Insegnare la Relatività Generale con la Realtà Virtuale

Negli insegnamenti del Politecnico le attività di laboratorio rappresentano momenti fondamentali per l’acquisizione delle abilità e delle competenze richieste da parte degli studenti. È infatti ampiamente dimostrato come queste esperienze “hands-on” possano favorire una più efficace assimilazione ed elaborazione delle nozioni fornite attraverso le lezioni in aula.

In questo contesto si inseriscono le attività svolte dal laboratorio VR@POLITO dell’Ateneo, mirate a supportare l’attività dell’Ateneo nel campo della Realtà Virtuale (Virtual Reality o VR) con finalità di ricerca e didattica. Fin dalla sua costituzione e, successivamente, stimolate dalla pandemia da Covid-19, numerose sono state le soluzioni per la didattica in ambienti virtuali realizzate sia per l’apprendimento formale che informale.

In particolare, dalla collaborazione tra il VR@POLITO, il POLI-Lab@home e l’Università di Hildesheim è nata VISEMO 3D, un’applicazione per esperienze laboratoriali sulla curvatura spaziale in prossimità di un Buco Nero in VR. Essa consente di valutare alcune componenti del tensore di curvatura di Riemann nelle vicinanze di un Buco Nero e quindi di introdurre le equazioni di Einstein che le legano alla densità di energia. L’applicazione è liberamente accessibile online a questo link. Nei mesi scorsi è stata avviata la sperimentazione di VISEMO 3D nel contesto del progetto LAMPO (Laboratorio di Matematica del Politecnico di Torino) e attività simili sono state condotte anche in collaborazione con diverse scuole secondarie di secondo grado come il Liceo Cavour di Torino, il Liceo Giolitti di Bra e il Liceo Respighi di Piacenza.

In un corso universitario di Fisica è normale e piuttosto semplice integrare le esperienze laboratoriali con le lezioni in aula, quando si trattano argomenti come la caduta dei gravi o gli oscillatori. Si fa più fatica a spiegare concetti “astratti”, come appunto la teoria della relatività generale, per le quali l’esperienza in laboratorio è complessa da organizzare, a causa delle difficoltà intrinseche alla natura dell’esperienza e dell’impossibilità – oggi aggravata dalla situazione pandemica – di condividere agevolmente i materiali didattici. Di solito si ricorre ad approssimazioni, che permettono agli studenti di applicare queste nozioni in esperienze semplificate (come viene fatto proprio all’Università di Hildesheim con le rappresentazioni a blocchi di due o tre dimensioni per rendere il concetto di curvatura dello spazio-tempo), ma la qualità dell’esperienza non è sempre soddisfacente.

Per superare queste criticità è possibile sfruttare le moderne tecnologie di Realtà Virtuale. Queste permettono, infatti, di simulare attività  didattiche in ambienti virtuali nelle quali superare i limiti delle esperienze pratiche e potenziarle attraverso l’integrazione di funzionalità tipicamente non disponibili nel mondo reale. L’esperienza didattica sul tema della relatività generale è solo una delle tante già realizzate o in corso di realizzazione e sperimentazione da parte del VR@POLITO in collaborazione con altre strutture dell’Ateneo come pure con altri attori, pubblici e privati, sia nel campo della didattica che della ricerca.

Il professor Fabrizio Lamberti del Dipartimento di Automatica e Informatica-DAUIN e del VR@POLITO racconta così le funzionalità dell’applicazione: “Con VISEMO 3D lo studente può immergersi in un mondo virtuale nel quale manipolare i blocchi tridimensionali utilizzati nell’esperienza attraverso le mani. L’applicazione consente di spostare il punto di vista sul mondo virtuale e cambiare la trasparenza dei blocchi per facilitarne la combinazione; offre inoltre strumenti ad hoc per effettuare le necessarie misure nello spazio 3D. L’applicazione può essere utilizzata mediante un qualunque sistema VR (anche costituito da uno smartphone personale e un cardboard) oppure acceduta attraverso un normale browser web. È possibile creare più stanze, e più studenti possono collegarsi contemporaneamente nella stessa stanza per un’esperienza collaborativa eventualmente supervisionata da un docente.”

Lorenzo Galante del Dipartimento Scienza Applicata e Tecnologia-DISAT e del POLI-Lab@home sottolinea che “le sperimentazioni hanno permesso di raccogliere un feedback estremamente positivo sia dal punto di vista degli studenti che da quello dei docenti. È stato possibile toccare con mano le potenzialità didattiche della VR. È quindi ragionevole ipotizzare una crescita del suo utilizzo come pure un incremento delle attività di ricerca volta allo sviluppo di nuovi strumenti.”