«Modellare» territori immersivi : Sandbox AR, Streambox AR e sensori low - cost per una nuova Didattica della Geografia.

This thesis, the result of research conducted within the PhD program in Education, Cultural Heritage, and Territories at the University of Macerata and part of the broader VITALITY project, stems from an inquiry into the epistemological and didactic status of contemporary Geography. It moves from the observation of a structural fracture, definable as a true “epistemological friction,” between the systemic complexity of territorial phenomena – which are by nature multiscalar, dynamic, and reticular – and the inadequacy of traditional didactic mediators, crystallized in static two-dimensional representations and anchored to a transmissive-mnemonic approach that appears increasingly insufficient for decoding today's reality. The research starts from the fundamental assumption that the widespread difficulty students encounter in acquiring complex geographical concepts – such as morphogenesis, the hydrological cycle, plate tectonics, or the dynamics of the Anthropocene – does not stem from a cognitive or abstraction deficit in the learners, but rather from the lack of an “experiential bridge” capable of linking immediate sensory perception to necessary scientific conceptualization. Consequently, the study proposes a paradigm shift, moving the methodological axis toward what is hypothesized in this work as “Immersive Geographical Observation (OGI),” an unprecedented epistemic mode situated dialectically between the direct observation of fieldwork and the indirect observation possible through cartography, photography, and images, enabled by the conscious employment of immersive geotechnologies. The heart of the research project lies in the engineering development, physical prototyping, and subsequent didactic validation of low-cost and open-source immersive technological ecosystems, specifically the Sandbox AR and its evolution, the Streambox AR. The primary intent was not merely technical, but aimed at democratizing access to advanced spatial analysis tools by seeking economically accessible solutions through self-production. Rejecting closed commercial logic, which is often inaccessible to educational institutions with limited resources, the study demonstrated the technical feasibility of creating complex devices using consumer hardware and open software; this choice allowed the technology to be transformed from a “black box” into a transparent instrument, enabling teachers and students to understand the processes behind the construction of geographical data. From a strictly engineering perspective, the work involved the physical construction and programming of two distinct but complementary devices: the Sandbox AR, a system utilizing depth sensors – originally based on structured light technologies like the Kinect and subsequently evolved toward more complex Lidar sensors – to scan a moldable sand surface in real-time and project a digital elevation model upon it with hypsometric gradients and contour lines updated instantaneously; parallel to this, the Streambox AR was developed, an advancement designed to overcome the static nature of the geomorphological model by integrating physical mechatronic simulators for the reproduction of wave motion, meteoric precipitation, and river flows within an augmented environment configured by the Sandbox AR. This hybrid infrastructure, fusing the tangible manipulation of matter with the digital overlay of data, allowed for the simulation of dynamic processes such as coastal erosion, hydrogeological risk, and seismic response, while also integrating Artificial Intelligence modules (GeoAI) and GIS interfaces (such as QGIS) for real-time predictive analysis. In this way, real water introduced into the system interacts with the sand modeled by students according to the laws of physics, while the digital layer calculates and visualizes invisible variables, such as flow velocity or flood-risk areas based on the Saint-Venant equations. The research methodology adopted to validate the effectiveness of these tools was Mixed Methods, integrating technological design based on Design Thinking and User-Centered Design with rigorous experimental educational research in the field. The study involved a significant sample of 120 middle and high school students and 76 teachers and sector operators, utilizing an experimental design that provided for a pre-test/post-test comparison between a Control Group, exposed to traditional methodologies, and an Experimental Group that utilized the immersive geotechnologies. Statistical analysis of the collected data yielded robust evidence supporting the research hypotheses, outlining a clear picture of improvement in learning performance; the Experimental Group registered a statistically significant average increase in scores, moving from a situation of initial insufficiency to levels of full competence, with an effect size (Cohen’s d) of 0.81, a value indicating a “large” and transformative didactic impact in the literature. Students who used the Sandbox AR and Streambox AR demonstrated superior mastery of critical concepts identified in the “Corpus of Complex Geographical Learning,” such as reading contour lines, understanding the hydrological cycle, and the three-dimensional visualization of river basins; direct manipulation allowed them to overcome the cognitive dissonance often generated by the attempt to translate the three-dimensionality of the real world into the two-dimensionality of a geographical map, activating processes of “embodied cognition” in which the body itself becomes an instrument of knowledge. However, the most humanly and pedagogically relevant result to emerge from the investigation concerns the dimension of inclusion and educational equity: analyses focused on the subgroup of students with Special Educational Needs (SEN) highlighted the absence of statistically significant differences at the post-test stage between these students and their neurotypical peers within the experimental group. This data suggests that immersive technology acted as an “equalizer,” allowing students with difficulties in abstraction, dyslexia, or other specific disorders to bridge the initial gap thanks to the manipulative and multisensory approach. Where the frontal lesson and written text erected cognitive barriers, tactile interaction and immediate visual feedback opened solid channels of learning, restoring to these students not only disciplinary skills but also a renewed sense of self-efficacy. Beyond disciplinary content, a significant improvement was noted in transversal skills, particularly in the capacity for mental rotation and spatial visualization, as well as in relational and social skills. The intrinsically collaborative nature of the device, which requires physical presence around the box containing the sand and negotiation regarding the territorial modifications to be made, stimulated group problem-solving processes and peer-to-peer communication, transforming the geography lesson from an individual experience into a collective laboratory of citizenship. The thesis further deepens the theoretical implications of Immersive Geographical Observation, proposing it as a possible methodological standard capable of “compressing” geological time and “manipulating” physical space, making processes visible and tangible that would otherwise remain abstract or invisible to the human eye. The integration of external environmental sensors and the connection with open data databases indeed allow the Sandbox AR to be transformed into a “digital twin” of the local territory, where students can import real data on rainfall or hydrogeological settings to simulate concrete risk scenarios in their own living environment. This approach projects Geography Didactics beyond school boundaries toward a perspective of active and conscious “Spatial Citizenship”; students are not trained merely as passive map readers, but as actors capable of utilizing data to read the territory, predict the consequences of anthropogenic actions, and participate in public debate regarding the management and protection of environmental heritage. Finally, the adoption of open-source technologies and the “maker” philosophy that pervades the entire project assume profound ethical value: in an era characterized by the commodification of data and the proprietary closure of digital platforms, providing schools with open and modifiable tools means educating for transparency, knowledge sharing, and technological autonomy. The research demonstrates that it is not necessary to depend on expensive industrial supplies to innovate teaching, but that it is possible to build advanced learning ecosystems by valorizing the internal skills of the educating community and integrating heterogeneous knowledge ranging from Geography to Computer Science, from Pedagogy to Engineering. Through the integration of Sandbox AR and Streambox AR, supported by rigorous and validated pedagogical protocols, Geography can finally free itself from its reputation as a descriptive and mnemonic discipline to affirm itself as an experimental science of complexity, indispensable for training future generations in the understanding, conscious habitation, and custody of a fragile and interconnected planet.

La presente tesi, frutto del lavoro di ricerca condotto nell’ambito del corso di dottorato in Formazione, Patrimonio Culturale e Territori presso l’Università di Macerata e inserita nel più ampio progetto VITALITY, nasce da una interrogazione sullo statuto epistemologico e didattico della Geografia contemporanea; essa muove dalla constatazione di una frattura strutturale, definibile come una vera e propria «frizione epistemologica», tra la complessità sistemica dei fenomeni territoriali – che sono per loro natura multiscalari, dinamici e reticolari – e l’inadeguatezza dei mediatori didattici tradizionali, cristallizzati in rappresentazioni bidimensionali statiche e ancorati a un approccio trasmissivo-mnemonico che appare ormai insufficiente a decodificare la realtà odierna. La ricerca parte dall’assunto fondamentale che la diffusa difficoltà riscontrata dagli studenti nell’acquisire concetti geografici complessi – quali la morfogenesi, il ciclo idrologico, la tettonica a placche o le dinamiche dell’antropocene – non derivi da un deficit cognitivo o di astrazione dei discenti, bensì dalla mancanza di un “ponte esperienziale” capace di collegare la percezione sensoriale immediata alla necessaria concettualizzazione scientifica. Ne consegue la proposta di un cambio di paradigma che sposti l’asse metodologico verso quella che in questo lavoro viene ipotizzata come «Osservazione Geografica Immersiva (OGI)», una modalità epistemica inedita che si colloca dialetticamente tra l’osservazione diretta del fieldwork e l’osservazione indiretta possibile attraverso la cartografia, la fotografia e le immagini, abilitate dall’impiego consapevole di geotecnologie immersive. Il cuore del progetto di ricerca risiede nello sviluppo ingegneristico, nella prototipazione fisica e nella successiva validazione didattica di ecosistemi tecnologici immersivi a basso costo e open-source, specificamente la Sandbox AR e la sua evoluzione, la Streambox AR. L’intento primario non è stato soltanto tecnico, ma volto alla democratizzazione dell’accesso a strumenti di analisi spaziale avanzata cercando nell’autoproduzione possibili soluzioni economicamente accessibili. Rifiutando la logica commerciale chiusa, spesso inaccessibile per le istituzioni scolastiche con risorse limitate, lo studio ha dimostrato la possibilità tecnica di realizzare dispositivi complessi utilizzando hardware consumer e software aperti; tale scelta ha permesso di trasformare la tecnologia da «scatola nera» a strumento trasparente, abilitando docenti e studenti a comprendere i processi di costruzione del dato geografico. Sotto il profilo strettamente ingegneristico, il lavoro ha comportato la costruzione fisica e la programmazione di due dispositivi distinti ma complementari: la Sandbox AR, un sistema che utilizza sensori di profondità, originariamente basati su tecnologie a luce strutturata come il Kinect e successivamente evoluti verso sensori Lidar più complessi, per scansionare in tempo reale una superficie di sabbia modellabile e proiettarvi sopra un modello digitale di elevazione con gradienti ipsometrici e curve di livello aggiornate istantaneamente; parallelamente è stata sviluppata la Streambox AR, un avanzamento pensato per superare la staticità del modello geomorfologico, integrando simulatori meccatronici fisici per la riproduzione del moto ondoso, delle precipitazioni meteoriche e dei flussi fluviali all’interno di un ambiente aumentato, configurato dalla Sandbox AR. Questa infrastruttura ibrida, che fonde la manipolazione tangibile della materia con la sovrapposizione digitale di dati, ha permesso di simulare processi dinamici come l’erosione costiera, il rischio idrogeologico e la risposta sismica, integrando anche moduli di Intelligenza Artificiale (GeoAI) e interfacce GIS (come QGIS) per l’analisi predittiva in tempo reale; in tal modo, l’acqua reale introdotta nel sistema interagisce con la sabbia modellata dagli studenti secondo le leggi della fisica, mentre il layer digitale calcola e visualizza variabili invisibili come la velocità di deflusso o le aree a rischio esondazione basate sulle equazioni di Saint-Venant. La metodologia di ricerca adottata per validare l’efficacia di questi strumenti è stata di tipo misto (Mixed Methods), integrando la progettazione tecnologica basata sul Design Thinking e sullo User-Centered Design con una rigorosa ricerca educativa sperimentale sul campo. Lo studio ha coinvolto un campione significativo di 120 studenti della scuola secondaria di primo e secondo grado e 76 tra docenti e operatori del settore, attraverso un disegno sperimentale che prevedeva un confronto pre-test/post-test tra un Gruppo di Controllo, esposto a metodologie tradizionali, e un Gruppo Sperimentale che ha utilizzato le geotecnologie immersive. L’analisi statistica dei dati raccolti ha restituito evidenze robuste a supporto delle ipotesi di ricerca, delineando un quadro di netto miglioramento nelle performance di apprendimento; il Gruppo Sperimentale ha infatti registrato un incremento medio dei punteggi statisticamente significativo, passando da una situazione di insufficienza iniziale a livelli di piena competenza, con una dimensione dell’effetto (Cohen’s d) pari a 0.81, valore che in letteratura indica un impatto didattico «grande» e trasformativo. Gli studenti che hanno utilizzato la Sandbox AR e la Streambox AR hanno mostrato una padronanza superiore di concetti critici individuati nel «Corpus degli apprendimenti geografici complessi», come la lettura delle isoipse, la comprensione del ciclo idrologico e la visualizzazione tridimensionale dei bacini idrografici; la manipolazione diretta ha permesso loro di superare la dissonanza cognitiva spesso generata dal tentativo di tradurre la tridimensionalità del mondo reale nella bidimensionalità della carta geografica, attivando processi di «embodied cognition» in cui il corpo stesso diventa strumento di conoscenza. Tuttavia, il risultato umanamente e pedagogicamente più rilevante emerso dall’indagine riguarda la dimensione inclusiva e l’equità educativa: le analisi focalizzate sul sottogruppo di studenti con Bisogni Educativi Speciali (BES) hanno evidenziato l’assenza di differenze statisticamente significative al post-test tra questi studenti e i loro pari normotipici all’interno del gruppo sperimentale. Questo dato suggerisce che la tecnologia immersiva abbia agito come un «equalizzatore», permettendo agli studenti con difficoltà di astrazione, dislessia o altri disturbi specifici di colmare il gap iniziale grazie all’approccio manipolativo e multisensoriale. Laddove la lezione frontale e il testo scritto erigevano barriere cognitive, l’interazione tattile e il feedback visivo immediato hanno aperto solidi canali di apprendimento, restituendo a questi studenti non solo competenze disciplinari ma anche un rinnovato senso di autoefficacia. Oltre ai contenuti disciplinari, si è rilevato un miglioramento significativo nelle competenze trasversali, in particolare nella capacità di rotazione mentale e visualizzazione spaziale, nonché nelle competenze relazionali e sociali. La natura intrinsecamente collaborativa del dispositivo, che richiede la presenza fisica attorno alla scatola che contuiene la sabbia e la negoziazione delle modifiche territoriali da apportare, ha stimolato processi di problem-solving di gruppo e comunicazione tra pari, trasformando la lezione di Geografia da esperienza individuale a laboratorio collettivo di cittadinanza. La tesi approfondisce inoltre le implicazioni teoriche dell’Osservazione Geografica Immersiva, proponendola come un possibile standard metodologico capace di «comprimere» il tempo geologico e “manipolare” lo spazio fisico, rendendo visibili e tangibili processi che altrimenti rimarrebbero astratti o invisibili all’occhio umano. L’integrazione di sensori ambientali esterni e la connessione con database open data permettono infatti di trasformare la Sandbox AR in un «gemello digitale» del territorio locale, dove gli studenti possono importare dati reali su piovosità o assetto idrogeologico per simulare scenari di rischio concreti nel loro ambiente di vita. Questo approccio proietta la Didattica della Geografia oltre i confini scolastici, verso una prospettiva di «Cittadinanza Spaziale» attiva e consapevole; gli studenti non vengono formati solo come lettori passivi di carte, ma come attori capaci di utilizzare i dati per leggere il territorio, prevedere le conseguenze delle azioni antropiche e partecipare al dibattito pubblico sulla gestione e tutela del patrimonio ambientale. L’adozione di tecnologie open-source e la filosofia «maker» che pervade l’intero progetto assumono infine un profondo valore etico: in un’epoca caratterizzata dalla mercificazione dei dati e dalla chiusura proprietaria delle piattaforme digitali, fornire alla scuola strumenti aperti e modificabili significa educare alla trasparenza, alla condivisione del sapere e all’autonomia tecnologica. La ricerca dimostra che non è necessario dipendere da costose forniture industriali per innovare la didattica, ma che è possibile costruire ecosistemi di apprendimento avanzati valorizzando le competenze interne alla comunità educante e integrando saperi eterogenei che spaziano dalla Geografia all’Informatica, dalla Pedagogia all’Ingegneria; attraverso l’integrazione di Sandbox AR e Streambox AR, supportata da protocolli pedagogici rigorosi e validati, la Geografia può finalmente affrancarsi dalla sua reputazione di disciplina descrittiva e mnemonica per affermarsi come scienza sperimentale della complessità, indispensabile per formare le future generazioni alla comprensione, all’abitazione consapevole e alla custodia di un pianeta fragile e interconnesso.