Le leggi di Newton diventano un banco di prova per valutare come IA generativa e piattaforme come NotebookLM e ChatGPT possano supportare sintesi, modellazione e problem solving nella didattica della fisica, evidenziando insieme potenzialità e difficoltà operative per docenti e studenti.
Indice degli argomenti
Le leggi di Newton con IA in classe: obiettivi e strumenti
Riportiamo in questo articolo i risultati di un’esperienza volta ad applicare le tecnologie dell’Intelligenza Artificiale Generativa [10] all’insegnamento della Fisica nelle Scuole Superiori, allo scopo di esplorarne le potenzialità a vantaggio degli Insegnanti e degli Studenti, e le difficoltà che essi devono superare. In particolare abbiamo usato l’applicazione NotebookLM [15, 21] e piattaforme IA [13, 16] per la didattica delle Leggi di Newton e alcune loro applicazioni.
Sintesi delle conoscenze: le leggi di Newton in forma testuale
Abbiamo avviato un dialogo con l’applicazione NotebookLM. Questa ha consultato in via automatica nove fonti di conoscenza [1,2,3,4,5,6,22,23,24], e ne ha prodotto un riassunto in forma di testo, presentato qui di seguito in forma riveduta.
Il Primo Principio (Principio d’Inerzia) stabilisce che un corpo persevera nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme finché la risultante delle forze agenti su di esso è nulla. Introduce il concetto di sistema di riferimento inerziale.
Il Secondo Principio (Legge Fondamentale della Dinamica) quantifica la relazione tra forza, massa e accelerazione attraverso l’equazione:
ΣF = ma
La forza risultante applicata a un corpo è direttamente proporzionale all’accelerazione prodotta, e inversamente proporzionale alla sua massa.
Il Terzo Principio (Principio di Azione e Reazione) afferma che a ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria, e sottolinea che le forze in Natura si manifestano sempre in coppie, che agiscono su corpi distinti e simultaneamente.
La mappa mentale delle leggi: grafo, editing e personalizzazione
Un altro tipo di sintesi fornito dalle applicazioni IA haforma di grafo: è costituito da nodi – in Figura 1, i rettangoli etichettati con un testo – ed archi, le linee che collegano i nodi. Questo schema è aperto a ulteriori elaborazioni, semplicemente con un editor che permette ogni tipo di modifica, aggiunta o eliminazione. In tal modo i contenuti di una lezione, ad esempio, si possono personalizzare ad una classe o a un singolo Studente.
Figura 1. Sintesi dei Principi della Dinamica in forma di grafo con nodi rettangolari, etichette e legami, limitata a due livelli di descrizione. Il grafo può essere modificato tramite editing, e personalizzato a specifiche esigenze didattiche.
Analisi e modellazione della conoscenza in dinamica newtoniana
Un ramo storico dell’Intelligenza Artificiale è l’Analisi della Conoscenza [11] con cui si individuano gli oggetti, i concetti e le relazioni che li legano; sono i contenuti di cui si vuole trattare (dominio delle conoscenze). L’IA fornisce strumenti concettuali e applicativi sia per la sintesi (par. precedente) che per l’analisi di un dominio quale la Dinamica newtoniana.
Per affrontarne lo studio, l’Insegnante e gli Studenti compiono un lavoro di modellazione di uno scenario: un metodo di lavoro comune ad altre branche della Fisica e dell’Ingegneria. E’ un processo complesso che denominiamo anche concettualizzazione [9]; risultato di molteplici passaggi concettuali di cui diamo solo qualche elemento per il dominio della Dinamica. La modellazione si compone generalmente di:
- Definizione del contesto spazio-temporale: bidimensionale; tridimensionale,…; asse dei tempi; sistemi di riferimento;….
- Composizione di schemi grafici elementari
- Adozione di formalismi matematici: insiemi di simboli quali numeri, vettori, matrici; simboli logici; statistici;… Leggi di composizione quali relazioni; funzioni;…:
- Descrittori di grandezze fisiche: scalari; vettoriali; unità di misura;…
- Ipotesi, astrazioni di componenti: punti materiali; superfici lisce, rigide, fisse; funi inestensibili, a massa trascurabile; pulegge puntiformi, lisce, a massa trascurabile; molle perfettamente elastiche a massa trascurabile;…
In definitiva, un modello fisico è una descrizione di eventi naturali o di artefatti realizzati dall’uomo (sistemi, macchine) per conseguire scopi prestabiliti.
La modellazione fisica può considerarsi anche un procedimento di astrazione, che non è assimilabile ad analoghi processi in ambito IA [9], poiché questi ultimi portano in genere a rappresentazioni della conoscenza di tipo simbolico – in genere non numerico – espresse tramite linguaggi formali di tipo logico-matematico.
Notiamo che la modellazione è necessaria anche per studiare le applicazioni alle macchine: costituisce un collegamento interessante dal punto di vista didattico tra principi fisici e applicazioni ingegneristiche della Dinamica. Lo studio delle macchine semplici [7] spesso non è compreso negli argomenti di un corso di Fisica: è una limitazione che l’IA aiuta a superare.
Problem solving sulle leggi di Newton: esempio del piano inclinato
Contributi fondamentali dell’IA derivano dal supporto alle esercitazioni, con le capacità di problem solving e ragionamento automatico, che nel dominio della Dinamica consideriamo coincidenti [20].
Per esplorare tali contributi prendiamo come esempio uno scenario elementare; riportiamo di seguito sia il prompt che la risposta della piattaforma ChatGPT.
Prompt. Un blocco di massa m scivola senza attrito lungo un piano inclinato di un angolo θ rispetto all’orizzontale. Si chiede di tracciare un modello del sistema in forma di schema grafico: disegno, assi di riferimento, diagrammi delle forze,…..Il modello deve contenere tutto ciò che serve per scrivere le equazioni del moto.
Sistema: Un blocco di massa m su piano inclinato di un angolo θ, senza attrito.
a) Scelta degli assi coordinati
- Asse x: parallelo al piano, orientato verso il basso lungo il piano
- Asse y: perpendicolare al piano, uscente dal piano
Nota: Non usare il nome di assi orizzontale/verticale per il diagramma delle forze: è qui che nascono errori.
b) Forzeagenti sul blocco
- Peso: P=m g ; diretto verticalmente verso il basso
- Reazione normale: N ; perpendicolare al piano
- Nessun attrito
c) Scomposizione del peso
Il peso deve essere proiettato lungo le direzioni degli assi coordinati:
- Componente parallela al piano:
Px = m g sinθ (verso il basso lungo il piano)
- Componente perpendicolare al piano:
Py = m g cosθ (verso il piano)
d) Equazioni del moto
- Lungo l’asse x: max = m g sinθ
- Lungo l’asse y: N = m g cosθ
Verifica critica delle risposte: limiti, revisioni e notazioni
Lo schema grafico in Fig.2, generato automaticamente, è corretto. Può essere inteso come passo iniziale per sviluppare modelli più complessi in modo incrementale attraverso il dialogo con l’applicazione IA;
Lo schema stesso serve da esempio per illustrare il lavoro di analisi e modellazione della conoscenza a cui si è accennato al paragrafo precedente;
E’ interessante la nota al precedente punto a), che è uno dei risultati del ragionamento automatico. Notiamo che la sequenza del problem solving non è una semplice procedura in senso algoritmico, ma contiene suggerimenti che rendono più efficace il dialogo tra persona e macchina;
La medesima sequenza delle fasi dalla a) alla d) suggerisce l’inizio di un percorso di problem solving rilevante da un punto di vista metodologico. Partendo dalla modellazione si perviene all’impostazione matematica; alla risoluzione delle equazioni, alle verifiche; quindi, del problema di Dinamica nel suo insieme.
Il testo del prompt riportato qui di sopra è il risultato di ripetute modifiche e raffinamenti, per prevenire risposte non appropriate. Di fatto scrivere un prompt efficace obbedisce a regole empiriche e non a regole formali;
Dal canto loro, le risposte dell’applicazione IA sono state spesso imprecise, inaccettabili per scopi di Didattica della Fisica, e hanno richiesto un lavoro di revisione sistematico; a titolo di esempio, nella Fig.2, il simbolo f di una delle forze non è spiegato;
– I simboli matematici nelle notazioni in Fisica sono di natura diversa, per cui il passaggio da un linguaggio di notazione – ad es. quello usato nell’applicazione IA – a un altro, richiede revisioni e modifiche.
L’IA del ragionamento automatico contribuisce a rendere espliciti i passi da compiere per affrontare problemi di Dinamica attraverso le tecniche di rappresentazione della conoscenza. L’Insegnante deve necessariamente guidare il procedimento (coaching [19]).
Brainstorming e leggi di Newton: discussione guidata con IA
L’IA dà nuove opportunità di comunicazione, che permettono di animare discussioni tra Docenti e Studenti; stimolare idee creative; tenere traccia dei risultati per le riflessioni che verranno: ciò che chiamiamo brainstorming. Solitamente questo consiste in una discussione aperta e in presenza, che parte da una frase suggerita dall’Insegnante, a cui uno Studente – o un gruppo di Studenti – deve dare risposte; dall’analisi e la selezione ragionata delle risposte si generano ulteriori considerazioni, e così via.
Il brainstorming svolge una funzione di raccordo tra i contributi dell’IA sinora elencati: Sintesi e analisi delle conoscenze, Analisi e modellazione; Problem solving. Di fatto è un’infrastruttura di comunicazione più profonda, e ha un notevole valore educativo. Il brainstorming può consistere in una fase di ripasso dei contenuti; di discussione di esercizi; di stimolo verso argomenti meno convenzionali quali quelli di Storia e Filosofia della Scienza. Proponiamo un tema e spunti di discussione suggeriti dall’IA.
Vie Newtoniane all’assoluto: spazio e tempo nella lettura proposta
- Lo Spazio indifferente. ll fatto che il moto inerziale continui indefinitamente nella modalità rettilinea uniforme implica che lo spazio non influenza il moto: di per sé non lo rallenta né lo accelera. Perciò lo spazio è inerte; è uniforme, cioè ha le stesse caratteristiche ovunque nell’Universo; è omogeneo – della stessa sostanza, quale che essa sia; è isotropo – dà gli stessi effetti in ogni direzione. Ciò significa che non esistono luoghi nell’Universo a cui possano tendere i corpi per loro natura. Una conseguenza è che le stesse leggi si applicano al moto dei corpi sulla Terra e al moto dei corpi celesti: questo contrasta con la visione aristotelica, ed è una delle più profonde intuizioni della nuova Filosofia Naturale.
- Relatività delle misure di spazio. Un osservatore inerziale può effettuare misure di distanza tra due punti. Ma dobbiamo considerare che, per il Primo Principio, esistono infiniti osservatori in quiete o in moto rettilineo uniforme, inerziali anche loro. Lo spazio è indifferente a chi lo osserva: le misure di distanza sono uguali per tutti gli osservatori inerziali, non importa quale sia la velocità relativa che ognuno ha rispetto a ogni altro. Queste considerazioni ci portano all’idea di uno Spazio assoluto.
- Il Tempo indifferente e la relatività. Il Tempo non ha alcun effetto intrinseco su un corpo in moto: non lo accelera, non lo rallenta; è anch’esso inerte. La variazione delle caratteristiche del moto può essere causata solo da una forza esterna a risultante non nulla. Inoltre, il Tempo fluisce in modo uniforme in ogni punto dell’Universo. La misura di un intervallo di tempo tra due eventi è identica per tutti gli osservatori inerziali, indipendentemente dal loro stato di moto o quiete relativi.
- Come si è osservato per lo Spazio, l’indifferenza del Tempo e la relatività delle misure ci portano all’ipotesi di un Tempo assoluto.
- Lo Spazio e il Tempo. Secondo le Leggi della Dinamica le due grandezze mostrano caratteristiche analoghe. Spazio e Tempo sono coordinate universali che definiscono il moto, e il concetto di sistema inerziale assicura che le Leggi della Dinamica abbiano un fondamento e un contesto operazionale coerente. Spazio e Tempo sono statici, e hanno il ruolo di intelaiatura a supporto del moto e delle sue cause.
Il ruolo del docente e cultura nella società mista
L’IA ha le potenzialità per realizzare nuove forme di dialogo per l’insegnamento della Dinamica, estendendone i confini sia in ampiezza che in profondità, quasi a riscoprirne i contenuti. E sarà sempre l’Insegnante a trasmettere alle giovani generazioni la curiosità per tali riscoperte. Attraverso la sperimentazione didattica, le applicazioni dell’Intelligenza Artificiale aiuteranno a riorganizzare le conoscenze, per costruire una nuova Cultura generale [7] nella società mista di persone e macchine [8], in cui la Fisica continui a essere l’intrigante, affascinante Filosofia della Natura.
Referenze
Testi di Fisica
[1] Goldstein H., Classical Mechanics (3rd ed). Addison Wesley, 2001
[2] Landau L.D., Lifshitz E.M., Mechanics (Vol.1, Course Theor Phys). Pergamon, 1976
[3] Mazzoldi P., Nigro M., Voci C., Elementi di Fisica (Vol.1). Edises, 2004
[4] Mencuccini C., Silvestrini V., Fisica: Meccanica e Termodinamica. Zanichelli, 2007
[5] Resnick R., Halliday D., Walker J., Fundamentals of Physics (10th ed). Wiley, 2013 [6] Rosati S., Fisica Generale, Vol. 1. Ambrosiana, 1994
[7] Russo L., La Rivoluzione Dimenticata. Feltrinelli, Saggi 2001
Testi di Intelligenza Artificiale
[8] Floridi L., La Quarta Rivoluzione, Raffaello Cortina, 2007.
[9] Genesereth M., Nilsson, N., Logical Foundations of Artificial Intelligence. Morgan Kaufmann, San Francisco, CA, USA, 1987.
[10] Goodfellow I., Bengio Y., Courville A., Deep Learning. The MIT Press, Cambridge, MA, USA, 2016
[11] Russell S.J., Norvig P., Artificial Intelligence: a Modern Approach (4th Global ed), Pearson College, London, UK, 2021
Applicazioni e Risorse IA
[12] Easemate AI : https://www.easemate.ai/it
[13] Gemini : https://gemini.google.com
[14] Math AI : https://math-gpt.ai
[15] NotebookLM : https://notebooklm.google
[16] ChatGPT : https://openai.com
[17] PhysicsGPT: Physics AI Assistant :
https://www.yeschat.ai/gpts-9t557kMDSgW-PhysGPT
[18] SchoolAI : https//app.schoolai.com
Contenuti Digitali e Piattaforme Online
[19] Roberto V., ‘IA nella Didattica: Strumenti e Metodologie per Docenti e Studenti’.
Agenda Digitale, 2 agosto 2024
[20] Roberto V.,’Pensare come una Macchina: il Percorso Evolutivo verso un’IA cheRagiona’. Agenda Digitale, 6 marzo 2025
[21] Picca F., Roberto V.,’NotebookLM o SchoolAI, quale piattaforma AI scegliere per la didattica’. Agenda Digitale, 19 agosto 2025
[22] Da: La Fisica Che Ci Piace (Canale YouTube):
Video: “LEZIONE di FISICA LIVE! parliamo dei principi della DINAMICA”
https://it.video.search.yahoo.com/yhs/search?fr=yhs-sz-034&ei=UTF-8&hsimp=yhs-034&hspart=sz¶m1=598182289&gdpr=1&p=fisica+che+ci+piace+youtube&type=type801773148127487#id=5&vid=e1daa17199b4c9a010d905e419370082&action=click [23] Da: Catania A. – ZERO g (Canale YouTube):
Video: “Tre Leggi della Dinamica di Newton – Fisica | ZERO g”
[24] Da: Qui Si Risolve (sito web): Articolo: Leggi della dinamica: testi degli esercizi svolti https:// quisirisolve.com/esempi/leggi-della dinamica-2/
