TECNOLOGIE PER L'APPRENDIMENTO E L'INSEGNAMENTO

Fig. 1

Le simulazioni possono anche funzionare come laboratori didattici "virtuali" in cui lo studente può conoscere e comprendere i fenomeni che deve apprendere, osservando visualizzazioni di tali fenomeni ed interagendo con la simulazione attraverso l'intervento sui parametri e l'osservazione degli effetti di questi interventi. Rispetto ai laboratori didattici "reali" di fisica e di biologia le simulazioni offrono il vantaggio di poter essere estese a fenomeni di ogni tipo, cioè fenomeni troppo grandi o troppo prolungati nel tempo o troppo complessi per essere portati in laboratorio, fenomeni "astratti", fenomeni su cui non si può intervenire per una varietà di ragioni, ecc.

La "filosofia" pedagogica sottostante all'uso delle simulazioni come laboratori didattici è la seguente. Tradizionalmente la trasmissione del sapere e l'educazione avviene tramite il linguaggio. Lo studente impara dall'insegnante o dalle parole stampate nel libro di testo. Il ruolo di altri canali di comunicazione e di apprendimento, come le immagini visive o l'apprendimento per osservazione, è del tutto marginale. Nonostante la sua importanza come mezzo di comunicazione e di elaborazione concettuale, il linguaggio ha delle limitazioni come strumento di apprendimento perché fa dipendere l'apprendimento dal possesso di capacità linguistiche elevate e da livelli elevati di motivazione che non sempre sono presenti nello studente. Inoltre, l'apprendimento attraverso il linguaggio corre sempre il rischio di produrre una comprensione soltanto superficiale e puramente verbale, priva del supporto concreto dell'esperienza e dell'attività da parte dello studente.

Fig. 3

L'uso delle simulazioni come laboratori di apprendimento mira a dare più spazio all'apprendimento attraverso l'esperienza e l'attività, anche se esperienza ed attività si esplicano all'interno di un mondo simulato. Lo studente "vede" i fenomeni sui quali deve apprendere e non si limita ad ascoltarne o a leggerne una descrizione o un'analisi. I fenomeni possono essere visti dallo studente sullo schermo del computer sia quando si tratta di fenomeni che sono di per sé visuali sia quando si tratta di fenomeni che non possono essere "visti" nella realtà. In questo secondo caso le tecniche di visualizzazione che vengono attualmente sviluppate, con molta creatività, nell'ambito delle tecnologie multimediali possono consentire allo studente di vedere anche quello che nella realtà non è visibile.

In secondo luogo, lo studente non si limita a vedere passivamente i fenomeni su cui deve apprendere o a scegliere cosa vedere, come accade in un ipertesto multimediale, ma agisce sui fenomeni modificando il modello simulativo che sta dietro a quello che vede sullo schermo ed osservando gli effetti delle sue manipolazioni. Diventa così possibile riprodurre nell'ambiente virtuale della simulazione alcuni aspetti dell'apprendimento della vita reale in cui si interagisce attivamente con la realtà e non ci si limita a osservarla passivamente.

Un esempio di simulazione come laboratorio didattico riguarda l'espansione dell'antico impero assiro nei secoli dal XIV al VII prima di Cristo (questa simulazione viene attualmente sviluppata da Mario Liverani, che insegna Storia del Vicino Oriente Antico all'Università di Roma "La Sapienza", e da chi scrive, con la collaborazione di Federico Cecconi e di Lucia Mori). Sullo schermo del computer appare una cartina geografica ed una "macchia" che si espande nel tempo a partire dall'area sull'alto fiume Tigri (nell'Irak attuale) da dove ha avuto origine l'espansione assira.

Fig. 2

Lo studente apprende, osservando, il modificarsi dell'impero assiro "virtuale", ma soprattutto intervenendo sui fattori che, in base al modello simulativo, controllano questo modificarsi nel tempo, verificandone la validità ed i limiti, introducendo altri fattori, scavando nei fattori già considerati e così via. L'obiettivo è quello di aumentare la conoscenza e la comprensione del particolare fenomeno storico costituito dall'espansione assira dal XVII al VII secolo, ma anche di far riflettere lo studente sui fattori che in generale determinano l'espandersi, non solo politico-territoriale ma anche commerciale o culturale dei popoli, in passato ed oggi. A questo scopo il modello può essere applicato a situazioni diverse dall'espansione assira, ad esempio all'espansione, per certi aspetti simile, dell'Impero romano o all'espansione commerciale e culturale dei Fenici e dei Greci nel Mediterraneo nel corso del primo millennio prima di Cristo o anche degli Americani nel mondo attuale.

Un altro esempio di simulazione didattica riguarda il modificarsi nel tempo della colorazione del corpo di una popolazione di insetti, in modo da rendere tale colore più simile a quello dello sfondo e diminuire così le probabilità di essere individuati da un predatore (vedi figura 3). Questa simulazione (sviluppata da Andrea Di Ferdinando e da chi scrive) intende comunicare e spiegare allo studente alcune nozioni di base relative all'evoluzione biologica, al concetto di adattamento, al materiale genetico, alla riproduzione selettiva ed all'aggiunta di variazione attraverso le mutazioni genetiche. Il modello simulativo usa un algoritmo genetico per modellare l'evoluzione ed una rete neurale per modellare il comportamento degli insetti nell'ambiente alla ricerca del cibo. Lo studente osserva il progressivo modificarsi del colore degli insetti dovuto al fatto che gli individui che hanno un colore simile al colore ambientale hanno meno probabilità di essere predati e, quindi, più probabilità di riprodursi. Lo studente può modificare il valore di una serie di parametri della simulazione ed, in particolare, può modificare il colore dello sfondo, osservando così come il processo di adattamento si rimette in moto dopo che la popolazione ha raggiunto una colorazione abbastanza vicina al colore ambientale.

La simulazione appena descritta riguarda il modificarsi evolutivo di un tratto morfologico come la colorazione del corpo, ma è possibile sviluppare simulazioni simili nelle quali ciò che evolve è il comportamento degli insetti alla ricerca del cibo o, in popolazioni umane, gli artefatti tecnologici che vengono trasmessi da una generazione alla successiva o i sistemi di scambio di risorse tra gli individui ed un'autorità centrale all'interno di una società.

Fig. 4

Infine, un terzo tipo di simulazione (sviluppata da Raffaella Calabretta, Stefano Nolfi e da chi scrive) ha per oggetto il processo di folding delle proteine a partire dalla sequenza di aminoacidi. Viene usato un algoritmo genetico per fare evolvere l'insieme di regole che, data una sequenza specificata di aminoacidi, produce il ripiegamento tridimensionale della sequenza, osservato effettivamente nella proteina che risulta da tale sequenza (vedi figura 4). Si parte da insiemi di regole casuali e si fanno riprodurre quegli insiemi che approssimano meglio il risultato che si vuole ottenere, introducendo mutazioni casuali nelle regole per esplorare nuove varianti. Lo studente ha la possibilità di osservare sullo schermo del computer il processo di ripiegamento così come si presenta in successive "generazioni" degli insiemi di regole, e di manipolare i parametri della simulazione osservando gli effetti di queste manipolazioni sui risultati ottenuti.