Introduzione

Nell'insegnamento delle discipline tecniche e scientifiche, la pratica sperimentale in laboratorio costituisce uno strumento prezioso. Purtroppo, spesso, i budget ridotti e la mancanza di risorse strumentali e umane limitano le attività sperimentali in laboratorio in molte classi di qualsiasi grado, dalla scuola primaria e superiore fino all'università. Internet ha stimolato lo sviluppo di alcune reti di laboratori remoti che condividono strumenti disponibili presso i partecipanti. Tuttavia, queste reti possono avere problemi di connessione, richiedono assistenza umana e offrono un numero limitato di attività esperienziali.

In questo quadro, stiamo provando una soluzione complementare, costituita da laboratori distribuiti a basso costo, basati su terminali mobili. Smartphone, tablet, ecc., includono alcuni sensori fisici utilizzati per funzionalità proprie del terminale, come la rotazione dello schermo, l'orientamento del dispositivo, la geolocalizzazione, ecc. In questo quadro, abbiamo sviluppato un laboratorio per piattaforme mobili che permette di avere un vero e proprio laboratorio portatile.

Il nostro software acquisisce misure di grandezze fisiche con i sensori
- installati nativamente in ogni terminale mobile
- esattamente come gli strumenti dei laboratori tradizionali.

Inoltre, il software sviluppato permette l'analisi statistica online dei dati acquisiti e la connessione interattiva con altri dispositivi remoti per condividere dati e risultati tra utenti lontani. Il laboratorio mobile è stato specificamente concepito per l'insegnamento nei corsi di scienze in e-learning, ma può essere utilizzato anche nell'insegnamento tradizionale così come nell'autoapprendimento. Il progetto è stato sviluppato da una comunità di studenti universitari, con un approccio open source che massimizza ulteriori sviluppi.

Sintesi

Le attività di laboratorio sono estremamente importanti nei processi di apprendimento, soprattutto nei settori STEM, perché permettono di consolidare le conoscenze acquisite teoricamente e gli studenti possono verificare direttamente - e in modo autonomo - le leggi studiate e le regole apprese. Le attività sperimentali all'interno dei processi di apprendimento permettono il ragionamento cognitivo (attraverso processi mentali simbolico-costruttivi e motorio-percettivi) e favoriscono l'acquisizione delle conoscenze, in quanto il livello motorio-percettivo permette un apprendimento più rapido e senza sforzo che va oltre le differenze di età, cultura e background degli utenti. Ma, spesso, i laboratori didattici, così come le attività di supporto informatico in classe, non hanno successo perché i laboratori non sono disponibili ovunque, devono essere prenotati in anticipo, non sono pronti per un uso adeguato e immediato, non includono tutti gli strumenti necessari, ecc.

Inoltre, molte volte mancano le attrezzature e le infrastrutture essenziali, così come i tecnici necessari per organizzare i laboratori, gestire le strumentazioni e realizzare gli esperimenti. In molti di questi casi, l'uso di laboratori educativi virtuali, remoti e distribuiti può aiutare a superare le difficoltà e a realizzare esperimenti facilmente brillanti. Già molte applicazioni di laboratori remoti e virtuali (che vanno da laboratori reali telecomandati a video-simulazioni e IVR (Immersive Virtual Reality)) sono disponibili in campo artistico, medico e tecnico-scientifico. Recentemente, l'uso di nuove tecnologie avanzate nei laboratori educativi sta incoraggiando lo sviluppo di nuovi modelli di apprendimento. Grazie alla grande disponibilità di terminali mobili a basso costo (come computer a scheda singola, smartphone, tablet, ecc.) e all'accesso a Internet, è possibile svolgere sofisticate attività sperimentali a fini didattici non solo in laboratori tradizionali dedicati e in laboratori remoti (attraverso la connessione Internet), ma anche a casa e ovunque. Questa possibilità apre opportunità inesplorate e di grande impatto sia per gli studenti (compresi gli studenti disabili a domicilio) che per gli insegnanti (sia nella formazione tradizionale che in quella a distanza).

In questa prospettiva, lo scetticismo che circonda l'uso degli smartphone nella didattica può essere superato dall'entusiasmo degli studenti e degli alunni e dal miglioramento dei loro risultati nel percorso di apprendimento. L'articolo presenterà l'infrastruttura di laboratorio che abbiamo sviluppato basata su piattaforme mobili come smartphone, tablet, pad, ecc. per permettere lo svolgimento di esperienze didattiche anche a casa. I nostri laboratori sono stati concepiti con un approccio di "adaptive learning" (Kravcik, 2006; Bower, 2013) incentrato sul concetto di virtual laboratory education (Alexiuo et al., 2005). L'interattività nei laboratori (Garito, 2015; Dalgarno et al., 2009) gioca un ruolo importante nella progettazione degli ambienti di apprendimento (Jacobson e Reimann, 2010; Trentin, 2015) ed è essenziale per la valutazione dell'efficacia delle strategie didattiche. I laboratori sviluppati sono rivolti a studenti STEM che sperimenteranno un processo di apprendimento non convenzionale e stimolante volto ad aumentare la loro autonomia e a farli familiarizzare con osservazioni sperimentali di base e strumenti di misura.

I nostri laboratori mobili sono disponibili per gli studenti senza vincoli in termini di tempo di accesso, non hanno bisogno di sorveglianza presidiata e sono immuni da rischi significativi di danneggiamento dell'hardware. Tutte queste caratteristiche permettono di ripetere e approfondire le attività sperimentali tanto quanto gli usi hanno bisogno, aumentando il tasso di utilizzo dei laboratori, e l'efficacia dell'esperienza dell'utente. L'approccio dei laboratori mobili si basa sia sul metodo "learning by doing" (Kass, 1994) che sull'approccio "inquiry-based learning" (Fisher et al., 2007; Tóth, 2012).

Gli studenti sono attivamente coinvolti nell'applicazione pratica delle teorie precedentemente studiate, evitando il problema dell'informazione inutilizzata e promuovendo l'integrazione delle questioni teoriche e pratiche della propria conoscenza. L'opportunità di affrontare gli errori in un ambiente privo di rischi è essenziale, così come la possibilità di consolidare le proprie conoscenze. Inoltre, il progetto di laboratori mobili mira a verificare l'efficacia dei laboratori mobili in popolazioni eterogenee di studenti. Questi studi possono essere realizzati grazie all'opportunità (distintiva degli utenti dei nostri laboratori mobili) di coinvolgere campioni cospicui di studenti, appartenenti a diverse aree culturali, linguistiche e sociali.

Descrizione

I laboratori didattici sviluppati su smartphone sono previsti per gli studenti dei corsi STEM e coprono: fisica, chimica, informatica, fisica delle particelle elementari, telecomunicazioni, astronomia, elettronica, ecc. Le attività sperimentali che possono essere eseguite vanno da misure complete supervisionate da insegnanti/tutor ad attività a casa (HomeLabs). Il laboratorio è concepito in modo da utilizzare sia app già disponibili sul mercato (spesso gratuite) sia una nuova app sviluppata appositamente per lo scopo del nostro laboratorio. La costruzione dei laboratori ha previsto le seguenti fasi

Per i nostri laboratori su smartphone, abbiamo sviluppato da zero una nuova applicazione dedicata che include diverse funzionalità come:

Per ogni parametro che può essere misurato, l'applicazione sviluppata permette:

Nessuna delle app disponibili sul mercato include tutte le caratteristiche dell'applicazione sviluppata per il nostro laboratorio. Utilizzando la nostra app, gli utenti possono eseguire molte attività di base e avanzate come: acquisire dati con i sensori integrati nello smartphone; elaborare i dati; salvare i dati; condividere il monitor dello smartphone durante l'acquisizione dei dati; condividere i file memorizzati; inviare dati e grafici all'insegnante; ecc. L'acquisizione dei dati può essere effettuata impostando i parametri variabili dell'app e/o le caratteristiche dei sensori MEMS disponibili sullo smartphone quali: frequenza di campionamento, precisione, finestra temporale, ecc. In particolare, i parametri fisici che possono essere misurati sono: accelerazione a 3 assi, accelerazione angolare a 3 assi, campo magnetico a 3 assi, intensità luminosa, differenza di potenziale, resistenza, ecc. Inoltre, lo smartphone può essere utilizzato come generatore di segnali digitali, multimetro, alimentatore, ecc. In alcuni casi, come per il luxmetro, l'app sviluppata include una procedura di calibrazione che permette di calibrare le osservazioni effettuate da un singolo smartphone sulla base di altre misure eseguite da un altro dispositivo (come un altro smartphone o un luxmetro professionale). L'interfaccia utente dell'app sviluppata mostra sul monitor dello smartphone le stesse manopole, cursori e pulsanti degli strumenti tradizionali, permettendo all'utente di eseguire l'attività di misurazione come in un laboratorio tradizionale con strumenti standard. Questo può essere di grande aiuto anche per gli studenti con mobilità ridotta.

Per eseguire l'applicazione, non è necessaria alcuna conoscenza specifica nella programmazione o nell'acquisizione dei dati. D'altra parte, il codice sorgente del laboratorio costituisce esso stesso un laboratorio di informatica e programmazione. Infatti, il progetto si basa su un approccio open-source che significa che gli utenti possono personalizzare il codice sorgente per migliorare le prestazioni e adattare il nucleo centrale e l'interfaccia utente alle loro esigenze. Infatti, il codice sorgente che viene rilasciato gratuitamente agli studenti è un ambiente di base per fare test ed esercizi di programmazione. Questo approccio open source permette di sviluppare e migliorare il laboratorio. Per esempio, molte estensioni sono possibili per aumentare la connettività dell'applicazione, soprattutto per gestire reti wireless, via Bluetooth, per condividere il monitor e controllare lo smartphone da remoto da un altro dispositivo (come tablet, smartphone, computer portatili, ecc.).
L'applicazione del nostro laboratorio è stata sviluppata per Android, iOS e Windows Mobile che permette di coprire quasi la totalità del mercato degli smartphone. Questo è un punto chiave del nostro laboratorio, perché possiamo offrire a tutti gli studenti la stessa piattaforma di laboratorio, indipendentemente dal fornitore e dal sistema operativo dei loro smartphone. Questo approccio offre agli studenti che partecipano al progetto una speciale "palestra" volta a testare e applicare sul campo le loro conoscenze nei linguaggi di programmazione più popolari per i dispositivi mobili (come Java, Objective-C, C#, Swift, ecc.).

Infine, evidenziamo che il nostro laboratorio su smartphone implementa un insieme di nodi sensore, secondo il paradigma Internet-of-Things. Inoltre, all'interno del laboratorio, un semplice smartphone può essere utilizzato anche come una scheda ADC per acquisire dati dalle porte disponibili (ad esempio, audio, USB, ecc.), o un'unità di elaborazione digitale del segnale (DSP) programmabile. Questa semplice metodologia di progettazione, unita alla disponibilità di circuiti a basso costo (che possono essere utilizzati per implementare espansioni e preferibili), apre nuove prospettive alle metodologie didattiche che comprendono anche l'innovativa possibilità per gli studenti di svolgere attività sperimentali anche al di fuori dei laboratori universitari, quando vogliono e senza limiti nel numero di ripetizioni.

Il confronto delle misure eseguite è facilitato dall'uso della stessa app per tutti gli studenti in classe anche con diversi smartphone. D'altra parte, l'uso di diverse app può essere interessante dal punto di vista pedagogico, perché può permettere di aumentare la consapevolezza della necessità scientifica di confrontare le caratteristiche di diversi inganni/sensori (precisione, sensibilità, gamma, frequenza, serie temporali, ecc.). Il confronto di dati e metodi costituisce anche una grande introduzione alla gestione degli errori statistici che rappresenta un altro importante vantaggio incluso in questo approccio di laboratori con smartphone.

Obiettivi

Il progetto si propone di utilizzare i sensori degli smartphone per:

Inoltre, il progetto mira a valutare l'impatto dei laboratori all'interno della piattaforma e-learning adottata nell'Università UNINETTUNO. Le attività di laboratorio devono essere gestite e supervisionate dai tutor, attraverso un dialogo "socratico" (dove vengono messi in atto i cosiddetti principi di "scaffolding cognitivo" nel percorso di apprendimento (Fernandez, 2003 Meijer et al. 2006)), per monitorare costantemente (in modo sincrono e asincrono) lo svolgimento del processo di apprendimento (Garito, 2015). Le attività di laboratorio sviluppate devono essere: facili da capire, flessibili e personalizzabili. Il punto di partenza per la progettazione dell'ambiente di apprendimento dei laboratori sono state le teorie cognitiviste e costruttiviste dell'apprendimento (Vygotsky, 1978; Bruner, 1956). Lo studente deve avere un ruolo attivo (Michael, 2006) lungo un percorso di complessità progressiva e procedurale e può facilmente interagire con un ambiente costruito sulla conoscenza teorica e pratica (Garito, 2001). I laboratori mobili offrono anche la possibilità di sviluppare e sostenere un apprendimento collaborativo aperto e flessibile (Jara et al., 2009) dove la partecipazione attiva dello studente è un requisito principale. Nella progettazione di laboratori mobili, particolare attenzione è stata data a (Garito et al., 2006):

1. Interattività (che è un requisito principale nell'uso di ambienti altamente tecnologici) includendo molte caratteristiche (come "opzione di arresto/pausa/reset", "scansione intelligente", "impostazioni", "procedura di calibrazione", ecc.);
2. Intenzionalità, per ridurre la complessità dell'ambiente (in ambienti ricchi di informazioni, l'utente ha bisogno di un modello ridotto del risultato da raggiungere per evitare di perdersi nell'iperspazio);
3. Feedback (che è essenziale per tutto l'apprendimento intenzionale. Più una persona sa, meglio può usare il feedback per raccogliere ed elaborare più informazioni);
4. Controllo: lo studente deve essere supervisionato. I laboratori danno agli studenti la possibilità di agire a diversi livelli di interattività e di affidarsi alla guida di professori/tutor che supervisionano le esperienze e possono comunicare con gli studenti attraverso strumenti di comunicazione online, sincroni (es.: chat, classi virtuali) e asincroni (es.: forum, wiki).

Questa struttura è alla base dell'architettura del sistema di tutoraggio e valutazione progettato per i laboratori mobili che mira a controllare l'intero processo di apprendimento, correggendo i comportamenti inappropriati, valutando le conoscenze degli studenti e fornendo feedback continui.

Ruolo UNINETTUNO

Il ruolo di UNINETTUNO è stato quello di sviluppare e aggiornare l'app UbivisLas; supportare gli studenti nell'utilizzo dell'app durante il loro processo di apprendimento; valutare l'impatto dell'app sui risultati e sulla qualità delle attività di apprendimento.
Secondo il modello "learning by doing", la nostra app per laboratori su smartphone è stata progettata in modo da permettere la consultazione delle risorse multimediali disponibili passo dopo passo durante l'esecuzione delle misure. Lo studente può agire efficacemente quando sente di aver acquisito tutte le informazioni necessarie sull'argomento. Inoltre, sono sempre disponibili per gli studenti diversi strumenti di tutoraggio come: istruzioni (incluse le risposte corrette); video che mostrano la procedura suggerita per l'esecuzione dei compiti assegnati (al fine di evitare che gli studenti si allontanino dal percorso progettato) e strumenti per il tutoraggio remoto e lo studio collaborativo. Infatti, utilizzando la funzionalità - disponibile nell'app del nostro laboratorio mobile - che permette di condividere il monitor dello smartphone, un tutor può guidare gli studenti passo dopo passo durante le attività sperimentali. La presenza di una guida, il dialogo socratico adottato come stile di comunicazione e la capacità di integrare pratica e apprendimento costituiscono una potente sinergia che ha contribuito alla creazione di un ambiente piacevole, attraente, costantemente aggiornato e messo a punto per lo studente. Le caratteristiche del laboratorio si basano sul modello di apprendimento esperienziale (Pfeiffer e Jones, 1985; e Pfeiffer e Ballew, 1988) dove il processo è importante quanto il risultato finale, permettendo allo studente di raggiungere, in situazioni controllate, le diverse fasi dell'apprendimento: affrontare un problema, fare esperienza, comunicare con gli altri, analizzare i dati dell'esperienza, fare generalizzazioni e applicare i risultati ad altre esperienze. Infine, la possibilità di condividere il monitor dello smartphone con i compagni può aiutare lo studio collaborativo tra studenti della stessa classe.

Una delle caratteristiche del progetto che appare qualificante e innovativa dal punto di vista della ricerca-azione è anche la fase di valutazione, concepita secondo un rapporto docente/studente supportato dall'introduzione di sistemi di tutoraggio intelligente. Il sistema di valutazione applicato al laboratorio mobile è stato concepito secondo i seguenti tre requisiti fondamentali (Garito, 1997): i) le valutazioni devono essere continue, con verifiche periodiche (per dare continui feedback sia al docente che al discente e per garantire un innalzamento della qualità e della quantità dei concetti acquisiti); ii) le valutazioni devono essere, per quanto possibile, interdisciplinari (per evidenziare sia le implicazioni pratiche dei concetti astratti, sia le applicazioni dei modelli teorici); iii) le valutazioni devono includere alcune barriere obbligatorie (per spingere lo studente a compiere sforzi mirati a completare le sue conoscenze e a mantenere un alto standard qualitativo del processo educativo).

L'uso degli smartphone permette di sviluppare soluzioni a basso costo per laboratori didattici mobili. Questo è possibile grazie alla recente diffusione di smartphone dotati di sensori MEMS che mettono a disposizione numerosi strumenti (in grado di operare anche contemporaneamente) quali: accelerometro, magnetometro, luxometro, giroscopio, generatore di segnali, oscilloscopio, analizzatore di spettro, generatore di segnali digitali, multimetro e alimentatore. Con i laboratori basati su smartphone si superano i limiti temporali e spaziali imposti dall'accesso ai laboratori fisici standard, sia in presenza che a distanza. Inoltre, gli studenti non devono affrontare il rischio di utilizzare strumenti di laboratorio complessi o delicati. Il punto chiave dell'uso del laboratorio educativo su smartphone è che per eseguire molte attività sperimentali per l'apprendimento-insituazione non si ha bisogno di strumenti sofisticati (con alta accuratezza, sensibilità o precisione) né di attrezzature complesse con prestazioni avanzate. In molte occasioni, è possibile ottenere buoni risultati anche con attrezzature non così estreme, ma solo con i sensori MEMS disponibili su uno smartphone. Un laboratorio mobile non può sostituire un vero laboratorio e viceversa.

Semplicemente molti esperimenti possono essere eseguiti con lo smartphone in modo più facile e veloce. Le numerose applicazioni disponibili sul mercato (molte delle quali gratuite) costituiscono un utile supporto per l'insegnamento, fornendo in modo più semplice materiali o soluzioni a domande comuni. Per esempio, in elettronica, ci sono diverse applicazioni per calcolare le resistenze o per aiutare nella gestione del codice colore delle resistenze. L'approccio classico di utilizzare lo stesso dispositivo e/o app per tutta la classe può essere superato, utilizzando un'app comune con i dispositivi privati di ogni studente e/o diverse app in grado di eseguire la stessa misurazione. Utilizzando gli smartphone, la classe può diventare un laboratorio di informatica semplicemente passando da carta e libri a smartphone e app, decongestionando facilmente l'orario dei laboratori di informatica. Abbiamo sviluppato un laboratorio basato su smartphone composto da un'applicazione disponibile per gli OS più diffusi quali: Android, iOS e Windows Phone.

Il laboratorio - concepito principalmente per i corsi STEM - si basa su un approccio open source sviluppato da studenti per gli studenti. Il codice dell'applicazione può essere migliorato liberamente e costituisce esso stesso un laboratorio di informatica e ICT. Questi laboratori permettono di eseguire attività sperimentali ovunque, non solo e non tanto nel laboratorio tradizionale, cambiando così il paradigma che gli studenti devono lavorare necessariamente in laboratorio fisico o possono eseguire esperimenti solo da remoto. Ora è il laboratorio che va agli studenti invece che viceversa. D'altra parte, la possibilità di eseguire esperimenti non necessariamente a scuola o all'università, ma a casa e ovunque, rappresenta un ulteriore passo del processo di apprendimento, volto ad aumentare sia l'autonomia dello studente che il suo livello di apprendimento.

Ubivislab

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