Prodotto realizzato con il contributo della Regione
Toscana nell'ambito dell'azione regionale di
sistema
Laboratori del
Sapere Scientifico
ROCCE E SOSTANZE
NELL’ACQUA
Esplorazione delle proprietà chimiche e fisiche di
sostanze e di materiali naturali solidi nell’acqua.
Una proposta di integrazione di metodi e contenuti propri dei corsi di
chimica e delle scienze della terra nel biennio del liceo scientifico
Pierpaolo Putzolu - Liceo Scientifico N. Rodolico – LSS / FEMS
ROCCE E SOSTANZE NELL’ACQUA
collocazione del percorso nel curricolo verticale
Il biennio nel curricolo dell’insegnamento delle scienze naturali
dovrebbe consentire il passaggio da un approccio
fenomenologico e qualitativo a quello teorico e quantitativo,
facilitando:
- il raccordo tra concetti di senso comune e concetti scientifici;
- la descrizione e definizione di oggetti o processi con cui si
entra in relazione
- l’osservazione selettiva dei fenomeni
- la formulazione di ipotesi sensate e verificabili in un contesto
di variabili identificate
- l’ utilizzo di un linguaggio operativo ma sempre più specifico.
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obiettivi essenziali del percorso a moduli
-far acquisire su basi operative i concetti essenziali
di sostanza pura, miscugli eterogenei ed
omogenei, solubilizzazione, roccia, minerale,
reazione chimica, precipitazione e cristallizzazione;
- far sperimentare i procedimenti più semplici che
stanno alla base della distinzione tra trasformazioni
chimiche e trasformazioni fisiche che avvengono
sulla superficie terrestre;
- formulare ipotesi e modelli sulla natura
particellare della materia coerenti al contesto
fenomenologico di dati qualitativi e quantitativi
misurati nel corso di determinate reazioni
chimiche.
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elementi salienti dell’approccio metodologico
I principi su cui si è strutturata la proposta didattica sono:
- l’apprendimento di concetti formali o astratti, all’inizio del percorso di
scuola secondaria superiore, non può affidarsi alla memorizzazione di parole
tecniche specifiche, ma deve costruirsi sulla ristrutturazione di schemi mentali;
- il contesto pratico non deve essere finalizzato allo sviluppo di abilità
manuali o alla padronanza di tecniche specifiche ma alla rielaborazione dei
concetti operativi sul piano mentale ;
- al sapere scientifico si accede attraverso la risoluzione di problemi e con la
progettazione e realizzazione di attività in contesti autentici dove si possono
misurare o alterare le variabili di un dato fenomeno senza ostacoli strumentali o
pratici.
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elementi salienti dell’approccio metodologico
- La spiegazione in termini microscopici o molecolari
delle reazioni chimiche deve essere preceduta da una
esplorazione cognitiva degli oggetti su cui verrà elaborata
la modellizzazione.
- La spinta motivazionale che induce lo studente ad
una partecipazione attiva gli permette di superare gli
ostacoli operativi e rafforza la sua percezione di realizzarsi
all’interno di un gruppo di pari dove le sue abilità sono
importanti e dove viene riconosciuto come protagonista
del processo di apprendimento.
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materiali e strumenti principali
-Reagentario tradizionale del laboratorio di
chimica
e
-Materiali di uso comune: aceto, oli minerali
vegetali, farina, cacao, latte, vino, tea, schiuma
da barba, acqua minerale in bottiglia
-Campioni di rocce sedimentarie coerenti e
incoerenti e di rocce magmatiche
vescicolari come tufi e pomici
-Campioni di minerali (carbonati, solfuri,
ossidi, solfati)
-Stereomicroscopi, microscopi ottici, Bunsen, piastre elettriche, aste di
sostegno, reticelle, treppiedi, bilance elettroniche, vetreria del laboratorio di
chimica, imbuti, filtri e setacci, soxlet, filtri carbone, colini e retini, phon,
pompa da vuoto, imbuto Büchner, evaporatore di porcellana, pinze per
crogiuolo, spatole
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ambienti di svolgimento del percorso
.
Laboratorio di chimica per le
- attività di osservazione e
manipolazione di sostanze e rocce
- esperienze ed esperimenti
finalizzati alla misurazione di
variabili come densità,
massa o
temperatura nel
corso di processi di
trasformazione chimico-fisica
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ambienti di svolgimento del percorso
Laboratorio di informatica per
- attività di modellizzazione e di
elaborazione di dati in forma
di grafici e tabelle
- rappresentazione in 3D di rocce,
forme del paesaggio, strutture
sedimentarie, morfostrutture,
attraverso foto, modelli, software
come Google Earth,
presentazioni su Power Point
Aula per
discussioni, rielaborazione di ipotesi, formalizzazioni,
concettualizzazioni, e verifiche scritte e orali
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tempo impiegato per lo svogimento del primo modulo
TEMPI
Durata
totale
Per la progettazione dettagliata
10 ore
Per l’attuazione
17 ore
Per le uscite
2 ore
Per la documentazione
6 ore
25 ore
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tempo impiegato per lo svolgimento dei quattro moduli
MODULI
Durata attività
laboratoriali
Durata attività di
concettualizzazione e
verifica
Durata
totale
1) Proprietà chimico-fisiche e
comportamenti dei materiali
sedimentari detritici in acqua
14 ore
3 ore
17 ore
2) Interazioni tra diversi soluti e il
solvente acqua
12 ore
4 ore
16 ore
3) L’acqua come reagente, i
precipitati e le reazioni chimiche
in soluzione acquosa
12 ore
6 ore
18 ore
4) La concentrazione delle
soluzioni acquose, la solubilità e i
processi di degradazione attivi
sulla superficie terrestre
10 ore
5 ore
15 ore
48 ore
18 ore
66 ore
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prerequisiti
Nell’individuazione dei prerequisiti si è operato tenendo conto che
-l’osservazione autonoma capace di rilevare gli aspetti rilevanti di un fenomeno
non può ritenersi un’abilità acquisita dalla scuola secondaria di primo grado .
•Conoscere i significati fisici di massa, di lunghezza, di area, di volume, di
temperatura e le relative definizioni come grandezze fondamentali o derivate.
•Saper distinguere a livello fenomenologico i differenti stati di
aggregazione della materia
•Conoscere a livello fenomenologica i passaggi di stato e il loro significato
macroscopico in termini di trasformazione fisica
•Conoscere il concetto di strumento di misura: i concetti di sensibilità e di
precisione e comprendere l’impossibilità di misure “esatte”
•Comprendere il concetto di incertezza sperimentale e la sensibilità degli
strumenti come causa principale
•Saper esprimere una misura, le cifre significative e la notazione scientifica
•Saper scegliere lo strumento di misura in relazione all’apparato
sperimentale
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Criteri di individuazione degli obiettivi specifici
-Centrare gli obiettivi sull’attivazione dei
processi che permettano di
contestualizzare le dimensioni
problematiche, giungendo poi a
modellizzazioni o concettualizzazioni
condivise;
-i concetti che si è cercato di elaborare
secondo una modalità costruttivista
rappresentano comunque nodi concettuali
fondanti delle discipline a livello
epistemologico.
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Criteri di individuazione degli obiettivi specifici
Le modalità operative che si è messo in atto hanno seguito in sostanza
l’approccio di Ausbel per cui non vi è conoscenza fondata sull’acquisizione
“meccanica” di nozioni, ma sulla comprensione dei concetti e dei nessi fra
concetti, nonché della ragion d’essere dei concetti stessi e dei relativi nessi.
Si è ritenuto anche fondamentale tenere conto delle competenze attese alla fine
del percorso dell’obbligo di istruzione e dei contenuti degli Assi culturali (allegato al
D.M.139/2007) dove la competenza scientifica, nel quadro delle competenze chiave
per l’apprendimento permanente delineato a livello europeo, è infatti cosi definita:
“capacità e disponibilità a usare l’insieme delle conoscenze e
delle metodologie possedute per spiegare il mondo che ci
circonda sapendo identificare le problematiche e traendo le
conclusioni che siano basate su fatti comprovati”.
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descrizione del percorso
Il percorso descritto in dettaglio si riferisce al primo modulo
I segmenti didattici intesi come attività/esperienze o
esperimenti sono raccolti in moduli didattici disposti in modo
sequenziale.
Gli eventi si sono svolti in un laboratorio di chimica, in un
laboratorio di informatica e in aula e si sono sviluppati secondo
queste fasi:
•A) presentazione da parte del docente di una situazione
problematica denominata contesto di apprendimento
•B) osservazioni dei fenomeni in gruppi di lavoro che
procedono in modo autonomo (delimitati solo dalle norme di
sicurezza o da oggettivi ostacoli di fattibilità) all’esplorazione di
oggetti e processi e alla formulazione di ipotesi risolutive del
problema.
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descrizione del percorso
•C) Discussione delle soluzioni elaborate dei gruppi con
l’intera classe a partire dal recupero esplicito delle esperienze e
dei concetti, di senso comune o meno, posseduti dagli studenti.
•D) Integrazione dei dati attraverso la lettura e
interpretazione delle parole e delle immagini del libro di testo o
di altri documenti e di software ad uso didattico
I contesti di apprendimento in cui si sono state collocate
le esperienze sono configurabili come scenari di problem
solving in quanto non rappresentavano per lo studente
riproduzioni di esercizi o di procedure consolidate e ripetitive .
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MODULO 1
proprietà chimico-fisiche e comportamenti dei materiali sedimentari detritici
in ambienti acquatici
OBIETTIVI in termini di concettualizzazioni operative e abilità
- elaborare il concetto operativo di roccia sedimentaria detritica fondato sulle caratteristiche
granulometriche
- elaborare i concetti operativi di porosità e permeabilità di una roccia
-elaborare una definizione operativa di densità applicabile a materiali solidi e liquidi
- descrivere i materiali a livello sub-millimetrico selezionando i dati essenziali
- comprendere da quali fattori dipende la permeabilità e la porosità di una roccia detritica
- comprendere il livello di eterogeneità dei suoli e i fattori che influiscono sulla loro permeabilità
- essere consapevoli, in prima approssimazione, che le argille possiedono proprietà chimiche,
ancora non definibili (adsorbimento) che tuttavia condizionano il rapporto di tali materiali con
l’acqua
- individuare tecniche in grado di separare i materiali o le sostanze allo stato solido (filtrazione,
solubilizzazione differenziata, decantazione, ..)
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MODULO 1: proprietà chimico-fisiche e comportamenti dei materiali sedimentari detritici in ambienti acquatici
ATTIVITÀ/ESPERIENZE e/o ESPERIMENTI
CONTESTO di
APPRENDIMENTO
a) La distinzione
granulometrica e chimica
delle rocce coerenti e
incoerenti
Analisi e confronto di diverse tipologie di rocce sedimentarie detritiche con osservazione dei
materiali incoerenti anche con l’uso dello stereomicroscopio.
Nella variabilità dei granuli di ghiaie e sabbie si distinguono differenze di forma e colore che
permettono una prima ipotesi a livello di differenziazione chimica e pongono il problema
complesso dell’identificazione di una sostanza pura
b) Quantificare la porosità di
rocce detritiche incoerenti
Costruzione di apparati strumentali in grado di valutare i volumi occupati dai pori o dalle fratture
delle rocce, utilizzando anche la possibilità di ricavare immagini digitalizzate in cui quantificare gli
spazi bidimensionali tra granuli
c) Identificare le proprietà
chimico-fisiche delle argille
Manipolazione di materiali argillosi o marnosi differenziando i comportamenti reologici in base alla
quantità di acqua e misurando le variazioni di massa dei campioni anidri e umidi.
Utilizzo di farina di masi riscaldata e raffreddata per comprendere la formazione di fratture
poligonali nei suoli argillosi
Osservazione di campioni di rocce sedimentarie e piroclastiche diversamente fratturati con
effettuazione di ”test delle bollicine” o di misure della velocità di scorrimento dell’acqua ed
elaborazione di modelli 2D e 3D con uso di monete e sferette di diverse dimensioni.
La distinzione di strati acquiferi e impermeabili e l’identificazione delle posizioni di una sorgente su
una sezione stratigrafica
e) Valutare la permeabilità dei Campioni di suoli differenti e misura della velocità di scorrimento dell’acqua con analisi del livello di
complessità ed eterogeneità e dell’effetto delle componenti argillose
d) Quantificare la
permeabilità delle rocce e la
formazione delle sorgenti
suoli
f) Misurare la densità di solidi
e liquidi
g) Separare i componenti di un
miscuglio di sostanze e
materiali allo stato solido
Uso di campioni di rocce coerenti o minerali di composizione nota e di sospensioni con sedimenti a
diversa densità (auspicabile l’uso di densimetri )
Vengono messi a disposizione miscugli formati da materiali e sostanze varie allo stato solido
(es.argille, sabbie, ghiaie, marmo in polvere, solfato di rame anidro e idrato, acetone) e i possibili
dispositivi utilizzabili (recipiente per levigatura, setacci, soxlet, ..)
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A titolo di esempio si illustra lo svolgimento della prima attività
a) La distinzione granulometrica e chimica delle rocce coerenti e incoerenti
Materiali:
- campioni di ghiaie,
sabbie e argille
provenienti da contesti
geomorfologici diversi
(es. Alta valle del Fiume Serchio,
Val d’Orcia , Fiume Ombrone )
-
Stereomicroscopio
Setacci e crivelli
Cilindri graduati
Fotocamere
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a) La distinzione granulometrica e chimica delle rocce coerenti e incoerenti
prima lezione: 1 ora in laboratorio di chimica
Primo Problema posto dal docente:
Quali criteri utilizzare per distinguere i diversi sedimenti
Osservazioni:
Dopo l’osservazione diretta e spontanea dei campioni ad occhio nudo e con lo
steromicroscopio sono emerse proposte sul come classificare i sedimenti sulla
base delle seguenti proprietà dei granuli : la dimensione, il colore, la forma
arrotondata o spigolosa, il livello di eterogeneità, il “peso”, il grado di
coerenza
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a) La distinzione granulometrica e chimica delle rocce coerenti e incoerenti
seconda lezione: 2 ore in laboratorio di chimica
Procedura rielaborativa e risolutiva del problema:
I gruppi si sono organizzati in modo autonomo stabilendo dei metodi
- per separare i sedimenti sulla base delle dimensioni con uso di setaggi e crivelli
- per definire una scala colorimetrica attraverso delle foto dei campioni
(emergono differenze ed affinità tra granulometria e colore e differenze tra il
carattere opaco e quello cristallino di molti granuli)
- per misurare il livello di sfericità scegliendo di usare foto ingrandite di
immagini allo stereomicroscopio sulle quali poi misurare gli assi maggiori delle
sezioni dei granuli
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a) La distinzione granulometrica e chimica delle rocce coerenti e incoerenti
seconda lezione: 2 ore in laboratorio di chimica
Procedura rielaborativa e risolutiva del problema:
I gruppi si sono organizzati in modo autonomo stabilendo dei metodi
- per “pesare” i sedimenti, affrontando la questione della misura dei “vuoti”,
delle microfratture, della coesione nei sedimenti argillosi, del confronto di
volumi uguali di sedimenti diversi
Si è manifestata in molti gruppi la questione problematica della misura della
porosità e delle differenze di spazi intergranulari e la misura della densità
come parametro di confronto indipendente dall’estensione dei materiali
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a) La distinzione granulometrica e chimica delle rocce coerenti e incoerenti
terza lezione: 1 ora in aula
Discussione nella classe:
I portavoce dei gruppi hanno presentato all’intera classe le proposte sui metodi
di classificazione e separazione delle componenti granulari dei sedimenti, si
sono quindi confrontati i risultati empirici. La verbalizzazione è stata
documentata in una “mappa concettuale” condivisa dove sono state
evidenziate soluzioni parziali del problema originario e si sono stigmatizzati i
nuovi problemi come:
- Classificare sedimenti che contengono una variabilità di granulometrie
- Misurare il livello di eterogeneità di un sedimento a livello di colore
(composizione chimica)
- La ricerca di una definizione operativa di porosità e densità
- La misura impraticabile della densità delle argille per immersione in acqua,
dato che le argille “si mescolano con l’acqua”
- Il carattere indicativo del colore dei granuli come distinzione di “sostanze”
diverse
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a) La distinzione granulometrica e chimica delle rocce coerenti e incoerenti
quarta lezione: 2 ore in laboratorio di informatica
Integrazione dei dati:
Con l’uso del libro di testo e di immagini ricercate sul web i gruppi hanno
perfezionato autonomamente i criteri di classificazione dei sedimenti adottati
nelle lezioni precedenti, cercando di associare a terminologie come “sabbia”,
“ghiaia” o “argilla” definizioni operative e non astrattamente nominali.
Quasi tutti i gruppi si sono resi conto che la porosità dei materiali è strettamente
connessa alle caratteristiche granulometriche e che nei campioni argillosi
umidi vi sono presenti “interazioni” tra i granuli sulla cui origine occorre
approfondire la spiegazione
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a) La distinzione granulometrica e chimica delle rocce coerenti e incoerenti
quarta lezione: 2 ore in laboratorio di informatica
Integrazione dei dati:
Si è focalizzato il problema di come individuare nei granuli sostanze “omogenee”
a livello chimico (due gruppi su cinque hanno stabilito di indicare i frammenti
bianchi o chiari come “calcarei” o contenenti “calcio”).
Sono stati elaborati alcuni rudimentali modelli geometrici in grado di
rappresentare la relazione tra forma e dimensione dei granuli e la porosità
introducendo il problema principale della attività successiva
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verifiche
Si sono svolte due prove di verifica formativa al termine dei
contesti di apprendimento/attività a), b), c) e d) e) f) g) attraverso
elaborazioni scritte dei gruppi di lavoro inerenti a:
•narrazione dell’esperienza fenomenologica
•raccolta o analisi di dati in forma grafica o tabellare;
•interpretazione e risoluzione di problemi definiti;
•lettura di documenti iconografici o fotografici;
•svolgimento di prove pratiche di osservazione e misurazione
Per la valutazione di questi elaborati si è fatto riferimento alla
scheda di valutazione di seguito illustrata.
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VALUTAZIONE ATTIVITA’ di
LABORATORIO
a.s. 2011-2012
Gruppo composto da Tipologia di attività
DATA
CLASSE
.........
..............
......................................
.
.
......................................
.
Esperimento
Esperienza
Simulazione
Gioco
Esplorazione
......................................
Argomento
.
Indicatori
DESCRIZIONE
attraverso elenco dei materiali, dei reagenti, dei campioni o degli strumenti utilizzati e il
racconto delle fasi dell’attività
ORGANIZZAZIONE e CHIAREZZA
nell’esposizione dei dati, nella sequenza delle fasi, nella formulazione delle ipotesi e nelle
risposte ai problemi
ACCURATEZZA
di misurazioni e osservazioni attraverso calcoli, disegni, schemi e grafici
Punteggio
Punteggio
massimo
ottenuto
6
6
6
FORMULAZIONE DI IPOTESI
che siano concrete, originali e coerenti con le conoscenze (leggi, principi, dati di partenza)
6
RISOLUZIONE dei PROBLEMI
che vengono posti all’inizio dell’attività o che emergono durante il suo svolgimento
6
TOTALE
30
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verifiche
La prova di verifica sommativa è stata differenziate in una verifica scritta e
in una verifica orale.
La verifica scritta è stata composta da
-elaborato con domande a risposte aperta anche in forma grafica
-test a risposta singola e multipla
I quesiti sono stati formulati al fine di valutare:
-l’apprendimento dei nodi concettuali secondo le definizioni operative
condivise nel lavoro laboratoriale
-l’acquisizione delle abilità indicate nello schema analitico dei singoli
moduli didattici.
Almeno la metà dei quesiti sono stati scelti in forma di situazioni di
problem-solving per verificare l’effettivo uso delle capacità di rielaborazione
dei nodi concettuali.
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verifiche
ESEMPIO DI QUESITI A RISPOSTA NELLA PROVA di VERIFICA SOMMATIVA
• Nella tabella in colonna 6 sono
rappresentati i dati ottenuti dal vaglio di
un sedimento, descrivere le caratteristiche
granulometriche del sedimento ottenuto
tenendo conto delle definizioni stabilite
nel lavoro di gruppo
•Formulare una o più ipotesi
motivate sulle origini e sulle
trasformazioni subite dai granuli
del sedimento visibile in foto e
descrivere in che modo misurereste
la sua porosità e densità
1 cm
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verifiche
ESEMPIO DI QUESITI CON RISOLUZIONE GRAFICA NELLA PROVA di VERIFICA SOMMATIVA
• Osservando le informazioni in figura, stabilire
- una scala ipotetica di permeabilità delle rocce
- indicare con delle frecce il movimento dell’acqua in profondità e con dei
triangolini dove si trovano probabilmente delle sorgenti
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risultati ottenuti
Sviluppare ogni azione/esperienza a partire dall’individuazione di un
problema è risultato funzionale alla progettazione didattica ma ha permesso
anche agli studenti di impostare strategie condivisibili nel gruppo di lavoro e
quindi non troppo casuali o “per tentativi” ed abbastanza coerenti alla
precedenti osservazioni e conclusioni.
L’analisi e la valutazione personale e collettiva delle relazioni tra
formulazione di ipotesi, esecuzione e risoluzione di un dato problematico sono
state canalizzate in discussioni, a tratti caotiche, ma che, attraverso la
narrazione ponderata, si sono concentrate sulla formalizzazione parziale di
concetti su base operativa.
I concetti sono stati spesso riformulati e perfezionati spontaneamente
dagli studenti in relazione al livelli di complessità crescente dei fenomeni
indagati.
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ROCCE E SOSTANZE NELL’ACQUA
Valutazione dell’efficacia del percorso didattico sperimentato
rispetto alle motivazioni
L’apprendimento di tipo costruttivista che si è voluto scegliere è stato
impostato su compiti contestualizzati e a basso livello di astrazione che
hanno favorito lo sviluppo di rappresentazioni non univoche della realtà.
La dimensione autentica dei contesti di apprendimento ha fatto
emergere dinamiche che hanno facilitato, o solo temporaneamente
ostacolato , la costruzione della conoscenza, risultando comunque
coinvolgenti sul piano cognitivo.
Il contesto in cui di volta in volta si sono situati gli eventi fenomenologici
ha permesso di apportare modifiche ma il ruolo del docente è stato
essenzialmente di facilitatore dei processi cognitivi, impegnato a non
fornire soluzioni o conclusioni già confezionate o corrette sul piano
puramente semantico
.
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ROCCE E SOSTANZE NELL’ACQUA
Valutazione dell’efficacia del percorso didattico sperimentato rispetto alle
motivazioni
In questo tipo di impostazione didattica il docente
dovrebbe svolgere un ruolo fondamentale nell’indurre, in
una prima fase, l’elaborazione di una rappresentazione
mentale degli oggetti e dei processi e poi una loro verifica
sperimentale.
L’attività laboratoriale deve essere impostata come un
“laboratorio della mente”.
Gli spazi di discussione collettiva o la rielaborazione
interpretativa dei concetti fondanti, soprattutto nei casi di
previsioni errate o di eventi inattesi, rende lo studente
consapevole di come il consolidamento di conoscenze in
senso scientifico si fonda sulla centralità del processo di
astrazione e non sulla reiterazione di processi induttivi.
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