The “FRA wheel” as a teaching tool to elaborate on the identity aspects of physics and mathematics as disciplines in interdisciplinary contexts

This thesis project is framed in the research field of Physics Education and aims to contribute to the reflection on the importance of disciplinary identities in addressing interdisciplinarity through the lens of the Nature of Science (NOS). In particular, the study focuses on the module on the parabola and parabolic motion, which was designed within the EU project IDENTITIES. The project aims to design modules to innovate pre-service teacher education according to contemporary challenges, focusing on interdisciplinarity in curricular and STEM topics (especially between physics, mathematics and computer science). The modules are designed according to a model of disciplines and interdisciplinarity that the project IDENTITIES has been elaborating on two main theoretical frameworks: the Family Resemblance Approach (FRA), reconceptualized for the Nature of science (Erduran & Dagher, 2014), and the boundary crossing and boundary objects framework by Akkerman and Bakker (2011). The main aim of the thesis is to explore the impact of this interdisciplinary model in the specific case of the implementation of the parabola and parabolic motion module in a context of preservice teacher education. To reach this purpose, we have analyzed some data collected during the implementation in order to investigate, in particular, the role of the FRA as a learning tool to: a) elaborate on the concept of “discipline”, within the broader problem to define interdisciplinarity; b) compare the epistemic core of physics and mathematics; c) develop epistemic skills and interdisciplinary competences in student-teachers. The analysis of the data led us to recognize three different roles played by the FRA: FRA as epistemological activator, FRA as scaffolding for reasoning and navigating (inhabiting) the complexity, and FRA as lens to investigate the relationship between physics and mathematics in the historical case.

A proposal for a virtual museum of computer science

A proposal for a virtual museum of computer science

Lattices and discrete methods in cooperative games and decisions

Questa tesi si pone l'obiettivo di presentare la teoria dei giochi, in particolare di quelli cooperativi, insieme alla teoria delle decisioni, inquadrandole formalmente in termini di matematica discreta. Si tratta di due campi dove l'indagine si origina idealmente da questioni applicative, e dove tuttavia sono sorti e sorgono problemi più tipicamente teorici che hanno interessato e interessano gli ambienti matematico e informatico. Anche se i contributi iniziali sono stati spesso formulati in ambito continuo e utilizzando strumenti tipici di teoria della misura, tuttavia oggi la scelta di modelli e metodi discreti appare la più idonea. L'idea generale è quindi quella di guardare fin da subito al complesso dei modelli e dei risultati che si intendono presentare attraverso la lente della teoria dei reticoli. Ciò consente di avere una visione globale più nitida e di riuscire agilmente ad intrecciare il discorso considerando congiuntamente la teoria dei giochi e quella delle decisioni. Quindi, dopo avere introdotto gli strumenti necessari, si considerano modelli e problemi con il fine preciso di analizzare dapprima risultati storici e solidi, proseguendo poi verso situazioni più recenti, più complesse e nelle quali i risultati raggiunti possono suscitare perplessità. Da ultimo, vengono presentate alcune questioni aperte ed associati spunti per la ricerca.

Simulazione di fluidi in Computer Graphics

Questa tesi si focalizza sullo studio dei modelli fisico-matematici attualmente in uso per la simulazione di fluidi al calcolatore con l’obiettivo di fornire nozioni di base e avanzate sull’utilizzo di tali metodi. La trattazione ha lo scopo di facilitare la comprensione dei principi su cui si fonda la simulazione di fluidi e rappresenta una base per la creazione di un proprio simulatore. E’ possibile studiare le caratteristiche di un fluido in movimento mediante due approcci diversi, l’approccio lagrangiano e l’approccio euleriano. Mentre l’approccio lagrangiano ha lo scopo di conoscere il valore, nel tempo, di una qualsiasi proprietà di ciascuna particella che compone il fluido, l’approccio euleriano, fissato uno o più punti del volume di spazio occupato da quest’ultimo, vuole studiare quello che accade, nel tempo, in quei punti. In particolare, questa tesi approfondisce lo studio delle equazioni di Navier-Stokes, approcciandosi al problema in maniera euleriana. La soluzione numerica del sistema di equazioni differenziali alle derivate parziali derivante dalle equazioni sopracitate, approssima la velocità del fluido, a partire dalla quale è possibile risalire a tutte le grandezze che lo caratterizzano. Attenzione viene riservata anche ad un modello facente parte dell’approccio semi-lagrangiano, il Lattice Boltzmann, considerato una via di mezzo tra i metodi puramente euleriani e quelli lagrangiani, che si basa sulla soluzione dell’equazione di Boltzmann mediante modelli di collisione di particelle. Infine, analogamente al metodo di Lattice Boltzmann, viene trattato il metodo Smoothed Particles Hydrodynamics, tipicamente lagrangiano, secondo il quale solo le proprietà delle particelle comprese dentro il raggio di una funzione kernel, centrata nella particella di interesse, influenzano il valore della particella stessa. Un resoconto pratico della teoria trattata viene dato mediante delle simulazioni realizzate tramite il software Blender 2.76b.

Highlighting Interdisciplinarity between Physics and Mathematics in Historical Papers on Special Relativity: Development of an Analytical Tool for Characterising Boundary Crossing Mechanisms

Questa tesi di laurea si colloca all'interno del progetto Erasmus + IDENTITIES, il cui obiettivo è sviluppare materiali didattici interdisciplinari per la formazione iniziale degli insegnanti. Nello specifico, si dà seguito ad una ricerca condotta da Lorenzo Miani, finalizzata a mettere in evidenza come la Teoria della Relatività Speciale (STR) sia storicamente nata da una speciale interazione tra matematica e fisica. Tale co-evoluzione è stata cercata, e messa in evidenza, attraverso l’analisi dei quattro articoli fondativi della STR scritti da Lorentz (1904), Poincaré (1906), Einstein (1905) e Minkowski (1908). Per l’analisi di questi articoli abbiamo utilizzato la metafora del “confine”, esposta nella metateoria di Akkerman e Bakker (2011), riferendosi al confine tra Matematica e Fisica. È stato sviluppato uno strumento operativo di analisi di articoli originali per estrarne il rapporto tra le due discipline. Un’analisi di questo tipo può portare un contributo considerevole al Justification Problem, intercettando la possibilità di indagare sull’identità della Matematica, intesa come disciplina. Questo tipo di analisi ha permesso di comprendere gli “stili al confine” di ogni autore, e la natura delle Trasformazioni di Lorentz in quanto oggetto di confine. È inoltre illustrata la progettazione di un’attività per la formazione iniziale degli insegnanti. Questa si configura come un tutorial per lavori di gruppo, ed è stata sperimentata nel corso di Didattica della Fisica dell’Università di Bologna, tenuto dalla Professoressa Olivia Levrini. Grazie all’attività, è stato possibile riflettere sulle identità disciplinari e sull’importanza di fare “esperienze di confine” per superare stereotipi. Lo strumento elaborato nella tesi si apre a sviluppi futuri, dal momento che si presta ad essere utilizzato per l’analisi di una grande varietà di testi e per la costruzione di “boundary zone”, sempre più auspicate e incentivate nei report europei.

A parallel community detection algorithm

Complex networks analysis is a very popular topic in computer science. Unfortunately this networks, extracted from different contexts, are usually very large and the analysis may be very complicated: computation of metrics on these structures could be very complex. Among all metrics we analyse the extraction of subnetworks called communities: they are groups of nodes that probably play the same role within the whole structure. Communities extraction is an interesting operation in many different fields (biology, economics,...). In this work we present a parallel community detection algorithm that can operate on networks with huge number of nodes and edges. After an introduction to graph theory and high performance computing, we will explain our design strategies and our implementation. Then, we will show some performance evaluation made on a distributed memory architectures i.e. the supercomputer IBM-BlueGene/Q "Fermi" at the CINECA supercomputing center, Italy, and we will comment our results.