Seconda Giornata Nazionale di Studio "Una filosofia per i nuovi curricoli della scuola riformata: il contributo delle Associazioni disciplinari" - Bologna 6 maggio 2000 A.I.F. - Associazione per l'Insegnamento della Fisica Nuclei fondanti e competenze in Fisica Note redatte da Silvia Pugliese Jona <[email protected]>, Ernestina De Masi <[email protected]>, Patrizia Di Loreto <[email protected]> BOZZA PROVVISORIA 1. Premessa La scelta compiuta in seno all'AIF in relazione alla ricerca di esempi di utilizzo delle definizioni dei termini "Nuclei fondanti" e "Competenze" riportate nel documento Per la definizione di un glossario minimo in vista della stesura di norme curricolari nazionali per discipline diffuso dal Forum alle Associazioni Disciplinari alla fine di Febbraio 2000 è stata pilotata dal desiderio di metterle alla prova in modo concretamente ispirato ad una possibile realtà scolastica. Tabella 1 - Definizioni lessicali elaborate dal Forum delle Associazioni Disciplinari NUCLEI FONDANTI NUCLEI FONDANTI: concetti fondamentali che ricorrono in vari luoghi di una disciplina e hanno perciò valore strutturante e generativo di conoscenze. COMPETENZA: ciò che, in un contesto dato, si sa fare (abilità) sulla base di un sapere (conoscenze), per raggiungere l’obiettivo atteso e produrre conoscenza; è quindi la disposizione a scegliere, utilizzare e padroneggiare le conoscenze, capacità e abilità idonee, in un contesto determinato, per impostare e/o risolvere un problema dato . OBIETTIVI: le prestazioni che si richiedono agli allievi come indicatori (graduati) del possesso di competenze. COMPETENZE CONOSCENZE, ABILITA' OBIETTIVI Fig. 1 La figura 1 illustra le conclusioni di una meditazione sui significati delle definizioni sopra riportate. In questa figura le COMPETENZE sono al centro del processo educativo. Dal punto di vista dell’allievo, ciò che importa sono le competenze (sono diventato/a capace di fare certe cose) e gli obiettivi della singole attività (ho imparato facendo questo o quello) e le conoscenze ed abilità che ha acquisito cammin facendo. E' essenziale che l'allievo conosca in anticipo le previsioni che lo riguardano e a posteriori sappia riconoscerne il realizzarsi come conseguenza dell'attività scolastica. Dal punto di vista dell'insegnante ciò che importa sono, oltre alle competenze e agli obiettivi (funzionali alle competenze attese e caratterizzati da contenuti, metodi e finalità specifiche che ora non stiamo a specificare), che costituiscono il "braccio operativo" attraverso cui si estrinseca l'attività didattica, anche i nuclei fondanti che stanno a monte, che sono la giustificazione della scelta didattica compiuta (per quale ragione insegnare/apprendere questo è importante). Mentre la consapevolezza dei nuclei fondanti è indispensabile al docente, di solito e soprattutto nelle classi inferiori non occorre che ne siano consapevoli gli allievi. 2. Il lavoro fatto nell'AIF L'esercizio di elaborazione di esempi riferiti ai curricula di Fisica, in cui venissero implementate le definizioni sopra riportate, è stato utilissimo e siamo grati al FORUM che lo ha proposto. Abbiamo capito che l'applicazione delle definizioni non è né immediata né facile e che forse è necessario dotarle di un certo dettaglio. Ci sembra utile ripercorrere le nostre difficoltà. A) L'applicazione alla Fisica, in contesto educativo, della definizione dei nuclei fondanti non è immediata per i seguenti motivi legati sia alla natura della disciplina, sia a considerazioni di opportunità didattica: A.I.F. Associazione per l'Insegnamento della Fisica (1) Il campo d'indagine della Fisica è vastissimo e coinvolge un amplissimo spettro di argomenti. Con quale dettaglio definire i nuclei fondanti disciplinari? (E' possibile che su questa questione non esista un accordo generale) (2) In Fisica non esistono solo nuclei fondanti disciplinari generali (come per esempio il concetto di interazione o il concetto che l'energia si conserva) ma anche nuclei fondanti procedurali, come la necessità della conoscenza quantitativa e della misurazione o il ricorso a modelli descrittivi e interpretativi. (3) In ambito curricolare si possono e si devono definire anche nuclei fondanti educativi e comportamentali trasversali come p.es. l'educazione a comportamenti responsabili verso sé stessi ed altri, che ricorre in uno degli elaborati presentati più avanti. In altre parole: esistono argomenti, contenuti,… che, nonostante siano al margine della struttura disciplinare e quindi poco significativi in relazione all'incremento della conoscenza disciplinare, è opportuno vengano inseriti nel curricolo per altri motivi, diversi ma ugualmente validi. B) E' apparso ben presto evidente che l'individuazione di competenze all'interno di nuclei fondanti non poteva farsi senza riferirsi ad attività ben precise che, solo se svolte in un certo modo, risultano funzionali alle competenze individuate e giustificano l'assegnazione di tali competenze all'ambito del nucleo fondante stesso. Questo fatto ci ha costretti ad impostare le elaborazioni andando dal particolare al generale. In altre parole, siamo saliti dalla particolare attività didattica che avevamo in mente alle competenze e di lì ai nuclei fondanti sotto (o sovra?) stanti. C) Menzioniamo infine lo spinoso problema della valutazione/certificazione. Gli esempi presentati danno ampio spazio ai contenuti dell'attività didattica: nel secondo esempio si indicano anche possibili scenari di attività. Questo non è per spirito di prevaricazione - non c'è assolutamente nessuna intenzione di essere prescrittivi! Il dettaglio è sembrato necessario, come sarà necessario ai docenti che dovranno programmare il loro lavoro scolastico adoperando i concetti / definizioni / criteri che qui oggi stiamo dibattendo, soprattutto per poter individuare adeguati criteri di valutazione: infatti il cosa e il come valutare non sono indifferenti alla metodologia didattica adottata. Perciò i criteri da noi indicati non sono in linea di principio trasportabili ad altri scenari metodologici, che potrebbero richiedere criteri di valutazione ad essi più funzionali. 3. Gli esempi 3.1. Aspetti fisici della comunicazione Un insieme di argomenti di acustica, ottica e onde che è stato oggetto di una sperimentazione curricolare denominata "Aspetti fisici della comunicazione" promossa dall'AIF e svolta nei primi mesi del 2000. Tale sperimentazione ha visto docenti di tutti gli ordini di scuole impegnarsi sulla trattazione in classe dello stesso argomento e può fornire indicazioni sulla possibile verticalizzazione del curriculum di fisica. (Vedere Tabella 1). Le voci della Tabella 1 sono state riempite da docenti sperimentatori durante la sperimentazione. Le caselle vuote o contenenti termini generici evidenziano la difficoltà di individuare descrittori adeguati. AIF Nuclei fondanti e competenze in fisica – BOZZA pag. 2 A.I.F. Associazione per l'Insegnamento della Fisica TABELLA 1 - SPERIMENTAZIONE DEL MODULO "ASPETTI FISICI DELLA COMUNICAZIONE" Scuola Nuclei fondanti 4 anni di scolarità 7 anni di scolarità 9 anni di scolarità 12 anni di scolarità Competenze Verifica delle competenze Di tipo educativo trasversale Saper osservare e descrivere fenomeni relativi alla trasmissione di segnali, come punto di arrivo di un’indagine sperimentale che ha fatto uso essenzialmente della manipolazione (toccare, assaggiare, ascoltare……) Si richiede agli alunni: • un atteggiamento di attenzione ponendosi in silenzio di fronte all'evento da osservare. • distinguere tra suoni interni propriocettivi (battito cardiaco, respirazione) ed esterni a noi. • identificare la provenienza di suoni e rumori localizzandola nello spazio avendo se stessi come punto di riferimento (destra, sinistra, avanti, dietro, sopra, sotto). • individuare l'oggetto, l'animale o la persona che produce un suono o un rumore e usare con proprietà il termine di "emittente" per indicarlo. • indicare il soggetto che raccoglie un'emissione sonora usando correttamente il termine "ricevente". • classificare i suoni (dal più acuto al più basso) usando strumenti di emissione diversi (p.es. fischietto, filo d'erba, scatola di cartone, lamina metallica, tamburo, ecc). • servirsi di suoni e rumori selezionati con riguardo alla loro significanza comunicativa per realizzare semplici "colonne sonore" a scenette o animazioni teatrali • conoscere la posizione e il funzionamento delle corde vocali… ecc Disciplinari (per mettere l’alunno in condizione di poter analizzare i vari aspetti della comunicazione e trasferire le competenze in ambiti diversi e/o similari in modo appropriato) Saper osservare, analizzare e descrivere fenomeni legati alla trasmissione di segnali (diffusione, propagazione di onde elastiche e meccaniche) Si richiede agli alunni • una descrizione scritta ed orale delle esperienze sperimentali • la compilazione di questionari a risposte multiple o a risposta aperta Disciplinari: • La materia è costituita da particelle in continuo movimento (comune a fisica e chimica). • Conservazione dell'energia e suo trasferimento tra corpi (o sistemi) interagenti (riferito all'ambito dei fenomeni ondulatori). Procedurale: La fisica si serve di modelli interpretativi della realtà. Potenziare le competenze relative ai livelli precedenti ed inoltre saper formulare ipotesi, saper raccogliere dati sperimentali organizzandoli in tabelle e grafici Nella preparazione delle prove di verifica si tiene conto dei seguenti indicatori: • conoscenza degli elementi propri della disciplina • osservazione di fatti e fenomeni anche con l’uso di strumenti • formulazione di ipotesi e loro verifica sperimentale • comprensione ed uso dei linguaggi specifici AIF Si richiede agli alunni: • un rapporto scritto relativo alle attività svolte in forma aperta (disegni, realizzazione di poster, brevi scritti anche in forma di fiaba) • la compilazione di questionari a risposte multiple o a risposta aperta Nella preparazione delle prove di verifica si tiene conto dei seguenti indicatori: • conoscenza degli elementi propri della disciplina • osservazione di fatti e fenomeni anche con l’uso di strumenti • formulazione di ipotesi • l’utilizzazione dei contenuti appresi o per risolvere problemi o per comprendere con maggiore facilità una situazione nuova • comprensione ed uso dei linguaggi specifici Saper schematizzare, Si richiede agli alunni: modellizzare, • Saper spiegare la diffusione usando il modello molecolare. formalizzare. • Saper spiegare la trasmissione di suoni e di segnali luminosi con il modello ondulatorio. • Saper risolvere esercizi e problemi numerici. • Saper progettare esperimenti scegliendo gli strumenti più idonei. • Saper esprimere giudizi qualitativi e quantitativi relativi alle attività svolte Nuclei fondanti e competenze in fisica – BOZZA pag. 3 A.I.F. Associazione per l'Insegnamento della Fisica 3.2 Circuiti elettrici E' un argomento di elettricità per il quale si è fatto riferimento all'esperienza didattica di docenti esperti. La proposta riguarda: (a) il traguardo dei 7 anni di scolarità per il quale l'AIF ha proposto in un documento pubblicato sulla propria stampa periodica uno schema di contenuti minimi a cui s'intende rifarsi [Bozza Provvisoria - Documento n.1, La Fisica nella Scuola Notizie, aprile-giugno 1999, p.3]; (b) il traguardo dei 9 anni di scolarità, per il quale l'AIF ha proposto uno schema di percorsi modulari che prevede anche un modulo sull'elettricità e magnetismo [Bozza Provvisoria Documento n.2, ibidem, p.7]. 7 anni di scolarità (2 esempi) Esempio 1 Nucleo fondante : La fisica si serve di modelli interpretativi della realtà. I modelli aiutano lo sforzo di descrivere e sono essenziali per comprendere il senso di ciò di cui si sta parlando. Competenza: Saper applicare il concetto di corrente elettrica a semplici circuiti elettrici. La costruzione di tale competenza si articola nelle seguenti attività: Attività 1 - Costruzione di presupposti lessicali Attività 2 - Costruzione di presupposti lessicali con l'aiuto di un modello Attività 3 - Usare un modello per guidare l'interpretazione di fatti osservati (funzione del generatore) Attività 4 - Confronto tra generatori diversi Attività 5 - Usare un modello per guidare l'interpretazione di fatti osservati (circuiti in serie) Attività 6 - Usare un modello per guidare l'interpretazione di fatti osservati (circuiti in parallelo) Attività 7 - Schema dell'impianto elettrico di una casa Riportiamo, a mo' d'esempio, un possibile svolgimento dell'Attività 2 Attività 2 - Costruzione di presupposti lessicali con l'aiuto di un modello Obiettivi: 1. Classificare alcuni materiali come "conduttori" e "isolanti" in base al possesso o no della capacità di "chiudere" un circuito (come inteso nel linguaggio dei circuiti elettrici). 2. Ordinare i "conduttori" secondo la loro "efficacia". 3. Introdurre l'analogia idraulica del circuito elettrico. 4. Servirsi dell'analogia idraulica per introdurre il concetto di "corrente elettrica". AIF Possibile scenario: (1) Disponendo di un circuito montato e funzionante, si apre l'interruttore e si inseriscono oggetti di varia natura nel tratto aperto osservando l'effetto su un motorino o su una lampadina. (2) Attraverso una discussione con i compagni si riconosce la necessità di parole nuove che descrivono i fenomeni osservati. (3) L'insegnante introduce l'analogia idraulica facendo osservare che anche in tubo pieno d'acqua chiuso su sé stesso, contenente una pompa, un rubinetto e un dispositivo messo in moto dall'acqua, si possono produrre fenomeni analoghi aprendo il rubinetto; chiudendo parzialmente il rubinetto (o ostruendo parzialmente il tubo); chiudendo completamente il rubinetto. (4) Attraverso una discussione collegiale: (a) si riconoscono gli opposti significati delle parole "aperto" e "chiuso" nei due casi: nel circuito idraulico "chiudere" il rubinetto significa dividere il tubo in due tratti non comunicanti mentre nel circuito elettrico "chiudere" l'interruttore significa… (b) si riconosce che i fenomeni osservati nel circuito elettrico potrebbero essere conseguenza di qualcosa che "fluisce" nel circuito; (c) si costruisce un'analogia tra oggetti che "conducono meno bene la corrente" e situazioni in cui il passaggio dell'acqua nel circuito idraulico è parzialmente ostruito. Prerequisiti 1. Significato delle locuzioni: "circuito aperto", "circuito chiuso". 2. Saper classificare 3. Saper ordinare secondo un criterio di maggiore/minore Obiettivi di saper fare 1. Manualità minima 2. Riconoscere sequenze causa - effetto 3. Descrivere una situazione nuova utilizzando il lessico appreso nel contesto dell'Attività 1. 4. Riconoscere aspetti simili in contesti diversi 5. Cominciare ad apprezzare il valore euristico di un modello Criteri di valutazione 1. Corretta attribuzione alle categorie "chiude il circuito (conduttori)" e "non chiude il circuito (isolanti)" 2. Comprensione del criterio di ordinamento dei conduttori 3. Individuazione delle corrispondenze tra il circuito elettrico e il suo modello idraulico 4. Capacità di esporre le proprie idee nella discussione comune. Nuclei fondanti e competenze in fisica – BOZZA pag. 4 A.I.F. Associazione per l'Insegnamento della Fisica Esempio 2 Nucleo fondante (trasversale): Educazione a comportamenti responsabili verso sé stessi ed altri. Competenza: Conoscere i pericoli derivanti dall'uso improprio dell'elettricità ed alcuni elementi di prevenzione infortuni. La costruzione di tale competenza si articola nelle seguenti attività: Attività 1 - Perché non si devono toccare i fili a tensione Attività 2 - Ricognizione della struttura del circuito di un apparecchio elettrico "reale" Attività 3 - Il collegamento con terra Attività 4 - Il salvavita. Riportiamo, a mo' d'esempio, un possibile svolgimento dell'Attività 1 Attività 1 - Perché non si devono toccare i fili a tensione Obiettivo: Costruire la consapevolezza di una situazione di pericolo causata dalla manipolazione imprudente di apparecchi elettrici in casa Possibile scenario: (1) L’insegnante introduce il tester come apparecchio con cui si può misurare la "resistenza" che i corpi oppongono al passaggio della corrente elettrica (che è inversamente proporzionale alla proprietà opposta, l’attitudine a condurre la corrente). (2) Dopo aver predisposto il tester in modalità "ohmetro" ed aver scelto una scala opportuna si stabiliscono i contatti tra i cavetti dello strumento e varie parti del corpo umano, in diverse situazioni: corpo asciutto, bagnato, sudato ecc. e si osserva lo spostamento della lancetta (se l'apparecchio è analogico) o si legge il valore di resistenza se è digitale. (3) Gli alunni riconoscono che il corpo umano chiude il circuito elettrico ed individuano le circostanze che influiscono sulla sua capacità di condurre la corrente. (4) L'insegnante richiama i risultati dell'Attività 4 della sezione precedente (Confronto tra generatori diversi); gli alunni ragionano su ciò che succederebbe collegando la lampadina usata in quell'attività a generatori di tensione via via crescente e riconoscono che se a pochi volt chiudere un circuito attraverso il proprio corpo non è pericoloso a 220 V può essere molto pericoloso. (5) Fuori da scuola gli alunni s’informano (presso un elettricista, presso un medico) sui danni che una persona può subire per effetto di una scossa elettrica a 220 V. (6) Gli alunni discutono le azioni da evitare e le precauzioni da prendere per intervenire in sicurezza su un circuito elettrico. AIF Prerequisiti Dalla sezione precedente: l'Attività 4 - Confronto tra generatori diversi. Obiettivi di saper fare Spiegare quali sono le situazioni di maggiore pericolo quando si manipolano circuiti elettrici senza le dovute precauzioni. Criteri di valutazione 1. Conoscere le cause che possono influire sull'attitudine del nostro corpo a condurre la corrente elettrica. 2. Conoscere le possibili conseguenze di un’esposizione del nostro corpo alla tensione di rete. 3. Conoscere le precauzioni da adottare quando si deve intervenire sul circuito elettrico di casa. 4. Partecipazione costruttiva all’attività, in scuola e fuori da scuola. 9 anni di scolarità Nuclei fondanti: • • Conservazione dell'energia (richiede di aver già affrontato il problema dell'energia in altri contesti). Conservazione della carica elettrica Prerequisiti dalla scuola primaria: 1. 2. Aver ragionato sul modello idraulico della corrente elettrica (p.es. pompa - rubinetto - ruota ad acqua in un circuito idraulico chiuso) per razionalizzare i fenomeni che riguardano i circuiti elettrici Aver acquistato familiarità con la manipolazione di semplici circuiti elettrici. Competenza: Conoscere e saper applicare anche ad usi pratici le leggi che regolano il funzionamento dei circuiti elettrici utilizzando le unità di misura del Sistema Internazionale La costruzione di tale competenza può articolarsi nelle seguenti attività: Attività 1 - Capire lo schema elettrico Attività 2 - Il circuito elettrico trasferisce energia Attività 3 - Il ruolo dei cavetti e la definizione di intensità di corrente Attività 4 - Gli utilizzatori prendono tutto ciò che il generatore dà - Misurazioni con il voltmetro Attività 5 - Misurazioni con l'amperometro Attività 6 - La resistenza elettrica Attività 7 - La legge di Ohm Nuclei fondanti e competenze in fisica – BOZZA pag. 5 A.I.F. Associazione per l'Insegnamento della Fisica Attività 8 - Resistenza di circuiti in serie e in parallelo Attività 9 - Progettare e costruire una resistenza elettrica di valore prefissato. Attività 10 - Progettare e costruire un circuito elettrico che svolga un compito prefissato. Riportiamo, a mo' d'esempio, un possibile svolgimento dell'Attività 4 Attività 4 - Gli utilizzatori prendono tutto ciò che il generatore dà - Misurazioni con il voltmetro Obiettivi: 1. Introdurre la grandezza fisica "differenza di potenziale" 2. Definire l'unità di misura volt 3. Usare un voltmetro per esplorare i valori delle differenze di potenziale in semplici circuiti. 4. Trovare la legge a cui le differenze di potenziale obbediscono Prerequisiti di conoscenza: • Sapere che la corrente elettrica è il moto di cariche elettriche. • Aver osservato cosa succede quando si alimenta uno stesso utilizzatore con generatori diversi (scuola primaria) • Avere un'idea almeno intuitiva del significato di pressione. Possibile scenario: (1) Gli alunni riconoscono che per mettere in moto le cariche elettriche in un circuito elettrico il generatore deve produrre un effetto analogo alla "differenza di pressione" prodotto dalla pompa in un circuito idraulico. (2) Si introduce la grandezza "differenza di potenziale" come analogo della "differenza di pressione". (3) S'introduce il volt come unità di misura della differenza di potenziale (senza necessariamente darne a questo stadio la definizione esatta.) (4) S'introduce il voltmetro come strumento per misurare la differenza di potenziale. (5) Si osserva che il voltmetro viene collegato nel circuito elettrico in modo analogo al manometro nel circuito idraulico. (6) Gli alunni montano semplici circuiti in serie e in parallelo, ne disegnano gli schemi elettrici, misurano le differenze di potenziale ai capi di ciascun componente e riportano i valori misurati negli schemi elettrici. (7) Gli alunni cercano una relazione che leghi il valore misurato ai capi del generatore con i valori misurati negli altri punti del circuito. Obiettivi di conoscenza: 1. In un circuito chiuso: la differenza di potenziale ai capi del generatore è uguale alla somma delle differenze di potenziale ai capi dei singoli utilizzatori e la differenza di potenziale ai capi dei cavetti vale praticamente zero. 2. In un circuito aperto: le differenze di potenziale ai capi degli utilizzatori valgono zero e la differenza di potenziale ai capi dell'interruttore è uguale a quella ai capi del generatore. 3. La 2° legge di Kirchhoff AIF Obiettivi di saper fare: 1. Misurare differenze di potenziale in circuiti elettrici 2. Elaborare dati, cercare regolarità 3. Utilizzare le regolarità trovate per compiere previsioni. Criteri di valutazione 1. Descrivere le operazioni compiute usando correttamente il lessico appreso. 2. Disegnare in modo corretto gli schemi elettrici riportandovi in modo ordinato i valori misurati. 3. Esprimere con chiarezza la regolarità osservata 4. Risolvere correttamente semplici esercizi sulla regolarità osservata. 3.3 La struttura dell'atomo: un esempio per il livello 12 anni di scolarità Questo esempio propone lo studio della struttura dell'atomo con particolare attenzione alla storia delle idee e al modo in cui si costruisce la conoscenza in fisica e, per la sua rilevanza nei riguardi dello studio della struttura della materia, si ricollega all'argomento "elettricità". Nuclei fondanti A. il modello è un mezzo per interpretare un fenomeno e costruire una teoria; B. modelli e teorie non sono definitivi e inalterabili, ma vengono continuamente rifiniti e perfezionati attraverso un processo di approssimazioni successive Competenze: A. Saper distinguere l’osservazione dalla deduzione utilizzando documenti e resoconti attendibili B. Saper spiegare alcuni fenomeni fisici in termini di proprietà dei modelli atomici. Obiettivo: descrivere i primi modelli atomici che, a partire dai primi del ‘900, si sono susseguiti, raffinando le capacità di formare concetti, verificare ipotesi, distinguere tra informazione o osservazione ed interpretazione o deduzione, condurre un ragionamento ipotetico deduttivo Nuclei fondanti e competenze in fisica – BOZZA pag. 6 A.I.F. Associazione per l'Insegnamento della Fisica Requisiti di conoscenza per la descrizione 1. scoperta dell’elettrone come particella carica negativamente in un edificio complessivamente neutro 2. scoperta dei raggi X e della loro natura 3. scoperta dei fenomeni radioattivi Requisiti del saper fare 1. analizzare i modelli di atomo proposti all’inizio del ‘900 da J. J. Thomson e da H. Nagaoka 2. riflettere sui fatti a favore e a sfavore, all’epoca, dell’uno e dell’altro 3. analizzare l’esperimento di Rutherford, Geiger e Marsden 4. descrivere il modello di Rutherford 5. enunciare le domande a cui questo modello non permetteva di rispondere 6. applicare i modelli studiati alla spiegazione/interpretazione di fenomeni fisici nei campi delle proprietà della materia, dell'elettricità, dell'ottica. Costruzione e controllo: Saper cogliere il clima culturale che all’inizio del secolo permeava l’Occidente e che lentamente andava cambiando, sotto ogni punto di vista. Criteri di valutazione: 1. Esporre in modo lineare i passaggi da un modello atomico al successivo 2. Evidenziare, nel modello di Rutherford, il limite della fisica classica a dare alcune risposte 3. Evidenziare le risposte che il modello di Rutherford è in grado di dare relativamente all'interpretazione/spiegazione di fenomeni fisici AIF Nuclei fondanti e competenze in fisica – BOZZA pag. 7