvolgimento creativo.

Ecco alcuni materiali di riferimento

Articoli

Fisica: una scatola nera? Science in School, 2009

Giocare agli scienziati: marchingegni per sviluppare le abilità di processo scientifico. Science in School, 2007

Giocare agli scienziati: insegnare le abilità di processo della scienza. Science in School, 2006

Modelli per pensare. Scienza in rete, 2005

Macchine operatrici a blocchi logici. Scienza in rete, 2006

Esperienze e progetti didattici

Scuola primaria Rodari (Novi Ligure), 2009

 

Le Macchine Operatrici sono un software didattico originale, sviluppato per far esercitare studenti-apprendisti scienziati nel processo di costruzione di modelli interpretativi di fenomeni che agiscono secondo regole nascoste e generate casualmente.

Per avere un'idea del loro funzionamento si suggerisce di vedere alcuni dei video della playlist nel nostro canale youtube:

• Macchina Operatrice 11 Introduzione (10 min), livelli avanzati (21 min)
• Macchina Operatrice 12 Introduzione (10 min), leggi e teorie (9 min), livello 4 (20 min)
• Macchina Operatrice 21 Introduzione (9 min), livello 4 metodo scientifico (27 min)

Oppure andare direttamente all'ultimo video della lista, contenente considerazioni conclusive.

Storia delle MO

Inizialmente, una decina di anni fa, le MO furono proposte in classe quarta elementare una mattina, come un gioco da fare oralmente, senza software, nell'ambito di una sperimentazione sul concetto di modello: lo sperimentatore-macchina inventava un'operazione da applicare sistematicamente a due numeri in ingresso per ottenere un numero in uscita. I compagni proponevano i due numeri piccoli in ingresso scrivendoli alla lavagna e "l'uomo-macchina" calcolava mentalmente e silenziosamente il numero in uscita, quindi lo scriveva nel riferirlo alla classe, che si cimentava cercando di ricostruire il calcolo effettuato. Dopo un mese lo sperimentatore tornò nella stessa classe e scoprì che il gioco era diventato talmente popolare che i bambini stessi a turno facevano la "macchina", che effettuava due operazioni consecutive sui due numeri in input (anche a due cifre). Tutti i bambini della classe erano diventati incredibilmente efficienti nello svelare il meccanismo di calcolo. Anche l'insegnante, ovviamente, era entusiasta e fiera dei visibili risultati da essi raggiunti, specialmente nel calcolo a mente. I meccanismi inventati dai bambini però tendevano ad essere stereotipati, e ciò indusse gli sperimentatori a inventare un software che includesse una maggior varietà di meccanismi generati casualmente. In tal modo tutto l'impegno dei bambini poteva essere rivolto a svelare il meccanismo nascosto. Le altre MO11 e MO12 sono state messe a punto per coinvolgere i bambini più piccoli e prepararli alla MO21. Parallelamente sono state sviluppate attività analoghe, adatte ai piccolissimi, in cui il meccanismo di trasformazione agisce sui blocchi logici (vedi: MO a blocchi logici). Sono state effettuate in seguito diverse sperimentazioni sistematiche sulle MO, tra cui quella realizzata al Circolo Le Grazie di Recanati, dettagliatamente documentata nel seguente blog. Per altre informazioni sulle MO vedere qui.

Le Finalità

L'obiettivo è in realtà quello di comprendere la Natura della Scienza, perché riteniamo che anche gli alunni più piccoli possano sapere "come si fa a conoscere le cose", investigando con i propri mezzi, ossia in un modo diverso dall'ascoltare storie.

Oltre al valore dell'immaginazione creativa, all'opera nelle investigazioni, c'è anche quello della realtà oggettiva: non tutto è virtuale! la realtà è qualcosa che esiste, ostinata e indifferente alle nostre fantasticherie o convinzioni. Ciò porta l'alunno-ricercatore ad un atteggiamento umile, paziente e perseverante.

Lo studio dei casi generati dalle macchine operatrici richiede poco tempo e può essere facilmente integrato nella normale attività curriculare. Molte sfide, sempre nuove, momenti in cui si affronta l'ignoto, come un gioco entusiasmante.

Come si gioca?

Semplice. Il software crea dei meccanismi nascosti che regolano la trasformazione delle variabili sperimentali in ingresso in risultati in uscita.

Lo "scienziato" sceglie liberamente gli esperimenti da fare, li sottopone alla macchina e registra ordinatamente i risultati ottenuti. Osserva tali risultati, riconosce dei pattern regolari e riflette su di esse formulando "leggi" o ipotesi teoriche. L'investigatore decide se deve ancora interrogare la macchina, per continuare ad esplorare il fenomeno in studio, o se può passare agli esperimenti di conferma delle ipotesi teoriche già fatte. A volte, nello studio di casi più complessi, una o più leggi appaiono insufficienti a prevedere i risultati di tutti gli esperimenti, o comunque appaiono scollegate tra loro, quindi occorre trovare un'unico modello teorico che leghi o "spieghi" tutte le leggi. 

Studiando le risposte date dalla macchina nelle varie prove sarà possibile elaborare dei modelli teorici capaci di spiegare i risultati degli esperimenti.

Non ci sono istruzioni: la curiosità e la domanda di significato innate spingono spontaneamente a indagare: c'è un ricercatore in ciascuno di noi. Questa domanda di senso regolerà e motiverà l'attività di indagine fino a trovare spiegazioni soddisfacenti in termini aritmetici elementari.

Le caratteristiche principali del processo di costruzione della conoscenza scientifica sono esemplificate dalle macchine operatrici:

1. Effettuare esperimenti "random" per esplorare il fenomeno
2. Osservare certe caratteristiche peculiari (cogliere indizi), ed effettuare esperimenti mirati per verificarne la ricorrenza 
3. Ipotizzare e riscontrare degli andamenti regolari o leggi, che leghino parte o tutti gli esperimenti (modello descrittivo)
4. Verificare le ipotesi facendo previsioni e modificare le ipotesi falsificate per adattarle a risultati inattesi
5. Trasformare le regolarità riscontrate in un meccanismo di calcolo unificante, capace cioè di riassumere e riprodurre tutte le ricorrenze (teoria esplicativa).

Ai livelli più bassi saranno sufficienti pochi "esperimenti" per arrivare a costruire un modello valido del funzionamento della macchina. Man mano che si sale di livello (come nei videogiochi) si renderanno necessarie tutte le fasi 1-5

Come scaricare e installare il software delle M.O.

Si suggerisce di installare i programmi delle macchine operatrici su sistema operativo windows 7 o precedente. Per Win. 8 occorre inserire due file aggiuntivi e attuare alcune semplici modifiche dal quadro comandi. La funzionalità su Windows 10 deve essere ancora testata.

Seguire le istruzioni a questa pagina.

Utilizzo nel progetto MISSION

Il progetto MISSION è interessato a sperimentare una modalità "sociale" di utilizzo delle MO, con la collaborazione di team appartenenti a scuole diverse nell'indagare su casi particolarmente ardui. Per la MO21, in particolare ai livelli più elevati, potranno essere salvati i meccanismi "resistenti" e messi in un forum insieme alle ipotesi già testate ed eventualmente con i listati degli esperimenti già compiuti. Le classi parallele o di istituti diversi, dello stesso livello, o di un anno più grandi o più piccole potranno tentare dove le altre hanno fallito e comunicare autonomamente nel forum.

Il forum sarà messo a disposizione delle scuole dopo averne discusso nel meeting di settembre.

 

Introduzione

Le macchine operatrici sono degli "elaboratori" che acquisiscono dei dati (input) e li trasformano in un risultato (output) seguendo un algoritmo invariante e "nascosto", analogamente alle macchine black-box o “marchingegni”. Ai bambini si richiede di ideare un'operazione o una sequenza di operazioni (modello teorico) che riproduca il comportamento della macchina (sistema sperimentale).

Nei casi più completi, chi investiga scopre prima delle regolarità ricorrenti o leggi. Queste leggi dovranno essere combinate in un’unica teoria che permetta di prevedere il risultato ottenuto da un esperimento qualsiasi senza ricorrere alla ricorsione. Abbiamo messo operazioni aritmetiche nel "motore" delle nostre macchine operatrici, che si alimentano di numeri naturali e danno numeri naturali in uscita.

Un obiettivo importante di queste macchine operatrici "aritmetiche" è che con esse si può migliorare l'abilità di calcolo a mente e la comprensione delle operazioni aritmetiche divertendosi. Per questa ragione si possono usare le macchine operatrici fin dalla seconda elementare (limitandosi ai livelli di difficoltà più bassi).

Ma la ragione principale per cui abbiamo progettato questa unità didattica è per applicare il concetto di modello teorico in situazioni più astratte.

Il "motore" delle macchine operatrici può inizialmente essere fornito da un alunno che, alla lavagna, pensa l'operazione o sequenza di operazioni aritmetiche. Poi ripete invariate tali operazioni sui dati in ingresso, forniti dai compagni di classe, scrivendo i risultati, finché questi non saranno in grado di prevedere i risultati.

Il parallelo con la natura della scienza è evidente: il calcolo nascosto è il "meccanismo" o "motore sconosciuto" che produce i fenomeni; l'input sono le condizioni e le variabili sperimentali scelte dagli scienziati (il resto della classe); dopo pochi tentativi (esperimenti di esplorazione preliminari) i bambini cercano spontaneamente un modello di calcolo che dia conto del comportamento della macchina. Quindi ripetono gli esperimenti per convalidare i vari modelli. Se le loro previsioni corrispondono con l'output (risultato dell'esperimento), procedono ad ulteriori conferme. I modelli si sforzano di riprodurre fedelmente la realtà osservabile. Invece la realtà nascosta nella macchina, come per i "marchingegni", non esce mai allo scoperto. Quando gli scienziati ottengono previsioni corrette, considerano valida la loro teoria, ma non possono mai essere definitivamente certi che la natura complessa si comporti veramente secondo tali modelli.

Tutorial scaricabili

Abbiamo realizzato anche delle versioni software di tali macchine operatrici, funzionanti con flash sotto sistemi Windows da XP in avanti. Occorre prima scaricare e installare alcuni file utilizzati dal tutore parlante che spiegherà ai bambini (e agli adulti) come usare il programma. Alcuni sistemi operativi necessitano di alcuni file specifici di sistema, quindi conviene seguire le stesse istruzioni per qualunque sistema operativo. Il punto 7 è necessario solo per i sistemi operativi Windows 8 e 10.

1. scaricare e installare i componenti ActiveX da qui (programma creato tramite VB scuola)
2. scaricare ed estrarre le cartelle compresse delle tre M.O.
   M.O. 11 (Un input e un output, 192 kB)
   M.O. 12 (Un input e due output, 130 kB)
   M.O. 21 (Due input e un output, 732 kB)
3. Scaricare il componente ActiveX: flash.ocx (918 kB) e salvarlo nella cartella C:\WINDOWS\SYSTEM32
4. scaricare il file comdlg32.ocx e copiarlo nella cartella di Windows System per Windows 8, oppure in System32 per Windows 10;
5. scaricare il file mscomctl.ocx e copiarlo nella cartella C:/Windows/Sistem32,
6. Scaricare il file Genie.exe quindi lanciare ed eseguire lo stesso file. Verificare che nella cartella C:/Windows/msagent/char, oltre al carattere parlante Merlin.acs inserito precedentemente, sia ora presente anche Genie.acs (serve per MO 12).
7. Per Windows 8 e 10 solamente: aprire il prompt dei comandi (come utente amministratore andare su Start o sulla bandiera di Windows in basso a sinistra e, nella barra bianca per la ricerca dei programmi scrivere cmd e dare invio; si apre una finestra nera) e scrivere dopo il cursore i seguenti comandi:
   regsvr32 comdlg32.ocx e dare invio (deve apparire: operazione effettuata con successo)
   regsvr32 mscomctl.ocx e dare invio (deve apparire: operazione effettuata con successo)
8. Estrarre le cartelle zippate di ciascuna delle M.O.: con un doppio click sui file zippati scaricati nel passo 2, estrarre e aprire ciascuna cartella.  (se occorre scaricare e installare WinZip free)
9. Per lanciare i programmi .exe delle macchine operatrici, cercate, in ciascuna delle cartelle, il rispettivo file eseguibile, MO11.exe, MO12.exe o MO21.exe. Con un doppio clic su tali file sarà lanciato il programma e immediatamente riceverete le istruzioni dal tutor parlante.

In certi casi si è visto che l'attivazione dei componenti richiede un secondo tentativo di lancio del programma. A questo punto effettuare un riavvio per sicurezza, quindi tutte le MO.exe funzionano e … parlano!

Torna alla pagina principale delle Macchine Operatrici

 

Articoli

16 Set 2015 - MISSION: insegnare il metodo scientifico
Da alcuni mesi un team di docenti provenienti da diverse regioni d’Italia ha dato origine a Mission, un progetto pilota finanziato dal Ministero dell’Istruzione, che vede coinvolti ragazzi dagli 8 ai 16 anni di età e che si prefigge come obiettivo quello di far comprendere che la scienza è atteggiamento e metodo oltre che insieme di conoscenze.
di Elena Rinaldi [leggi tutto]

---

News

2 set 2015 - Il metodo scientifico spiegato con il progetto MISSION
1 lug 2015 - Pubblicazione dei file di stampa 3D
24 giu 2015 - Workshop MISSION: 7, 8 Settembre 2015
26 apr 2015 - E’ attivo il canale YouTube del progetto MISSION

Pulegge a elastico diretto

---

Marchingegno 3 bis
In questa ripetizione dell'esperimento sul marchingegno 3 la rotazione in input è antioraria e quella della matita oraria. Invertendo il senso della rotazione si ha, come risposta, prima nessuna rotazione e poi una rotazione oraria concorde in entrambi i perni.

---

Livello 3 - Macchina Operatrice 1-2 Leggi e teorie
Esempio completo di investigazione al livello 3 della macchina operatrice M-12. Si ricava prima un pattern per i due output, ossia la legge. Quindi si fornisce una spiegazione o giustificazione di tale legge con una teoria: l'input è prima diviso per 6 fornendo il primo output, e il risultato è addizionato a 5 per dare il secondo output.

---

Livello 4 - Macchina Operatrice 2-1
Il senso e il piacere di scoprire con il livello avanzato (quarto di cinque) della MO più performante.