DOTTORATO DI RICERCA
In
Storia e Didattica della Matematica, Storia e Didattica della Fisica,
Storia e Didattica della Chimica
Ciclo XX, 2005/2006
Consorzio tra Università di Palermo, Bologna, Catania, Napoli “Federico II”, Pavia, Bratislava,
Slovacchia), Nitra (Slovacchia), Alicante (Spagna),
CIRE (Centro Interdipartimentale Ricerche Educative, Università di Palermo)
Sede Amministrativa: Università Di Palermo
LUCIA LUPO
Progettazione e sperimentazione di un percorso di
insegnamento/apprendimento per la scuola di base:
la modellizzazione del riscaldamento dei materiali
Tutor Prof.ssa R. M. Sperandeo-Mineo
TESI DI DOTTORATO DI RICERCA
Palermo, febbraio 2008
DOTTORATO DI RICERCA in
Storia e Didattica della Matematica, Storia e Didattica della Fisica, Storia e Didattica della Chimica
Abstract
Progettazione e sperimentazione di un percorso di insegnamento/apprendimento
per la scuola di base:
la modellizzazione del riscaldamento dei materiali
Lucia Lupo
Tutor Prof.ssa R. M. Sperandeo-Mineo
La tesi descrive una ricerca nell’area dell’insegnamento della fisica nella scuola
di base, in cui viene progettata, realizzata e sperimentata una Teaching Learning
Sequence (TLS), che tiene conto delle caratteristiche cognitive degli studenti dai 9 ai 13
anni delle strategie e degli strumenti utilizzabili nel contesto didattico della scuola di
base. La metodologia di ricerca rientra nel quadro della Design-Based Research, che
permette di studiare i fenomeni didattici
progettando e realizzando ambienti di
apprendimento, artefatti, sequenze di insegnamento/apprendimento che il ricercatore
sperimenta, valuta, rielabora e sviluppa in contesti educativi autentici.
Lo studio si contestualizza nel quadro teorico/epistemologico del costruttivismo
ed in particolare, la teoria cognitiva che viene presa in esame è quella dello sviluppo
della conoscenza attraverso la costruzione di modelli. Nel presupposto che la
conoscenza scientifica si possa sviluppare attraverso i processi di modellizzazione,
scopo dello studio è comprendere quale sia la modellizzazione accessibile ai bambini,
in termini di livello di formalizzazione proposta e di strumenti utilizzabili, e quale sia il
ruolo della visualizzazione nella costruzione di modelli socialmente condivisi.
La ricerca affronta la tematica della modellizzazione dell’energia termica,
ovvero di quella componente dell’energia interna di un sistema che si può associare al
movimento delle particelle nella materia, che si può considerare responsabile delle
sensazioni termiche e che varia al variare della temperatura della materia. La TLS
sviluppa un percorso volto a chiarire un modello che descriva come l’energia termica
aumenti quando una sostanza viene riscaldata. Si ipotizza che le difficoltà di
apprendimento in questo campo nascano soprattutto dalla impossibilità di gestire
DOTTORATO DI RICERCA in
Storia e Didattica della Matematica, Storia e Didattica della Fisica, Storia e Didattica della Chimica
concretamente modelli che si caratterizzano a livello esperto come squisitamente teorici,
perdendo il contatto con una realtà fenomenica tangibile e richiedendo a colui che
apprende uno sforzo di creatività e l’uso di strumenti cognitivi di livello elevato.
La ricostruzione didattica (Educational Reconstruction) è stata sviluppata
analizzando il contenuto fisico, le rappresentazioni gli studenti, progettando un percorso
didattico (TLS) e sperimentandolo (Teaching Experiment, TE).
I contenuti scientifici sono stati ripensati e ricostruiti per il target scelto ed è
stato analizzato il contenuto disciplinare dal punto di vista storico-epistemologico. Si è
anche tenuto conto di come i contenuti affrontati siano correlati negli Standard
internazionali alla luce di risultati di ricerche precedenti.
In seguito è stata progettata una TLS che è stata sperimentata (TE) in più
contesti, diversificati al fine di valutare la validità dei diversi aspetti. L’ipotesi a partire
dalla quale si è sviluppata la progettazione è che l’uso di animazioni, e ancor più l’uso
di simulazioni che mostrano un modello microscopico della materia, possa aiutare a
sviluppare le giuste visualizzazioni, permettendo allo studente di gestire il passaggio
concettuale dall’approccio macroscopico ai fenomeni di riscaldamento all’approccio
microscopico degli stessi, e fornire una chiave interpretativa del livello macroscopico. A
tale scopo sono stati individuati due artefatti innovativi rispetto alla prassi per il livello
della scuola di base: la strumentazione on-line e un ambiente di modellizzazione
microscopica. I due strumenti didattici sono stati usati per veicolare la visualizzazione a
livello macroscopico (descrizione grafica di tipo matematico) ed a livello microscopico
(descrizione iconica di tipo fisico).
Il primo ciclo di sperimentazione è da considerarsi pilota, ed è stato svolto in
due contesti didattici simili per età ed estrazione socio-culturale, i successivi test nel
campo sono stati diversificati per età. Il disegno sperimentale prevede una ricercaintervento, in cui si focalizzano aspetti processuali ed in cui il coinvolgimento del
ricercatore è necessario ed inalienabile. La ricerca si avvale dei metodi dell’analisi
qualitativa. Si è monitorato con continuità ciò che avveniva nell’intervento, conducendo
parallelamente la raccolta e l’analisi dei dati. L’obiettivo del monitoraggio è
l’individuazione di nodi problematici della TLS e l’eventuale modifica
in itinere.
Durante il TE le fasi della sequenza sono state monitorate attraverso registrazioni,
schede redatte dagli studenti ed interviste. L’analisi delle registrazioni e dei diversi tipi
II
DOTTORATO DI RICERCA in
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di dati raccolti ha permesso di valutare la TLS, di indagare su come cambiano le
strategie di ragionamento degli studenti di età diverse, su quale ruolo abbia la
visualizzazione nella costruzione dei modelli e di confermare l’ipotesi che
l’introduzione del livello di modellizzazione microscopica fornisce una chiave di lettura
che è generalmente d’aiuto nella successiva interpretazione dei fenomeni termici
macroscopici.
Il progetto della TLS rappresenta uno dei risultato della ricerca. L’ambiente di
apprendimento, in termini di sequenza didattica strutturata che propone diversi approcci
cognitivi (dall’osservazione dei fenomeni della vita quotidiana al laboratorio su
fenomeni macroscopici, alla modellizzazione microscopica in ambienti di simulazione)
si è rivelato idoneo all’uso fin dalla classe terminale della scuola primaria, evidenziando
caratteristiche di semplicità, usabilità e concretezza. Si è rivelato stimolante per i
bambini che, sollecitati dalle attività proposte, hanno sviluppato competenze di tipo
laboratoriale (manualità con gli strumenti di misura tradizionali ed in linea con il
computer, capacità di costruire grafici) e di tipo teorico (capacità di leggere, confrontare
ed interpretare
grafici, di costruire immagini mentali di modelli microscopici, di
descrivere tali modelli e di usarli per dare spiegazione di comportamenti macroscopici).
L’acquisizione dai parte degli alunni del modello microscopico per l’interpretazione dei
fenomeni della vita quotidiana nei quali si percepisce un riscaldamento è un altro
risultato della ricerca: alla fine del percorso gli alunni hanno utilizzato il modello
microscopico, ad esempio, per interpretare il diverso tempo necessario al riscaldamento
di quantità di acqua differenti.
In conclusione la TLS si è rivelata significativa nei contesti di sperimentazione e
può rappresentare un modello riproponibile in altri contesti, quale quello della
formazione professionale di insegnanti (pre ed in-servizio), che attraverso di esso
possono
essere messi in situazione rispetto ad una buona pratica. Va comunque
sviluppato con ulteriori ricerche un confronto fra l’approccio classico (solo
macroscopico) e l’approccio proposto, verificandone la realizzabilità anche in età
inferiori.
III
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Abstract
Design and experimentation of a teaching / learning sequence for the
primary school: modelling matter heating
Lucia Lupo
Tutor Prof.ssa R. M. Sperandeo-Mineo
This thesis describes a research in physics education at primary school level. It
design a Teaching Learning Sequence (TLS) taking into account the cognitive
characteristics of 9 -13 years old students and proposes appropriate teaching/learning
tools. The research is developed in the framework of the Design-Based Research
(DBR), by designing and implementing learning environments, artifacts, sequences of
teaching /learning cases that the researcher experiments, valuates and re-elaborates in
authentic educational contexts.
The theoretical backgrounds of the research involves basic account of
constructivism and particularly, the cognitive theory of knowledge development
through models construction. Framing on the idea that scientific knowledge can be
developed through modelling process at different levels of formalization, our main
objective is to understand what kinds of modelling procedures are accessible to the
children, in terms of the level of formalization and appropriate tools, and what is the
role of visualization in the construction of shared models.
The physics content analyses concerns the modelling of thermal energy, that is
the part of the internal energy that can be associated to the movement of atoms or
molecules. This energy is related to the thermal sensation and variation of temperature.
The TLS develops a sequence of models that describes how this kind of energy
increases when a substance is heated. The sequence of models is developed on the base
of our hypothesis that pupils learning difficulties can arise from the impossibility of
concretely manage models, that are usually characterized as theoretical, by losing
contact with a tangible reality and requiring the using of high cognitive tools.
IV
DOTTORATO DI RICERCA in
Storia e Didattica della Matematica, Storia e Didattica della Fisica, Storia e Didattica della Chimica
According to Educational Reconstruction model, the TLS has been developed
by comparing and contrasting physical content and students’ representations. The
disciplinary content has been analyzed from an historical-epistemological point of view
and reconstructed for the selected target. The international Benchmark and results of
previous researches have been also taken into account.
Its basic hypothesis is that the use of animations and simulations that depict a
microscopic model of the matter, can help students in developing correct visualizations,
allowing them to manage the conceptual transition from the description of macroscopic
heating phenomena to the interpretation at microscopic level. To this purpose two tools
have been choosed that are innovative with respect to general rules of primary school:
real-time laboratory and the use of
microscopic modelling environment. The two
pedagogical tools have been used to visualize process evolution at macroscopic level
(graphical mathematical description) and to supply mechanism of functioning at
microscopic level (physical/iconic description).
The TLS has been tried in various contexts, in order to appraise the validity of
different aspects. The first pilot experimentation has been developed in two didactic
similar contexts (school levels and cultural extraction). The other tests have been
diversified for the level of pupils’ age. The experimental project research-intervention,
focused different trial aspects. Evaluation uses methods of qualitative analysis: the
interventions have been monitored with continuity, by using registrations of discussions
students work sheets and interviews. The continuous monitoring allows us to
individualise problematic knots and to perform in itinere changes. The analysis of
different types of data analysis allowed us to validate the TLS, to investigate strategies
of reasoning of different age students, about the role
of the visualization in the
construction of the models and to confirm our hypothesis that introduction of the level
of microscopic modelling can
supply a key of reading that helps pupils in the
interpretation of macroscopic phenomena.
The first research result of this thesis is represented by the prepared TLS: the
structure of its learning environment, in terms of a pedagogical sequence that proposes
different cognitive approaches (from observation of
daily life
phenomena,
to
laboratory experiments, to microscopic modelling in simulation environments) makes
possible its use from the final class of primary school, since their characteristics of
V
DOTTORATO DI RICERCA in
Storia e Didattica della Matematica, Storia e Didattica della Fisica, Storia e Didattica della Chimica
simplicity and concreteness. In fact the teaching experiments have shown that the
approach is stimulating for children that, solicited by the proposed activities developed
laboratorial competences (use of traditional and real-time instruments, skills to build
graph) as well theoretical competences (ability to read, to compare and to interpret
graphs, to build mental images of microscopic models, to describe such models and to
use them to give explanation of macroscopic behaviors). Another result of the research
is pupils’ understanding of microscopic models that help them to interpret daily life
phenomena in which “heating” is perceived.
In conclusion, the TLS has revealed to be effective in the contexts of different
experimentations and can represent a model for other contexts, as the professional
training of teachers (pre and in-service), that can use it as an example of a good
practice. The research must be further developed with a wide comparison between
results of traditional (only macroscopic) approaches and the proposed one, also by
verifying its feasibleness at inferior school levels.
VI
INDICE
CAPITOLO 1: Le basi teoriche del progetto
5
1.0 Introduzione
5
1.1 Modelli mentali e modellizzazione
7
1.2 Il modello cognitivo
12
1.3 Il modello dell’Educational Reconstruction ed il Teaching Experiment
17
1.4 Linee guida per la scelta delle strategie didattiche
19
1.4.1.L’apprendimento visto nel contesto sociale
19
1.4.2 L’importanza della visualizzazione
21
CAPITOLO 2: Definizione del problema e domande di ricerca
27
2.0 Introduzione
27
2.1 Calore, temperatura e modellizzazione negli standard
29
2.1.1 La situazione nei paesi anglosassoni
29
2.1.2 La situazione in Francia
33
2.2 La scuola italiana
35
2.3 Alcuni risultati significativi della ricerca in didattica
44
2.3.1 Due TLS sul modello particellare sviluppate in Francia
44
2.3.2 La ricerca greco/inglese
48
2.3.3 L’esperienza del Concord Consortium
52
2.3.4 L’esperienza dell’Unità di Ricerca in Didattica di Udine
59
2.4 Conclusioni
CAPITOLO 3: Metodologia della ricerca
60
63
3.0 Introduzione
63
3.1 Quadro metodologico: la Ricerca basata su Progetti
63
3.2 Il disegno sperimentale
65
3.3 L’analisi dei dati
66
3.3.1 I testi scritti: approccio fenomenografico
67
3.3.2. Le interviste
71
3.3.3.Le registrazioni
72
CAPITOLO 4: La fisica del progetto
73
4. 0 Introduzione
73
4.1 Macroscopico e microscopico: due punti di vista
73
4.2 Il primo nodo concettuale: la temperatura
75
4.3 Il secondo nodo concettuale: riscaldare la materia
79
4.4 Il terzo nodo concettuale: teorie corpuscolari della materia
84
4.4.1 Il modello cinetico dei gas
84
4.4.2. Il modello proposto per i solidi monoatomici
88
4.4.3 Un modello per i liquidi
91
4.5 L’energia interna dal punto di vista microscopico
92
4.6 Il quarto nodo concettuale: interpretare il riscaldamento dal punto di vista
microscopico
97
CAPITOLO 5: Progettazione della TLS
101
5.0 Introduzione
102
5.1 Cosa pensano gli studenti
102
5.1.1 Calore e temperatura
102
5.1.2 Il punto di vista molecolare
107
5.1.3 Cosa pensano gli studenti coinvolti nella ricerca
108
5.1.3.1 Partecipanti e setting
108
5.1.3.2 Risultati del test iniziale
110
5.2 Analisi del contenuto fisico
118
5.3 Il design dell’ambiente di apprendimento e la sequenza dei contenuti
121
5.3.1 Approccio
121
5.3.2 Metodologia e strumenti didattici
124
5.3. 3 Attività
127
CAPITOLO 6: Conduzione dell’esperimento didattico
137
6.0 Introduzione
138
6.1 analisi dei dati raccolti nella scuola media
138
6.1.1 L’attività n. 1
138
6.1.1.1 Osservazione di oggetti e distinzione in solido/liquido/ gas
2
dei materiali che li compongono
138
6.1.1.2 Classificazione di oggetti ‘caldi’ e ‘freddi’
139
Capitolo 1
6.1.1.3 La temperatura come grandezza intensiva
6.1.2 L’attività n. 2
6.1.2.1 I tre modi di scaldare
140
143
143
6.1.2.2. Riscaldare l’acqua con un riscaldatore da acquario 146
6.1.2.3 Riscaldare masse e sostanze diverse
148
6.1.2.4. Il modello permette di prevedere
150
6.1.3 L’attività n. 3
152
6.1.3.1 La diffusione dell’inchiostro
152
6.1.3.2 La materia dentro: solidi, liquidi e gas
154
6.1.4 L’attività n. 4
156
6.1.4.1 I diversi modi di scaldare dal punto di vista microscopico
6.1.4.2 Il calore è energia in movimento
158
6.1.4.3 Problemi da risolvere
161
6.2 Analisi dei dati raccolti nella scuola primaria
162
6.2.1 Attività preparatorie (Osservazione di oggetti e distinzione in
solido/liquido/ gas dei materiali che li compongono)
162
6.2.2 Attività n. 1
162
6.2.2.1 Sensazione e misura: acqua calda, fredda e…
162
6.2.2.2 La premisura della temperatura
164
6.2.2.3 La temperatura come grandezza intensiva
166
6.2.2.4 La temperatura corporea con il termometro on-line 166
6.2.3 L’attività n 2
6.2.3.1 I tre modi di scaldare
167
167
6.2.3.2 Riscaldare l’acqua con un riscaldatore da acquario 168
6.2.3.3 Riscaldare masse e sostanze diverse
6.2.4 L’attività n 3
168
169
6.2.4.1 La diffusione dell’inchiostro
170
6.2.4.2 La materia dentro: solidi, liquidi e gas
171
6.2.5 L’attività 4
172
6.2.5.1 I diversi modi di scaldare dal punto di vista microscopico
6.2.5.2 Il calore è energia in movimento
172
6.2.5.3 Problemi da risolvere
173
6.3 Conclusione
177
3
CONCLUSIONI
181
APPENDICI
187
1. Modulo di richiesta di autorizzazione alla registrazione
188
2. Questionario in ingresso “Il piccolo navigatore” (Navigator)
189
3. Il percorso didattico
190
4. La mappa del percorso
191
5. PORTFOLIO (schede per lo studente)
192
a. Attività 1 “Gli occhi del fisico” 1
193
b. Attività 1 “Gli occhi del fisico” 2
194
c. Attività 2 “la temperatura che cambia: modi diversi di scaldare”
195
d. Attività 2 “L’esperimento”
196
e. Attività 2 “Riscaldare materiali e masse diverse”
198
f. Attività 2 “La temperatura che cambia: le cose si scaldano in maniera
diversa”
199
g. Attività 3 “Guardare dentro la materia: un viaggio fino alle molecole”
h. Attività 4 “Energia in movimento”
201
i. Attività 4 “Qualche problema da risolvere” 1
202
j. Attività 4 “Qualche problema da risolvere” 2
203
k. Attività 4 “Qualche problema da risolvere” 3
204
6. Griglie delle interviste
a. Griglia focus group 1
208
b. Griglia focus group 2
209
7. Schede guida per le attività (docente)
210
a. L’osservazione Locke
211
b. Il laboratorio on-line
212
c. L’esperimento “Riscaldare i liquidi”
213
d. L’osservazione “Molecole in moto”
214
e. L’ambiente Molecular Workbench
215
8. Considerazioni sul test pilota e modifiche apportate ai materiali didattici
BIBLIOGRAFIA
4
219
216
219
Capitolo 1
CAPITOLO 1
Le basi teoriche del progetto
1.0 Introduzione
Il processo di insegnamento/apprendimento coinvolge numerosi attori e contesti
diversi e differenziati. È un fenomeno complesso, nel linguaggio della teoria della
complessità possiamo considerare il fenomeno dell’apprendimento come “emergente”1
dall’interazione di tre componenti: colui che apprende (soggetto), ciò che apprende
(oggetto), il sistema sociale e culturale (ambiente) all’interno del quale apprende. Su
ciascuno di questi elementi si può condurre un’analisi approfondita all’interno di quadri
teorici differenti. Ciascun elemento, a seconda del livello di analisi che si conduce, può
essere considerato agente ovvero emergente.
1
Si utilizza il termine “emergente” in ambito di scienze naturali ed umane quando una collettività di
entità semplici (particelle, cellule, individui,…) interagendo dà origine a strutture, comportamenti,
proprietà di un sistema. In fisica si considerano emergenti, ad esempio, proprietà e fenomeni che si
manifestano su scala macroscopica ma non a livello microscopico. In questa prospettiva si possono
considerare emergenti l’attrito, la viscosità, l'elasticità, pressione e temperatura, la propagazione delle
onde sonore. L’attrito emerge dall’organizzazione degli atomi/molecole in superfici di contatto, la
pressione dagli urti e la temperatura dall’energia cinetica media di atomi/molecole (queste ultime sono
proprietà che emergono localmente), in una corda tesa opportunamente messa in movimento emerge il
fenomeno della propagazione di un’onda in una direzione diversa da quella in cui si muovono gli
elementi di materia (agenti) (Resnick e Wilensky,1998). Ciò che è emergente e ciò che viene considerato
entità semplice dipende comunque dal quadro teorico. In fisica il campo elettrico è entità fondamentale se
ci si muove nel quadro della meccanica classica, è una variabile collettiva in un quadro che considera i
fotoni (Redish 2004). Nelle neuroscienze memoria e processi cognitivi possono essere considerati
emergenti dalle connessioni neuronali (Bar-Yam, 1997). In economia il rendimento di mercati finanziari
emerge dalle azioni dei traders (Lillo et al, 2005). Uno stesso paradigma interpretativo permette la
modellizzazione di fenomeni emergenti in campi differenti (Marsili, 2003). Va però riconosciuto che il
grado di complessità dei sistemi trattati in fisica ed in socio-economia è differente: in fisica i sistemi sono
formati si solito da molte unità microscopiche semplicemente interagenti mentre nelle scienze socioeconomiche l’interazione può avvenire in diversi livelli con gruppi di unità che rivelano una struttura
gerarchica più complessa.
Le basi teoriche del progetto
Colui che apprende può essere analizzato in una prospettiva di tipo ‘microscopico’,
facendo riferimento ai risultati della ricerca in campo neurologico (framework teorico
delle neuroscienze): in questa prospettiva vengono studiati i meccanismi biologici che
determinano i comportamenti umani, ogni evento cognitivo (connessione, attivazione,
flusso di informazioni) viene riportato al funzionamento delle reti neurali nel cervello2
(Bar-Yam, 1997). Può essere anche visto in una prospettiva mesoscopica3 (framework
teorico di carattere cognitivo), in cui vengono analizzate variabili collettive di medio
livello: i concetti, come si formano, come si modificano, come si strutturano in reti, in
termini di set di strutture cognitive, di pattern di associazioni (Redish, 2004; diSessa,
2004, 1993; Minstrell, 1992). Infine può essere presa in esame una prospettiva
‘macroscopica’ al comportamento del soggetto che apprende, cioè si analizzano
costruzione, stato ed evoluzione delle rappresentazioni (Johnson-Laird, 1983;
Vosniadou e Ortony, 1989; Greca e Moreira, 2000).
Ciò che viene appreso, ovvero il contenuto disciplinare, in questa sede è
analizzato nel quadro dell’Educational Reconstruction (Kattmann e al.,1995),
che
mette in relazione analisi dei contenuti disciplinari, caratteristiche cognitive di colui che
apprende e risultati delle ricerche sui processi di insegnamento/apprendimento condotte
precedentemente sul contenuto. Risultato dell’analisi è la costruzione di prototipi di
2
“Varie forme dell’elaborazione delle informazioni, compreso l’apprendimento di associazioni, quadri di
riconoscimeno, creatività, individualità e coscienza possono essere discussi nel contesto dei modelli delle
reti neurali”, p371 Bar-Yam 1997
I connessionisti propongono un modello per i concetti: sarebbero non “rappresentazioni mentali”
localizzate, ma pattern di attivazione che emergono durante l’attività delle reti neurali (Rumelhart,
Smolensky, McClelland, e Hinton, 1986)
3
Con il termine mesoscopico si intende un livello intermedio fra il microscopico ed il macroscopico.
La scala mesoscopica si ha ad un livello intermedio fra l'oggetto ordinario e l'atomo, tra un millimetro ed
un nano-metro. E’stato trovato che per molte idee della fisica è didatticamente utile dare una spiegazione
a questo livello. Esempio sono il caso dell’attrito fra superfici lisce e della pressione nei liquidi. In un
approccio mesoscopico si utilizzano un certo numero di “elementi” microscopici considerandoli ‘agenti’
nel sistema. ( Besson e Viennot 2004)
6
Capitolo 1
sequenze di insegnamento/apprendimento (Teaching Lerning Sequences)
da
sperimentare sul campo (Teaching Experiment).
Il sistema nel quale colui apprende agisce- nella visione epistemologica del
costruttivismo socio-culturale4 (Varisco, 2004; Otero, 2004)
- è rappresentato dal
mondo in cui vive, nel quale osserva, ipotizza, costruisce in prima istanza
autonomamente concetti ed il sistema sociale nel quale interagisce con i suoi pari, in
situazioni di confronto/contrattazione
quotidiane non strutturate e con le agenzie
educative quali la famiglia, la scuola, la società (attraverso i media di comunicazione),
che permettono una costruzione di significati cooperativa. Per quanto concerne
l’apprendimento scientifico, la scuola rappresenta la principale componente del sistema
‘ambiente’ ed è preciso compito della ricerca in didattica analizzare lo stato dell’arte e
sviluppare approcci didattici innovativi efficaci (Duit e Komorek, 2004).
Nei paragrafi che seguono vengono presentati i modelli mentali e la strategia
didattica della modellizzazione, il modello cognitivo nell’ambito della conoscenza e
della strutturazione della conoscenza in fisica, il quadro di riferimento per la
progettazione e per la sperimentazione didattica ed infine le motivazioni teoriche che
portano alla scelta delle strategie didattiche.
1.1 Modelli mentali e modellizzazione
La costruzione di un ambiente di insegnamento/apprendimento prevede la scelta
consapevole di strategie didattiche5. La strategia usata nell’approccio descritto in questo
lavoro è quella della modellizzazione, intesa come “quel processo che facilita la
4
Il costruttivismo è una teoria epistemologica che consente di sviluppare un quadro teorico per la
didattica. Nato come evoluzione del cognitivismo ( che sulla base positivista di una realtà retta da leggi
conoscibili considerava i processi cognitivi attraverso la metafora dell’elaboratore di informazioni),
considera “le realtà” soggettive e dipendenti dall’attività dell’osservatore e la conoscenza come prodotto
di una costruzione attiva del soggetto. Esistono diverse correnti costruttiviste.
In pedagogia è possibile analizzare il pensiero di alcuni studiosi individuando diverse correnti
costruttiviste. Si parla di costruttivismo interazionista per Piaget e Ausubel, che considerano
l’interazione del soggetto (e dei suoi schemi mentali più interni) con i dati provenienti da un non meglio
definito ambiente esterno, mentre si parla di costruttivismo socio-culturale per Vygotskij e Leont’ev che
considerano l’apprendimento come un processo di costruzione di significati socialmente negoziati.
(Varisco, 2004)
5
Con il termine “strategia didattica” intendiamo l’insieme delle modalità di gestione e delle risorse che
un educatore utilizza in modo pianificato all’interno di un contesto pedagogico, per attivare il processo di
insegnamento/apprendimento.
7
Le basi teoriche del progetto
costruzione di un modello mentale che aiuterà la comprensione dei modelli fisici”
(Greca e Moreira , 2002).
I modelli ed il processo di modellizzazione sono componenti fondamentali sia
dell’attività cognitiva del singolo che dell’indagine scientifica. I modelli mentali entrano
nel campo della didattica nel 1983, anno in cui vengono pubblicati due importanti
contribuiti relativi a due programmi di ricerca: il testo “Mental Models” di P. JohnsonLaird, che fornisce una teoria generale per fenomeni cognitivi quali il ragionamento
deduttivo e la comprensione del discorso e “ Mental Models” edito da Gentner e
Stevens, che punta l’attenzione sulla conoscenza nell’ambito dei fenomeni fisici,
introducendo per il temine modello mentale il significato seguente:
un tipo di rappresentazione della conoscenza che è implicito,
incompleto, impreciso, incoerente con la conoscenza normativa
nei vari ambiti, ma è utile, poiché risulta essere uno strumento
esplicativo e predittivo potente per l’interazione del soggetto con
il mondo, e una fonte di conoscenza affidabile, che proviene
dall’esperienza percettiva e manipolativa del soggetto con il suo
mondo. (Barquero 1995, riportato in Greca e Moreira, 2000 )
Il modello alla “Norman” è quindi una rappresentazione personale, una sorta di
simulazione mentale della realtà (Greca e Moreira, 2000), che contiene relazioni
strutturali fra i componenti che ne determinano i processi evolutivi del tipo ‘se …allora’
(Vosniadou e Ortony, 1989). Ad esempio, per costruire il modello di come funziona una
bicicletta, bisogna in primo luogo distinguere i componenti del sistema (ruote, catena,
pedali, possibili stati della ruota, …), poi stabilire le relazioni fra i componenti che
permettono alla bicicletta di cominciare a muoversi e quindi questi ci porteranno a
correre sulla bicicletta senza cadere. I modelli costruiti dai diversi individui per lo stesso
sistema possono contenere elementi differenti, che caratterizzano il funzionamento del
sistema a vari livelli, nel caso della bicicletta c’è chi usa solo elementi concreti e
visibili (i pedali, le ruote,…) e chi usa elementi astratti quali l’azione giroscopica delle
ruote (Piaget, 1930).
La caratteristica saliente della teoria di Johnson-Laird è che il modello mentale
sia una rappresentazione analogica della realtà. Nell’esempio della bicicletta
immaginiamo nella nostra mente un sostituto della bicicletta, che ci farà prevedere cosa
succederà quando la catena si romperà, senza avere specificato ogni relazione fra
8
Capitolo 1
catena, pedali, ruota. Per Johnson-Laird i modelli mentali sono ‘working models’ di
situazioni o di eventi la cui manipolazione mentale ci rende capaci di capire, spiegare e
prevedere il comportamento di un fenomeno.
Ma cosa è un modello in fisica? In una definizione risalente ai primi anni della
ricerca sui modelli Hestenes (1987), descrive il termine ‘modello’ in fisica come
il surrogato di un oggetto, la rappresentazione concettuale di
una cosa reale. I modelli in fisica sono modelli matematici, che
significa che le proprietà fisiche sono rappresentate nel modello
da variabili quantitative.
Questa definizione potrebbe portare a pensare che solo chi ha competenze matematiche,
e quindi sostanzialmente adolescenti ed adulti, possa sviluppare modelli fisici della
realtà. Ciò non è verosimile e la definizione, che chiama in causa solo la matematica,
negli anni è stata superata e sviluppata
individuando forme differenti di
rappresentazione, che possono andare dal materiale, attraverso l’uso di oggetti, al
simbolico, attraverso rappresentazioni intermedie che possono essere gestuali o testuali
e che usano linguaggi verbali, quali la lingua parlata e iconici, come immagini,
diagrammi, mappe (Boulter, 2000).
Perché un modello mentale possa essere considerato un modello scientifico deve
essere caratterizzato da un certo livello di precisione, ed avere una consistenza interna. I
modelli scientifici possono essere caratterizzati da diversi gradi di approfondimento ed
usare varie strategie di ragionamento. Un esempio che chiarisce ciò è riportato da
Clement (2008) e riguarda i livelli di conoscenza e modellizzazione nello studio dei gas.
Da una livello base in cui viene costruito il modello puramente descrittivo del
comportamento macroscopico di un gas attraverso osservazioni e misure di
cambiamenti di pressione quando il gas viene scaldato, si può passare alla costruzione
di un modello scientifico che include la descrizione matematica del comportamento. Ma
mettere insieme una serie di osservazioni empiriche non basta a comprendere il perchè
del meccanismo descritto. Si inserisce a questo livello un passaggio creativo, nel quale
lo scienziato, introducendo l’idea dell’esistenza di particelle che urtano elasticamente,
costruisce quello che Clement chiama un explanatory model, un modello che non solo
ha capacità descrittive e predittive, ma permette di spiegare come un gas si comporta e
perché si osservano dei cambiamenti di pressione al variare della temperatura. Questo
9
Le basi teoriche del progetto
tipo di modello è usato dagli esperti ed è parte integrante del sistema ipotetico-deduttivo
formale che caratterizza una teoria scientifica.
I quattro livelli di conoscenza usati nella scienza (Clement 2008)
LIVELLO
Teorie
Osservazioni
ESEMPIO: studio dei gas
4. Principi teorici formali
Principi della termodinamica
3. Explanatory model
Modello delle particelle che urtano
elasticamente
2. Descrizione qualitativa o matematica
di regolarità nelle osservazioni, che
include leggi empiriche
PV=kT
(che si riferisce a quadri di osservazioni
provenienti da apparati di misura)
1. Dati di livello base: osservazioni
Misura del cambiamento di pressione di
un gas scaldato
La validità di un modello è spesso legata alla sua funzionalità che a volte è
connessa al mezzo di rappresentazione usato (Papaevripidou, et al., 2007). Oggi
esistono molti mezzi per costruire e comunicare i modelli agli altri, oltre al linguaggio
parlato, al disegno e alla matematica, è possibile usare le tecnologie informatiche per
costruire grafici (anche in tempo reale), animazioni e ambienti di modellizzazione. La
selezione di mezzi appropriati per la rappresentazione, per quanto il tipo di
rappresentazione sia più o meno appropriato per la modellizzazione del fenomeno
specifico, dipende dalla disponibilità di mezzi e dalla loro usabilità in un contesto,
ovvero dalla familiarità che lo studente ha o può sviluppare con quei mezzi.
I modelli, in sintesi, sono la rappresentazione di un fenomeno: un oggetto, un
evento, un processo, un sistema o un’idea; funzionano trasferendo o facendo una mappa
delle somiglianze fra il modello ed il fenomeno. Sono di diverso tipo, con statuti
ontologici differenti: i modelli mentali sono la rappresentazione personale e privata,
inaccessibile agli altri, e si traducono in modelli espressi quando vengono comunicati
agli altri. I modelli espressi possono essere ephemeral, se personali o consensus model
se condivisi da un gruppo sociale: il consensus model della comunità degli scienziati è
il modello scientifico, il modello costruito in un gruppo classe è il class consensus
model (Boulter, 2000). Gli insegnanti, in classe usano versioni semplificate dei modelli
scientifici: i modelli curriculari, che vengono supportati dai modelli di insegnamento, a
10
Capitolo 1
volte chiamati anche ibridi perché fondono le caratteristiche di diversi modelli storici
(Justi e Gilbert 1999).
In un modello devono essere considerati aspetti strutturali, aspetti di
comportamento e aspetti che ipotizzano un meccanismo di funzionamento (causali). I
modelli sono essenziali sia come contenuti prodotti dalle scienze che come processi di
avvio alla comprensione scientifica del mondo. Nella scuola primaria è essenziale che i
bambini vengano introdotti al modello scientifico, ma è importante che comprendano lo
scopo e le limitazioni del modello che stanno imparando e che si attivino nell’usare
modelli e nel costruirne di propri. Proprio per questo la costruzione di modelli in una
classe di scuola primaria deve porre fortemente l’attenzione sul modello ephemeral dei
bambini, ed attraverso la sua discussione mirare alla condivisione del modello
scientifico. L’uso del linguaggio e lo sviluppo delle capacità di argomentare è uno degli
obiettivi principali nella scuola primaria e la contrattazione del modello può essere
d’aiuto.
È stato trovato (Driver et al., 1996) che
bambini cominciano con un
ragionamento di tipo descrittivo, basato sul fenomeno (quando le loro idee non sono
differenti da quello che vedono nell’esperimento), passano poi ad un ragionamento
basato sulle relazioni (quando pensano che si possa trovare una prova definitiva) e solo
in pochi casi passano ad un ragionamento basato sulla modellizzazione, riconoscendo
che la teoria che avevano prodotto va cambiata alla luce delle nuove evidenze. Ciò non
toglie però che quello della scuola primaria sia il tempo giusto per introdurre i bambini
alle norme socioscientifiche che guidano la pratica contemporanea (Kawasaki e
Herrenkol, 2004),
solo attraverso il confronto con la
fenomenologia e la
sperimentazione il bambino può rendersi attore attivo della conoscenza, produrre e
valutare spiegazioni piuttosto che accettare passivamente conclusioni tratte da altri.
Le attività didattiche mirate alla
apprendimento che hanno
modellizzazione sviluppano percorsi di
le caratteristiche
tipiche dell’indagine scientifica:
esplorazione, sintesi, previsione (Gilbert e Rutherford, 1998; Linn, 2003).
L’apprendimento basato sulla modellizzazione condivide la prospettiva delle teorie
costruttiviste dell’apprendimento (von Glasersfeld, 1994; Harel e Papert, 1991): si
assume che colui che apprende costruisca modelli mentali di fenomeni in risposta a
particolari compiti di apprendimento, generando previsioni e spiegazioni, analogamente
a quanto si osserva nella comunità scientifica in cui si sviluppano e testano ipotesi
(Clement et al, 1989).
11
Le basi teoriche del progetto
I compiti di apprendimento non sono necessariamente compiti scolastici, poiché
l’apprendimento non è legato solo all’istruzione, ma ad una esigenza intrinseca nella
natura umana. Secondo von Glasersfeld il ragionamento è un’attività personale e colui
che ragiona costruisce il suo modello. Qualche decennio prima, si trova traccia della
stessa opinione nei lavori di Morton Deutsch6 che nel 1951 dichiara “l’uomo pensa per
modelli”. Wittgenstein nel 1961 dice che la gente immagina/visualizza i fatti che
osserva per se stessa ed i modelli sarebbero questa visualizzazione della realtà. In questa
prospettiva nasce la necessità di tenere in considerazione i modelli che gli studenti
hanno al momento dell’istruzione codificata, non tacciandoli semplicisticamente di
‘ingenuità’, come è stato fatto fino alla metà degli anni ’80, ma considerandoli come un
primo livello del processo di modellizzazione. Il punto di arrivo di un percorso di
modellizzazione è la costruzione da parte dello studente di un personale modello, non
necessariamente isoforme
al modello scientifico, caratterizzato dal linguaggio
simbolico/matematico, ma condiviso con il gruppo sociale con cui si interagisce, ciò è
vero soprattutto nella scuola di base.
1.2 Il modello cognitivo
Il modello precedentemente descritto può essere interpretato come un’analisi a
livello macro dell’attore/studente. Per passare al livello meso si può rilevare che la
costruzione di conoscenza può avvenire a partire da conoscenze precedenti per
estensione, elaborazione e trasformazione, attraverso l’attivazione di risorse (Redish,
2004) che già esistono e che vanno identificate. Le strutture cognitive che sono state
studiate includono il ricordare, il connettere, il compilare e diramare l’attivazione, il
controllare.
Il ricordare è legato alle strutture atte a conservare in memoria, nelle sue due
componenti: memoria di lavoro (breve), labile e temporanea e la memoria a lungo
termine, stabile e duratura. Conservare qualcosa nella memoria a lungo termine può
essere difficile ed impegnativo, ma anche il funzionamento della memoria breve è
collegato ad essa. La memoria breve viene attivata quando si sta pensando a qualcosa ed
è in grado di gestire solo poche unità (chunks), le ricerche di Miller affermano che
6
Morton Deutsch è considerato il fondatore della moderna teoria sulla risoluzione dei conflitti (teoria e
pratica).
12
Capitolo 1
questo numero è 7±2, ricerche più recenti lo stabilizzano intorno a 3, in realtà dipende
dal contesto, dalla natura della sequenza da memorizzare e dalla possibilità di associarla
a qualcosa di già noto. Ciò succede perché la struttura principale nell’attivazione della
memoria è l’associazione. Il numero di chunks che una persona riesce ad attivare non
dipende comunque solo dalla rilevanza delle possibili associazioni, ma anche dalla
‘qualità’ e ‘quantità’ delle informazioni presenti nella memoria a lungo termine.
Quando gruppi di elementi di conoscenza, fatti, processi, sono facilmente usabili,
si dice che sono ‘compilati’ ovvero, in analogia con il linguaggio informatico, sono già
stati tradotti in linguaggio macchina e quando si deve far girare il programma non è
necessario tradurre linea per linea, operazione che rallenta di molto l’esecuzione del
programma. Molte delle difficoltà degli studenti sono legate a questa fase di
compilazione. Un esperto può fare riferimento ad un alto numero di grandi blocchi di
conoscenza compilata, mentre un novizio può contare su pochi blocchi; entrambi
possono risolvere lo stesso problema, ma l’esperto lo farà più velocemente.
L’attivazione di una risorsa di norma conduce all’attivazione di un insieme (cluster) di
risorse correlate in un quadro (pattern) che può essere chiamato “schema” o “modello
mentale”, nella definizione seguente:
Modello mentale: un set di elementi (cognitivi) correlati che si
mettono insieme per rappresentare qualcosa. Tipicamente si usa
un modello per ragionare attraverso di esso o per calcolare,
manipolando mentalmente le parti del modello per risolvere
qualche problema. (D’Andrade, 1995, pag 151)
L’attivazione di una risorsa in presenza di uno stimolo dipende dallo stimolo
stesso, ma anche dai quadri di attivazione già esistenti quando lo stimolo viene
presentato. Le risorse, organizzate in strutture, schemi e modelli vengono ricreate al
bisogno attivando il minor numero possibile di elementi della memoria a lungo termine.
L’ultima fase del percorso cognitivo è rappresentata dal controllo, al cui funzionamento
sono legati attenzione, dipendenza dal contesto e decisioni orientate ad un obiettivo.
Per completare il quadro teorico occorre individuare le risorse che sono rilevanti
nel caso della costruzione delle conoscenze in fisica. Negli anni ’80 i pezzi di
conoscenza autonomamente costruiti erano denominati misconception in un quadro in
cui queste farebbero parte di un struttura cognitiva (naive theories Mc Closkey, 1983;
Vosniadou e Brewer, 1992) che è in disaccordo con il sapere esperto. Le misconception
sono stabili e resistenti ai cambiamenti.
13
Le basi teoriche del progetto
Oggi si tende a considerare blocchi elementari di conoscenza di base, più
delimitati ma con un’applicabilità più estesa e generale, la cui correttezza dipende dal
contesto in cui vengono usati. diSessa nel 1993 ha proposto un modello che identifica
un insieme di schemi e di risorse chiamate primitive fenomenologiche (p-prim) che
sono delle convinzioni sul funzionamento del mondo fisico che lo studente considera
ovvie ed irriducibili e la cui origine va cercata nella riorganizzazione della conoscenza
intuitiva. Sono primitive nel senso che non sono ulteriormente divisibili. Le p-prim
sono le stesse, quello che le rende produttive o improduttive è l’organizzazione e la
contestualizzazione. Una p-prim usata molto diffusamente è “più vicino più forte”, o
anche “più vicino di più”. Il blocco è usato, ad esempio, quando uno studente deve
trovare una spiegazione alla temperatura maggiore nella stagione estiva, in questo caso
è riconoscibile nell’asserzione “la Terra è più vicina al Sole” e si rivela improduttiva,
ma in altri contesti, ad esempio nel caso in cui si tratta della forza elettrica, o della
luminosità al variare della distanza dalla sorgente, risulta produttiva. diSessa non
distingue p-prim concrete ed astratte, questa distinzione si trova nel lavoro di Redish
che si riferisce alle primitive concrete come sfacettature di conoscenze
(facet of
knowledge) (Minstrell, 1992), ed alle p-prim astratte come reasoning primitive.
Nell’esempio dell’estate/inverno “più vicino più forte” sarebbe una reasoning primitive,
mentre “quando c’è caldo sulla Terra siamo più vicini al Sole” è una facet.
Perché i blocchi elementari
di conoscenza diventino rappresentativi di un
concetto lo studente deve effettuare un’elaborazione che coinvolge l’integrazione delle
nuove informazioni e l’estensione delle precedenti. Un concetto è un sistema
organizzato strutturalmente, che coordina l’attivazione e l’uso di molti elementi nel
contesto. Acquisire un concetto significa coordinare molti elementi in molti modi, per
far ciò è necessario costruire delle strutture associative, per la cui interpretazione,
diSessa e Sherin (1998) hanno introdotto il concetto di classe di coordinazione
(coordination class), come:
uno specifico insieme di conoscenze e strategie (set di modi) che
permette di leggere (vedere) particolari classi di informazioni
dal mondo.
Possedere un concetto significa essere in grado di ‘vedere’ le informazioni che lo
definiscono in una varietà di situazioni. Non tutti i concetti sono classi di coordinazione,
14
Capitolo 1
lo sono la posizione di un oggetto e quantità fisiche come la forza. Ad esempio le
informazioni rilevanti che definiscono la classe di coordinazione ‘forza’, sono: punto di
applicazione, intensità, direzione; per la posizione di un oggetto invece è necessario
coordinare la localizzabilità dell’oggetto e la sua esistenza. Una classe di coordinazione
ha una sua struttura architettonica, una persona che la utilizza lo fa usando due
meccanismi, che possono essere considerati anche come due differenti sotto-classi di
conoscenza: la readout strategy e il causal net.
Nella readout strategy il soggetto utilizza un set di risorse che gli permette la
lettura delle situazioni fenomenologiche facendo avvenire la selezione delle
informazioni rilevanti nella descrizione del fenomeno, trasformando le informazioni
sensoriali in dati significativi, mentre nel causal net il soggetto opera inferenze sulle
informazioni rilevanti e sulle associazioni. Ad esempio per vedere l’intensità di una
forza il soggetto ‘osserva’ massa ed accelerazione ed ‘inferisce’ la forza come prodotto
fra massa d accelerazione.
Un individuo può essere in grado di gestire strategie di readout ma non
possedere causal net. Ciò è evidente nell’esempio piagettiano che coinvolge il concetto
di tempo: la situazione che si propone presenta il movimento di due treni che partono
dallo stesso punto nello stesso istante si muovono a velocità differente, il treno blu
continua a muoversi dopo che il treno rosso si è già fermato.
Un bambino è in grado di leggere le informazioni rilevanti che gli permetteranno di dire
che partono insieme, che il treno blu si muove ancora quando quello rosso si è fermato e
che il treno rosso era fermo quando il treno blu si è fermato. Ma dirà anche che il treno
rosso si è mosso per più tempo di quello blu. Un adulto considerando le informazioni
sull’istante di partenza e su quello di arrivo, inferisce sui tempi di permanenza in moto
dei due treni, ma alcuni bambini possono non farlo, poiché non sono in grado di
trasformare le informazioni usando la rete di causalità.
15
Le basi teoriche del progetto
La teoria delle classi di coordinazione fornisce un modello per il cambiamento
concettuale (conceptual change7), infatti benché preveda che nella costruzione di nuovi
concetti vengano creati elementi interamente nuovi, assume e tiene in conto che la
conoscenza precedente può contribuire od ostacolare la costruzione (diSessa e Sherin,
1998; Levrini e diSessa, 2008). Nel cambiamento concettuale sono individuabili due
processi: l’incorporazione e la sostituzione.
Nell’incorporazione alcuni elementi di conoscenza precedente vengono
richiamati ed usati in alcune circostanze (e non in altre), nella sostituzione elementi
dismessi della conoscenza precedente possono sovrapporsi in maniera non appropriata
al funzionamento della classe di coordinazione. Ad esempio nel caso della forza, lo
studente può determinare l’esistenza e l’intensità di una forza usando l’inferenza “se c’è
moto c’è forza”, ciò è inesatto e l’inferenza va sostituita almeno da “cose che si
muovono costantemente”.
La teoria delle classi di coordinazione ipotizza anche due difficoltà, che lo
studente incontra nel creare la classe: lo span e l’alignment. Sono legate all’abilità di
transfer, ovvero l’utilizzo dell’idea in contesti nuovi. Lo span riguarda il possedere le
risorse concettuali che permettono di operare nei vari contesti, ad esempio nel caso della
forza sia nel caso di un oggetto lanciato che nel caso di un libro fermo su un tavolo.
L’alignment riguarda la capacità di determinare in diverse circostanze le stesse
informazioni caratteristiche del concetto, ovvero “ciò che si vede” non deve cambiare se
cambiano i modi di vederlo8. Questa capacità può rivelarsi difficoltosa. Nell’esempio
della forza lo studente può vederla correttamente in date circostanze, tipo quelle in cui si
ha movimento, mentre non è in grado di vederla in situazioni statiche. Va tenuto in
conto anche che ‘le p-prim coordinano’, ovvero che il causal net iniziale è,
sostanzialmente legato all’uso di meccanismi che si identificano nelle p-prim. Le classi
di coordinazione, nel commento di Redish, sono strutture labili e dinamiche, dotate di
link associativi che possono essere deboli o forti: quando una persona opera la
7
I termini ‘conceptual change’ si traducono letteralmente con ‘cambiamento concettuale’, ma non è
possibile dare una definizione univoca di cosa esprimano se non si definisce il quadro di riferimento e
cosa si intende per ‘concetto’. Esistono diversi modelli che descrivono il cambiamento concettuale. Se si
pensa alla conoscenza come una rete semantica, in cui i concetti sono dei nodi multi-connessi, si possono
individuare diversi tipi di cambiamento: si possono aggiungere o eliminare nodi, connessioni o tipi di
connessione fra i nodi, alterare profondamente la struttura della rete. Il cambiamento concettuale può
quindi essere visto quindi sia come un fenomeno evolutivo, in cui si ha un accrescimento/modifica di
informazioni che rivoluzionario, con un cambiamento drastico di teorie (diSessa e Sherin,1988; Wiser
e Amin, 2001)
8
è anche detto invaricance
16
Capitolo 1
transizione da una concezione ingenua a quella esperta è più corretto dire che la classe
di coordinazione si è evoluta piuttosto che sia stata creata dal nulla. Le classi di
coordinazione, così pensate sono utili per discutere la transizione da un ragionamento di
tipo modulare ad uno basato sui modelli. L’expertise infatti è semplicemente legata alla
riorganizzazione ed alla capacità di contestualizzare i pezzi di conoscenza.
1.3 Il modello dell’Educational Reconstruction ed il Teaching Experiment
Il modello dell’Educatonial Reconstruction (ER), sviluppato a partire dalla metà
degli anni ’90 da un pool di ricercatori (Kattmann et al 1995, Duit et al 2005, Duit
2007) risponde alla richiesta di amalgamare due filoni di ricerca in didattica delle
scienze: il pedagogico, di stampo europeo che pone l’attenzione sul miglioramento della
pratica dell’insegnamento, e l’empirico, di stampo americano, orientato agli specifici
risultati di apprendimento dell’organizzazione dei contenuti ed al curriculum. In seno al
filone europeo, è stata espressa l’esigenza di ripensare anche i contenuti (Fensham
2001): in questo contesto si stabilizza il modello dell’”Educational reconstruction”,
combinando
la tradizione ermeneutica9 sui contenuti scientifici con un approccio
costruttivista all’insegnamento/ apprendimento.
Nel modello si affianca l’analisi epistemologica del contenuto disciplinare
all’analisi delle concezioni che gli studenti possiedono riguardo al contenuto,
nell’intento di fornire una base per la progettazione delle situazioni di apprendimento
che migliorino la comprensione dei concetti scientifici e sviluppino la scientific literacy.
Perché si possa sviluppare un insegnamento riguardo ad un particolare contenuto
è necessario in prima istanza analizzare il contenuto disciplinare dal punto di vista
epistemologico (genesi, funzione e significato dei concetti), considerandolo all’interno
del contesto socioculturale (implicazioni etiche, sociali, …). L’osservazione principale è
che un contenuto scientifico non può essere direttamente trasferito dal contesto della
scienza esperta al contesto didattico, e non può essere solo semplificato o ridotto (come
spesso avviene nella prassi didattica) per essere reso accessibile agli studenti. Nel
modello ER il processo su cui si fonda l’analisi del contenuto a livello esperto per la
sua traduzione didattica è quello dell’elementarizzazione, nel quale si costruisce il
9
L'ermeneutica è la metodologia dell'interpretazione (dal greco ερµηνευτική [τέχνη] - [l'arte del]
interpretazione,), l’assunto filosofico di base è che non esistono fatti, ma solo interpretazioni.
17
Le basi teoriche del progetto
nucleo di
concetti elementari utili alla costruzione del contenuto disciplinare da
insegnare. L’approccio epistemologico di stampo costruttivista del modello ER (Duit e
Treagust, 1998) si palesa sia dal lato dello studente, di cui vengono prese in carico le
concezioni, che dal lato della conoscenza scientifica, che è vista come una costruzione
umana (Abd-El-Khalick, e Lederman, 2000). Nel presupposto che lo studente costruisca
la sua conoscenza sulla base di quanto già sa, le concezioni ingenue non sono viste
come ostacoli all’apprendimento e vengono quindi analizzate con l’intento di
individuarne i tratti salienti utili all’apprendimento, perché possono
fornire
all’insegnante elementi per la ricostruzione scientifica del contenuto. Riguardo al
secondo aspetto la conoscenza scientifica come costruzione umana porta a presumere
che non esista una struttura di contenuti “vera” in una particolare area e che quella
comunemente chiamata “scientifica” è il modello di consenso di una particolare
comunità scientifica. In altre parole nell’ER “la conoscenza scientifica va ricostruita da
una prospettiva didattica” (Duit,2007).
Dal punto di vista procedurale l’ER si sviluppa su tre fronti: sul fronte dei
contenuti (si attua l’analisi dei contenuti), sul fronte degli studenti (di cui si analizzano
le rappresentazioni mentali), sul fronte della sperimentazione didattica (progettazione,
sperimentazione e valutazione).
Il processo dell’Educational Reconstruction (Duit e Komorek 2004)
18
Capitolo 1
Si può effettuare la valutazione dei percorsi didattici usando il Teaching
Experiment (TE). In origine il TE è un metodo di ricerca che simula in situazione
laboratoriale ciò che può accadere in un contesto scolastico reale. Sviluppato in ambito
di ricerca in didattica della matematica (Steffe, 1983) è stato successivamente esteso
nella didattica delle scienze (Katu, Lunetta e van den Berg, 1993) ed utilizza elementi
metodologici quali il Dialogo Socratico e l’intervista clinica di stampo piagettiano, che
oltre alla originale funzione di analisi del pensiero dello studente assumono lo status di
metodologie
didattiche
poiché
vengono
usati
all’interno
di
situazioni
di
insegnamento/apprendimento strutturate. Il ricercatore svolge contemporaneamente il
ruolo di docente e di intervistatore provvedendo come intervistatore ad interpretare i
quadri concettuali degli studenti e come docente a sviluppare attività didattiche, che
attraverso la discussione socratica e l’intervista portino lo studente a sviluppare
consapevolmente le proprie concezioni. Le attività didattiche coinvolte nel Teaching
Experiment non si sviluppano in maniera estemporanea, ma seguendo una sequenza
(Teaching Learning Sequence), strutturata in modo da tenere conto sia dell’analisi del
contenuto che dei risultati precedentemente trovati dalla ricerca in didattica. La
Teaching Learning Sequence (TLS), una volta sperimentata e validata nel Teaching
Experiment deve poter essere usata nelle attività didattiche consuete.
1.4 Linee guida per la scelta delle strategie didattiche
La scelta delle strategie didattiche ha alla base l’adesione ad un quadro teorico per
l’apprendimento, a sua volta fondato su teorie della conoscenza e presuppone una
riflessione sulle risorse materiali da utilizzare, le risorse cognitive che devono essere
attivate e sulle modalità attraverso cui l’apprendimento si sviluppa.
1.4.1
L’apprendimento visto nel contesto sociale
Quando si sviluppa una TLS nel contesto della tradizione costruttivista va tenuto
in conto che l’evoluzione dei concetti nell’ambito scientifico oltre che in una
prospettiva cognitiva (Piaget, 1937; Ausubel, 1968; diSessa, 1998) va analizzata anche
in un prospettiva di tipo socio culturale (Vygotsky, 1934).
19
Le basi teoriche del progetto
Piaget ed Ausubel
nell’analizzare i processi di apprendimento, hanno
privilegiato la matrice biologica, l’interazione con il mondo fisico e la dimensione
cognitiva dei processi stessi, trascurando i contesti sociali, reali, formali e informali,
scolastici ed extrascolastici, nei quali quotidianamente si apprende.
Superando l’impostazione che vede la conoscenza spontanea come estranea al
processo di formazione (secondo Vygotsky, Piaget “sembra dominato dall’idea che si
debba conoscere il pensiero del bambino come si deve conoscere il nemico per
combatterlo con successo”, p.111), si può leggere nell’approccio di Vygotsky una
valenza innovativa che vede la conoscenza spontanea e quella scolastica non come
entità separate e critiche per lo sviluppo reciproco, e riconosce il ruolo di mediazione
nello sviluppo della conoscenza ‘scolarizzata’ (Otero, 2004), cioè quella conoscenza che
si sviluppa nell’interazione con i sistemi culturali e sociali (già individuati in questa
sede come ‘ambiente’):
l’interdipendenza dei concetti scientifici e spontanei è un caso
speciale in una materia molto più vasta: la relazione fra
l’istruzione scolastica e lo sviluppo mentale del bambino (p120).
Secondo Vygotsky l’istruzione scolastica e lo sviluppo dei concetti nel bambino
non sono due operazioni coincidenti: l’istruzione precede lo sviluppo del concetto. Lo
sviluppo mentale del bambino può essere misurato in termini di ciò che il bambino può
fare quando è assistito, non quello che già sa o sa fare. Fra quello che il bambino sa già
fare e ciò che può imparare con la dovuta strutturazione (scaffolding) vi è la Zona di
Sviluppo Prossimale (ZPD), cioè quell’ ambito nel quale l’educatore può aiutare lo
studente a creare conoscenza. Nella ZPD lo studente riesce a svolgere compiti che non
sarebbe in grado di svolgere da solo, con lo scaffolding di un adulto o in collaborazione
con un pari più capace, attraverso la mediazione degli scambi comunicativi.
Le potenzialità della
sfruttate
Zona di Sviluppo Prossimale possono quindi essere
avvalendosi del concetto di
mediazione. Quando uno studente sviluppa
conoscenza in ambito scolastico usa due tipi di mediazione: la mediazione di concetti e
di artefatti. La mediazione di un concetto per mezzo di un altro si ha, ad esempio,
quando lo studente sfrutta la sua comprensione del mondo per trasformare le parole
usate dalla comunità scientifica in significati a lui comprensibili; essa è una mediazione
di carattere logico/linguistico. Il soggetto nel momento in cui interagisce socialmente
20
Capitolo 1
con gli altri, mediante il linguaggio, si appropria di nuovi strumenti cognitivi, che gli
serviranno ad alimentare un agire linguistico interiore, che poi
gli permetterà di
risolvere in maniera autonoma problemi analoghi a quelli affrontati con gli altri.
La mediazione degli artefatti culturali si ha ogni volta che si fa uso di schemi
condivisi, modelli, apparati
di laboratorio. In questa prospettiva va inserito l’uso
dell’elaboratore che è diventato, negli anni, un potente strumento di mediazione,
allorché funge da strumento di comunicazione, simulazione, misura,
elaborazione,
visualizzazione e modellizzazione.
1.4.2
L’importanza della visualizzazione
Nell’accezione quotidiana visualizzare significa “rendere apprezzabile con la
vista” (Devoto Oli), ma significa anche “formarsi un’immagine mentale” (Oxford
Dictionary). La visualizzazione può essere riferita sia alla rappresentazione di
informazioni riguardanti oggetti macroscopici reali sia alla loro rappresentazione
simbolica, ma può riferirsi anche alla rappresentazione di informazioni di tipo numerico
mediante grafici, tabelle, diagrammi.
In questo contesto per visualizzazione intenderemo l’azione cognitiva attraverso
la quale una persona si crea l’immagine mentale di un oggetto con il quale può
interagire attraverso i sensi o di una struttura che non può percepire o ancora
dell’andamento delle grandezze in un fenomeno fisico. Visualizzare quindi nel senso di
utilizzare informazioni percettive o razionali ed elaborarle con il pensiero in modo che
esse diventino un’immagine dinamica rappresentativa dell’oggetto/fenomeno.
In ambito pedagogico si danno due significati alla visualizzazione, parlando di
visualizzazione interna e visualizzazione esterna. Ci si riferisce alla visualizzazione
esterna quando si usa la percezione, alla visualizzazione interna quando i risultati della
percezione vengono rappresentati nella mente. La ricerca si è finora occupata soprattutto
della visualizzazione esterna, giungendo alle conclusioni che un testo scritto, per sua
natura di struttura lineare, offre un minor supporto allo sviluppo della visualizzazione,
mentre le visualizzazioni in due dimensioni, diagrammi, modelli 3D statici supportano
la visualizzazione di quei sistemi in cui si devono considerare soprattutto aspetti
spaziali, nei casi invece in cui diventano significative le relazioni causali i mezzi più
idonei sono la rappresentazione dinamica e la simulazione. In ambito educativo, però
21
Le basi teoriche del progetto
non ci si può fermare alla individuazione dei mezzi opportuni per creare visualizzazioni
esterne, è necessario favorire la formazione di visualizzazioni interne, mirando a
sviluppare negli studenti capacità metavisuali.
Il termine metacognizione si riferisce alla capacità di un individuo di riflettere
sul proprio apprendimento in modo da essere capace di monitorarlo, integrarlo,
estenderlo (Gunstone, 1994). Analogamente ci si riferisce alla metavisualizzazione
quando l’individuo è in grado di riconoscere nella moltitudine di immagini con cui
viene a contatto, quelle che sono significative per il suo apprendimento, ed usarle.
L’esistenza di capacità metavisuali può essere basata su tre considerazioni. La
prima è che esiste un’intelligenza spaziale10. Centrale per l’intelligenza spaziale è la
capacità di percepire il mondo visibile accuratamente, per operare trasformazioni e
modificazioni sulla propria esperienza visuale, anche in assenza di stimoli visuali
(Gardner, 1983, pag.173). La seconda considerazione riguarda il meccanismo della
memoria. Un individuo che ha capacità metavisuali deve essere in grado di distinguere
quali immagini acquisire, come mantenerle in memoria, come richiamarle.11
Infine vanno considerate le relazioni che la visualizzazione ha con la formazione
del pensiero. Secondo Peterson (1994)12, tali categorie sono quattro:
1. Ragionamento: ragionando si producono nuove immagini, ricombinando
immagini già presenti (analogia visuale). Un esempio è lo sviluppo del
modello di ondulatorio della luce che si è formato dopo il modello delle onde
meccaniche.
2. Apprendimento di
abilità gestuali: nell’imparare un’abilità gestuale
connessa ad un preciso compito (ad esempio la taratura di una bilancia),
l’individuo inizialmente produce una percezione visuale dei movimenti che
sono necessari allo svolgimento del compito. Ciò avviene osservando il
comportamento di un esperto. Questa percezione viene utilizzata per guidare
i movimenti fino a che non si è sviluppata un’immagine mentale (che può
condurre anche ad un’automatizzazione dei gesti).
10
Le capacità spaziali avrebbero sede nell’emisfero destro del cervello
Il riferimento è al modello delle operazioni di memoria di Nelson e Narens (1994).
12
Riportato in Gilbert 2007
11
22
Capitolo 1
3. Comprensione di descrizioni verbali: la memoria visuale è distinta dalla
memoria linguistica. Una visualizzazione può essere generata da una serie di
proposizioni
testuali,
ad
esempio
uno
studente
può
crearsi
una
visualizzazione degli atomi in un gas perfetto attraverso la descrizione del
modello. Lo sviluppo di software di visualizzazione virtuale, fornendo
direttamente una visualizzazione, può rendere obsoleto questo processo
(Gilbert, 2007).
4. Creatività: nella costruzione delle immagini mentali è possibile una
reinterpretazione del significato di immagini esistenti e/o il cambiamento del
sistemi di riferimento in cui è contestualizzata un’immagine. La storia delle
scienze è piena di esempi in cui i più grandi scienziati hanno fatto operazioni
del genere: è il caso di Faraday, Maxwell, Tesla, Feynman (Shepard,1988).
Una persona che
ha sviluppato capacità metavisuali nell’area scientifica coordina
capacità di visualizzazione generali ad una serie di conoscenze e di abilità che si
riferiscono alle convenzioni scientifiche.
La semiotica fornisce un modo per contestualizzare i codici rappresentativi di
una particolare visualizzazione13. Gilbert (2007) ha rielaborato il triangolo semiotico di
Ogden e Richards per fornire un quadro interpretativo delle capacità metavisuali.
Nel triangolo di Ogden e Richards il significato è il concetto, contenuto mentale
individuale ma anche collettivo che ha origine nel gruppo sociale, il significante è il
13
La semiotica è la disciplina che studia i segni ed i significati. Si occupa di comprender come si
producono, come vengono riconosciuti e come vengono utilizzati i segni per pensare e per comunicare,
ovvero del modo in cui i segni contengono e comunicano senso, significati, contenuti. (Buchler 1940)
23
Le basi teoriche del progetto
segno che permette di strutturare la realtà del referente. Nella elaborazione di Gilbert,
un consensus model ha relazioni con ciò che rappresenta (referente) e con il significato
che evoca (modello mentale): gioca quindi il ruolo di significante, attraverso un insieme
strutturato si segni e di regole. Le relazioni fra referente e modello sono governate dalla
natura delle semplificazioni e delle assunzioni operate14 ed un modello si condivide
rappresentandolo in un certo modo in analogia con la fonte che è rappresentativa dei
fenomeni reali con cui si esperisce. Essere metacognitivamente capaci significa
conoscere convenzioni, scopi e limitazioni del modello, ovvero ciò che esso può e non
può rappresentare.
Si possono sviluppare capacità metavisuali attraverso buone pratiche. Le buone
pratiche devono seguire delle linee guida riguardanti la loro contestualizzazione nel
curriculum e l’impostazione degli strumenti. Usando visualizzazioni di strutture
complesse è buona norma
partire da rappresentazioni regolari e geometricamente
semplici, per procedere aumentando la complessità. Nella pratica della visualizzazione
inoltre vanno sfruttate le potenzialità degli effetti della luce e del colore. La pratica della
visualizzazione va correttamente e significativamente integrata in un curriculum,
altrimenti rischia di diventare inappropriata. Lo studente va guidato in uno scenario di
risoluzione di problemi, di situazioni sperimentali, in modo che la visualizzazione
diventi uno strumento di pensiero (Rapp, 2007).
Visualizzare è al tempo stesso un’azione personale e un’azione sociale: essere
in grado di visualizzare significa essere in grado di descrivere per comunicare agli altri
e di comprendere le altrui descrizioni e si visualizza attraverso l’interazione diretta con
il mondo ma anche attraverso lo scaffolding. In questa prospettiva anche il computer
può svolgere un ruolo di supporto.
Rappresentare con immagini un modello “visuale” con l’ausilio di un software
rappresenta un modo per interagire con l’immagine mentale che l’individuo si è
costruita per rappresentare ed interpretare qualcosa che ha osservato o pensato. Il
software può essere considerato un “interlocutore” il cui ruolo nelle ZPD può essere sia
quello di pari più esperto, sia quello di insegnante. Rappresenta il pari esperto quando lo
studente interagisce con esso liberamente, modificando ad esempio i parametri secondo
14
Nello sviluppo di modelli scientifici si producono spiegazioni per i fenomeni naturali, che non sono
pronti in natura. Lo scienziato impone le proprie idee su quello che considera importante semplificando
la complessità del mondo naturale, scegliendo fenomeni esemplari che possono aiutare la formazione di
percezioni visuali di ciò che accade nella realtà. I modelli diventano funzionali se si riesce attraverso di
essi a visualizzare entità, relazioni, cause, effetti nei fenomeni esemplari.
24
Capitolo 1
le sue ipotesi: la risposta del software può essere assimilata a quella di un pari che,
conoscendo già le regole da applicare, anticipa o conferma quello che lo studente ha
ipotizzato. Il software funge da insegnante quando suggerisce percorsi e guida
l’esplorazione. Lo studente apprende dal software quando interiorizza il frutto
dell’interazione sociale, quando cioè diventa capace di usare autonomamente gli stessi
processi per i quali prima aveva bisogno di supporto.
In conclusione nel processo di modellizzazione le capacità di visualizzazione
giocano un ruolo importante. A seconda del tipo di fenomeno, agiscono come
rappresentazione della realtà osservata o come idealizzazione di una realtà basata
sull’astrazione. Ciò avviene ad esempio quando dall’osservazione macroscopica si
passa alla visione microscopica (Gilbert, Boulter, Rutherford 2000), o quando si
ricreano situazioni idealizzate, basti pensare a problemi di meccanica in cui si azzera
l’attrito. La significatività della visualizzazione nella didattica delle scienze è stata
confermata da ricerche sulle capacità metavisuali (Clement et al 2007). Tali ricerche
suggeriscono di sviluppare sistematicamente le capacità metavisuali degli studenti,
coinvolgendoli in situazioni di classe/laboratorio che promuovano l’apprendimento
attivo, sociale.
25
Capitolo 2
CAPITOLO 2
Definizione del problema e domande di ricerca
2.0 Introduzione
L’educazione scientifica è un percorso che prende avvio già nella scuola
dell’infanzia e si sviluppa in maniera più o meno organica attraverso tutto il ciclo di
istruzione primaria e secondaria. L’insegnamento/apprendimento della fisica nel primo
ciclo di istruzione è affidato ad insegnanti non specialisti che si trovano a dover trattare
argomenti fondanti di una disciplina su cui non hanno abbastanza preparazione, con
interlocutori sempre meno sprovveduti con il passare degli anni. I bambini oggi sono
abituati dai media all’uso di un linguaggio proto-scientifico
e la loro esperienza
quotidiana è legata strettamente all’uso di oggetti tecnologici. A tutto ciò non sempre
corrisponde nella prassi un adeguato sviluppo delle tecnologie didattiche.
Questo studio affronta il problema della modellizzazione nel contesto
dell’analisi del livello accessibile ai bambini e degli strumenti opportuni per predisporre
ambienti di apprendimento, scegliendo come ambito di indagine uno dei nuclei fondanti
della fisica.
Uno dei nodi concettuali della fisica di base è la distinzione fra calore e
temperatura, utilizzati spesso come sinonimi nel linguaggio comune. Gli specialisti sono
in grado di distinguere le due grandezze considerandone il carattere estensivo dell’uno
rispetto a quello intensivo dell’altra e mettendo correttamente in relazione di causaeffetto la presenza in un sistema dell’aumento/diminuzione di temperatura o il
manifestarsi di fenomeni di passaggio di stato alla variazione di energia meccanica,
termica, elettrica. Ma la comprensione profonda della differenza fra calore e
temperatura si ha quando si costruisce il modello di struttura della materia sviluppando
l’impianto teorico della teoria cinetica dei gas. Questa costruzione, ovviamente,
Definizione del problema e domande di ricerca
presuppone conoscenze a livello esperto sia riguardanti l’ambito della fisica (la
meccanica) che quello della matematica (algoritmi e concetti statistici).
Nel primo ciclo di istruzione (Scuola Primaria e Secondaria di Primo Grado)
viene fornito allo studente un modello di struttura della materia che si limita alla
distinzione degli stati di aggregazione attraverso la descrizione fenomenologica delle
proprietà macroscopiche. Per altro gli studenti vengono informati del fatto che la
materia è costituita da atomi/molecole e che la loro organizzazione/struttura è in
qualche modo responsabile delle proprietà osservate. Nei libri di testo per la scuola
primaria si usano spesso termini quali atomo o molecola:
Esempio di uso dei termini atomo/molecola in libri di scuola primaria (quarta classe)
La materia è composta da piccole particelle, sempre in movimento, chiamate molecole (p.168)
Allevi, Fontolan, Valentini Passaporto per… (2008)
La materia è composta da particelle minuscole non visibili anche con il microscopio più potente, glia
tomi (p163)
Aloisi Colombo Tonolini Missione Nautilus (2008)
Grazie a strumenti molto precisi e procedimenti complessi, gli scienziati sono riusciti a suddividere le
sostanze in parti molto piccole e invisibili ad occhio nudo, che però mantengono le caratteristiche delle
sostanze di partenza: le molecole.
AA VV. Fuoriclasse (2008)
Manca una modellizzazione
che renda possibile il collegamento fra le proprietà di
microlivello (singole molecole e tipi di interazione) e quelle macroscopiche (es.
temperatura, calore). E’ impossibile pensare di introdurre la modellizzazione a livello
esperto e ciò determina una frattura fra l’interpretazione a livello macro e quella a
livello micro.
La nostra TLS (la cui progettazione è descritta nel capitolo 5) fornisce un
percorso didattico che supera l’impossibilità di visualizzare il livello microscopico
creando un collegamento con la fenomenologia osservabile. Ciò dovrebbe, a nostro
avviso, contribuire alla comprensione del concetto di calore come energia in transito per
effetto dell’interazione termica: è quello che intendiamo per “modellizzazione
dell’energia termica”, ovvero di quella componente dell’energia interna di un sistema
che si può associare al movimento delle particelle nella materia, che si può considerare
responsabile delle sensazioni termiche e che varia al variare della temperatura della
materia.
28
Capitolo 2
2.1 Calore, temperatura e modellizzazione negli standard
La didattica che si attua nella scuola è frutto di una mediazione fra ciò che viene
indicato a livello nazionale nei “programmi” e ciò che i “si può fare”, intendendo con
questo il risultato a cui portano componenti quali preparazione/preferenze degli
insegnanti e risorse logistiche disponibili. L’analisi delle indicazioni diffuse a livello
nazionale in diversi paesi (USA, Regno Unito, Francia, Italia) permette di effettuare una
comparazione della presenza di contenuti e approcci.
2.1.1 La situazione nei paesi anglosassoni
Negli Stati Uniti esistono diversi documenti che delineano gli standard per la
“scientific literacy”: nel 1989 l’American Association for the Advancement of Science
in seno al Progetto 2061 pubblica Science for All Americans15, in cui si definisce la
“literacy” per le scuole superiori. Il documento non presenta una divisione di contenuti
in relazione ai livelli scolari, che si trovano, invece nei Benchmarks: Science for All
Americans16, pubblicati nel 1993 e successivamente aggiornati in rete. Nella parte
introduttiva alla struttura della materia si afferma che la teoria atomica permette di
spiegare molti fenomeni, ma necessita di molta immaginazione e della capacità di
mettere insieme diverse evidenze, capacità che non sempre si hanno fino
all’adolescenza. Il comportamento dei gas, ad esempio, può essere studiato
macroscopicamente (compressibilità ed espansione termica) ma le leggi che ne
descrivono il comportamento possono confondere gli studenti. Ciononostante, alla fine
dell’8° grado (13 anni di età) lo studente dovrebbe essere in grado di maneggiare l’idea
generale che molti fenomeni si possono spiegare con le diverse composizioni di un
grande numero di invisibili, minuscole parti in movimento. In parallelo trattando le
trasformazioni dell’energia viene suggerito far familiarizzare i bambini (fino al grado
5°, 10 anni) con il riscaldamento ed il raffreddamento di oggetti in un ambiente, usando
sensori collegati al computer e costruendo grafici che mostrino anche piccole variazioni
di temperatura, in modo tale che i bambini possano esaminare diverse tipologie di
15
AAAS (American Association for the Advancement of Science) (1989) Science for All Americans.
New York: Oxford University Press. http://www.project2061.org
16
AAAS (American Association for the Advancement of Science) (1993) Benchmarks for Science
Literacy. New York: Oxford University Press.. http://www.project2061.org/publications/bsl/online/index
29
Definizione del problema e domande di ricerca
scambi di energia termica, mentre una modellizzazione microscopica dell’energia
termica è consigliata nel livello successivo.
Nella tabella che segue vengono messi a confronto gli stralci dei Benchmarks
relativi a quanto detto prima.
Livello 3-5 (8-10 anni)
Livello 6-8 (11-13 ani)
STRUTTURA DELLA MATERIA
− Riscaldare e raffreddare
− Atomi e molecole sono in continuo
può causare cambiamenti
movimento. L’aumentare della temperatura
nelle proprietà dei
fornisce una maggiore energia media di
materiali, ma non tutti i
movimento, e per questo molte sostanze si
materiali rispondono allo
espandono quando vengono riscaldate.
stesso modo quando
− Nei solidi, gli atomi o le molecole sono
vengono scaldati o
posizionate vicine e possono solo vibrare.
raffreddati.
Nei liquidi, esse hanno un’energia maggiore,
− Molti tipi di cambiamenti
sono connesse in modo più debole e possono
avvengono più
scivolare una sull’altra; alcune molecole
velocemente in
possono avere tanta energia da sfuggire in un
gas. Nei gas, gli atomi o le molecole hanno
condizioni di maggiore
ancora più energia e sono liberi eccetto che
temperatura.
durante gli urti.
− I materiali possono
− Tutta la materia è fatta di atomi, che sono
essere composti da parti
che sono troppo piccole
troppo piccoli per essere visti direttamente
per essere viste senza un
con un microscopio.
ingrandimento.
−
−
−
−
30
TRASFORMAZIONI DELL’ENERGIA
− Luce e altre onde elettromagnetiche possono
Quando due oggetti
scaldare gli oggetti. Quanto la temperatura di
vengono strofinati uno
un oggetto cresce dipende da quanto è
sull’altro si riscaldano.
intensa la luce che raggiunge la superficie,
Possono essere anche
quanto a lungo l’oggetto è illuminato e
usati molti meccanismi
quanta luce è assorbita.
meccanici ed elettrici.
− L’energia termica (Thermal energy) si
Quando un oggetto più
trasferisce in un materiale per urti di atomi
caldo viene messo in
con il materiale. Nel tempo, l’energia tende a
contatto con uno più
distribuirsi in tutto il materiale e da un
freddo, il più caldo si
materiale ad un altro se sono a contatto.
raffredda e il più freddo
L’energia termica può anche essere
si riscalda finché non
trasferita attraverso correnti d’aria, acqua o
raggiungono la stessa
altri fluidi. In più, parte dell’energia termica
temperatura.
in tutti i materiali viene trasformata in
Quando un oggetto più
energia luminosa e irraggiata nell’ambiente
caldo viene messo in
attraverso onde elettromagnetiche; questa
contatto con uno più
energia luminosa può essere ritrasformata in
freddo, il calore passa
energia termica quando le onde
(heat is transferred) dal
elettromagnetiche raggiungono un altro
più caldo al più freddo.
materiale. Come risultato, un materiale tende
Un oggetto più caldo può
a raffreddarsi a meno che qualche altra
raffreddarsi a contatto o a
forma di energia non venga convertita in
distanza.
energia termica nel materiale.
Capitolo 2
Nel 1996 viene pubblicato inoltre il National Science Education Standards
17
che,
recependo quanto dettato dal progetto 2061 stabilisce gli standard di riferimento per
quanto riguarda la preparazione degli insegnanti, le strutture scolastiche, i contenuti
dell’insegnamento e rappresenta sia un criterio per la valutazione dell’intero sistema
formativo sia uno strumento per il coordinamento delle diverse realtà educative. Nel
capitolo 6 Science Content Standard gli argomenti vengono presentati in sette categorie
e raggruppati per tre livelli di scolarità selezionati in considerazione di una serie di
fattori, quali le teorie di sviluppo cognitivo, l’esperienza degli insegnanti,
l’organizzazione del sistema scolastico e l’omogeneità con gli standard relativi ad altre
aree.
Levels K4
Primary School
6 a 9 anni di età
Levels 5-8
Junior High Schools
10 ai 13
Levels 9-12
High Schools
14 ai 17
I contenuti descritti non rappresentano
un curriculum di scienza (che dovrebbe
presentare il modo in cui i contenuti vengono organizzati e portati in classe) ma quello
che il ragazzo deve imparare. La prima e la seconda categoria “Unifying concepts and
processes” e “Science as inquiry” contengono gli stessi titoli per i tre livelli, mentre i
successivi, che si riferiscono alla divisione ‘classica’ nelle scienze ed alla tecnologia
presentano una struttura per livelli.
UNIFYING CONCEPTS AND
PROCESSES
−
−
−
−
−
Sistemi, ordine ed organizzazione
Evidenze, modelli e spiegazioni
Cambiamenti, costanza e misure
Evoluzioni ed equilibrio
Forme e funzioni
SCIENCE AS INQUIRY
−
−
Abilità necessarie per condurre
un’indagine scientifica
Comprensione
dell’indagine
scientifica
La categoria “Physical Science” individua fatti scientifici, concetti, principi, teorie e
modelli che è importante che lo studente conosca, comprenda, usi.
17
National Research Council (1996) National Science Education Standards Washington, D. C. National
Academy
31
Definizione del problema e domande di ricerca
PHYSICAL SCIENCE STANDARDS
Livello K-4 (fino a 9 anni)
Proprietà di oggetti e materiali
Posizione e moto degli oggetti
Luce, calore, elettricità e magnetismo
Livello 5-8 (10-13 anni)
Proprietà e cambiamenti di proprietà della
materia
Moti e forze
Trasferimento di energia
Per quanto riguarda i bambini fino a 9 anni (livello K-4) le raccomandazioni
suggeriscono di porre l’attenzione sulla materia esaminando e descrivendo
qualitativamente gli oggetti. Viene affermato che le idee più astratte della scienza, come
la struttura atomica della materia e la conservazione dell’energia cominciano con
l’osservazione ma che la loro introduzione è successiva. In questa fase gli Standard
suggeriscono di sviluppare la capacità di osservazione e descrizione delle proprietà della
materia, i cui cambiamenti nel tempo durante le interazioni sono prerequisiti per la
successiva introduzione di idee più astratte. Riguardo alla temperatura viene suggerito
l’uso dei termometri e viene segnalata la necessità di introdurre i diversi modi
‘produrre’ calore: strofinando, mescolando sostanze, per conduzione. Dai 10 ai 13 anni
(Livello 5-8) invece, è possibile introdurre atomi e molecole o migliorare la
comprensione di essi in maniera tale che le particelle possano essere usate come una
spiegazione per le proprietà di elementi e composti: ad esempio può essere utile nel
trattare l’idea diffusa che atomi e molecole siano piccoli pezzi della sostanza
macroscopica che mantengono le stesse caratteristiche anche a livello microscopico. Gli
Standard però mettono in guardia rispetto a scelte di questo tipo perché l’attenzione al
microscopico può determinare una distrazione dalla descrizione del livello
macroscopico e si afferma che pochi allievi a questo livello sono in grado di
comprendere l’idea particellare.
Un indirizzo simile si trova nel National Curriculum for England 18 nel quale si
suggerisce di far cominciare ai bambini di età 5-11 anni (KEY STAGE 1 e 2)
l’esplorazione e la descrizione del comportamento di materiali di uso comune (acqua,
cioccolata, pane, argilla) ed i cambiamenti che avvengono quando vengono riscaldati o
raffreddati. Mentre al per gli 11-14 anni (K3) si introduce:
− la distinzione tra calore e temperatura
− come la differenza di temperatura possa portare al trasferimento di energia
18
National Curriculum for England http://www.nc.uk.net/nc_resources/html/about_NC.shtml
32
Capitolo 2
− l’energia viene trasferita dal movimento di particelle nella conduzione,
convezione ed evaporazione
− l’energia è trasferita direttamente dalla radiazione.
2.1.2 La situazione in Francia
Sulla stesse posizioni si allinea la scuola francese. Nei primi anni del 2000 la
scuola francese appariva in crisi profonda, sembrava che il sistema non riuscisse a
garantire i saperi di base ad una larga fascia della popolazione. Da questo prese spunto
la definizione, da parte dell’ Haut Conseil de l’éducation (che è un organo indipendente
del sistema statale che ha carattere consultivo) del socle commun, lo zoccolo di cultura
imprescindibile sul quale si sarebbe dovuta riorganizzare l’intera scuola dell’obbligo19.
Il
socle commun è costituito dalle conoscenze e dalle competenze necessarie al
cittadino per portare avanti con successo il percorso scolastico e poi essere in grado di
portare avanti la formazione personale e professionale continua. Si articola in 7
macrocompetenze, che contengono conoscenze e capacità di metterle in gioco, relative
alle lingue, alla cultura matematica e scientifica, alle TIC ed alle competenze civiche e
personali.
Nella scia di questo ripensamento dei “programmes scolaires”, nella primavera
del 2008 vengono resi pubblici per la consultazione nuovi programmi per la scuola
primaria e per il Collège20 essi…
Definiscono, per ciascun ciclo, le conoscenze essenziali che
devono essere acquisite nel corso del ciclo ed i metodi che
devono essere assimilati. Costituiscono il quadro nazionale nel
cui segno gli insegnanti organizzano i loro insegnamenti
tenendo conto dei ritmi di apprendimento di ciascun allievo.
Per la scuola primaria sono previsti due temi, Découverte du monde per il primo biennio
e Culture scientifique et technologique per il triennio (Cycle des approfondissements
C.E.2, C.M.1, C.M.2). Solo nell’ultima classe della scuola primaria si ha la
presentazione della materia nei suoi stati e cambiamenti, attraverso l’analisi di acqua ed
19
Ministère éducation nationale (2008) Le nouveaux programmes del l’école primarie soumis à
consultation le B.O. Hors-Série
20
Direction génerale de l’Enseignement scolaire, Bureau des programmes d’enseignement (2008)
Collège
http://media.education.gouv.fr/file/02_fevrier/24/3/BOEcolePrimaireWeb_24243.pdf
http://www.education.gouv.fr/cid38/horaires-et-programmes.html
33
Definizione del problema e domande di ricerca
aria. L’idea portante del documento è quella che conoscenze e competenze vengono
acquisite in un situazione di apprendimento di carattere sperimentale. Lo ‘spirito’ è
quello del progetto “la Main à la pâte”21, che viene espressamente citato come esempio
di organizzazione delle attività di ricerca “che sviluppano curiosità, creatività, spirito
critico e interesse per il progresso scientifico e tecnico” (vedi riquadro). L’approccio
pedagogico si basa sull’osservazione e la manipolazione di materiali concreti, con
l’obiettivo di costruire conoscenza attraverso tali attività ed il confronto con i pari,
sviluppando la capacità di argomentare. Rimane comunque ad un livello
macroscopico/fenomenologico.
Enseigner les sciences à l’école primarie
“La Main à la pâte mira a rinnovare e sviluppare l’insegnamento delle scienze e della tecnologia alla
scuola primaria. Essa promuove la messa in opera da parte degli insegnanti di una pedagogia di indagine
che associ esplorazione del mondo, apprendimento scientifico, sperimentazione e ragionamento,
padronanza della lingua e argomentazione, perché ogni bambino approfondisca la sua comprensione degli
oggetti e dei fenomeni che lo circondano e sviluppi la curiosità, creatività e spirito critico”
L’approccio pedagogico:
1. I bambini osservano un oggetto o un fenomeno del mondo reale, vicino e sensibile, e sperimentano su
di esso.
2. Durante le loro indagini, i bambini argomentano e ragionano, mettendo in comune e discutendo le
loro idee e i loro risultati, costruendo la loro conoscenza, un’attività puramente manuale non basta.
3. Le attività proposte agli allievi dagli insegnanti sono organizzate in sequenze in previsione di una
progressione di apprendimenti. Esse scelgono dei programmi e lasciano in grande parte autonomia ai
bambini.
4. Un minimo di due ore settimanali è dedicato ad un tema per diverse settimane. Viene assicurata una
continuità di attività e di metodi pedagogici.
5. I bambini hanno ciascuno un quaderno di esperienze con i propri scritti.
6. L’obiettivo principale è un’appropriazione progressiva, da parte degli allievi, di concetti scientifici e
di tecniche operative, accompagnate da una consolidazione di espressioni scritte e orali.
I programmi del Collège, alla voce Culture scientifique et technique, attraverso
l’elencazione di obiettivi intorno cui organizzare i programmi, presentano un dettaglio
dei contenuti scientifici. Alla voce “fisica e chimica”, si legge che gli studenti devono
comprendere che il comportamento della materia è regolato da leggi e che la materia è
formata da atomi e molecole, e conoscere le principali ‘proprietà dell’acqua e dell’aria’.
In classe quarta dallo studio fenomenologico dell’aria si introduce l’idea di molecola
come elemento che compone il gas quindi si passa all’analisi dei tre stati di
21
http://www.lamap.fr/
34
Capitolo 2
aggregazione dell’acqua attraverso una descrizione molecolare. Viene suggerito poi per
la quinta classe un approccio fenomenologico ai cambiamenti di stato, basato
sull’osservazione e sulla sperimentazione “senza modellizzazione”: l’aumento di
temperatura necessita di un apporto di energia, i cambiamenti di stato mettono in gioco
trasferimenti di energia.
Dall’analisi precedente si può trarre la conclusione che nelle indicazioni per gli
insegnanti nei paesi anglosassoni ed in Francia non venga consigliato lo sviluppo dei
modelli microscopici della materia.
2.2 La scuola italiana
Nell’ultimo decennio in Italia si sono succeduti diversi progetti di riforma e
ciascuno di essi ha prodotto un diverso lessico e diverse ‘indicazioni’ curriculari. Senza
voler fare una storia dettagliata del processo ancora in atto è importante delinearne le
principali modifiche, in relazione ai temi trattati
in questa sede. Innanzi tutto va
specificato che il ‘primo ciclo di istruzione’, dai 6 ai 14 anni viene presentato in un
documento unico a partire dal 200422, anno in cui si ha la pubblicazione del Decreto
legislativo n.5923, in cui si delinea il “Profilo educativo, culturale e professionale dello
studente (PECUP)”24. In precedenza i programmi della Scuola Primaria (SP) e delle
Scuola Secondaria di Primo Grado (SSPG) venivano considerati separatamente: i
‘Nuovi Programmi’ della allora denominata ‘Scuola Elementare’ risalgono al 198525,
mentre quelli per la Scuola Media al 197926.
A partire dal documento del febbraio 2004 troviamo dunque un lessico comune
per due diversi gradi di scolarità:
Il percorso educativo della Scuola Primaria, nella prospettiva
della maturazione del Profilo educativo, culturale e
professionale (PECUP) dello studente alla conclusione del ciclo
dell’istruzione, utilizza gli obiettivi specifici di apprendimento
indicati nelle tabelle allegate per progettare Unità di
Apprendimento. Queste partono da obiettivi formativi adatti e
significativi per i singoli allievi, definiti anche con i relativi
22
http://www.edscuola.com/archivio/norme/decreti/dlvo_171005.pdf
Dlgs n.59 Definizione delle norme generali relative alla scuola dell'infanzia e al primo ciclo
dell'istruzione a norma dell'articolo 1 della legge 28 marzo 2003, n. 53
24
Appendici al DLGS http://www.edscuola.com/archivio/norme/decreti/dlvo059_04a.pdf
25
D.P.R. 12 febbraio 1985, n 104, http://www.edscuola.com/archivio/norme/programmi/elementare.html
26
D. M. 9 febbraio 1979, http://www.edscuola.com/archivio/norme/programmi/media.html
23
35
Definizione del problema e domande di ricerca
standard di apprendimento, si sviluppano mediante appositi
percorsi di metodo e di contenuto e valutano, alla fine, sia il
livello delle conoscenze e delle abilità acquisite, sia se e quanto
esse abbiano maturato le competenze personali di ciascun
allievo.
La seguente tabella riassume quanto si rileva in relazione al tema di interesse dagli
allegati contenenti gli Obiettivi Specifici di Apprendimento riguardanti le Scienze, nei
quali vengono delineate conoscenze ed abilità disciplinari che l’alunno avrà trasformato
in competenze personali attraverso le attività proposte dalla scuola, mentre la
configurazione degli obiettivi formativi viene delegata all’istituzione scolastica.
SP
Prima
Conoscenze
− Caratteristiche proprie di un oggetto
e delle parti che lo compongono
SP
Primo
biennio
− Proprietà di alcuni materiali
caratteristici degli oggetti (legno,
plastica, metalli, vetro…).
− Solidi, liquidi, gas nell’esperienza di
ogni giorno.
SP
Secondo
biennio
− Calore e temperatura. Fusione e
solidificazione, evaporazione e
condensazione; ebollizione.
− Energia termica ed elettrica nella
vita quotidiana.
SSPG
Primo
biennio
− Lavoro ed energia.
SSPG
Terza
− Differenza fra temperatura e calore.
Il termometro.
Abilità
− Esplorare il mondo attraverso i
cinque sensi.
− Trasformare oggetti e
materiali: operazioni su
materiali allo stato solido
(modellare, frantumare,
fondere) e liquido (mescolare,
disciogliere,…)
− Illustrare la differenza fra
temperatura e calore con
riferimento all’esperienza
ordinaria.
− Effettuare esperimenti su
fenomeni legati al
cambiamento di temperatura
(evaporazione, fusione, ecc.)
− Dare esempi tratti
dall’esperienza quotidiana in
cui si riconosce la differenza
tra la temperatura ed il calore
− Determinare la temperatura di
fusione del ghiaccio e di
ebollizione dell’acqua.
− Effettuare esperimenti che
permettano di distinguere
temperatura e calore.
Nella scuola secondaria di primo grado il legislatore introduce La scoperta del modello,
che sembra essere
semplicemente uno strumento matematico attraverso la cui
manipolazione il bambino può passare dalla
credulità della prima infanzia alla
consapevolezza che non tutto è semplicemente come appare (pag 2. Indicazioni SSPG).
36
Capitolo 2
Nel luglio 2007 vengono pubblicate delle nuove Indicazioni Nazionali27, nelle
quali si modifica in parte il lessico, introducendo il termine ‘Curriculo’ in sostituzione
del PECUP e ‘Traguardi di competenza’ in vece degli ‘Obiettivi formativi’ :
La scuola predispone il Curricolo, all’interno del Piano
dell’Offerta Formativa, nel rispetto delle finalità, dei traguardi
di competenza e degli obiettivi di apprendimento posti dalle
Indicazioni. Il curricolo si articola in campi di esperienza nella
scuola dell’infanzia e in aree disciplinari nella scuola del primo
ciclo (a-linguistico espressiva; b- storico – geografica -sociale; cmatematico –scientifico -tecnologica).
Nel documento si leggono alcuni passi
che assumono in questa sede particolare
rilevanza. Si introduce l’espressione ‘ambiente di apprendimento’ (pag 19), come
“contesto idoneo a promuovere apprendimenti significativi” e si delineano dei criteri
metodologici, fra i quali:
Valorizzare l‘esperienza e le conoscenze degli alunni, per
ancorarvi nuovi contenuti. Nel processo di apprendimento
l’alunno porta la ricchezza di esperienze e conoscenze, mette in
gioco aspettative ed emozioni, si presenta con una dotazione di
informazioni, abilità, modalità di apprendere che l’azione
didattica
può
opportunamente
richiamare,
esplorare,
problematizzare. In questo modo l’allievo riesce a dare senso e
significato a quello che va imparando.
Favorire l’esplorazione e la scoperta, al fine di promuovere la
passione per la ricerca di nuove conoscenze.
Realizzare percorsi in forma di laboratorio, per favorire
l’operatività e allo stesso tempo il dialogo e la riflessione su
quello che si fa.
A proposito di laboratorio nel paragrafo dedicato all’aera matematico –scientifico tecnologica (pagina 50), si legge
Tutte le discipline dell’area hanno come elemento fondamentale
il laboratorio, inteso sia come luogo fisico (aula, o altro spazio
specificamente attrezzato) sia come momento in cui l‘alunno è
attivo, formula ipotesi e ne controlla le conseguenze, progetta e
sperimenta, discute e argomenta le proprie scelte, impara a
raccogliere dati ed a confrontarli con le ipotesi formulate,
27
http://www.edscuola.com/archivio/norme/programmi/indicazioni_nazionali.pdf
37
Definizione del problema e domande di ricerca
negozia e costruisce significati interindividuali, porta a
conclusioni temporanee e a nuove aperture la costruzione delle
conoscenze personali e collettive.
Il brano suggerisce anche l’uso di risorse digitali e si sofferma sulla necessità di
“costruire storie e schemi interpretativi”, con un’attenzione “speciale” all’uso della
lingua italiana: anche se non si parla ancora di modello e modellizzazione, questi
termini suggeriscono una congruenza con la nostra impostazione metodologica, laddove
la modellizzazione al livello primario è possibile anche solo a livello linguistico.
Leggiamo infine per quanto riguarda le scienze
E’ importante che i ragazzi siano gradualmente avviati e aiutati a
padroneggiare alcuni grandi organizzatori concettuali che si
possono riconoscere in ogni contesto scientificamente
significativo: le dimensioni spazio-temporali e le dimensioni
materiali; la distinzione fra stati (come le cose sono) e
trasformazioni (come le cose cambiano); le interazioni, relazioni,
correlazioni tra parti di sistemi e/o tra proprietà variabili; la
discriminazione fra casualità e causalità.
La tabella che segue confronta quanto si legge alla voce “Traguardi di sviluppo della
competenza” nel caso dei due livelli scolari in relazione alle competenze legate alla
modellizzazione:
scuola primaria
scuola secondaria di primo grado
Con la guida dell’insegnante e in collaborazione con i
compagni, ma anche da solo, formula ipotesi e
previsioni, osserva, registra, classifica, schematizza,
identifica relazioni spazio-temporali, misura, utilizza
concetti basati su semplici relazioni con altri concetti,
argomenta,
deduce,
prospetta
soluzioni
e
interpretazioni, ne produce rappresentazioni grafiche e
schemi di livello adeguato.
Sviluppa
semplici
schematizzazioni,
modellizzazioni, formalizzazioni logiche e
matematiche dei fatti e fenomeni,
applicandoli anche ad aspetti della vita
quotidiana
Le indicazioni del luglio 2007 non prospettano come le precedenti conoscenze ed abilità
attraverso un elenco di ‘argomenti’, ma declinano obiettivi di apprendimento di
carattere più generale, fra i quali si legge, per i bambini giunti al termine della quinta
classe di scuola primaria
− Costruire operativamente in connessione a contesti concreti di esperienza
quotidiana i concetti geometrici e fisici fondamentali, in particolare: lunghezze,
angoli, superfici, capacità/volume, peso, temperatura, forza, luce etc.
38
Capitolo 2
− Riconoscere invarianze e conservazioni in termini proto-fisici e proto-chimici,
nelle trasformazioni che caratterizzano l’esperienza quotidiana.
− Riconoscere la plausibilità di primi modelli qualitativi, macroscopici e
microscopici, di trasformazioni fisiche e chimiche. Avvio esperienziale alle idee
di irreversibilità e di energia.
Mentre per quanto riguarda gli obiettivi di apprendimento al termine della terza classe
della scuola secondaria di primo grado:
− Affrontare concetti fisici quali: velocità, densità, concentrazione, forza ed
energia, temperatura e calore, effettuando esperimenti e comparazioni,
raccogliendo e correlando dati con strumenti di misura e costruendo reti e
modelli concettuali e rappresentazioni formali di tipo diverso (fino a quelle
geometrico- algebriche).
Ma quali sono gli strumenti che un insegnante della scuola di base possiede per
la sua attività didattica? Lo strumento considerato ancora oggi da molti insegnanti come
"una risorsa indispensabile per l’insegnamento scientifico” (Lupo et al 2007) è “un buon
libro di testo”. A titolo di esempio riportiamo stralci delle pagine di alcuni libri di testo,
di scuola primaria e di scuola secondaria di primo grado, che risultano rappresentativi di
quanto attualmente nella disponibilità degli insegnanti italiani.28 In ciascuno dei testi
riportati si ha una trattazione del calore legata ad un modello microscopico della
materia. La struttura della materia, nel suo modello semplificato viene sempre
presentata prima di parlare di calore e temperatura. L’uso del termine “calore” è spesso
improprio e in solo in un testo fra i quattro esaminati si parla di riscaldamento per
attrito. Tutti i testi riportano delle semplici osservazioni sempre a livello qualitativo. A
nostro avviso quanto viene semplicisticamente detto in libro di testo può risultare
fuorviante per il bambino, perché andrebbe strutturato dai docenti un percorso che vada
dall’osservazione macroscopica, che è quanto il bambino vive ed esperisce nella vita
quotidiana, verso una interpretazione microscopica e non viceversa.
28
I testi sono quelli in adozione nelle classi nelle quali è stata fatta la sperimentazione.
39
Definizione del problema e domande di ricerca
SCUOLA PRIMARIA
Allevi, C, Fontolan, A. Valentini, A. Passaporto per… Mondadori Scuola
Sussidiario delle discipline 4 (2008)
Il testo inizia a parlare di calore ponendo una situazione sperimentale: il
riscaldamento di un pentolino d’acqua sul fuoco. Al bambino vengono poste le
domande:
Cos’è il calore?
Come si produce?
Come fa a trasmettersi all’acqua?
Cos’è il calore:
la prima
spiegazione che
viene data usa il
modello
microscopico. Il
testo aveva
introdotto
precedentemente
la struttura della
materia parlando
“ molecole
sempre in
movimento”.
Come si
produce
Il testo parla del
riscaldamento
per attrito e per
illuminazione,
usando in
entrambi i casi il
termine calore
ma parla del
riscaldamento
per contatto solo
quando parla di
propagazione.
40
Il sole riscalda il nostro pianeta da miliardi di anni, rendendo
possibile ogni forma di vita sulla Terra. È per noi la forma di
calore più importante.
L’uomo è in grado di produrre calore in vari modi. Il sistema
principale consiste nel bruciare qualcosa, producendo un fuoco.
Questo fenomeno è chiamato combustione (…)
Capitolo 2
SCUOLA PRIMARIA
Aloisi R., Colombo, L.,
Tonolini, S.
(2008)
Missione Nautilus
Atlas
“… la temperatura di un corpo,
cioè il livello di calore che un
corpo possiede.
…
Se il calore aumenta, cioè c’è più
energia, le molecole si muovono
più velocemente e noi
percepiamo un aumento di
temperatura.”
41
Definizione del problema e domande di ricerca
SCUOLA SECONDARIA
Cavalli-Sforza, L., Cavalli-Sforza, F., (2005) Cos’è la materia e come si trasforma
Einaudi Scuola
“Il calore è una forma di energia la cui
proprietà principale è quella di passare da
un corpo materiale più caldo ad uno
meno”
“Calore e temperatura non sono la
stessa cosa
La temperatura di un corpo materiale
indica quanto caldo (o freddo) è un solido,
un liquido o un gas che viene scaldato (o
raffreddato). Sapendo che la materia è
costituita da molecole in continua
agitazione, possiamo anche dire che la
temperatura di un corpo esprime la
maggiore o minore agitazione delle sue
molecole.”
didascalia: “il calore può essere
paragonato alla quantità d’acqua nei
diversi recipienti, la temperatura al livello
raggiunto dall’acqua”
“Il calore è una forma di energia (detta
termica) che si trasferisce da un corpo più
caldo a un corpo meno caldo.”
42
Capitolo 2
SCUOLA SECONDARIA
Fabris, F. Genzo, C. Percorsi di Scienze (2005) Trevisini Editore
“Possiamo considerare il calore come causa
del riscaldamento di un corpo, mentre il
livello termico che esso raggiunge, cioè la sua
temperatura, è l’effetto.
Già in precedenza hai osservato che, se un
corpo viene riscaldato, esso si dilata, cioè
aumenta di volume. Ciò è dovuto al fatto che
le particelle che lo formano (atomi, molecole,
ioni, ecc) si muovono più rapidamente, quindi
occupano un volume maggiore.
Il riscaldamento di un corpo, cioè il fornirgli
calore, produce perciò come effetto un
movimento maggiore delle particelle che lo
costituiscono. Hai però anche visto
precedentemente che lo spostamento di un
corpo determinato da una forza produce
lavoro, e che con la parola energia si intende
la capacità di fornire lavoro.
Siccome il calore mette in movimento le
particelle di un corpo, il calore è energia.
(…)”
“E la temperatura, allora, cos’è?
Poiché le fiamme sotto i recipienti erano
uguali, ciascuna di esse forniva la stessa
quantità di calore, cioè, la stessa quantità di
energia. Questa energia metteva in
movimento le molecole dell’acqua. Ma le
molecole d’acqua presenti nella pentola con
poca acqua erano molte di meno rispetto a
quelle che si trovavano nella pentola con più
acqua. Quindi la stessa quantità di energia
poteva far aumentare di molto il movimento
delle molecole laddove esse erano di meno, e
di poco laddove le molecole erano molto più
numerose.
Siccome il termometro registrava temperature
più elevate nell’acqua del contenitore con una
minore quantità d’acqua e più basse nel
contenitore con più acqua, è chiaro quale
fenomeno esso misurava: il movimento più o
meno intenso delle molecole nei due
recipienti. Quindi: la temperatura rappresenta
il movimento complessivo delle particelle di
un corpo, ossia il livello medio di agitazione
delle stesse.”
43
Definizione del problema e domande di ricerca
2.3 Alcuni risultati significativi della ricerca in didattica
La modellizzazione dell’energia termica e della struttura della materia sono due
nodi concettuali trattati ampiamente in letteratura. L’impatto crescente delle tecnologie
legate a questi campi della fisica (elettronica, produzione di energia nucleare per
esempio), la diffusione mediatica di un immaginario particellare, sembrano rendere
necessario trattare le prime nozioni sulla struttura atomica della materia. Ciò viene fatto
generalmente a partire dai primi anni dell’insegnamento secondario, per “il carattere
più razionale che empirico dei modelli atomici, di strumento di pensiero più che di
realtà osservabile” (Méheut, 1997), ma possono essere trovati alcuni esempi anche per
l’insegnamento primario.
Vengono qui descritti alcuni
percorsi didattici che sviluppano il
modello
particellare (Francia: Méheut, 2004; Grecia-UK: Papageorgiou e Johnson, 2005; Stati
Uniti: Gobert e Tinker, 2004), e la modellizzazione dell’energia termica (Stati Uniti:
Metcalf e Tinker, 2004; Italia: Gigante, Michelini et al., 2006).
2.3.1 Due TLS sul modello particellare sviluppate in Francia
La ricerca francese si muove in una prospettiva di sviluppo di modelli come
strumento prima di unificazione, poi di previsione di fenomeni fisici (Méheut 2004), ed
ha progettato e sperimentato due TLS nella scuola secondaria superiore, con studenti
dai 13 ai 16 anni. L’approccio tiene conto del carattere congetturale e non empirico
dell’immutabilità della materia, ed anche se non riguardano il livello di età a cui
facciamo riferimento, le ricerche rappresentano un imprescindibile punto di partenza per
la riflessione. Nella progettazione delle TLS i ricercatori francesi hanno ripercorso lo
sviluppo storico dei modelli atomici, strutturando situazioni didattiche nelle quali gli
studenti potessero costruire modelli particellari come strumenti cognitivi, raffinandoli
man mano che veniva proposta la soluzione di situazioni fisiche. Inizialmente gli
studenti vengono messi di fronte alla interpretazione di fenomeni fisici come
“cambiamenti nell’organizzazione spaziale delle particelle”, mettendo appena in gioco
gli aspetti cinetici. Quindi vengono proposte situazioni (proprietà termoelastiche dei
gas) in cui si deve tenere conto della teoria cinetica.
44
Capitolo 2
Vengono di seguito descritte le due TLS, la prima progettata con l’obiettivo di
far sì che lo studente sviluppi un modello particellare per spiegare la conservazione
della materia (TLS1), la seconda progettata con l’obiettivo di far sviluppare un modello
per la spiegazione e la predizione delle proprietà termoelastiche dei gas (TSL 2).
TLS 1
Durante al prima sequenza si chiede agli studenti di interpretare fenomeni fisici
(compressione dei gas, la diffusione e il conseguente mescolamento di gas, il
cambiamento di stato) come cambiamenti nell’organizzazione spaziale della particelle
(Méheut and Chomat 1990). Il modello che si costruisce è piuttosto grezzo e fornisce
una interpretazione coerente solo della conservazione della materia. Si basa su due
semplici ipotesi, l’esistenza del vuoto fra le molecole e la possibilità che le distanze fra
le particelle varino e dovrebbe sviluppare l’invarianza delle particelle, la distinzione fra
variazioni di massa e variazioni di volume, il moto delle particelle.
L’esperimento didattico è stato condotto con studenti di 13-14 anni, in
collaborazione con gli insegnanti ai quali è stato fornito un protocollo che prevedeva
interventi di un’ora e mezza settimanale per sei settimane. Il protocollo era corredato di
fogli di lavoro e monitorato attraverso registrazioni, le attività si svolgevano usando sia
come stimolo che come prodotto dei disegni.
45
Definizione del problema e domande di ricerca
L’invarianza delle particelle viene accettata ed usata dagli studenti. L’80%
considera la forma delle particelle invariante. L’espansione termica viene interpretata
dal 60% con l’aumento delle distanze intermolecolari, solo dal 10% con la dilatazione
delle particelle stesse. Lo spazio vuoto fra le particelle sembra essere più problematico,
nelle domande riguardanti la compressione gli studenti non usano gli spazi vuoti fra la
materia: nei gas il 4% disegna particelle contigue, il 7% sovrapposte; nel solido il 15%
costruisce un modello considerando caratteristiche macroscopiche. La distinzione fra i
concetti di massa e volume ha dato buoni risultati.
Gli studenti però non hanno costruito un modello che tenesse conto del
movimento random delle particelle: meno dell’1% degli studenti ha parlato di
movimento nelle diverse direzioni dello spazio, il 25% ha parlato di movimento senza
specificarne le caratteristiche. Gli autori concludono che l’idea di movimento random
delle particelle nella materia non si sviluppi spontaneamente, in particolare per i solidi,
e ciò li ha portati a sviluppare una seconda sequenza.
TLS2
La seconda TLS (Méheut 1997) ha l’obiettivo di sviluppare un modello cinetico
per la spiegazione e la predizione delle proprietà termoelastiche dei gas, mettendo in
relazione volume, temperatura e pressione con numero di parcelle, movimento e urti. La
novità rispetto alla TLS1 è l’utilizzo di simulazioni che mostrano gli aspetti cinetici
della materia.
La simulazione è preceduta dall’analisi di una semplice situazione sperimentale:
due siringhe contenenti aria sono collegate da un tubicino orizzontale nel quale è
posizionata una goccia di inchiostro. Viene creata una differenza di pressione fra le due
46
Capitolo 2
quantità d’aria (comprimendo o riscaldando)
e si lascia evolvere il sistema. Agli
studenti viene chiesto di predire, osservare e spiegare, senza usare alcun modello. In un
secondo momento si passa all’uso dell’elaboratore per costruire il modello e simulare la
situazione osservata.
L’esperimento è stato condotto con studenti di seconde classi della scuola
superiore, ha avuto la durata di 9 ore e per verificarne i risultati sono stati analizzati i
fogli di lavoro di un campione degli studenti coinvolti nella sperimentazione e test in
ingresso ed uscita per verificare l’apprendimento a breve termine. Dopo due anni sono
stati raccolti altri dati per verificare l’apprendimento a lungo termine.
In uscita agli studenti è stato chiesto di analizzare esperimenti di espansione e
raffreddamento che non erano stati oggetto delle simulazioni. L’ 80% degli studenti ha
fatto previsioni corrette, poco più della metà ha usato un modello particellare, e il 34%
ha confrontato la frequenza degli impatti. Due anni dopo il modello particellare è stato
usato dal 20% degli studenti. L’analisi dei dati tratti dalle interviste ha permesso ai
ricercatori di delineare una traccia per tappe del percorso di apprendimento e dell’uso
delle variabili nel modello. Le tappe sono:
− passaggio da una visione statica (pressione e compressione), ad una dinamica
(pressione come risultato degli urti delle particelle);
− uso dell’azione di due gas, piuttosto che di uno solo, per descrivere il
movimento della goccia;
− interpretazione di un aumento di temperatura come un aumento di velocità delle
particelle;
− il considerare non solo la frequenza, ma anche la ‘forza’ degli urti.
Gli studenti hanno costruito un modello di temperatura con l’aumento di velocità.
Inoltre hanno imparato a verificare le proprie ipotesi usando le simulazioni. Ad
esempio, per interpretare l’esperimento del riscaldamento, Pascal dice:
l’aria è più… le particelle sono più distanti nello stesso spazio,
si urtano più velocemente […] ecco! Urtano più velocemente.
Non è esattamente che sono più distanti fra loro ma… urtano più
velocemente, si muovono più velocemente. […] riscaldando, si
rende più veloce il movimento delle particelle.
47
Definizione del problema e domande di ricerca
discute con un compagno che propone la dilatazione delle particelle e dopo averne
confutato l’idea, chiede se è possibile rappresentare la situazione con una simulazione,
aumentando la velocità delle particelle.
In conclusione i ricercatori hanno trovato che i fenomeni in cui entra in gioco la
temperatura sono più problematici rispetto a quelli in cui si analizzano solo le proprietà
elastiche della materia.
2.3.2 La ricerca greco/inglese
La ricerca greco/inglese è rivolta a bambini di 10-11 anni e si appoggia alle
esperienze didattiche che partono da osservazioni di fenomeni per concludere sulla
natura particellare della materia (Nussbaum e Novick, 1982; Johnston, 1990).
Nel curriculum nazionale dell’UK (National Curriculum for England)
l’insegnamento della teoria particellare non è previsto a livello elementare quando si
parla di cambiamenti di stato e di diffusione, ad anche per il livello K3 (11-14 anni) si
accenna soltanto al movimento delle particelle nel trasferimento di energia per
conduzione e nell’evaporazione.
In Grecia non è prevista alcuna interpretazione a livello particellare anche se i
testi usati nella scuola elementare descrivono i fenomeni di cambiamento di stato.
Johnson ha condotto per molti anni ricerche sulle difficoltà nella comprensione del
modello particellare (Johnson, 1998) i cui modelli alternativi possono essere stati indotti
dalla mancata introduzione di un modello corretto, anche se semplificato, a livello di
scuola primaria. Secondo le sue ricerche, i bambini, se vengono esposti solo a modelli
macroscopici degli stati di aggregazione e dei passaggi, non sviluppano una corretta
interpretazione dello stato gassoso, sia pure a livello macroscopico e non possono dare
senso a quanto osservano nei passaggi di stato.
Una ricerca condotta con bambini di 10-11 anni in una scuola primaria in Grecia
(Papageorgiou, Johnson, 2005) e riproposta con risultati simili in una scuola inglese, si
pone la precisa questione se l’introduzione dell’idea di particella aiuti od ostacoli la
comprensione dei fenomeni e ne verifica i benefici. La ricerca si sviluppa nel quadro
metodologico del gruppo di controllo, analizzando e confrontando quanto avviene in
una classe in cui si propone una sequenza sperimentale di 12 ore che contiene l’idea di
particelle (Gruppo P), con quanto avviene in una classe tradizionale (Gruppo X) cui
48
Capitolo 2
viene proposta una sequenza simile, più breve (10 ore) e senza l’introduzione dell’idea
di particella. I fenomeni presentati ed analizzati sono i cambiamenti di stato e le
soluzioni.
Nel gruppo P, l’idea particellare viene introdotta al momento di spiegare la
fusione di un materiale, parlando di capacità delle molecole a ‘tenersi insieme’ piuttosto
che di forze di attrazione, questa scelta ha tre vantaggi: ‘tenersi’ è più vicino all’idea di
legame come bilanciamento fra attrazione e repulsione, questa capacità non cambia nei
cambiamenti di stato e ciò pone l’attenzione sull’energia delle molecole, mentre la
differente capacità di tenersi insieme delle molecole nelle differenti sostanze spiega i
diversi punti di fusione ed ebollizione. Nel gruppo X questo approccio viene sostituito
con l’idea di ‘domanda di energia’ per una data sostanza per far avvenire il passaggio di
stato.
Un altro punto in cui l’idea particellare veicola conoscenza è il confronto fra
evaporazione ed ebollizione, in cui si utilizza la distribuzione di energie fra le molecole,
mentre per il gruppo X ci si ferma ad una generica ‘compatibilità fra le sostanze’. Gli
esperimenti che richiederebbero troppo tempo o che sono pericolosi (anche la semplice
l’ebollizione, benché di uso comune,
richiede una strumentazione altamente
sconsigliata se non vietata nella scuola primaria) sono stati presentati in video. I dati
sono raccolti attraverso interviste cliniche, effettuate a campione una settimana prima ed
un mese dopo l’intervento, su istanza di fenomeni tipo il mescolamento, l’ebollizione,
l’evaporazione… Per indagare sulle idee particellari (presenti anche nell’immaginario
collettivo prima dell’istruzione..) ai bambini viene inizialmente mostrato un granello di
zucchero e viene loro chiesto cosa si vedrebbe se si ingrandisse tante e tante volte, in
una seconda parte si indaga sull’uso delle particelle ponendo l’attenzione a cosa c’è fra
le particelle, la natura delle particelle e l’interpretazione dei fenomeni discussi nella
prima parte.
49
Definizione del problema e domande di ricerca
Schema dei contenuti della sequenza (Papageorgiou, Johnson, 2005)
1. Proprietà e distinzione degli oggetti e dei materiali
Alcune proprietà dipendono solo dal materiale
Malleabilità, fragilità, solubilità in acqua, comportamento nelle soluzioni, galleggiamento in acqua,
di pezzi di cera, rame, sale.
2. Definizione di sostanza
Il comportamento ne mescolamento (melting) può essere usato per distinguere fra una
sostanza pura ed una miscela.
Mettere a confronto i comportamenti di candele di cera e di cioccolata.
Il punto di fusione ed il suo uso nell’identificazione di una sostanza.
Le caratteristiche degli stati solido e liquido.
3. Il modello particellare (solo gruppo P)
L’idea di particella può spiegare la fusione.
Un campione di sostanza vene presentato come un insieme di particelle con spazi vuoti fra
di esse. I punti chiave sono:
−
−
−
Le particelle hanno la capacità di tenersi unite una con l’altra.
Si muovono sempre in qualche modo (energia di movimento).
Le particelle di una data sostanza rimangono le stesse nei cambiamenti di stato.
4. Un campione di sostanza può trovarsi in uno di tre stati.
Un campione di sostanza può essere nello stato gassoso.
Riscaldare una goccia di acqua allo stato liquido in una siringa di gas a 150°C.
Le grandi bolle in un becher di acqua bollente e la nebbiolina su di essa.
Comportamento nell’ebollizione per valutare la purezza di un campione.
Punto di ebollizione e suo uso nell’identificazione di una sostanza.
Perché differenti sostanze possono trovarsi in differenti stati alla temperatura della stanza.
5. Mescolare e ‘dis-mescolare’
Evaporazione sotto il punto di ebollizione in aria
Evaporazione di un campione di acqua alla temperatura ambiente e confronto con l’ebollizione.
Condensazione del vapore d’acqua atmosferico
L’apparizione di condensa sul bicchiere che contiene una bibita fredda.
Miscele e soluzioni
La soluzione come caso particolare di una miscela in cui il criterio di riconoscimento è la limpidezza.
Separare le miscele: filtrazione e distillazione.
L’aria come miscela di sostanze nello stato gassoso.
50
Capitolo 2
Dall’analisi dei risultati, a fronte di una omogeneità prevedibile delle risposte nei
due gruppi P ed X prima dell’intervento, si hanno differenze notevoli nelle interviste
dopo l’intervento. Ad esempio nel caso della descrizione dell’evaporazione i bambini
del gruppo P che parlano di particelle che lasciano lo stato liquido per passare a quello
aeriforme sono 8 su 12, contro solo 1 del gruppo X, mentre (4 su 12) spiegano il
fenomeno in termini di passaggio di stato senza parlare di particelle. Si trova che
l’introduzione delle idee particellare fornisce al gruppo P dei risultati migliori:
percentuali maggiori di bambini hanno dato descrizioni de fenomeni in linea con la
visione scientifica e quasi tutti hanno dato spiegazioni usando l’idea di particelle,
mentre nel gruppo X non si va oltre il livello descrittivo. L’introduzione del modello
particellare sembra dare ai bambini del gruppo P modo di usare l’idea di energia, mentre
la ‘domanda di energia’ non sembra avere grande impatto nelle risposte sui
cambiamenti di stato date dai bambini del gruppo X, in linea con le difficoltà sul
concetto di energia (Besson, 2003). Un altro risultato interessante e distintivo è quello
che si è avuto per la condensazione sul bicchiere freddo, nella quale nessuno dei
bambini del gruppo X ha fatto progressi, contro un 25% dei bambini del gruppo P che la
descrive, usando le particelle, come cambiamento di stato dell’acqua che si trova allo
stato gassoso nell’aria. La costruzione del modello particellare, secondo questi risultati,
dunque non ostacola, bensì aiuta i bambini a capire alcuni cambiamenti di stato.
Ma qual è in ultima istanza il modello particellare che i bambini del gruppo P
hanno costruito? Risulta essere quello scientifico, un modello di classe o un modello
ancora ingenuo? C’è stato almeno uno spostamento verso il modello scientifico? Una
possibile risposta è data classificando le risposte nelle interviste prima e dopo
l’intervento nella categorizzazione di Johnson (1998), che dall’assenza del modello
particellare (Modello X) declina i possibili avvicinamenti al modello scientifico
(Modello C, vedi tabella seguente). Si evincono dalla tabella risultati positivi,
soprattutto nella costruzione di un iniziale modello microscopico: il risultato più
importante sembra essere quello che i bambini costruiscono un loro iniziale modello
microscopico, che realisticamente, per molti non è il modello C, ma un modello B o un
ibrido di esso che gli autori considerano un risultato accettabile.
51
Definizione del problema e domande di ricerca
Modelli particellari (Johnson 1998)
Prima
Dopo
Modello X: Continuous substance nessuna idea particellare, nelle descrizioni verbali
o nei disegni.
7
-
4
1
(3)
(1)
[1]
[-]
Modello A: Particle in the continuous substance: le particelle vengono disegnate,
ma sono conficcate nella sostanza continua: la sostanza è fra le particelle. Le
particelle sono addizionali alla sostanza.
1
2
Modello AB : B per il solido, A per liquido e gas
-
3
Modello B: Particle are the substance, but with macroscopic properties: le
particelle sono la sostanza, ma con proprietà macroscopiche. Non c’è niente fra le
particelle. Le singole particelle hanno le stesse proprietà del campione
macroscopico- letteralmente piccoli pezzi di materia.
-
2
Modello W: Non è possibile distinguere fra B e C.
-
1
Modello BC: vengono usate idee collettive per spiegare cambiamenti di stato, ma
particelle di sostanze differenti hanno il carattere macroscopico della sostanza.
-
1
Modello C: Particle are the substance, properties of state are collective: le
particelle sono la sostanza, le proprietà di uno stato sono viste come proprietà
collettive delle particelle. Le particelle vengono disegnate come sostanza.
-
2
Modello XA
(A per il solido, X per liquido e gas)
[A per solido e liqido, X per gas]
2.3.4 L’esperienza del Concord Consortium29
Il Concord Consortium è un’organizzazione no-profit che opera nel campo
educativo in Massachussetts, la mission prevede la creazione di materiali che facilitino
l’uso di tecnologie informatiche per tutti gli studenti. Ha promosso diversi progetti per
l’educazione scientifica, fra i quali, di interesse per la tematica in discussione, sono il
Molecular Workbench Project30 ed il TEEMSS31. Il primo progetto ha come scopo la
creazione di un ambiente che renda il livello atomico familiare e ne permetta la
connessione con il mondo macroscopico, il secondo la disseminazione in ambito di
29
http://www.concord.org
http://workbench.concord.org/
31
http://teemss1.concord.org/ ; http://teemss.concord.org/
30
52
Capitolo 2
scuola di base dell’uso di strumentazioni per l’acquisizione dei dati sperimentali in
linea con l’elaboratore.
Molecular Workbench Project
Il Molecular Workbench Project si basa sulle seguenti considerazioni (Tinker,
2001):
-
uno studente di scuola media può analizzare i fenomeni su scala atomica
attraverso l’esplorazione guidata di modelli di dinamica molecolare
(mdm),
-
se i modelli molecolari non vengono introdotti al livello di scuola media,
l’apprendimento alla scuola superiore sarà più difficoltoso.
In questa prospettiva sono stati sviluppati l’ambiente di modellizzazione di
dinamica molecolare32, Molecular Workbench (MW, brevemente descritto in appendice
a pag. 215), in cui è possibile costruire simulazioni che visualizzano il moto delle
particelle, ed il Curriculum33, un database nel quale è possibile reperire materiali
didattici per la scuola media e per la scuola superiore. Nel database sono raccolte le
activities prodotte dai ricercatori (raggruppate per ambiti disciplinari: fisica, chimica,
biologia, nanotecnologia,…)
ed i materiali sviluppati in diversi progetti (MOLO,
MoliT, Rover, SAM), in cui i ricercatori del Concord Consortium hanno lavorato in
stretta collaborazione con insegnanti in servizio34.
32
I modelli di dinamica molecolare (mdm) sono dei modelli computazionali che possono avere un largo
uso in didattica, ad esempio nello studio di sistemi complessi i cui comportamenti, usando la dinamica
molecolare, possono essere visti con meno di 100 atomi. Con questa tecnologia è possibile trattare le
proprietà dei sistemi complessi, in ambito termodinamico si può introdurre la temperatura, la pressione, i
cambiamenti di fase, le strutture cristalline,… Nel linguaggio della teoria della complessità, questi
fenomeni di larga scala “emergono” da semplici regole che governano gli agenti (atomi e molecole) che
costituiscono il sistema, ed i mdm, già ampiamente usati nella ricerca, possono essere usati in didattica
per esplorare le proprietà emergenti di sistemi troppo complessi per soluzioni esatte e per seguire
l’evoluzione di questi sistemi. La possibilità di visualizzare cosa succede ad un insieme di atomi/molecole
fornisce allo studente così come al ricercatore una profonda, intuitiva comprensione del sistema in esame.
L’uso di mdm sviluppa modelli mentali più accurati che possono tornare utili per ragionare in maniera
più efficace a livelli differenti (Pallat e Tinker, 2004).
33
http://workbench.concord.org/database/
34
Il pacchetto software+database di attività si può scaricare ed utilizzare senza connettersi alla rete.
53
Definizione del problema e domande di ricerca
La simulazione del contatto termico è inserita nell’attività 267 (in rete) e nei materiali del progetto SAM35
(in figura la pagina aperta nel database del software)
http://workbench.concord.org/database/activities/267.html
…\CC-MW-CD\part2\heat\page2.cml
E’ stato effettuato un test iniziale per il sistema Molecular Workbench e per
l’ambiente di controllo Pedagogica36 (Horwitz eChristie, 1999) per verificare come un
ambiente basato su modelli di
dinamica molecolare possa favorire le competenze
cognitive, a quale età sia possibile cominciare ad usare tali ambienti e se gli studenti
possono ricavare vantaggi per la comprensione di fenomeni osservabili su scala
macroscopica dalla modellizzazione delle interazioni atomiche. I materiali didattici
usati nella ricerca sono il “mini-modulo” States of Matter37 ed un’attività più complessa
denominata Atoms in Motion38. Per entrambi i materiali sono stati condotti dei
“Classroom studies”: “Stati della materia” è stato proposto a ragazzi di 13 anni, “Atomi
in moto” a studenti di 16 anni (Gobert e Tinker 2004).
Nel minimodulo States of Matter gli studenti vengono guidati ad osservare
un’eruzione vulcanica e viene loro richiesto di interpretare i passaggi di stato legati a
questo fenomeno. Da ciò si trae lo spunto per “dare uno sguardo dentro la materia”,
chiedendosi cosa succede nella materia quando questa viene riscaldata, quindi si
sviluppano le idee chiave della teoria cinetica molecolare. Le attività prevedono l’uso di
simulazioni e la realizzazione pratica di osservazioni sperimentali.
35
http://sam.concord.org , il progetto è dedicato alle scuole superiori, il materiale sviluppato per la
comprensione di calore e temperatura è descritto e commentato in una newsletter del Concord
Consortium
(Tinker,
Pallant
2008):
http://www.concord.org/pubblications/newslette/2008spring/understandingheat.html
36
Pedagogica è un ambiente di controllo sviluppato in Javascript che permette la creazione di
hypermodels in cui possono essere inseriti script di Molecular Workbench ed altri tools per la verifica
didattica (test, domande a risposta aperta o chiusa, grafici di previsione,…).
37
States of matter: http://www.concord.org/~btinker/workbench_web/states_of_matter/index.html
38
Atoms in Motion: http://www.concord.org/~btinker/workbench_web/unit1/index.html
54
Capitolo 2
Nell’unità Atoms in Motion gli studenti esplorano le caratteristiche di base degli
atomi e come il loro comportamento in scala atomica può spiegare ciò che si osserva a
livello macroscopico, osservando ed interpretando il fenomeno del volo di un pallone
aerostatico, la diffusione, i cambiamenti i stato.
L’attività 2 in “Stati della materia”e l’attività 8 di “Atomi in moto” sono basate
sugli stessi materiali didattici: attività manipolative reali e virtuali. Il modello dinamico
utilizzato permette di mettere in relazione le proprietà macroscopiche dei tre stati di
aggregazione con le proprietà a livello atomico, sviluppando la teoria cinetica della
materia, in cui:
− gli atomi o le molecole di un solido sono generalmente disposte nello spazio più
vicino possibile fra loro e vibrano nella posizione in cui la distanza fra le
molecole non cambia nel tempo,
− gli atomi o molecole di un liquido sono generalmente distribuiti nello spazio
vicine fra loro, scivolano uno sull’altro, facendo si che il liquido si adatti al
contenitore,
55
Definizione del problema e domande di ricerca
− i gas hanno, nel confronto, una grande disponibilità di spazio fra atomi o
molecole e riempiono il contenitore in cui si trovano. La distanza fra due
molecole cambia molto, a volte esse sono vicine, altre volte lontane.
States of Matter Activity 2 (hypermodel)
States of Matter Activity 3
I protocolli per le analisi in ingresso ed uscita sono stati configurati sulla base delle
idee ingenue riportate in letteratura, che inizialmente gli studenti hanno mostrato di
possedere. Nel post test e nelle interviste semistrutturate, invece, gli studenti sono stati
in grado di mettere in relazione le differenze macroscopiche negli stati di aggregazione
dell’acqua con il moto ed il modo in cui sono aggregate delle particelle. Questo risultato
porta ad affermare che attraverso l’ambiente di apprendimento gli studenti imparano a
ragionare a livello atomico-molecolare per interpretare il mondo macroscopico.
56
Capitolo 2
Nel corso della sperimentazione agli studenti è stato chiesto di interpretare
fenomeni non studiati in precedenza, per condurre un’indagine sull’abilità degli studenti
di trasferire la loro conoscenza, considerando evidenza del trasferimento la qualità dei
ragionamenti degli studenti sui fenomeni a livello atomico per rendere conto delle
manifestazioni al macrolivello. Riportiamo come esempio la domanda:
supponi di essere della stessa grandezza di una molecola, e di
esser su una molecola d’acqua in un bicchiere d’acqua.
Qualcuno prende il bicchiere e lo mette nel freezer. Dopo un
certo tempo l’acqua diventa ghiaccio. Come senti questo
cambiamento?
La risposta a questa domanda richiede un ragionamento sia al macro che al micro
livello, nozioni su moto e forze nelle molecole e sulla densità delle molecole.
Esempi di cambiamento nelle concezioni:
I
T
U
W
Pre test
Post test
Probabilmente sento molto freddo, e le molecole
dell’acqua non si muovono.
L’acqua va dallo stato liquido allo stato solido.
L’acqua si espande e dentro puoi vederci dei
cristalli. L’acqua diventa veramente fredda e a
volte puoi vedere delle bolle d’aria.
La molecola su cui sono si espande in una taglia
maggiore. C’è poco spazio dove muovermi e la
temperatura decresce verso il freddo.
Le molecole cominceranno ad allinearsi e
muoversi più lentamente. Diventa freddo.
L’acqua passa da liquido a solido. Quando
l’acqua diventa ghiaccio le molecole
rallentano e si mettono insieme in una
forma rigida.
Quando diventa freddo le molecole
formano dei gruppi in pacchetti
organizzati. Le molecole vibrano soltanto.
Le molecole si mettono più vicina una
all’altra e i muovo molto poco.
Posso vedere le molecole espandersi.
TEEMSS
Il Concord Consortium ha elaborato anche un progetto che ha come obiettivo
portare le tecnologie informatiche nell’educazione scientifica di base (gradi 3-8, età 813 anni) creando e disseminando materiali di istruzione basati sulla tecnologia, validi e
verificati. Tale progetto è denominato
TEEMSS (Technology Enhanced Elementary
and Middle School Science) e alla prima versione39, sviluppata negli anni 2000-2001, ne
è seguita un’altra (2005) ancora in corso di analisi40. La strategia didattica è basata sulla
39
40
http://teemss1.concord.org/
http://webapps.teemss2.concord.org/teemss2-website3/project_intro.html
57
Definizione del problema e domande di ricerca
indagine di fenomeni reali che gli studenti conducono usando sensori on-line e ambienti
virtuali, tecnologie che normalmente non vengono usate nella scuola di base, benché ne
sia stata dimostrata ampiamente l’efficacia per
promuovere l’apprendimento dei
concetti
tecnologie
scientifici
(Thornton,1997).
Queste
possono
sviluppare
significativamente l’apprendimento a livello elementare e sono particolarmente valide
nel guidare gli studenti in una indagine analitica del mondo naturale, nel comprendere
le relazioni di causa-effetto, nella visualizzazione di cambiamenti, nella comprensione
di come un sistema agisce, nel connettere matematica, scienza e tecnologia ed infine
nell’esplorare comportamenti emergenti.
Nella prima versione del TEEMSS si può scegliere fra unità relative a moto e
forze ed unità relative al trasferimento di energia. In questa sezione, interessanti per il
nostro obiettivo, sono i materiali relativi al flusso di calore (raggiungimento di
equilibrio termico in miscele di acqua), al riscaldamento con l’elettricità (scaldare con
una batteria e con una lampadina), e quelli riguardanti le “forme di energia” (terza parte:
riscaldare con il sole). In tutte queste attività viene usato un sensore on-line di
temperatura e vengono visualizzati i grafici di riscaldamento/raffreddamento.
Nell’attività “forme di energia” si riscalda una cella apposita usando un generatore
elettrico a manovella, una batteria, una piccola lampadina, in ogni esperimento
l’attenzione dei ragazzi viene condotta verso la variazione di temperatura in relazione al
tempo di utilizzo dei diversi dispositivi. L’analisi pre/posttest della sperimentazione
fatta con ragazzi di 10-13 anni in USA ed in Australia ha evidenziato un miglioramento
nei punteggi nei quesiti riguardanti il flusso di calore, la miscelazione di acqua a
temperature differenti ed in quelli riguardanti l’interpretazione dei grafici temperaturatempo (Metcalf e Tinker, 2004).
Nella seconda versione i contenuti sono più numerosi e differenziati per livello
di età. Per i bambini di 7-8 anni viene proposta, fra le altre, un’attività in cui si
confrontano le sensazioni umane e
le “sensazioni” meccaniche41 ; dopo aver
sperimentato al bambino viene chiesto se c’è differenza fra la sensazione di temperatura
e la misura di temperatura. L’indagine sul raggiungimento dell’equilibrio termico,
invece, viene proposto per ragazzi di 10-11 anni.
41
“Compare electronic and human sensing of your environment”
58
Capitolo 2
2.3.5 L’esperienza del l’Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di
Udine
L’Unità di ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Udine ha portato
avanti in diverse occasioni ricerche sull’insegnamento dei fenomeni termici nella scuola
di base (Gigante et al, 2006).
È il caso dell’esperienza “Primi passi nei fenomeni termici”42, all’interno della quale
cui sono stati sviluppati e sperimentati in classe materiali prototipali per l’introduzione
dello studio dei fenomeni termici nella scuola dell’infanzia43, primaria44 e secondaria di
primo grado. I percorsi propongono un approccio macroscopico ai fenomeni termici, in
particolare avendo l’obiettivo di condurre i bambini a “riconoscere, manipolare e
differenziare la temperatura dalla sensazione termica”, mentre le attività con i ragazzi
più grandi portano ad esplorare e definire le proprietà termiche: conducibilità e calore
specifico. Nelle attività proposte si segue un filo conduttore che porta a distinguere:
sentire caldo un certo sistema ÅÆ il suo essere caldo ÅÆ il diventare caldo
ÅÆtenere caldo.
Il problema del cosa significhi riscaldare viene affrontato facendo capire all’alunno che
le modalità diverse di scaldare (fornello elettrico, a gas, contatto corpo caldo e corpo
freddo) corrispondono sempre ad un’interazione fra un corpo caldo ed uno freddo, che
può avvenire per contatto o a distanza (nel vuoto con lampade e sole), e che non si
raggiunge l’equilibrio termico quando si usa un “riscaldatore”. Per effettuare gli
42
http://web.uniud.it/cird/SeCiF/termo/termo.htm
http://web.uniud.it/cird/SeCiF/termo/senso/senso01.htm
44
http://web.uniud.it/cird/SeCiF/termo/stati/stati8_e.htm
43
59
Definizione del problema e domande di ricerca
esperimento sul riscaldamento viene proposto di usare
sensori in linea con
l’elaboratore, che permettono ai ragazzi di costruire grafici in tempo reale e quindi
seguire l’evoluzione della temperatura nel tempo. Le attività suggerite consentono di
esplorare il concetto di equilibrio termico e quindi riconoscere operativamente la
temperatura come grandezza di stato, mentre nell’esplorazione delle interazioni
termiche si riconosce:
“il ruolo giocato dalle diverse masse dei sistemi, dai diversi
materiali di cui sono composti, per giungere alla legge di
Fourier, sintesi descrittiva dei processi indagati. Il processo di
formalizzazione avviene per gradi. Nella scuola elementare si
realizza sviluppando il ragionamento proporzionale, nella
scuola media si comincia a trasformare le proporzioni in
relazioni di proporzionalità tra grandezze fisiche”.
2.4 Conclusioni
Sia in Italia che all’estero l’insegnamento/apprendimento della fisica nel primo
ciclo di istruzione è affidato ad insegnanti non specialisti in campo scientifico, che nel
loro corso di studi hanno acquisito dal 10% al 30% dei crediti in campo scientifico.
Da ricerche finalizzate all’analisi del sapere didattico/disciplinare di questi
insegnanti emerge un diffuso senso di inadeguatezza legato anche ad una formazione
principalmente umanistica (Akerson, 2005; Traianou, 2006; Rice, 2005; Harlen e
Holroyd, 1997; Harlen et al., 2003). Gli autori di questi studi ritengono le conoscenze
degli insegnanti insufficienti ed hanno individuato le strategie compensative che
vengono messe in atto. La strategia alla quale gli insegnanti si affidano principalmente è
quella di fare il minimo indispensabile, insegnando quanto meno possibile
sull’argomento scelto e usando kit di insegnamento preconfezionati forniti dalle guide
scolastiche sotto forma
di unità di apprendimento già strutturata. Un altro
atteggiamento tipico dell’insegnante insicuro è quello di lasciarsi guidare dalle esigenze
degli alunni piuttosto che guidare gli stessi in un processo di costruzione di significati.
La ricerca in didattica interviene nella soluzione di questo problema facendo
leva su quelli che sono i punti di forza degli insegnanti non specialisti: ad esempio, far
comprendere loro che “fare scienza” significa descrivere, raccontare, spiegare e
argomentare, e che le scienze possono essere un’occasione importante per sviluppare
60
Capitolo 2
negli studenti le competenze legate tradizionalmente all’area umanistica (uso della
lingua parlata e scritta).
La ricerca descritta in questa tesi può rappresentare un esempio di analisi di uno
specifico contesto disciplinare e potrebbe svilupparsi in un futuro trasformandosi in
“buona pratica” utile allo sviluppo del sapere didattico degli insegnanti in corsi di
formazione. Gli insegnanti potrebbero sperimentare la proposta direttamente (anche in
un setting di tipo ricerca-azione in collaborazione con il ricercatore) o analizzarne e
farne propri i risultati (Sperandeo-Mineo et al., 2007). Parte dei materiali descritti nel
capitolo 5 si trovano già in linea e sono stati utilizzati come materiale di formazione nel
Master in didattica delle scienze (Lupo et al 2007).
Alla luce di quanto riportato come risultati significativi della ricerca in didattica
si può evincere che non ci sono dei risultati di ricerca per il livello della scuola di base
che mostrano come una visione microscopica migliori la comprensione dei fenomeni
termici macroscopici. Le ricerche mirate alla scuola di base, solitamente si limitano a
descrizioni macroscopiche e non coinvolgono analisi quantitative. Per quanto riguarda il
microscopico è stato dimostrato che gli studenti di scuola media sono in grado di
riprodurre le tre fasi della materia con una visione microscopica, ma non sono in grado
di utilizzare tali visualizzazioni per interpretare o predire fenomeni macroscopici. Le
ricerche descritte non utilizzano contemporaneamente l’osservazione, esperimenti
quantitativi, sensori on-line e simulazioni: le esperienze portate nella scuola primaria
che propongono un approccio quantitativo si limitano ad un’analisi a livello
macroscopico (TEEMSS, Udine), o ad una introduzione discorsiva del modello
particellare (Papageorgiou, Johnson, 2005) mentre le esperienze proposte per la scuola
media introducono il microscopico senza proporre un’analisi quantitativa a livello
macroscopico (Gobert, Tinker 2004).
La ricerca descritta in questa tesi ha come obiettivo principale indagare sulla
possibilità di progettare e realizzare un ambiente di apprendimento per la scuola di base
nel quale si utilizzino sia le osservazioni dei fenomeni della vita quotidiana che l’analisi
quantitativa delle grandezze macroscopiche, che la simulazione di modelli di struttura
della materia, conducendo i ragazzi a comprendere che il modello microscopico porta
agli stessi risultati degli esperimenti fatti a livello macroscopico. Nello specifico si
sviluppa un percorso di osservazione di fenomeni quotidiani e di modellizzazione a
livello macroscopico del fenomeno del riscaldamento, quindi si passa alla costruzione
del modello microscopico della materia utilizzando strumenti informatici per la
61
Definizione del problema e domande di ricerca
visualizzazione e simulazione, per tornare alla fine alla interpretazione dei fenomeni
macroscopici.
Le domande di ricerca che guidano il lavoro sono legate sia a problematiche di
tipo epistemologico (D1), che didattico (D2 e D3). Riguardo a come la conoscenza
scientifica di un preadolescente possa svilupparsi nell’interazione attiva con un
ambiente di apprendimento, ci chiediamo:
D1
L’introduzione dell’interpretazione microscopica aiuta ad interpretare i
fenomeni termici macroscopici?
Mentre didatticamente ci si chiede a quale
livello sia possibile condurre la
modellizzazione:
D2
Qual è il livello di formalizzazione possibile nel caso della scuola di
base?
Ed infine ci si pone il problema dell’opportunità della scelta didattica di usare strumenti
informatici, e di quali strumenti specifici utilizzare:
D3
Qual è il ruolo della visualizzazione microscopica e quali sono gli
opportuni strumenti?
62
Capitolo 3
CAPITOLO 3
Metodologia della ricerca
3.0 Introduzione
La ricerca in ambito educativo presuppone una scelta di campo: se il ricercatore
deve intervenire nel processo di insegnamento/apprendimento o se deve osservare senza
interferire con quanto avviene nelle dinamiche del gruppo classe/insegnante (ricerca di
tipo etnografico). La nostra ricerca è di tipo interventista, il ricercatore è coinvolto in
prima persona nella sperimentazione delle attività proposte e l’interazione con gli alunni
ne determina le scelte. I dati che vengono raccolti durante la sperimentazione sono testi
e registrazioni e su di essi viene effettuata un’analisi di tipo qualitativo.
3.1 Quadro metodologico: la Ricerca Basata su Progetti
La ricerca si inserisce nel quadro metodologico della Design-Based Research
(DBR), introdotto nell’ambito della ricerca educativa nel 1992 da Brown e Collins
(Brown ,1992; Collins, 1992) per
superare i limiti imposti dalle metodologie rigidamente
sperimentali e da quelle di natura etnografica, proponendo un
modello più aderente alla complessa dinamicità delle situazioni
educative reali. (Pellerey, 2005)
Nella DBR si
progettano ambienti di apprendimento e si sviluppano
contestualmente teorie dell’apprendimento in un continuo ciclo di progettazione,
attuazione in contesti autentici, analisi e riprogettazione.45
45
In origine Anne Brown definì il metodo R di ricerca educativa ispirato all’ingegneria “design
experimentation”, successivamente il nome fu cambiato in design experiment (Cobb et al., 2003), con cui
Metodologia della ricerca
Assunti di base della DBR sono che una teoria dell’apprendimento non si possa
applicare in un determinato contesto a prescindere dalle sue caratteristiche e che la
ricerca in campo educativo sia necessariamente di carattere interventista. La
metodologia, sviluppata per i ricercatori in campo dell’educazione è di tipo
“interventista” nel senso che intenzionalmente provoca cambiamenti in un contesto
educativo. Si può anche definire “partecipativa”, poiché si ha l’intervento diretto del
ricercatore nel contesto: il ricercatore ed il docente lavorano in stretta collaborazione,
spesso il docente è esso stesso ricercatore ed i partecipanti non sono “soggetti”
passivamente trattati, ma parte integrante ed attiva della progettazione e dell’analisi.
La DBR intende creare un ponte fra la ricerca teorica e la pratica educativa: si
ha il duplice proposito di sviluppare sia i principi teorici per la progettazione che gli
strumenti innovativi, le tecnologie, i metodi, e le risorse che possano mettere in pratica
questi principi. I vantaggi della metodologia sono messi chiaramente in luce dalla
seguente descrizione, secondo la quale essa può essere vista come una:
…etnografia interventista attraverso la quale le ricerche
perturbano i contesti educativi tipici introducendo progetti
influenzati da quadri teorici, perché intendono trarre
implicazioni
per
nuove
teorie
sull’insegnamento,
sull’apprendimento e la scolarizzazione. (Dede, 2004)
Di conseguenza, nella DBR un progetto viene sviluppato su due diversi livelli:
sul piano pratico e su quello della teoria. Sul piano pratico si predispongono ambienti
di apprendimento la cui validità viene controllata in contesti autentici, in un continuo
ciclo di progettazione, attuazione, analisi e riprogettazione. La validità in contesti
autentici viene verificata documentando successi e insuccessi e mettendo a fuoco le
interazioni che ridefiniscono la comprensione dei problemi di apprendimento. Sul piano
teorico si utilizzano i risultati precedenti e si sviluppano teorie dell’insegnamento
apprendimento. Metodologicamente la DBR procede attraverso la doppia analisi a
livello teorico (cognitivo) e pratico (didattico): teorie cognitive e costruzione didattica
non sono più connesse in sequenza ma si regolano dialetticamente. L’analisi a livello
teorico, nel nostro caso, viene sviluppata nel quadro generale dell’Educational
attualmente si intende l’insieme di interventi di insegnamento, progetti di software didattici,
manipolazioni del setting educativo, mentre con Design Based Research si intende la metodologia atta a
“capire come, quando e perché le innovazioni educative funzionano al momento dell’applicazione
pratica” pag 5. (The design-based research collective, 2003)
64
Capitolo 3
Reconstruction (ER), nella quale alla scelta di un “modello studente” si affianca una
accurata analisi del contenuto disciplinare. La DBR e l’ER si coniugano qui nel modello
cognitivo ed epistemologico del costruttivismo e metodologicamente nell’intento di
aumentare l’affidabilità di una ricerca svolta in classe.
3.2 Il disegno sperimentale
Il disegno sperimentale è diviso in tre fasi: la progettazione del percorso
didattico (costruzione della TLS), la sua sperimentazione in cicli successivi (Teaching
Experiment) e l’analisi dei risultati. Analizzato e dichiarato il quadro teorico di
riferimento (cap 1), viene motivata scelta del problema di ricerca analizzando il contesto
in cui la ricerca si svolge e lo stato dell’arte (cap2), quindi si
analizza
approfonditamente il contenuto disciplinare in chiave storico-epistemologica (cap 4), e
si avvia la fase di progettazione della sequenza di insegnamento/apprendimento (cap 5).
Il disegno sperimentale coordina DBR ed ER
Nella progettazione della sequenza vengono definiti gli strumenti didattici e di
analisi di percorso: ipotizzato un processo di apprendimento, infatti viene svolta
un’analisi in itinere che ha come obiettivo il monitoraggio delle attività per l’eventuale
ri-progettazione. L’insieme dei dati raccolti viene analizzato a conclusione dei diversi
cicli di sperimentazione alla luce delle domande di ricerca per discutere sulla validità
65
Metodologia della ricerca
interna (conclusioni del cap 6) ed esterna dei risultati (conclusioni). La validità interna
viene discussa argomentando come i risultati possano essere attribuiti alle variabili
indipendenti, nel nostro caso la scelta degli strumenti, dei tempi e l’articolazione delle
attività. La validità esterna, più problematica nel tipo di disegno sperimentale scelto,
viene discussa analizzando la ripetibilità e la generalizzabilità dei risultati ottenuti. Per
ripetibilità e generalizzabilità, si intende la possibilità di estendere i risultati ottenuti ad
una popolazione più ampia considerando l’esperimento didattico come una buona
pratica, che può essere ripetuta in contesti scolastici simili per grado ed organizzazione
scolastica (strutture logistiche e curriculum/programmi didattici).
La TLS può essere considerata un complesso “artefatto” di natura didattica nel
quale a partire da un’ipotesi di carattere pedagogico (la scelta di lavorare con uno o più
modelli interpretativi) si trattano gli specifici contenuti disciplinari utilizzando ambienti
di apprendimento diversificati (laboratorio e simulazioni)46.
3.3 L’analisi dei dati
Nel progetto di ricerca sono state integrate procedure di produzione e raccolta
dati che associano il Teaching Experiment ad una documentazione attraverso un “Diario
di Bordo”,
interviste del tipo “focus group”, registrazioni vocali e videotapes. Il
“Diario di Bordo” permette di seguire lo svolgimento delle attività in una prospettiva di
singolo studente, in esso infatti vengono raccolti i fogli di lavoro utilizzati per le varie
attività, le schede guida per le osservazioni e per le attività di laboratorio, le schede di
sintesi, commenti liberi, i fogli di lavoro su problemi da risolvere47. Le registrazioni
riguardano tutti gli interventi in classe mentre le interviste, del tipo focus group, sono
state effettuate a campione.
46
L’artefatto infatti si rende disponibile per l’utilizzazione e l’adattamento di insegnanti e/o ricercatori
interessati.
47
Generalmente con la dicitura “Diario di Bordo” si intende un documento in cui lo studente raccoglie e
documenta su di sé e sul proprio apprendimento, in una sorta di biografia di apprendimento. In questa
sede, data anche l’età dei ragazzi, si intende un diario ‘scientifico’ guidato.
66
Capitolo 3
Pagine dal diario di bordo
L’analisi dei dati è di tipo qualitativo, come da prassi nel caso di “ricercheintervento”, in cui si focalizzano aspetti processuali. Individuati i punti nodali dello
sviluppo del percorso didattico si analizzano alcuni episodi critici dai quali si possono
trarre informazioni riguardo al processo di apprendimento che avviene nel gruppo e nei
singoli, tramite il confronto con la realtà fenomenica, con i pari e con il docente.
Vengono evidenziati i passaggi in cui gli alunni individuano punti chiave, contrattano le
interpretazioni e costruiscono i significati. In relazione ai punti rilevanti dell’approccio
viene monitorato il cambiamento concettuale che porta gli alunni dalle concezioni
spontanee a quelle scientifiche.
3.3.1. I testi scritti: approccio fenomenografico
I dati raccolti su supporto cartaceo (testi scritti, grafici e disegni) si prestano
maggiormente ad un’analisi secondo l’approccio fenomenografico (Marton, 1988;
Marton e Pang, 2008). La “fenomenografia”, (dal greco “descrizione di ciò che accade”)
vista come metodologia di ricerca mira a
descrivere i modi qualitativamente differenti attraverso i quali le
persone concettualizzano, percepiscono e comprendono vari
aspetti di, e fenomeni nel, mondo intorno a se. (Marton, 1986)
Secondo la fenomenografia, la conoscenza del mondo emerge dalla relazione
contestualizzata tra l'individuo ed il mondo: l’accento è posto sui differenti modi in cui
67
Metodologia della ricerca
la persona può relazionarsi con l’oggetto di conoscenza per apprendere (Prosser e
Trigwell, 1999), modo che può diventa accessibile al ricercatore attraverso modi
differenti di comunicare, in particolare attraverso il linguaggio (Svensson 1997). Gli
studi fenomenografici hanno ripetutamente trovato che ciascun fenomeno, concetto o
principio può essere pensato in un numero limitato di modi differenti: ciò permette di
operare categorizzazioni delle descrizioni dei soggetti analizzati e rappresenta uno dei
risultati di questo tipo di ricerca.
I fenomenografi guardano agli aspetti strutturali distintivi delle relazioni fra gli
individui ed il fenomeno, considerando ogni categoria come
parte potenziale di
strutture più ampie in cui esistono varie categorie. Come obiettivo della fenomenografia
c’è quindi la scoperta di quadri e strutture utili a comprendere la conoscenza degli
studenti. Le categorie possono essere tratte dalle risposte degli studenti a domande
aperte (Prosser et al., 1996) o dalle interviste (Marton,1986; Bowden et al., 1992), in
campo educativo vengono utilizzati anche i fogli di lavoro.
Questo tipo di analisi oltre che per i modi di pensare i fenomeni è stato utilizzato
per valutare aspetti relativi all’insegnamento/apprendimento prevalentemente nel campo
della didattica della fisica (Bowden et al., 1992, Borghi, et al 2000): consente infatti di
ricavare informazioni qualitative sulle concezioni degli studenti e di valutare
l’apprendimento dell’argomento stesso, e quindi l’efficacia del metodo di insegnamento
utilizzato. Ciò nel caso si scelga come disegno sperimentale la modalità del test-retest e
si utilizzino questionari aperti, somministrati a studenti prima e dopo lo studio
dell’argomento. Nella metodologia si studia anche l'influenza di variabili di contesto,
come, ad esempio, la metodologia didattica, gli strumenti che si utilizzano, le tipologie
di verifica, e ciò fornisce indicazioni utili alla progettazione.
Nell’approccio
fenomenografico
non
si
assumono
a
priori
categorie
interpretative nelle quali inquadrare i dati raccolti nell'indagine:
il fenomenografo deve scoprire e classificare modi
precedentemente non specificati in cui la gente pensa su un
aspetto delle realtà. (Marton,1986)
Le categorie, definite a posteriori, sono basate sulle caratteristiche distintive che
differenziano una concezione da un’altra e sono generalmente presentate in un livello di
comprensione crescente (Bowden et al 1992). La categorizzazione fenomenografica è
68
Capitolo 3
contestualizzata: il contesto in cui un fenomeno avviene lo differenzia da altri fenomeni
analoghi.
Nel presente lavoro l’approccio fenomenografico ha permesso nella fase iniziale di
determinare le idee degli studenti riguardo alla struttura della materia (cap 5 indagine
iniziale), successivamente ha permesso la determinazione di categorie (Marton 1986,
Bowden 1992, Prosser 1996) riguardanti i modelli interpretativi del fenomeno del
riscaldamento. La categorizzazione ha seguito i tre principi della fenomenografia:
1. le categorie sono state estratte dalle risposte degli studenti, senza tenere conto di
categorie predeterminate,
2. le categorie sono distinguibili, mutuamente esclusive, in numero limitato,
3. le risposte sono categorizzate esplicitamente e descritte in modelli.
Il processo di categorizzazione è stato svolto in modo iterativo: sono state inizialmente
identificate le categorie utilizzando un piccolo numero di questionari scelti a caso,
delineando similarità e differenze nelle risposte, quindi si sono confrontati i restanti dati
per l’estensione delle categorie ed il riordinamenti dei dati stessi. Le risposte degli
studenti sono state analizzate separatamente da più persone e le categorie individuate
sono state a confronto, discusse e riviste ripetutamente fino al raggiungimento di un
accordo.
69
Metodologia della ricerca
Esempio di individuazione delle categorie
L’analisi in ingresso: individuazione delle parole chiave nella prima domanda
70
Capitolo 3
3.3.2 Le interviste
Le interviste, effettuate a campione, permettono di tenere sotto controllo lo
svolgimento della sequenza di insegnamento/ apprendimento. Il tipo di intervista scelto
può essere classificato come semistrutturato (il ricercatore parte da una griglia di
domande ma si lascia guidare dalle risposte degli intervistati) e più vicino al focusgroup che all’intervista singola. Il numero di partecipanti, infatti, è sempre di almeno 3
elementi.
3.3.3 Le registrazioni
Le registrazioni sono state effettuate durante tutti gli interventi in classe e sono
state analizzate alla luce dell’osservazione che esse non rappresentano esattamente ciò
che è accaduto: quando la videocamera inquadra un particolare, si tende a de-enfatizzare
o ignorare tutto il resto, quindi a seconda delle situazioni lo strumento è risultato più
povero di informazioni rispetto ai disegni o ai fogli di lavoro (Lesh e Leherer, 2000) .
Di contro il formato audio/video ha permesso di vedere più volte da diverse prospettive
gli episodi per l’individuazione di quelli critici. Gli episodi critici sono stati selezionati
cercando quei momenti dai quali si evince quando e/o come l’uso di strumenti e
materiali strutturati piuttosto che la discussione permette lo sviluppo di capacità
operative, di osservazione, di descrizione, di interpretazione. L’attenzione è rivolta
soprattutto alle dinamiche di contrattazione di significati che vengono evidenziate dai
dibattiti fra gli studenti, sia quando queste si sono svolte fra una coppia che quando il
gruppo era più numeroso.
Il lavoro di analisi è proceduto lungo le seguenti linee. Inizialmente tutte le
registrazioni sono state riviste con attenzione, quindi sono state trascritte, tralasciando le
conversazioni inutili, infine
le registrazioni sono state riviste e comparate alle
trascrizioni per verificarne l’aderenza, quindi le sessioni rappresentative sono state
selezionate attraverso l’analisi delle trascrizioni.
71
Metodologia della ricerca
Le fasi dell’analisi delle registrazioni
1. Registrazione (audio o video)
2. Ascolto/visione delle registrazioni
3. Trascrizione integrale delle parti delle registrazioni il cui contenuto
è riconducibile alle attività
4. Controllo delle trascrizioni comparate alle registrazioni
5. Analisi delle trascrizioni ed individuazione degli episodi critici
Come sessioni rappresentative sono stati considerati episodi critici piuttosto
brevi, ciò perché l’interesse non era rivolto a capire l’evoluzione delle epistemologie o i
cambiamenti di strutture ontologiche, bensì a caratterizzare gli sviluppi concettuali
locali, i cambiamenti di strategie di osservazione, le semplici modifiche dei modelli
descrittivi e interpretativi, che possono avvenire in poco tempo con brevi scambi di
opinioni.
72
Capitolo 5
CAPITOLO 4
La fisica del progetto
4. 0 Introduzione
In questo capitolo si propone un’analisi dei nodi concettuali della fisica che sono
argomento del percorso didattico sperimentato. L’analisi è condotta in maniera più
approfondita rispetto a quella proposta nel percorso didattico, nella convinzione che il
docente che si appresta ad affrontare in classe un argomento debba conoscerlo più a
fondo di quanto poi non riporti agli allievi.
L’analisi si sviluppa parallelamente sul piano storico-epistemologico e su quello
dei contenuti. L’analisi storica permette di porre le basi per una successiva riflessione
riguardante gli ostacoli legati alla comprensione dei nodi concettuali (paragrafo 5.2,
pag.118), benché infatti nell’approccio scelto per il percorso didattico non si segua lo
sviluppo storico, la consapevolezza di esso può essere d’aiuto nella interpretazione di
quanto avviene nel processo di apprendimento (Wiser e Amin, 1983).
In questo capitolo
i nodi concettuali vengono affrontati sia al livello
macroscopico che a quello microscopico: vengono sviluppati brevemente
modelli
corpuscolari degli stati di aggregazione della materia e interpretazione cinetica della
temperatura, infine vengono collegati i
processi termici all’energia nella materia.
L’analisi dei contenuti si è basata su testi scolastici di livello di scuola superiore
(Ogborn e Whitehouse, 2008; Amaldi, 2007), di livello universitario/college per non
specialisti (Cumming et al., 2004) e per fisici (Chabay e Sherwood, 2002) e sui manuali
di didattica della fisica (Arons, 1992; Vicentini et al., 1991, 1996).
4.1 Macroscopico e microscopico: due punti di vista.
Il primo passo che si compie quando si analizza un fenomeno fisico è quello di
definire il sistema del quale ci si sta occupando, ovvero di individuare e separare da ciò
La fisica del progetto
che lo circonda il corpo, l’insieme di corpi o la zona di spazio limitata di cui si
osserverà e descriverà il comportamento. Il secondo passo è la scelta delle quantità
(variabili) che sono utili per la descrizione del fenomeno. Nel caso della termologia e
delle proprietà termiche della materia
si possono adottare due punti di vista per
analizzare quanto avviene nel sistema considerato:
In base alla ipotesi di struttura particellare della materia,
qualsiasi oggetto macroscopico (ovvero percepibile attraverso i
sensi ed eventualmente con strumenti amplificatori delle
capacità sensoriali- vedi lente di ingrandimento, microscopio) è
costituito da una pluralità di particelle microscopiche (non
percepibili nemmeno con l’uso di strumenti amplificatori delle
capacità sensoriali) coordinate tra loro in modo da costituire in
base a regole di interazione o sconfinamento l’oggetto in esame.
Abbiamo quindi due livelli di sistemi: ogni singolo oggetto può
essere considerato sistema in relazione alla struttura
particellare. (Vicentini 1991, pag 23)
Le variabili che descrivono un sistema termico dal punto di vista macroscopico sono
“poche proprietà fondamentali misurabili” (Zemansky,1970), esse sono riconoscibili
attraverso i sensi,
vengono misurate direttamente con l’uso di strumenti e non
implicano ipotesi particolari sulla struttura della materia. Esse rappresentano la chiave
di lettura dei fenomeni della vita quotidiana e sono quelle che ogni persona utilizza per
interpretare ciò che accade intorno a sé. Ad esempio l’osservazione del riscaldamento
della testa di un chiodo che viene colpito da un martello viene descritta in termini di
aumento di temperatura al tatto.
Le grandezze messe in gioco per descrivere il fenomeno sono tutte di carattere
macroscopico e si possono misurare. Descrivere lo stesso sistema dal punto di vista
microscopico, invece, presuppone la definizione di ipotesi sulla struttura della materia.
E’ necessario che la persona che compie l’osservazione sia in grado di pensare al chiodo
come un oggetto formato da un numero enorme di altri piccoli “oggetti”, in moto
incessante, e che sia in grado di interpretare lo spostamento delle velocità dall’oggetto
martello agli oggetti microscopici. Ma il movimento incessante di cui sarebbero dotati
questi oggetti microscopici, di cui non si ha contezza (molecole, atomi, ioni,…) è
un’ipotesi, che non nasce spontaneamente. Le quantità usate per la descrizione
microscopica non sono percepibili dai nostri sensi e non vengono misurate direttamente:
74
Capitolo 4
il sistema è costituito da un numero molto elevato di molecole che interagiscono
secondo dinamiche che sono descritte e interpretate in funzione di un “modello” scelto.
I punti di vista macroscopico e microscopico sono ovviamente correlati: la
descrizione/interpretazione di un dato fenomeno fatta nei due approcci deve essere
consistente. Benché anche la comprensione della natura delle grandezze macroscopiche
sia da considerare un nodo concettuale (cosa sia la temperatura, quale sia la sua
definizione operativa, cosa rappresenti, è il primo nodo che affronteremo), le difficoltà
legate all’uso delle variabili che descrivono il sistema a livello macroscopico sono
minori rispetto a quelle che si affrontano quando si descrive a livello microscopico, ed è
ancora più problematico mettere in relazione le grandezze macroscopiche con quelle
microscopiche, essendo tali relazioni legate a concetti di tipo statistico.
4.2 Il primo nodo concettuale: la temperatura
Il primo nodo concettuale che viene affrontato nella sequenza didattica è il
concetto di temperatura, nella sua accezione macroscopica. Al termine temperatura
vengono immediatamente associati nell’uso comune del linguaggio, i termini “caldo” e
“freddo”, il cui significato è costruito attraverso l’esperienza sensoriale e la condivisone
sociale. Non è facile spiegare cosa i termini significhino, ciascuno di noi lo ha imparato
combinando la propria sensazione, e quindi il proprio giudizio, con il giudizio degli
altri, in modo da costruire un significato il più possibile condiviso dei termini. Ma
questa condivisione non sempre porta ad una unanimità di giudizio, ovvero alla
determinazione di una scala descrittiva comune, quello che è “caldo” per un soggetto in
un dato momento può non esserlo per un altro o in una condizione diversa.
L’oggettivazione della sensazione di caldo/freddo e la sua trasformazione in una
misura è legata alla scelta dello strumento ed al fenomeno riproducibile in situazione
controllata che la traducono in numero e ciò è stato possibile solo nel XVII secolo. I
motivi di una determinazione così tardiva degli strumenti che permettono una
definizione operativa della temperatura possono essere imputati a due motivi:
l’attribuzione aristotelica a caldo e freddo di qualità ‘fondamentali’48 (che non potevano
48
Aristotele considerava caldo e freddo qualità simili al colore. Così come il verde di un pezzo di stoffa
verde si intensifica quando viene poggiato su un panno rosso, il caldo se circondato dal freddo viene
intensificato, e viceversa. Aristotele usa qui il principio chiamato antiperistasi (di solito usato per
spiegare il movimento dei proiettili) per spiegare perché le caverne sono fresche in climi caldi e calde in
climi freddi. (Wiser e Amin, 1983)
75
La fisica del progetto
venire sottoposte ad indagini quantitative) e la difficoltà tecnica nella costruzione degli
strumenti. I tentativi effettuati prima del XVII secolo, basati sulla dilatazione dell’aria
(Filone di Bisanzio II sec. a.C. ed Erone di Alessandria I sec. a.C.) rappresentano
prototipi di termoscopi, ma la determinazione dei punti di riferimento, essenziale per la
trasformazione dell’artefatto in strumento di misura è decisamente posteriore. I
termometri diventano degli strumenti
attendibili e la misura riproducibile quando
all’aria si sostituisce un liquido, ancor prima che sia chiarito il funzionamento del
fenomeno della dilatazione e la natura della grandezza misurata. Nel XVII secolo si
assiste ad una inversione di tendenza filosofica, vengono riprese le idee atomiche di
Democrito ed alla impostazione aristotelica si sostituisce quella platonica: il caldo ed il
freddo diventano (tornano ad essere) entità quantificabili attraverso l’uso di strumenti
(Zingales, 2007)49.
La costruzione dei primi termometri si deve agli “sperimentori” dell’Accademia
del Cimento, che sviluppavano il programma galileiano di superamento della fisica
aristotelica del tardo medioevo ed allo stesso tempo erano degli ottimi costruttori di
strumentazione scientifica. Gli accademici, però non distinguevano in termini moderni
calore e temperatura, i loro strumenti furono costruiti ed usati per studiare gli effetti
meccanici del calore50 senza che ciò si traducesse nella ricerca di una relazione fra
differenti variabili termiche51. I termometri degli accademici del Cimento non erano
calibrati attraverso punti fissi, per esempio il termometro di cento gradi fu costruito in
modo tale da raggiungere il livello 20° se messo nella neve, quello di 80° se posto al
sole in una giornata estiva. Solo nel XVIII secolo viene stabilita la scala universale di
temperature, basata sulla temperatura di fusione del ghiaccio e di ebollizione
dell'acqua52.
49
appunti per il corso di Storia della Chimica
http://www.griaf.unipa.it/master_sito/materiali_storia/02%20-%20Misure%20e%20Strumenti.pdf
50
soprattutto ‘ i mutamenti dell’aria’ e la dilatazione, ‘ esperienze intorno ad un effetto del caldo e del
freddo nuovamente osservato circa il variare l’interna capacità de’ vasi di metallo e di vetro’ pag 205
51
La loro sola ‘variabile’ era un misto fra calore e temperatura
52
Celsius propose di utilizzare una scala centigrada riferita a due punti fissi (temperatura della neve in
fusione e dell’acqua in ebollizione) in un lavoro pubblicato nel 1742. Fino ad allora la scala aveva avuto
una divisione in 180 parti come aveva suggerito l’inglese Fahrenheit (1686-1736), o in 80 parti come
aveva proposto dal francese Réaumur (1683-1757).
76
Capitolo 4
Cronologia della costruzione del termometro
Filone di
Bisanzio
Erone di
Alessandria
Galeno
Galileo
Accademia
del cimento
Huygens
Locke
Newton
Farheneit
Réamur
Celsius
II sec a.C.
Termoscopio ad acqua ed aria
I sec a.C.
Termoscopio ad aria
130-200
1592
Grado ‘neutro’ ottenuto mescolando ghiaccio ed acqua bollente
Termoscopio ad acqua
1650
Termometri ad alcool --- Termometro ad acqua (Torricelli)
1665
1690
1701
1720
1730
1742
Determinazione di due punti fissi per il termometro
Esperienza che mostra la fallacità della sensazione
Scala termometrica con 0 nel punto di congelamento acqua
Costruzione di termometri a mercurio, introduzione della scala 32-212 °F
Costruzione di un termometro ad alcool, introduzione della scala 0-80 °R
Introduzione della scala centigrada
La storia della costruzione del termometro aiuta a comprendere le difficoltà che
nascono quando si vuole rendere oggettiva una sensazione. Alcuni episodi storici
forniscono spunti utili per la scelta di attività didattiche che permettano una costruzione
epistemologica del concetto di temperatura. Di sorprendente attualità didattica, di facile
realizzazione e di grande valore conoscitivo è, ad esempio, l’esperienza riguardante
sensazioni e misure termiche che tradizionalmente si fa risalire alle affermazioni fatte
ne1690 da John Locke, nel libro II del suo “Saggio sull’intelletto umano”, quando nel
descrivere le qualità (primarie/oggettive, sensibili/soggettive/secondarie e poteri) dei
corpi, classifica il caldo/freddo come qualità ‘sensibile’:
Come l’acqua sentita fredda in un mano può essere sentita calda nell’altra
Essendo così distinte e comprese le cose, noi siamo resi capaci di dar ragione
di come la stessa acqua nello stesso tempo, possa produrre l’idea di freddo in
una mano e di caldo nell’altra: mentre è impossibile, che la stessa acqua, se
quelle idee fossero realmente in essa, sia nel medesimo tempo calda e fredda.
Giacché, se immaginiamo il caldo, come è nelle nostre mani, non essere che
una specie e grado di movimento nelle minute particelle dei nostri nervi o
spiriti animali, noi possiamo intendere come sia possibile che la stessa acqua
produca, nello stesso tempo, le sensazioni di caldo in una mano e di freddo
nell’altra: il che una figura giammai fa giacché essa non produce in una mano
l’idea del quadrato quando nell’altra abbia prodotto l’idea di sfera. Ma se la
sensazione di caldo e freddo non è nient’altro che l’aumento o diminuzione
del movimento delle parti minute dei nostri corpi, causata dai corpuscoli d’un
altro corpo, è facile comprendere che se quel movimento è più grande in una
mano che nell’altra, se si applica alle due mani un corpo, che ha nelle sue
minute particelle un movimento maggiore di quello di una delle mani, e
minore di quello dell’altra mano aumenterà il movimento di una mano e
diminuirà quello dell’altra, e così produce le differenti sensazioni di caldo e di
freddo che dipendono da ciò. (pag 104)
77
La fisica del progetto
Il frontespizio dei Saggi di Naturali
Esperienze
http://brunelleschi.imss.fi.it/cimento
site/home.html
Utilissima cosa è, anzi necessaria nell’uso delle
naturali esperienze, l’aver esatta notizia de’
mutamenti dell’aria. (…) Così nelle canne del voto a’
diversi stati di quella s’alza o s’abbassa l’argento
vivo, mentre al parere di alcuni, secondo la varia
tempera ch’ell’ha dal Sole o dall’ombra, dal caldo o
dal freddo (…)
I) Serve questo, siccome gli altri, per conoscer le
mutazioni del caldo e del freddo dell’aria, e dicesi
comunemente termometro (…) noi un tale artefice lo
chiamiamo il GONFIA (…)
II) Il secondo non è altro che una copia del primo,
fatta in piccolo, non essendo tra di loro altra
differenza se non che, posti nello stesso ambiente,
quello cammina alquanto più di questo (…) quello è
diviso in 100 gradi, questo in 50.
III) il terzo anch’egli è una copia del primo ma fatto
più grande. Però viene ad esser più geloso e veloce di
quello ben quattro volte, benché spartito in 300
gradi.
IV)…un termometro talmente sdegnoso, e per così
dire d’un senso così squisito, che la fiammella d’una
candela che gli asoli punto d’attorno sarà abile a
metter in fuga l’acquarzente in esso racchiusa
V) il quinto strumento è ancor egli un termometro,
ma più pigro e infingardo di tutti gli altri, perché
dove quegli , per ogni poco che l’aria si stemperi,
veggonsi subito alterare, quest’altro non è tanto
veloce,ed a moverlo vi vuol altro che minime ed
insensibili differenze.
VI) Igrometro
78
Capitolo 4
Immergendo separatamente e contemporaneamente le mani in due recipienti contenenti
acqua a temperature sensibilmente diverse (ad esempio 10°C vs 40 °C) si ha una netta
determinazione della differenza. Ma se le mani vengono subito immerse in un recipiente
contenente acqua a temperatura intermedia le due estremità stimano in maniera
differente la temperatura: la mano che prima si trovava immersa in acqua calda stimerà
un temperatura “fredda”, l’altra “calda”. Ciò dimostra che la sensazione termica può
portare a valutazioni errate. Locke affermava che la sensazione termica è basata sul
movimento delle “parti minute del nostro corpo” e la differenza nella temperatura alla
differente quantità di movimento in queste parti del corpo.53 L’esperienza può essere
utile in una sequenza didattica nella fase preliminare all’uso dei termometri:
l’osservazione che la sensazione dia solo una stima grossolana del “caldo/freddo”
motiva l’uso dello strumento. Un’altra attività che ricostruendo storicamente la genesi
degli strumenti di misura permette agli studenti di comprendere meglio le caratteristiche
della grandezza è la costruzione di termoscopi ad aria e a liquido, tali attività
manipolative, infatti, permettono allo studente di riflettere sul processo di misura della
temperatura, che, pur essendo una variabile di stato, non viene misurata istantaneamente
da alcuno strumento. Ciò porta ad una osservazione del principio dell’equilibrio
termico.
4.3 Il secondo nodo concettuale: riscaldare la materia
Una volta che si è compreso che la temperatura è una grandezza che si può
misurare, considerato il suo carattere di grandezza di stato, si passa ad affrontare il nodo
della variazione della temperatura, in particolare di come se ne possa ottenere un
aumento. Quali sono i meccanismi attraverso i quali si può aumentare la temperatura?
Esistono tre modalità per aumentare la temperatura di un corpo: metterlo a contatto con
uno a temperatura più alta (calore), fare su di esso lavoro meccanico, irraggiarlo. L’idea
che il calore e il lavoro siano due modi sostanzialmente equivalenti di aumentare la
temperatura di un sistema, e che quindi quello che chiamiamo ‘calore’ sia in realtà un
forma di lavoro, non è facilmente comprensibile, come non lo è stato storicamente, allo
53
La moderna fisiologia afferma che la sensazione termica è mediata da un certo numero di differenti
recettori neuronali (termocettori e nocicettori): alcuni dedicati alla individuazione di temperature minori
della temperatura corporea (termocettori del freddo, si attivano da 1°C fino a 35 °C), altri a quelle
maggiori (termocettori del caldo, sensibili fino a temperature di 40-45 °C). Al di sotto di temperature di
15°C e al di sopra di temperature di 43°C non si attivano i termocettori, ma i nocicettori che in entrambi i
casi trasmettono la sensazione di bruciore.
79
La fisica del progetto
stesso modo non è stato facile comprendere il riscaldamento per irraggiamento. Prima
del XIX secolo si riteneva che il calore fosse una sorta di fluido, il calorico, contenuto
nei corpi: i corpi caldi ne contenevano di più, quelli freddi di meno, e quando un corpo
caldo veniva messo a contatto con uno freddo avveniva un trasferimento di calorico.
Il calorico nell’interpretazione di Jhoseph
Black (1728-1799)
Il calorico nell’interpretazione di Lavoisier (17431794)
La “materia del calore” è un fluido
discreto,
sottilissimo,
imponderabile,
costituito da particelle che si respingevano
tra di loro e si combinavano secondo le
forze dell'affinità chimica con le particelle
ultime dei corpi.
Il fluido igneo, o materia del fuoco, del calore, della
luce è molto sottile ed elastico. Circonda il globo
terrestre e penetra, con maggiore o minore facilità, i
corpi che lo compongono. Tende, quando è libero, a
mettersi in equilibrio fra tutti.
(1777 “Mémoire sur la combustion en général”)
Solo nel 1798 Benjamin Thompson, conte di Rumford diede la prova
sperimentale che il calore non è una sostanza ma una degenerazione del lavoro
meccanico: arrivò a questa conclusione osservando il riscaldamento delle schegge di
ottone prodotte durante l’alesaggio dei canoni. Un anno dopo Sir Humphry Davy
facendo strofinare due pezzi di ghiaccio ed ottenendone in parte la liquefazione mostrò
che il lavoro meccanico speso per vincere l’attrito determina effetti uguali a quelli che si
hanno in presenza di calore.54 Bisogna però attendere gli anni ’40 del XIX secolo perché
Joule dia una dimostrazione sperimentale dell’equivalenza fra calore e lavoro.
Usando riscaldatori elettrici è possibile misurare l’innalzamento della
temperatura in un data sostanza, e verificare che essa è legata alla sua massa e ad una
costante caratteristica della sostanza:
Q = mc∆T
La grandezza Q è la quantità di calore fornito dal riscaldatore, c una costante e ∆T la
variazione di temperatura. La costante c è detta calore specifico55 ed è quella energia
che si deve fornire o che si ottiene da un chilogrammo di una sostanza quando questa
cambia la sua temperatura di un grado (centigrado o Kelvin). Per aumentare di un grado
54
Il calore specifico dell’acqua è maggiore di quello del ghiaccio, quindi in questo esperimento si esclude
la possibilità che vi sia una diminuzione di calore specifico
55
o capacità termica specifica, nel caso in cui si voglia evitare di indurre l’idea di una sorta di calore
contenuto nella materia
80
Capitolo 4
la temperatura di un chilogrammo di acqua, ad esempio sono necessari 4180 J, circa il
doppio di quanto non ne occorra per la stessa sostanza allo stato solido.
Tabella dei calori specifici di alcune sostanze
Ghiaccio=2040 J/kg K
T=0°C
Piombo 127 J/kg K
Oro 129 J/kg K
Argento 239 J/kg K
Rame 385 J/kg K
Alluminio 886 J/kg K
Acqua=4180 J/kg K
T=0°C
Olio 1850 J/kg K
Glicerolo 2390 J/kg K
Etanolo 2430 J/kg K
Acqua di mare 3925 J/kg K
Vapore d’acqua= 1940 J/kg K
T=100°C
Ossigeno 917 J/kg K
Aria 1005 J/kg K
Azoto 1038 J/kg K
Idrogeno 14280 J/kg K
Sostanze che dal punto di vista macroscopico hanno caratteristiche simili e simili
proprietà fisiche possono avere calori specifici molto differenti. È il caso, ad esempio
di piombo ed alluminio. Tali differenze possono risultare difficili da comprendere se si
resta a considerazioni di tipo macroscopico.
Riscaldare la materia significa aumentarne la temperatura, il risultato si può
ottenere per contatto con corpi a temperatura maggiore (calore), dissipando lavoro
meccanico, o irraggiandolo. Ponendo l’attenzione sul sistema l’aumento di temperatura
indica l’aumento dell’energia immagazzinata in esso: l’energia interna U. Usando
questa grandezza è possibile esprimere la conservazione dell’energia come:
∆U = W + Q + R
dove W è il lavoro fatto sul sistema, Q il calore scambiato, ovvero quella quantità di
energia che viene trasferita per effetto termico, R lo scambio di energia per
81
La fisica del progetto
irraggiamento (Alonso e Finn, 1996). L’energia interna non ha un valore assoluto, di
essa interessano solo le variazioni56.
E’ importante sottolineare che, contrariamente a quanto si legge nella totalità dei
libri di testo a qualsiasi livello scolastico o universitario il processo in cui un corpo si
riscalda per irraggiamento, o un corpo caldo si raffredda non è un processo di
“trasmissione di calore”. A differenza di quanto avviene nel caso della conduzione
termica e della convezione l’irraggiamento si ha anche nel vuoto, e nello spazio
interposto fra la sorgente (oggetto che emette la radiazione) e l’oggetto irradiato non si
ha un gradiente di temperatura. Questa ambiguità nell’uso del termine “calore” in
relazione all’irraggiamento si trova in una frase di Maxwell57 , che dice:
Io non credo che il calore sia di fatto calore quando è radiante
proponendo un’utile riflessione sulla opportunità di utilizzare l’aggettivo “radiante”
per il “calore”.
Il problema è di natura semantica (Vicentini 1996) e l’utilizzo
dell’aggettivo si giustifica storicamente nell’ambito della teoria del calorico, nella quale
il calore era considerato una proprietà del sistema che poteva venire scambiata e in
ambito di studio dei processi che vanno all’equilibrio termico perché in questo contesto
i termini conduttivo/convettivo/radiante si riferiscono al materiale in cui avviene il
trasferimento di energia. L’origine del termine “calore radiante” va ricondotta ai primi
decenni dell’Ottocento, in questo periodo sono stati formalizzati nella comunità
scientifica gli effetti termici della radiazione luminosa: luce e calore furono studiati in
analogia. Fu anche attraverso l’interpretazione ondulatoria della luce che si cominciò a
considerare il calore come energia. Nel 1800 l'astronomo Wilhelm Herschel
analizzando la radiazione solare mise in evidenza una regione invisibile di spettro,
chiamata infrarosso, che poteva esser rivelata solo attraverso le sue proprietà termiche:
le sue esperienze furono limitate dal fatto che egli si servisse di un prisma di vetro,
materiale che risulta essere opaco alla parte di spettro che interessava. Questa regione
dello spettro fu chiamata “calore oscuro” “radiazione calorifica” e l’energia che
trasportava “calore radiante”. Gli esperimenti di Herschel furono ripresi dal fisico
italiano Macedonio Melloni che sostituì al prisma di vetro uno di salgemma, riuscendo a
56
La temperatura di un sistema non aumenta sempre, quando si raggiungono temperature caratteristiche
del materiale si ha il passaggio di stato da solido a liquido o da liquido a gas. Durante questi passaggi di
stato l’energia interna aumenta.
57
Vicentini (1996) pag 72
82
Capitolo 4
evidenziare lo “spettro calorifico” della luce. Melloni studiò la trasmissione del calore
attraverso corpi di natura diversa58 servendosi un banco ottico che porta il suo nome.59
Cronologia dell’interpretazione del calore
Concezione mista cinetico-sostanzialista: il calore è dovuto al moto di una
sostanza. Ne “Il saggiatore” introduce gli ignicoli, che sono minuscoli corpi
che si muovono e danno la sensazione di caldo.
Galileo
1623
Bacone
1620
Cartesio
1644
Gassendi
1658
Leibniz
1686
Locke
1690
Ricerca della forma del caldo: caldo sensibile (soggettivo) caldo in sé (caloreoggettivo). Il caldo è un moto espansivo. Il calore è movimento intestino delle
parti minime della materia
Nei Principia Philosophie riprende le idee baconiane
Il calore è prodotto da ‘atomi calorifici’ di forma sferica che si insinuano nei
corpi disperdendoli e separandoli, esistono anche atomi frigorifici (De calore et
frigore)
Il calore è effetto sensibile della trasmissione della vis viva (mv2) fra le
particelle in movimento dei corpi materiali (Brevis demonstratio)
il calore è una quantità sensibile (An Essay Concerning Human Understanding)
Boyle
1697
Experiments…Il calore è evidenza sensibile di movimento di particelle
Newton
1701
I fenomeni termici dipendono dalla materia della luce
Black
1760
Introduce capacità termica e calori latenti (proprietà intensive/estensive)
1775
Esclude l’esistenza del flogisto usando la bilancia nelle reazioni
1777
Introduce il calorico (Memoire…)
Magellan
1780
Introduce il termine ‘calore specifico’ (Essay sur le nouvel teorie)
Thompson
(Rumford)
Davy
1798
Il calore è legato al movimento (alesatura cannone)
1799
Esperienza dello sfregamento delle lastre di ghiaccio.
Young
1807
Il calore è energia~ mv2
Fourier
1811
Teoria matematica della conduzione indipendente dall’ipotesi del calorico
Carnot
1824
Reflexion sur la puissance motrice du feu Æ ciclo
Laplace
1825
La molecola è circondata da un’atmosfera di calorico
Melloni
Van der
Waals
1823
Studio dello spettro calorifero con il banco ottico
1837
Teoria molecolare dello stato fluido
1840
1841
Esperimenti con i riscaldatori elettrici per dimostrare che il calore è una forma
di energia
Legge di Joule calore nei circuiti elettrici
1849
Mulinello meccanico
1850
On the equivalent… ∆U=Q-L
Mayer
1842
Calore nei corpi animali (sangue…)
Clausius
1857
Il calore non è sostanza ma energia di movimento molecolare
Lavoisier
Joule
equivalenza lavoroÆcalore
58
Mémoire sur la trasmission libre de la chaleur rayonnante par differents corps solides et liquides, Ann.
de Chim. et de Phys., LIII, 1833, 5 ; Nouvelles recherches sur la trasmission immédiate de la chaleur
rayonnante par différents corps solides et liquides, Ann. de Chim. et de Phys., LV, 1833, 337
59
http://www.phys.uniroma1.it/DipWeb/museo/espMelloni.html
83
La fisica del progetto
4.4 Il terzo nodo concettuale: le teorie corpuscolari
Il nodo concettuale successivo è l’introduzione di un modello descrittivo della
struttura microscopica per i principali stati di aggregazione della materia. L’ipotesi
atomica è di enorme importanza per la scienza:
Se in qualche cataclisma andassero perdute tutte le conoscenze
scientifiche, e una sola frase potesse essere tramandata alle
generazioni successive, quale enunciato conterrebbe la
maggiore informazione nel minor numero di parole? Io credo si
tratti dell’ipotesi atomica (o fatto atomico, se preferite), cioè che
tutte le cose sono fatte i atomi, piccole particelle in perpetuo
movimento che si attraggono a breve distanza, ma si respingono
se pressate l’una contro l’altra. In questa frase, come vedremo,
c’è una quantità enorme di informazione su come è fatto il
mondo; basta usare un po’ di fantasia e di ragionamento.
(Feynman 2000, pag 25)
4.4.1 Il modello cinetico dei gas
Lo stato di aggregazione il cui comportamento è descritto da un modello
semplice è il gas perfetto. La descrizione macroscopica del comportamento dei gas
prende in considerazione le grandezze volume, pressione e temperatura. La prima legge
che ne descrive il comportamento (pressione e volume in un gas a temperatura costante
sono inversamente proporzionali) segue gli esperimenti di Robert Boyle del 1660.
Interessato a quella che chiamava “la molla dell’aria” e non arrivò mai ad una
formulazione della legge che porta il suo nome, ma pose le basi per la sua formulazione.
In seguito vennero le leggi dei gas che legano pressione, volume e temperatura a livello
macroscopico, che sono racchiuse in un’unica
legge che tiene conto di tutte le
grandezze in gioco60:
pV = NkT (1)
60
dove p è la pressione, V il volume, N il numero di molecole e T la temperatura, espressa in gradi
kelvin (K); k=1,38 ·10-23 JK-1 mol-1 è la costante di Boltzmann, il cui valore non fu calcolato da costui
ma solo nel 1909 quando Jean Perrin contò il numero di molecole contenute in una mole (numero di
Avogadro Na= 6,022 · 10 23 particelle per mole)
84
Capitolo 4
Sviluppo storico della teoria atomica e della teoria cinetica dei gas 61
La teoria atomica di Dalton:
1. la materia è fatta di piccole indistruttibili particelle chiamate atomi,
2. tutti gli atomi di un dato elemento sono identici, ed hanno la stessa massa,
3. atomi di elementi differenti hanno masse differenti,
4. la massa di un atomo di un elemento è la stessa in tutti i suoi composti,
5. quando due sostanze reagiscono per formarne una terza, le particelle si uniscono in rapporti
semplici e la massa viene conservata.
La teoria cinetica:
1. un gas è composto da particelle invisibili con molto spazio vuoto fra di loro,
2. le particelle del gas sono distribuite in maniera uniforme in uno spazio chiuso,
3. le particelle del gas sono in movimento costante e le collisioni sono perfettamente elastiche,
4. le particelle si muovono più lentamente nei liquidi e vibrano intorno a posizioni fisse nei
solidi,
5. le particelle del gas sono largamente spaziate e vi è uno spazio piccolo ma simile fra le
particelle nei solidi e nei liquidi.
61
Harrison, A.G., Treagust, D.F. (2002)
85
La fisica del progetto
Nel periodo 1850-1860 Rudolph Clausius, James Clerk Maxwell e Ludwig Boltzmann
diedero un impulso alla teoria dei gas, riducendo il gas ad un insieme di particelle che si
muovono obbedendo semplicemente alle leggi della meccanica. Maxwell e Boltzmann
svilupparono la teoria cinetica dei gas prima di essere sicuri dell’evidenza delle
dimensioni e del numero degli atomi, con una speculazione teorica che continua ad
essere epistemologicamente valida.
Dal modello di gas perfetto 62 e dall’analisi meccanica degli urti con le pareti che
N molecole hanno in una scatola si perviene alla formula
pV =
2
1
Nmv (2)
3
2
dove e v la velocità quadratica media delle molecole. Il modello introduce un nuovo
significato per la temperatura: la temperatura è proporzionale all’energia cinetica media
delle molecole
2
dalla (1) e (2) Æ mv = 3kT Æ
1 2 3
mv = kT
2
2
o, in altre parole, l’energia termica random di una molecola è dell’ordine del prodotto
kT.
Nel modello è necessario assumere che le molecole siano talmente piccole
rispetto alla distanza che mediamente le separa da poterne considerare trascurabili le
dimensioni rispetto allo spazio totale occupato e che le forze attrattive fra di esse siano
anch’esse tanto piccole da essere trascurabili. Può essere d’aiuto in questa
modellizzazione sapere che un gas, a temperatura ambiente, occupa un volume che è
pari a 1000 volte quello occupato dalla stessa quantità di materia allo stato condensato.
La temperatura è dunque una misura dell’energia media delle molecole, ed indica
quanta energia vi sia nel gas perfetto.
62
Nel gas perfetto il campione deve contenere un grande numero di molecole, le molecole si muovono a
caso in tutte le direzioni con velocità che variano casualmente, gli urti sono elastici e non si ha perdita di
energia in essi.
86
Capitolo 4
Se si considera un gas monoatomico, ad esempio l’elio, l’energia interna è data
dalla somma dell’energia cinetica di tutte le molecole
U=
2
1
3
Nmv = NkT
2
2
perché esse possono soltanto traslare. Le
molecole biatomiche (O2 o N2) invece,
possono vibrare o ruotare, immagazzinando più energia, ma il contributo all’energia
interna dato dalla energia cinetica traslazionale è lo stesso. Da queste considerazioni è
possibile calcolare la velocità media a cui viaggiano le molecole di un dato gas in
condizioni da approssimare il modello di gas perfetto: le molecole di azoto a
temperatura ambiente hanno una velocità di circa 500m/s, (più veloce di una pallottola o
di un jet); è questa la velocità alla quale le molecole che in buona percentuale formano
l’aria ci urtano continuamente. Chiaramente tali velocità sono calcolate in media ed è
possibile calcolare statisticamente qual è il numero di molecole che hanno una velocità
maggiore o minore di tale media, usando la distribuzione di Maxwell-Boltzmann .
3
mv 2
⎛ m ⎞ 2 2 − kT
N (v) = 4πN ⎜
⎟ v e
⎝ 2πkT ⎠
dove N(v) dv è il numero di molecole dl gas la cui velocità è compresa fra v e v+dv, T la
temperatura assoluta, k la costante di Boltzmann ed m la massa della molecola.
87
La fisica del progetto
Nel 1827, qualche lustro prima della formulazione
della teoria cinetica, il
botanico Robert Brown aveva osservato al microscopio che i grani di polline sospesi in
acqua sono in continuo, casuale movimento. Pensando inizialmente che ciò fosse
dovuto alla natura organica, e quindi viva del polline, ripeté l’esperimento usando un
materiale non organico, la polvere di vetro, ed osservò lo stesso tipo di fenomeno.
Fu la prima evidenza sperimentale, visibile, dell’incessante movimento delle
molecole. Gli urti che le particelle esercitano una contro l’altra sono casuali e non
uniformemente direzionate, questo determina delle traiettorie assolutamente casuali che
si possono vedere macroscopicamente nella vita quotidiana nel pulviscolo atmosferico
che viene reso visibile da un raggio di sole in una stanza in penombra, o nel movimento
imprevedibile del fumo o, al microscopio, nei grani di polline immersi in acqua o
ancora osservando la diffusione di qualche goccia di inchiostro in acqua. Alla luce di
quanto detto precedentemente ciò è facilmente interpretabile: ciascuna delle particelle di
cui si osservano queste strane traiettorie, così come le molecole, acquista un’energia
cinetica random dell’ordine di kT. Tale energia si manifesta in una velocità il cui
modulo dipende dalla massa della particella (maggiore è la massa della particella,
minore sarà la velocità) e la cui direzione e verso sono determinati, casualmente, dalla
composizione delle direzioni delle velocità delle particelle con cui urta.
4.4.2 Il modello proposto per i solidi monoatomici
L’unico stato di aggregazione della materia che presenta in alcuni casi una
struttura ordinata, geometricamente regolare, è lo stato solido; ne è prova macroscopica
la presenza in natura dei cristalli, è quindi ragionevole pensare che la struttura
molecolare dei solidi sia tridimensionalmente descrivibile con un reticolo, della cui
presenza si hanno, oggi, ampie prove sperimentali (diffrazione dei raggi X, diffrazione
88
Capitolo 4
dei neutroni). I solidi, se sottoposti a sollecitazioni non troppo forti, risultano essere
elastici: se li si sottopone ad esempio ad una forza di compressione quando questa viene
fermata il solido può tornare alla forma iniziale. Questa osservazione di natura
macroscopica suggerisce che gli atomi nel reticolo cristallino siano legati da forze di
tipo elastico. Un’interazione di questo tipo fa si che gli atomi si muovano attorno
determinate posizioni di equilibrio. Un semplice modello di solido può essere costituito
da sferette collegate tra loro da molle.
In questo modello ciascun atomo può essere visto come un oscillatore,
dotato di
energia cinetica e di energia potenziale. E’ possibile calcolare come l’energia sia
distribuita fra gli oscillatori. L’energia media per ciascun grado di libertà
dell’oscillatore è kT, ½ kT cinetica ed ½ kT potenziale per ogni direzione dello spazio,
poiché i gradi di libertà sono generalmente 3, ciascun atomo ha in media energia pari a
3kT , mentre una mole63 ne avrà 3kNT=3RT. Per innalzare la temperatura di una mole
di un solido di un grado sarà quindi necessario il « calore specifico molare »
Cv =∆E/∆T = 3R = 3 x 8,314 = 24,94 J/(mol K)
Il calore specifico molare ha un valore simile per tutti i solidi per cui si può usare il
modello descritto, come i metalli64. Si chiarisce in questo modo perchè sostanze che dal
punto di vista macroscopico hanno caratteristiche simili e simili proprietà fisiche
possono avere calori specifici molto differenti. È il caso, ad esempio di piombo, calore
specifico 127 J/kg K, ed alluminio, calore specifico 886 J/kg K. La massa atomica del
piombo è 207,20 uma, mentre quella dell’alluminio è 26,98 uma. In un chilogrammo di
63
un numero di Avogadro N di atomi
64
Nel caso del diamante i risultati sperimentali fanno supporre che molti atomi di carbonio in quella
forma abbiano i gradi di libertà “congelati”. Ciò non è spiegabile dal punto di vista classico, ma solo dalla
meccanica quantistica.
89
La fisica del progetto
alluminio sono quindi presenti 37 moli, mentre in un chilogrammo di piombo solo 5
moli. Ciò significa che nel piombo vi sono molti meno atomi da mettere in moto
rispetto all’alluminio. Se invece del calore specifico per unità di massa consideriamo il
calore specifico per atomo otteniamo circa lo stesso valore.
Un blocco piombo è molto pesante, mentre un blocco di alluminio delle stesse
dimensioni è molto più leggero. E’ quindi differente il numero di atomi che sono
contenuti in una stessa massa delle due sostanze.
90
Capitolo 4
4.4.3 Un modello per i liquidi
Non è facile costruire un modello per descrivere ed interpretare il
comportamento dei liquido. Nel liquido le molecole si trovano in una situazione di
semi-ordine: le distanze intermolecolari sono di poco maggiori rispetto a quelle dello
stato solido, ma molto minori (103 volte) che nel gas. Non si ha una struttura ordinata
come nei solidi né molecole indipendenti come nel gas. Nel liquido le molecole sono
tenute insieme da forze sufficienti ad evitarne la separazione, ma non a bloccarle in una
struttura fissa. Macroscopicamente si osserva che nel mescolamento di due liquidi (ad
esempio acqua ed alcool) il volume non si conserva, e sono basse la comprimibilità e la
dilatabilità termica. La caratteristica più evidente però è la possibilità che il liquido ha di
scorrere, che fa presumere una struttura dinamica, continuamente soggetta a modifiche.
La grandezza macroscopica che caratterizza lo scorrimento è
la viscosità, che
diminuisce all’aumentare della temperatura.
In un modello che rende conto di queste evidenze le molecole si comportano
come quelle dei solidi, intrappolate dalle molecole vicine, ma possono uscire da questa
‘gabbia’ e spostarsi in una zona vicina. Ciò rende conto della fluidità del materiale,
mantenendo l’informazione sulla densità confrontabile a quella dei solidi.
Ma con quale frequenza possono avvenire questi salti? Quanto sono influenzati dalla
temperatura? Perché macroscopicamente non se ne ha evidenza? Dalla teoria cinetica
dei gas sappiamo che la velocità di una molecola a temperatura ambiente è dell’ordine
delle centinaia di metri al secondo, sappiamo inoltre che le molecole in un liquido sono
impacchettate a distanze confrontabili con le dimensioni del loro diametro cioè pochi
decimi di nm (10-10m), una molecola che salta deve trovare a questa distanza lo spazio
91
La fisica del progetto
vuoto dove posizionarsi. Così deve muoversi di 10-11 m a velocità dell’ordine di 102m/s.
Ciò suggerisce che le molecole nel liquido saltino 1013 volte al secondo.
Se si pensa la gabbia come una buca si può immaginare che la molecola vi oscilli
all’interno per un certo intervallo di tempo (stimato dell’ordine di 10-12 s) prima di
effettuare il salto. La molecola però può effettuare il salto solo se possiede l’energia
necessaria. Considerate le dimensioni della buca la molecola può oscillare 1013 volte al
secondo restando nella gabbia per 40 volte. Se si pone exp(– ε / k T) = 1 / 40 si ottiene
un valore di circa 3,7, pari a 1/10 eV, o 10 kJ mol–1, quindi se la molecola d’acqua ha
energia poche volte l’energia dell’ordine di kT può sfuggire. In molti liquidi la struttura
molecolare non dura molto. La forma resiste nel caso dell’acqua a T ambiente per 40
tentativi
della
molecola,
solo
picosecondi,
praticamente
un
tempo
nullo
microscopicamente ma grande dal punto di vista molecolare.
4.5 L’energia interna dal punto di vista microscopico
Il passaggio dalla descrizione macroscopica a quella microscopica della materia
permette di interpretare dinamicamente il primo principio della termodinamica: tutto ciò
che accade nel mondo può essere ridotto a scambi di quantità di moto e di energia fra le
particelle, che interagiscono fra loro tramite forze interne, e con l’ambiente attraverso
forze esterne.
Consideriamo un corpo formato da un grande numero di particelle (~1024 atomi
o molecole). Esso è il nostro sistema e la sua energia cinetica interna (Ek_int_sist) è data
92
Capitolo 4
dalla somma dell’energia cinetica di tutte le particelle (misurata rispetto al centro di
massa del sistema)65:
Ek _ int_ sist = ∑i Ek (i)
Il sistema ha anche un’energia potenziale interna (Ep_int_sist) associata alle forze di
interazione fra le particelle:
E p _ int_ sist = ∑ij E p (ij )
Se le particelle non sono dotate di una struttura interna (ad esempio nel caso di gas
monoatomici ideali, assimilabili a punti materiali), la somma di questi due contribuiti dà
l’energia interna del sistema, se invece va considerata anche la struttura della particella
(ad esempio nel caso di molecole biatomiche), si deve aggiungere un termine relativo
alla energia interna (rotazionale, vibrazionale, elettrica, …) della particella :
Eint_ part = ∑ ij E part (i )
L’energia interna del sistema vista in termini particellari è quindi la somma delle
componenti dovute all’energia di ogni singola molecola ed all’energia dell’interazione
fra le molecole.
U = ∑ i Ek (i ) + ∑ ij E p (ij ) + ∑ i E part (i )
65
Questa porzione di energia interna è quella che in questa sede è detta ‘energia termica’. Viene anche
chiamata ‘sensible energy’ poiché è la componente responsabile delle sensazioni termiche.
93
La fisica del progetto
Mappa modificata da http://fisicavolta.unipv.it/didattica/energia/energia.htm
A seconda del tipo di molecola e del tipo di interazione i vari contributi hanno
pesi diversi. Le molecole di un gas ideale monoatomico hanno solo moto traslatorio e
l’energia per molecola è pari a 3/2 kT, ½ kT per ogni direzione dello spazio in cui si ha
il moto traslatorio. Un singolo atomo si può muovere nelle tre direzioni dello spazio e
non vi è ragione di pensare che in una direzione dello spazio sia dotato di maggiore
energia. L’energia sarà maggiore nel caso di molecole più complesse che possono
immagazzinare energia in un maggior numero di modi (gradi di libertà): quando una di
esse viene colpita da un’altra molecola complessa può ruotare e vibrare,
immagazzinando energia potenziale come quella che si ha in una molla compressa e
poiché si ha ½ kT di energia per ogni modo in cui la molecola può muoversi.
94
Capitolo 4
Gli atomi o gli ioni nei solidi fanno lo stesso, vibrando all’interno del solido a varie
ampiezze ed in differenti direzioni, a temperature alte abbastanza l’energia media per
particella è 3kT. Ogni atomo ha sei gradi di libertà, tre cinetici e tre potenziali e dato che
ciascun grado di libertà possiede ½ kT di energia, l’energia totale per particella sarà
3kT, come dimostrato da Dulong e Petit.
Quando la materia viene riscaldata il suo stato di aggregazione può variare dallo
stato solido al liquido, all’aeriforme. Ad ogni passaggio si perde regolarità nella
struttura: dal solido al liquido si perde la struttura rigida che mantiene le particelle nella
loro posizione, dal liquido al gas si perde ulteriormente la struttura che mantiene le
particelle vicine fra di loro. Alcune molecole possono acquistare per urto un’energia tale
da sfuggire alla struttura dello stato di aggregazione in cui si trova il campione di
materia. Ciò avviene perché le molecole hanno acquistato energia termica sufficiente a
superare l’energia ε di legame. L’energia necessaria a rompere il legame dipende dal
tipo di legame. Un esempio tratto dalla vita quotidiana è l’evaporazione delle
pozzanghere, che avviene a temperature basse rispetto a quella di ebollizione
dell’acqua: per ottenere l’evaporazione dell’acqua sono necessari 40kJ per mole
(considerando una temperatura ambiente di 20°C , circa 16 volte kT), e questo perché le
95
La fisica del progetto
molecole d’acqua sono mantenute all’interno della superficie del liquido da una media
di due legami idrogeno (la cui energia è dell’ordine di 20kJ per mole). Lo stesso tipo di
legame mantiene unite le catene di DNA: perché si abbia la duplicazione di tali catene
con la successiva replica dell’informazione genetica il rapporto ε/kT per vincere i
legami idrogeno è quello che si ha alla temperatura della superficie terrestre (intorno a
300 K): per questo i meccanismi biologici possono avvenire sulla terra e la vita
svilupparsi. A temperature più alte le forme di vita rischiano di essere distrutte. Alcuni
materiali, invece, sono molto resistenti alle alte temperature, ad esempio i refrattari con
cui vengono costruite le fornaci nelle quali si fondono i metalli. Questi materiali sono
caratterizzati da legami ionici che hanno energia molto maggiore di kT, fino a 100 volte
maggiore. Nemmeno il fuoco, che distrugge ogni forma di vita e permette la fusione dei
metalli, può fornire tale energia (il fuoco emette fotoni di energia hf più grande di kT di
circa 20 volte).
Advancing Physics AS (2008) , pag 122
Ricapitolando, le particelle hanno un’energia circa pari a kT, per i gas ideali le
cui molecole traslano soltanto e non ruotano o vibrano la teoria cinetica afferma che
l’energia per particella è 3/2 kT. Estendendo la teoria cinetica agli altri stati di
aggregazione si può affermare che l’energia dovuta all’agitazione termica in ogni tipo di
96
Capitolo 4
stato è un multiplo piccolo della quantità kT, che può variare di poco con il tipo di
materiale o con la temperatura.
4.6 Il quarto nodo concettuale: interpretare il riscaldamento dal punto di vista
microscopico
A questo punto è possibile interpretare la legge di conservazione dell’energia
coordinando il punto di vista macroscopico e quello microscopico. La variazione di
energia interna in un sistema è determinata dal lavoro fatto su di essa ∆U = West . Nel
caso della legge termodinamica di conservazione dell’energia tale variazione può essere
interpretata considerando un contributo dovuto al lavoro macroscopico (dato al sistema
da forze misurabili che agiscono su distanze misurabili), al contributo dovuto al lavoro
non macroscopico (fatto sulla particelle del sistema da particelle esterne al sistema), ed
alla radiazione:
Westerno = Wmacroscopico + Wmicroscopico + R
Il lavoro macroscopico è quello che è dato dalle forze esterne che agiscono sulle
particelle del sistema:
G
Wmacroscopico = ∑ i ∫ Fi ,esterno dri → ∑ x f x ∆X
66
In termodinamica il lavoro meccanico W è definito come
l’energia trasferita ad un sistema dall’ambiente (o viceversa)
come risultato di un cambiamento o di una modifica della
configurazione del sistema o della forma dovuta all’azione di
forze esterne che agiscono sul sistema, che possono essere
espresse da parametri macroscopici. (Alonso e Finn, 1996,
pag. 299)
Il lavoro microscopico è quello che chiamiamo ‘calore’, e viene definito empiricamente
come:
66
X è la variabile associata con un cambiamento macroscopico, fx è la forza macroscopica coniugata
97
La fisica del progetto
l’energia trasferita da un corpo caldo ad un corpo più freddo
come risultato della loro differenza di temperatura (Alonso e
Finn, 1996, pag. 299);
questa definizione non dà informazioni sulla natura del meccanismo di trasferimento,
che risulta più chiara dalla seguente definizione:
il calore corrisponde al trasferimento netto di energia
attraverso il contorno (superficie) di un corpo (sistema) per
mezzo di urti elastici ed anelastici fra le molecole del corpo e
quelle dell’ambiente, quando l’energia media delle molecole
(temperatura) del corpo e dell’ambiente sono differenti,
(Alonsoe Finn, 1996, pag. 299)
rappresentabile dall’espressione:
Q = ∑i ∆Ek (i) .
Quindi il trasferimento di energia
termica è un effetto a contorno67.
Il lavoro
microscopico (calore) ed il lavoro macroscopico (trasferimento di energia meccanica)
determinano in parte l’aumento dell’energia interna68 (Arons 1992).
Il terzo contributo al lavoro esterno, e quindi alla variazione di energia interna di
un sistema è quello dovuto all’irraggiamento. L’assorbimento di luce (e di altre
radiazioni elettromagnetiche, infrarosse o microonde)
provoca un aumento di
temperatura e/o il passaggio di stato, e questo il meccanismo è
quello
macroscopicamente più facile da osservare. Del fenomeno si ha ampiamente esperienza
nella vita quotidiana: ci si riscalda sia esponendosi alla luce del Sole (che giunge alla
67
Chabay e Sherwood non utilizzano il termine “calore”, bensì “thermal energy transfer (microscopic
work)” definendolo come segue: “Thermal energy è il nome che diamo al processo in cui l’energia si
sposta fra un sistema e l’ambiente con cui è a contatto, a causa di una differenza di temperatura.”
(pag. 173)
68
Alcuni autori nel caso dell’aumento di temperatura dovuto alla presenza di forze di attrito dinamico,
parlano di livello mesoscopico. In meccanica un corpo può essere trattato come un punto materiale o
come un corpo rigido. In entrambi i modelli non viene considerato cosa succeda all’interno del corpo. Nel
caso dei fenomeni d’attrito è necessario considerare modelli che considerino il corpo sempre uguale a
livello macroscopico, ma che permettano di trattare piccole deformazioni locali (ad esempio
l’appiattimento delle asperità che si ha quando due superfici strisciano). Le dimensioni da considerare,
però non sono quelle atomiche, ma un livello intermedio (fra 10-3 m e 10-9m, detto appunto mesoscopico),
quando si è in presenza di attrito dinamico si ha aumento di temperatura e quindi di energia interna legata
a movimenti incoerenti a livello atomico-molecolare. Secondo questi autori avverrebbe con un doppio
passaggio di energia: prima da macro a meso, poi da meso a micro (Besson, 2003,2005; Peters 2004).
98
Capitolo 4
Terra attraverso lo spazio interplanetario, praticamente nel vuoto), sia quando ci si
avvicina ad una fiamma.
A livello di atomi e molecole, l’energia può essere trasferita per emissione o
assorbimento di fotoni, il che determina un cambiamento nella energia cinetica e/o
interna degli atomi e quindi una variazione dell’energia interna del sistema:
R= ∑i hν i .
La variazione di energia interna di un sistema è quindi esprimibile come segue:
∆U = Q + W + R = ∑ i ∆Ek (i) + ∑ x f x ∆X + ∑ i hν i
Nell’espressione sono presenti, in termini microscopici i tre meccanismi di variazione
di energia interna.
99
Capitolo 5
CAPITOLO 5
Progettazione della Teaching Learning Sequence
5.0 Introduzione
Il
capitolo
presenta
le
fasi
della
progettazione
della
sequenza
di
insegnamento/apprendimento (TLS) e le attività della sequenza sperimentata. Nella
fase di progettazione è stata analizzata la letteratura riguardante le idee spontanee
relative alle idee fondamentali della termodinamica e ai modelli di struttura della
materia. Viene quindi descritto l’ambiente di apprendimento e gli strumenti utilizzati
per la sua realizzazione, con i relativi riferimenti in letteratura.
La sequenza didattica sviluppa la modellizzazione cinetica dell’energia termica.
Il percorso prende spunto dall’esperienza quotidiana ed i concetti scientifici vengono
contrattati e condivisi attraverso l’uso di diversi linguaggi, da quello naturale a quelli
specifici della rappresentazione scientifica (misure, grafici, modelli).
Con il termine modellizzazione, operativamente,
intendiamo il processo
didattico che si sviluppa attraverso una serie di passi che portano lo studente alla
comprensione di un fenomeno a partire dall’osservazione della vita reale fino alla
determinazione di relazioni fra le variabili. Quando le relazioni si configurano in un
sistema che permette di leggere ed interpretare ciò che accade parliamo di modello di
tipo interpretativo, quando operiamo previsioni riguardo a ciò che può accadere in
situazioni fenomenologiche simili, al variare delle grandezze in gioco parliamo di
modello previsionale.
passi del processo di modellizzazione
101
Progettazione della Teaching Learning Sequence
5.1 Cosa pensano gli studenti (analisi della letteratura riguardante le concezioni
spontanee)
Le concezioni spontanee ed i problemi legati all’apprendimento nel dominio
dell’energia termica sono stati oggetto di numerosi studi. Fondamentali sono gli studi
portati avanti intorno al 1980 da Clement (1978), Erickson (1979, 1980, 1985), Engels
(1982), Solomon (1983), Warren (1982), Tiberghien (1984, 1985) per i concetti di
energia, calore e temperatura a cui si affiancano quelli di Novick e Nussbaum (19781985), Berkheimer, Anderson, Lee, e Blakeslee (1988) riguardo alla struttura della
materia. L’argomento è di tale importanza e vastità che dopo molti anni diversi
ricercatori continuano ad interessarsene, seppure da punti di vista differenti (Johnson
1998-2005; Wiser e Smith, 2008; Wiser e Amin, 2001; Krnel, Glazer, e Watson 19982003; Liu e Lesniak, 2005-2006).
5.1.1 Calore e temperatura
Gli studi Erickson (1979-1980) riguardanti le idee dei bambini (6-13 anni) sulla
natura di calore e temperatura furono condotti con il metodo dell’intervista piagettiana,
durante la quale venivano proposti problemi sulla variazione del volume di un liquido in
un tubo capillare immerso in bagni a temperature diverse, sulla velocità di
riscaldamento/raffreddamento di materiali di diversa natura, sulla trasmissione del
calore e la temperatura di equilibrio, sulla conduzione del calore in un solido. L’analisi
delle trascrizioni rivelò la presenza di idee ricorrenti e portò alla individuazione di
alcune categorie in cui ogni insegnante può ritrovare nodi/ostacoli dell’apprendimento.
Esiste una confusione fra il significato dei termini calore e temperatura, utilizzati spesso
come sinonimi: secondo Erickson (1985) fino a 12-13 anni, pur avendo familiarità con
il termine temperatura ed essendo capaci di utilizzare il termometro per valutare la
temperatura nella vita quotidiana, i ragazzi non utilizzano il concetto per descrivere lo
stato di un oggetto. Quando li si interroga sulla differenza tra calore e temperatura, il
tipo di risposta più comune (rappresentato da più del 25% per tutti i livelli d’età) è che
“non c’è differenza fra di loro”, oppure che la temperatura è una misura del calore
contenuto nel corpo, il ‘grado’ di calore, come si può evincere dalle frasi seguenti tratte
102
Capitolo 5
dal conceptual inventory (come l’autore chiama il modo di rappresentare il quadro di
credenze espresse da uno studente) relativo alla trascrizione di un protocollo :
− Il calore è come un’onda che avanza lungo la strada. Sembra come il fumo.
− La temperatura di un oggetto è basata sulla quantità di fumo che contiene.
Il calore è visto dallo studente come una sostanza contenuta nei corpi:
− Le sostanze calde contengono il fumo, e quando si raffreddano questo fumo si
riversa gradualmente nell’aria.
− Ci sono due tipi di calore, caldo e freddo.
Riguardo agli effetti del riscaldamento sulla materia lo studente ripropone la ‘sostanza
del calore’ in termini di bolle d’aria:
− Il liquido nel tubo si innalza perché l’acqua si alza quando si riscalda: quando
riscaldi qualcosa appaiono bolle dentro di essa, e le bolle prendono spazio. Per
questo l’acqua sale.
Compatibile con quanto dice riguardo al calore e la materia in generale:
− Tutte le cose contengono bolle d’aria. Alcune bolle possono contenere aria
calda ed alcune aria fredda.
Le idee riportate non sono peculiari dei bambini, in altre indagini sulle idee riguardanti
il calore (Engels1982, Tiberghien 1984, Wiser e Amin, 2001), i ragazzi un po’ più
grandi (12-16 anni) formularono frasi quali:
− Il calore è l’aria calda.
− Il calore è un fluido o un solido che scalda…
Più gli studenti crescono e più viene utilizzata la parola “energia” e il trasferimento di
essa:
− il calore è dell’ energia - quando si scalda qualcosa, c’è trasferimento di calore
verso ciò che si sta scaldando.
103
Progettazione della Teaching Learning Sequence
Fra i più grandi si sono rilevate anche interpretazioni in termini di movimento di
particelle
− …forse dovrei dire che è l’aumento della velocità delle particelle all’interno di
una sostanza che fa si che la sostanza diventi più calda.
Oltre alla confusione riguardo al significato dei termini calore e temperatura si ha anche
una difficoltà nella comprensione del carattere intensivo della
temperatura e del
carattere estensivo dell’energia. Quasi mai gli studenti confrontano calore e temperatura
pensando alla loro eventuale dipendenza dalla massa della sostanza, anche se qualche
allievo si avvicina all’idea:
− ma la temperatura è la temperatura media di qualcosa, mentre il calore è
differente. Ciò dipende molto da quanto calore ci si mette dentro, mentre la
temperatura è una cosa media.
Altre ricerche sull’argomento sono quelle di Stavy e Berkovitz (1980), che
furono basate su quesiti relativi alla temperatura nel mescolamento di acqua. Agli
intervistati venivano mostrate diverse combinazioni di contenitori pieni di acqua fredda
o calda, il cui contenuto veniva mescolato o distribuito in altri contenitori e veniva
messo a confronto un approccio di tipo qualitativo/verbale (distribuire l’acqua
calda/’fredda da un contenitore a due altri, mescolare acqua ‘calda’ ed acqua ‘fredda’ in
diverse combinazioni), e di tipo quantitativo/numerico. Ciò che trovarono questi
ricercatori si ripropone spesso. Nei problemi i tipo qualitativo, gli studenti utilizzano la
temperatura come una grandezza intensiva: mescolando uguali quantità d’acqua calda si
ottiene acqua calda, con acqua calda e fredda si ottiene acqua tiepida. Se invece si
danno dei valori numerici alle temperature si hanno risultati diversi con l’età: secondo
alcuni ricercatori gli allievi più grandi riescono meno bene di quelli più piccoli (Strauss
1981),
gli allievi che hanno risultati peggiori operano con i numeri addizioni e
sottrazioni come se la temperatura fosse una grandezza estensiva, elaborando in certi
casi algoritmi fantasiosi. Altre ricerche sugli stessi quesiti riportano risultati simili nel
tipo di risposte ma non concordano con l’analisi riguardo all’età (trovano un
miglioramento nei ragazzi più grandi). Comunque in tutte le ricerche il caso di
temperature iniziali identiche si è rivelato più facile da trattare, e le domande
quantitative più difficili che le qualitative. Sono state osservate strategie che consistono
104
Capitolo 5
nel sommare o sottrarre le temperature iniziali anche con ragazzi di 16 anni (Driver e
Russel 1981, Strauss 1981, Engels 1982).
Stavy e Berkovitz (1980)
Test qualitativo sulla quantità intensiva
Test qualitativi e quantitativo sulla
Test quantitativo sulla quantità intensiva
risposte tipo:
−
−
l’acqua a 60°C divisa nei due
contenitori avrà una temperatura di
30°C
l’unione di due quantità uguali
d’acqua a 10°c ha una temperatura
di 20° (risposta data da alunni che
avevano risposto correttamente al
qualitativo)
temperatura intermedia
risposte tipo:
−
−
−
le due temperature vengono
sommate
viene scelta una temperatura
intermedia
la temperatura minore viene
sottratta alla maggiore, quindi
divisa per due 70-10=60, 60/2=30,
a queste vengono combinate le
temperature iniziali (10+30=40
oppure 70-30=40)
Finché si tratta di liquidi l’esistenza di una temperatura finale di equilibrio sembra ben
accettata. Lo stesso principio di equilibrio sembra invece dare più problemi quando ad
essere coinvolti sono oggetti solidi: è noto che tutti gli oggetti in contatto prolungato
raggiungono la stessa temperatura finale, in particolare gli oggetti in una stanza dopo un
certo tempo si troveranno tutti alla temperatura dell’ambiente. Questa idea non è
evidente per tutti (Engel e Driver, 1985; Tiberghien, 1985), anche a livello universitario
105
Progettazione della Teaching Learning Sequence
e post universitario (Sciarretta, Stilli, Vicentini 1990). Quando si domanda ad una
persona se due sedie, una di metallo e l’altra di plastica, messe nello stesso luogo, si
trovino alla stessa temperatura, la probabile risposta sarà: “la sedia di metallo è più
fredda di quella di legno”. Questa idea, indotta in questo caso dalla sensazione termica è
stata individuata anche in una situazione sperimentale differente: si chiese ad alcuni
studenti se differenti materiali (farina, chiodi, acqua) messi per diverse ore in un forno a
60°C avrebbero raggiunto la stessa temperatura. Le risposte furono negative, per la
maggior parte degli studenti materiali diversi avrebbero raggiunto temperature diverse,
in particolare “la farina è a meno di 60°C perché la farina non si riscalda mai molto, i
chiodi sono a più di 60°C perché il ferro si riscalda più velocemente, e l’acqua è a 60°
perché prende la temperatura di ciò che le sta intorno”. Queste affermazioni sono
consistenti con l’idea generale che esistano materiali “caldi” e materiali “freddi”.
Secondo quanto rilevato da Tiberghien
prima dell’insegnamento, solamente un terzo degli studenti pensa
che la temperatura della sabbia, dello zucchero e dell’acqua
aumenta quando li si riscalda. Molti di loro predicono che la
sabbia non sarà calda perché la sabbia non si può riscaldare,
mentre l’acqua si può riscaldare. Per loro, la capacità di essere
scaldati è una proprietà naturale di particolari sostanze. Dopo
l’insegnamento, più del 50% degli studenti riconoscono che la
temperatura di queste tre sostanze aumenta quando sono scaldate,
ma ciò resta un concetto difficile per loro
Esiste infine negli studenti, l’idea che alcune sostanze abbiano una temperatura ‘limite’
oltre la quale non possono andare. È quanto è stato trovato da Tiberghien (1984-85)
quando chiese ad alcuni ragazzi di interpretare una tabella di valori (30°C, 70°C, 200°C,
420°C, 420°C, 420°C, 420°C) ottenuta misurando la temperatura di un pezzo di zinco
messo in un forno a 1000°C. Il 20% degli studenti dichiarò che quella era “la
temperatura più alta possibile per lo zinco”, senza individuare il fenomeno del
passaggio di stato, che era stato trattato in classe. Alla domanda su quali sarebbero stati
gli ulteriori valori della temperatura, il 70% disse che “la temperatura resta sempre di
420°”.
Queste affermazioni sono consistenti con le difficoltà che molti ragazzi hanno
nel riconoscere che una sostanza rimane la stessa anche dopo un passaggio di stato.
Sembra che sia difficile accettare che possa esistere una stabilità nella temperatura
106
Capitolo 5
quando si continua a fornire energia. Lo stesso tipo di risposte si ottennero lavorando
con i passaggi di stato dell’acqua: gli studenti pensano anche che 100°C sia la
temperatura massima per l’acqua (Andersson 1990), che dopo l’ebollizione l’acqua non
è più la stessa sostanza e sembra per loro difficile anche comprendere che, finito il
cambiamento di stato, la sostanza possa di nuovo riscaldarsi. Gli studenti, infatti,
tendono ad associare ai diversi stati di aggregazione della stessa sostanza proprietà
differenti.
5.1.2 Il punto di vista molecolare
Passiamo al problema della comprensione degli studenti riguardo alla teoria
particellare. Usiamo il termine “particella” nel senso definito nel lavoro di Johnson
(1998), in cui viene analizzato il modello microscopico della materia con sufficiente
dettaglio da capire i cambiamenti di stato e le soluzioni, ma che non distingue fra tipi di
particelle (atomi, molecole e ioni)69. Quando gli studenti pensano in termini di
costituenti elementari delle sostanze, mostrano diverse idee ingenue: pensano ad
esempio che le particelle siano simili nelle dimensioni ad altri piccoli oggetti come i
granelli di polvere, quindi
non
hanno una comprensione delle dimensioni molto
piccole (Lee et al., 1988; Wiser e Smith, 2008) e mantengono la concezione statica
piuttosto che cinetica (Driver, 1985). Gli stati di aggregazione della materia, visti dal
punto di vista particellare presentano numerose insidie e, nei modelli spontanei degli
studenti, sono caratterizzati da molte rappresentazioni diverse molto distanti dalle
interpretazioni scientifiche.
Lo spazio fra le particelle è il primo nodo: nei solidi le particelle sono pensate a
contatto, nei liquidi un po’ separate, con una distanza delle dimensioni di 3-4 particelle
(Harrison e Treagust, 2002; Osborne e Cosgrove, 1983), mentre la spaziatura fra le
particelle solido-solido, liquido-liquido e gas-gas che è circa 1:1:10 (Andersson, 1990;
de Vos e Verdonk , 1996).
Nel ghiaccio le molecole sono “dure e ghiacciate”, immobili, si cominciano a
muovere quando il ghiaccio si scioglie, allontanandosi, mentre si impacchettano nel
passaggio inverso (Lee et al., 1993), quando poi l’acqua va in ebollizione le proprietà
chimiche cambiano (Selley, 2000): nelle bolle non c’è acqua ma ossigeno, idrogeno,
69
Mentre useremo i termini atomo o molecola compatibilmente con le scelte operate dai diversi autori.
107
Progettazione della Teaching Learning Sequence
‘vapore’. Ciò anche perché molti pensano che il gas non sia materiale perché non può
essere toccato o visto (Smith et al., 1997; Wiser e Smith, 2008).
Le molecole della stessa sostanza possono cambiare forma o dimensione nelle
differenti fasi (Andersson, 1990) “se riscaldi qualcosa le molecole diventano più
grandi”, si espandono o contraggono come la sostanza di cui fanno parte: se una
sostanza allo stato solido può variare il volume con la temperatura, lo studente che ha
un modello in cui le molecole sono in contatto non ha modo di spiegare questo
cambiamento se non con la variazione di volume della molecola stessa. Nel lavoro di
Johnson (1998), che ha condotto esperienze per diversi anni vengono individuati i
seguenti modelli particellari:
∼
∼
∼
∼
Modello X: Continuous substance nessuna idea particellare, nelle
descrizioni verbali o nei disegni.
Modello A: Particle in the continuous substance: le particelle vengono
disegnate, ma sono conficcate nella sostanza continua: la sostanza è fra le
particelle. Le particelle sono addizionali alla sostanza.
Modello B: Particle are the substance, but with macroscopic properties: le
particelle sono la sostanza, ma con proprietà macroscopiche. Non c’è niente
fra le particelle. Le singole particelle hanno le stesse proprietà del campione
macroscopico- letteralmente piccoli pezzi di materia.
Modello C: Particle are the substance, properties of state are collective: le
particelle sono la sostanza, le proprietà di uno stato sono viste come
proprietà collettive delle particelle. Le particelle vengono disegnate come
sostanza.
5.1.3 Cosa pensano gli studenti coinvolti nella ricerca
Nella ricerca sono stati coinvolti alunni di scuola primaria
e di scuola
secondaria di primo grado (scuola media). Le rappresentazioni riguardo alla struttura
della materia sono state analizzate tramite la somministrazione di un questionario.
5.1.3.1 Partecipanti e setting
La sperimentazione del percorso è stata svolta inizialmente con due seconde
classi di una scuola secondaria superiore di primo grado (sperimentazione pilota,
Gruppo G1). Il percorso è stato effettuato nell’arco di due settimane (circa 12 ore)
durante le ore curriculari di scienze e matematica,
in presenza degli insegnanti
curriculari. Il ruolo dei docenti della classe è stato quello di monitorare le attività che
108
Capitolo 5
venivano svolte per segnalare eventuali passaggi che si fossero rivelati troppo ardui per
il target della classe. Entrambi i docenti, sorteggiati dopo che l’intero corpo docente si
era messo a disposizione, vantano un’esperienza trentennale nell’insegnamento nella
scuola secondaria di primo grado, la prima ha al suo attivo numerose esperienze nel
campo della didattica della Matematica, il secondo è uno specialista di Scienze della
Terra. Entrambi si sono rivelati un utile punto di riferimento per la prima analisi del
percorso: le conversazioni che sono seguite alle varie tappe, gli episodici ma opportuni
interventi durante le discussioni in classe, hanno permesso dei piccoli aggiustamenti in
corso di svolgimento, soprattutto per quanto riguardava la ‘taratura’ del linguaggio con i
ragazzi.
La sperimentazione sul campo è stata svolta con due diversi gruppi, non durante
le ore curriculari ma all’interno di un progetto più ampio di introduzione di metodologie
laboratoriali che le scuole hanno attivato nell’anno scolastico 2007-2008. Per quanto
riguarda la scuola media il gruppo (G2) era formato da alunni provenienti da due classi
della stessa scuola, scelti dai docenti con il doppio criterio della motivazione e del
potenziamento: i gruppi quindi si prefigurano come una classe media, nella quale sono
presenti ragazzi con problemi di motivazione
e ragazzi la cui preparazione va
potenziata, alcuni studenti vengono classificati dagli stessi docenti come ‘eccellenti’
mentre altri presentano disabilità che vanno dal ritardo cognitivo lieve dovuto alla
sordità a quello medio/grave dovuto a sindrome di Down. Gli studenti con ritardo
cognitivo grave sono stati coinvolti nelle attività per quanto possibile, ma i loro
protocolli non vengono analizzati in questa sede. Il gruppo G3, invece viene presentato
dal dirigente scolastico con un livello medio medio/alto, poiché il principale criterio di
selezione effettuato dalle maestre risultava essere quello del potenziamento: il gruppo
però è risultato già durante i primi incontri assimilabile ai gruppi con i quali si era
precedentemente lavorato perché, al di la della valutazione che le insegnanti ne avevano
fatto i bambini si sono approcciati alle attività proposte mostrando stili cognitivi,
motivazione e partecipazione tali da rappresentare una classe tipo. A differenza dei due
gruppi descritti precedentemente, nei quali erano presenti anche studenti disabili, in
questo gruppo mancano bambini realmente problematici (in termini cognitivi e
comportamentali) la cui gestione avrebbe reso difficile lo sviluppo delle attività. Nei
due gruppi le attività sono state svolte in assenza di insegnanti curriculari.
109
Progettazione della Teaching Learning Sequence
Sperimentazione pilota
Sperimentazione sul campo
Gruppo
G1
G2
G3
Classe/età
Seconda media
11-12 anni
43
Terza media
12-14 anni
32
Quinta elementare
9-10 anni
16
N.Studenti
Per documentare l’esperienza gli incontri sono stati registrati con un registratore vocale,
e con una videocamera, mentre per seguire il percorso di ogni singolo studente è stato
predisposto un diario di bordo che conteneva una serie di domande stimolo, spazi per i
commenti e per i disegni. Il diario di bordo è stato fotocopiato man mano che veniva
redatto ed è rimasto in possesso dei ragazzi perché diventasse parte integrante del loro
portfolio di esperienze didattiche dell’anno scolastico.
5.1.3.2 I risultati del test iniziale.
Il questionario ‘Il piccolo navigatore’, somministrato in ingresso per analizzare
le rappresentazioni dei nostri studenti, si è prefisso di individuare le idee iniziali
riguardo alla struttura della materia. In particolare ha indagato sulla presenza nel
campione, almeno in nuce, di un modello cinetico della materia. Il questionario prende
spunto da quanto proposto nell’esperienza statunitense del Concord Consortium
(Gobert, Tinker 2004)70 e presenta tre quesiti a risposta aperta, nei quali gli studenti
vengono invitati ad immaginare “…di poter diventare talmente piccolo da viaggiare
dentro le cose”, quindi di descrivere e disegnare seguendo le tre tracce seguenti:
Prima traccia
Immagina ad esempio, di essere dentro un pezzo di ferro… cosa vedi intorno a te?
Racconta e disegna quello che vedi.
Seconda traccia
Adesso immagina di entrare dentro un bicchiere d’acqua… cosa vedi intorno a te? Il
mondo è diverso rispetto a quando eri nel pezzo di ferro?
Terza traccia
Mentre sei dentro il bicchiere d’acqua, qualcuno lo prende e lo mette in frigo. Vedi dei
cambiamenti?
70
http://www.concord.org/~btinker/workbench_web/states_of_matter/index.html
110
Capitolo 5
E’ stato scelto di usare un questionario a risposta aperta perché in questa modalità lo
studente è libero di esprimersi, sia attraverso una descrizione discorsiva che usando la
forma espressiva del disegno. La prima e la seconda traccia propongono una riflessione
sugli stati solido e liquido in una situazione di equilibrio, conducendo gli studenti ad
analizzare materiali che sono considerati prototipali degli stati, e cioè ferro
(rappresentativo del metallo in generale) per il solido e acqua per il liquido. La terza
traccia permette di indagare sulla capacità dello studente di analizzare un processo nel
quale si ha variazione di temperatura, attraverso un fenomeno familiare che non
coinvolge il passaggio di stato.
Il questionario ha permesso di analizzare i modelli degli studenti in relazione
agli aspetti:
1. descrizione dello stato di aggregazione “solido” in condizione di equilibrio,
2. descrizione dello stato di aggregazione “liquido” in condizione di equilibrio,
3. descrizione dei cambiamenti nello stato liquido durante un processo di
raffreddamento.
È stata analizzata la coerenza delle descrizioni nelle risposte ai tre quesiti ed in ciascun
quesito delle descrizioni nel linguaggio discorsivo rispetto a quello grafico/visuale71.
Le risposte alle tre tracce vengono sviluppate dagli studenti in due modi: con
descrizioni che fanno uso di caratteristiche della materia di tipo macroscopico e con
descrizioni che si riportano a modelli microscopici. Una prima analisi permette quindi
di classificare gli studenti nelle categorie “Macro/quotidiano” e “micro/scientifico”.
Dall’analisi delle risposte sembra che i ragazzi perdano la consapevolezza del
microscopico passando dal solido al liquido e ancor più analizzando il raffreddamento.
Il processo risulta più difficile da gestire microscopicamente e le descrizioni riportano
alla fenomenologia osservabile nella vita quotidiana.
La rappresentazione tramite disegni che accompagna la descrizione ha permesso
generalmente di interpretare quanto dicono i ragazzi, infatti solo in qualche caso isolato
non si è avuta coerenza fra quanto scritto e quanto disegnato. Nel caso di uso di
caratteristiche macroscopiche (categoria Macro) vengono disegnati oggetti e non un
pezzo rappresentativo del materiale, nel caso microscopico vengono disegnati sia
oggetti macroscopici con molecole all’interno che pezzi di materiale. Le molecole sono
rappresentate da forme chiuse, cerchi e talvolta da una sorta di struttura chimica.
71
Sulle risposte è stata effettuata un’analisi qualitativa fenomenografica, operando una codificazione
delle risposte al fine di individuare quali categorie fossero presenti.
111
Progettazione della Teaching Learning Sequence
Nel nostro campione si è trovato che sia i bambini della scuola primaria che i
ragazzi della scuola superiore di primo grado danno spiegazioni classificabili nelle due
categorie, in percentuali variabili rispetto alla traccia e nei diversi gruppi, come
riportato in tabella. I bambini più piccoli tendono a dare spiegazioni di tipo
macrosocopico in percentuale maggiore e in tutti i gruppi si osserva uno spostamento
dal micro al macro nelle varie risposte.
Prima traccia –solido
G1
G2
G3
112
Seconda traccia-
Terza traccia -
liquido
raffreddamento
Macro
micro
Macro
micro
Macro
micro
11 (26%)
32 (74%)
11 (26%)
32 (74%)
17 (40%)
26 (60%)
14 (44%)
18 (56%)
16 (50%)
16 (50%)
23 (74%)
8 (26%)
8 (50%)
8 (50%)
9 (56%)
7 (54%)
10 (63%)
6 (38%)
Capitolo 5
Esempi della rappresentazione iconica
Macro/quotidiano
Prima traccia-ferro
Seconda traccia-acqua
Terza tracciaraffreddamento
Ilenia , 12 anni (G1)
Giulia , 10 anni (G3)
micro/scientifico
Prima traccia-ferro
Seconda tracciaacqua
Terza tracciaraffreddamento
Ludovica, 12 anni
(G1)
Federica, 10 anni
(G3)
Esempio di caso di
discordanza
alla
descrizione verbale
Prima traccia-ferro
Seconda traccia-acqua
Terza tracciaraffreddamento
vedo soltanto delle
molecole muoversi
molto lentamente
salendo e scendendo
vedo delle molecole
muoversi piano
(i
cerchietti
sono
le
bollicine dell’aria)
vedo le molecole che si
muovono più
lentamente
Massimiliano, 12 anni
113
Progettazione della Teaching Learning Sequence
Frequenze delle categorie per traccia
114
Frequenze delle categorie per gruppo
Capitolo 5
Le risposte nella categoria “Macro/quotidiano” utilizzano principalmente il
canale percettivo della visione descrivendo la materia con aggettivi del tipo: trasparente,
buia. Quando i ragazzi non utilizzano idee di tipo particellare nelle tre situazioni stimolo
fanno riferimento coerentemente a quella che è la loro esperienza personale diretta.
Esempi di risposte
nella categoria
“Macro”
Prima traccia-ferro
Miriam, 13 anni (G2)
io non vedo niente
perché il ferro non è
trasparente
Roberta, 12 anni (G1)
vedo soltanto ferro,
però nel mio caso di un
tubo alla sua estremità
vedo anche la luce
Giulia, 10 anni (G3)
io non vedo una cosa
precisa, solo
un'atmosfera calda e
oscurata
Seconda traccia-acqua
io vedo le cose che ci
sono intorno a me
perché l'acqua è
trasparente
vedo acqua, il vetro del
bicchiere e la luce
io vedo che l'acqua
annebbia l'ambiente
esterno
Terza tracciaraffreddamento
io comincio a sentire
freddo perchè la
temperatura dell'acqua
si abbassa e diventa
fredda
ci sono dei cambiamenti
perché quando l'acqua è
fredda il bicchiere si
appanna, e l'acqua si
raffredda.
a questo punto non vedo
più niente perché il
bicchiere si ghiaccia
Gli studenti le cui risposte sono state classificate nel modello microscopico, usano più o
meno opportunamente il termine “molecola”:
− Marienza (G1)-prima traccia …noto intorno a me tante particelle aggregate che
sono le molecole.
Questi studenti sviluppano descrizioni che sono di vario livello, di solito differente da
quello scientificamente accreditato. Generalmente non specificano se vi è qualcosa fra
le molecole e solo alcuni di loro parlano di movimento delle molecole. Il movimento
delle molecole è visto più facilmente nel caso dell’acqua rispetto al caso del solido,
come si evince dalle risposte di Piergiorgio, 10 anni o di Angelo, 13 anni:
115
Progettazione della Teaching Learning Sequence
Angelo 13 anni (G2)
Piergiorgio 10 anni
(G3)
Terza tracciaraffreddamento
Prima traccia-ferro
Seconda traccia-acqua
intorno a me vedo tante
molecole tutte compatte
che non si muovono ed
hanno tutte la stessa
misura
intorno a me vedo tante
molecole quasi invisibili
che svolazzano a destra
e a manca. Il mondo è
diverso perchè le
molecole non sono
ferme e compatte
le molecole non si
muovono quasi più
io vedo le molecole del
ferro tutte attaccate così
sono compatte e
formano quasi dei muri
e io non riesco a
muovermi facilmente
anzi io mi sento
schiacciato dalle
molecole
io vedo le molecole in
movimento dentro
l'acqua perché è calda e
mi sento sbattuto da una
parte all'alta
l'acqua del bicchiere si
sta raffreddando e le
molecole stanno
rallentando il
movimento e a poco a
poco si stanno
ghiacciando
Piergiorgio non specifica che nel solido le molecole sono “ferme” lasciando supporre di
possedere un modello molto vicino a quello scientifico. Angelo, invece, specifica che
nel solido le molecole sono ferme, mentre nel liquido che si raffredda “rallentano”.
Entrambi i ragazzi legano il raffreddamento dell’acqua al rallentamento delle molecole.
Una ulteriore analisi
sulle risposte degli studenti che hanno usato il modello
microscopico coerentemente nei tre quesiti (26 nel gruppo G1, 8 nel gruppo G2 e 6 nel
116
Capitolo 5
gruppo G1) ha portato alla distinzione dei seguenti “sottomodelli”, che si presentano
anche in forma mista:
•
Riferimento generico alle molecole (P),
•
Riferimento alla velocità delle molecole (V),
•
Riferimento alla distanza fra le molecole (D),
•
Riferimento ai legami intermolecolari (L).
Esempi di categorizzazione:
Riferimento generico
alle molecole (P)
Riferimento alla
velocità delle
molecole (V)
Riferimento alla
distanza fra le
molecole (D)
Antonino -G2: sono dentro il pezzo di ferro e vedo molecole
Dario- G3: io vedo molte molecole grigie
Ilenia –G1
Solido: ...vedrei delle molecole che non si muovono completamente.
Liquido: … vedo delle piccole molecole che si muovono l'una contro l'altra.
Raffreddamento: le molecole si muovono una contro l'altra sempre meno
Valentina –G2 vedo le molecole che si vanno avvicinando
Misto
distanza/velocità
(V/D)
Riferimento ai legami
intermolecolari (L)
Giorgio –G1: Viaggiando dentro un pezzo di ferro possiamo osservare che è allo
stato solido e quindi le molecole sono una vicina ad un'altra e non sono in
movimento.
Angelo –G1: (…)L'acqua è allo stato liquido, le molecole sono staccate una
dall'altra e si muovono.
Dario- G2: Si perché l'acqua è una sostanza liquida quindi non è compatta come
la sostanza solida. Infatti nelle sostanze liquide le molecole scivolano una
sull'altra
Marienza- G1:Vedo che le particelle, che nel pezzo di ferro sono aggregate,
sono meno legate e quindi più libere
Tabella
Molecole - P
Velocità –V
Distanza –D
V/D
Legami -L
G1
6 (23%)
8 (31%)
0
6 (23%)
6 (23%)
G2
2 (25%)
1 (13%)
1 (13%)
4 (50%)
0
G3
1 (17%)
1 (17%)
2 (33%)
1 (17%)
0
117
Progettazione della Teaching Learning Sequence
5.2 Analisi del contenuto fisico
La caratterizzazione in senso scientifico dei termini “calore” e “temperatura”
deve partire dalla consapevolezza che ogni persona usa i due termini nella vita
quotidiana con un significato specifico, lontano da quello degli esperti. Calore e
temperatura, in senso scientifico, sono due
grandezze distinte ma correlate.
Nell’istruzione formalizzata, tale distinzione viene fatta spesso solo in termini
dichiarativi ed in maniera ambigua.
La concettualizzazione dei fenomeni termici nella visione scientifica passa
attraverso il
riconoscimento delle caratteristiche intensive/estensive delle due
grandezze per le quali va riconosciuta la differenza come variabili di stato (la
temperatura) e di processo/interazione (calore). La distinzione va portata avanti in
termini di “energia” e coinvolge il livello microscopico, cioè la teoria particellare della
materia72. Le particelle, dotate di agitazione termica, si muovono in relazione alla
temperatura a cui il campione si trova: si muovono più velocemente quando la
temperatura è più alta. Se due oggetti vengono posti a contatto ed uno ha una
temperatura maggiore dell’altro, le particelle dell’oggetto caldo cedono parte della loro
energia di movimento alle particelle più lente dell’oggetto freddo: ciò avviene fino a che
mediamente le particelle di entrambi gli oggetti avranno la stessa agitazione media. In
un campione di materia in cui si sia raggiunto l’equilibrio termico, in ogni porzione si
misurerà la stessa temperatura, la temperatura, infatti è l’energia cinetica per molecola.
Il “calore” scambiato fra i
due oggetti/campioni è la quantità di energia ceduta
dall’oggetto caldo e ricevuta da quello freddo. Tale energia si distribuisce fra le
particelle: un maggior numero di particelle significa maggiore massa e necessita di una
maggiore quantità di energia perché si abbia una dato aumento di temperatura. Ciò
permette di comprendere la natura intensiva della temperatura (energia media per
particella) ed estensiva del calore (quantità di energia che si ‘sposta’). Differenti tipi di
sostanze hanno particelle con diverse caratteristiche e quindi è necessario che avvenga
uno scambio di
quantità diverse di energia per ottenere la stessa variazione di
temperatura, ovvero, scambi di quantità di energia uguali causano variazioni di
temperatura differenti.
72
Con il termine “particella” interdiamo l’unità elementare della materia, che può essere l’ atomo (negli
elementi puri) o la molecola (nelle sostanze quali l’acqua), o ione (nelle sostanze tipo il cloruro di sodio)
118
Capitolo 5
Un approccio di questo tipo presenta due tipi di ostacoli, provenienti entrambi da
un diverso status ontologico73 delle conoscenze sviluppate nell’esperienza quotidiana e
nell’ambito scientifico: la differente caratterizzazione del “calore/temperatura” e lo
sviluppo della teoria particellare della materia.
Nella ontologia della vita quotidiana il calore è “qualcosa di caldo” che non è
generalmente assimilabile al concetto di energia, poiché “l’energia non è calda” e la
temperatura è una misura di quanto le cose sono calde, con una caratterizzazione di tipo
estensivo per entrambe le quantità (Wiser e Amin, 2001). Nella ontologia scientifica si
sviluppa una differenziazione dell’energia in passaggio (come variabile di processo,
estensiva) e dell’energia media per particella (variabile di stato, intensiva). Lo sviluppo
di una visione microscopica che vede il calore come una quantità di energia che passa
distribuendosi fra le molecole rende lo shift ontologico più semplice74.
Anche ripercorrendo lo sviluppo storico della differenziazione dei due concetti si
individua questo ostacolo ontologico (Wiser e Amin, 1983). Ciò è evidenziato ad
esempio, negli scritti dell’ Accademia del Cimento (Magalotti, 1667), in cui gli
sperimentatori non misero mai in relazione caldo, freddo, tempera (temperatura) e
calore. E’ stato possibile cominciare a comprendere che calore e temperatura sono due
differenti entità fisiche, solo qualche decennio dopo, quando Black (1760) scoprì che le
due grandezze non sono perfettamente correlate, cioè che non è vero che fornendo una
data quantità di calore ad una data massa di ogni sostanza si ha un aumento di
temperatura fissato. Differenti sostanze hanno differenti calori specifici e durante i
passaggi di stato non si ha variazione della temperatura, il ruolo che le due grandezze
hanno nei passaggi di stato aiuta oggi a capirne la differenza. Black comunque rimase
ad una definizione vaga di calore, visto come “sostanza o modificazione della materia”,
sviluppando la teoria in cui il calore era un fluido (calorico) e la temperatura la quantità
di calore per molecola di sostanza. Si deve arrivare alla metà del 1800 per avere con
Joule e Clausius, l’attuale caratterizzazione delle due grandezze in termini di energia in
passaggio e di energia di movimento molecolare.
73
Ontologia: la descrizione di un sistema in termini di oggetti e delle loro caratteristiche rilevanti (Redish
2004)
74
Nell’apprendimento di concetti scientifici lo shift ontologico è fondamentale. Secondo Chi (1993) una
classe di costrutti scientifici appartiene alla categoria ontologica dei “processi”, incompatibile con la
categoria che solitamente si costruisce spontaneamente in termini di “materia”. Così il calore, come la
luce o la corrente elettrica devono passare dalla categoria “materia” alla categoria “processo”.
119
Progettazione della Teaching Learning Sequence
La caratterizzazione delle grandezze termiche a livello microscopico permette
di veicolare i diversi processi che permettono ad una sostanza di riscaldarsi, e cioè, oltre
al passaggio di energia per differenza di temperatura, il riscaldamento per lavoro delle
forze di attrito ed il riscaldamento per irraggiamento. Nel primo caso abbiamo un
passaggio del movimento
che da un livello macroscopico si sposta al livello
microscopico, nel secondo caso abbiamo un flusso di energia dovuto alla presenza di
onde elettromagnetiche.
Il secondo ostacolo che bisogna considerare è la difficoltà nell’introduzione dei
modelli particellari, per il loro carattere “più razionale che empirico, di strumento di
pensiero più che di realtà osservabile” (Méheut, 1997). L’atomismo ha radici nel
pensiero greco,
si è sviluppato a partire da speculazioni filosofiche
e non da
osservazioni empiriche: la materia è immutabile, non varia nelle trasformazioni, gli
atomi hanno forma e dimensioni invariabili, movimento incessante, non possono far
altro che urtarsi ed aggregarsi. Nei testi scolastici vengono presentate di norma la
teoria di Dalton e la teoria cinetica, entrambe hanno carattere più descrittivo che di
spiegazione. Sia la teoria atomica di Dalton che la teoria cinetica dei gas non si
svilupparono attraverso sperimentazioni da cui la ‘verità’ emerge per serendipità, ma
sono esempio di sviluppo di una sfida intellettuale collettiva caratterizzata da colpi di
genio e previsioni perspicaci75. Se per lo sviluppo della teoria particellare è stato
necessario il coordinamento dei contribuiti di molti scienziati, è naturale supporre che lo
sviluppo del modello scientifico della materia negli studenti proceda attraverso
cambiamenti concettuali (Poster,1982) che coinvolgono variazioni epistemologiche e
ontologiche. Epistemologiche perché lo studente deve pensare usando evidenze che
sono di carattere storico o filosofico, che hanno richiesto a scienziati come Avogadro,
Boyle, Dalton, Gay-Lussac
un secolo di riflessione su fatti sperimentali che non
fornivano evidenze dirette. Ontologiche perché lo studente deve passare dal
continuo/statico di cui ha esperienza diretta, immaginando casomai particelle che si
toccano, ad una situazione dinamica in cui la posizione delle particelle è discreta, le
particelle sono distribuite nel vuoto, interagiscono e si distanziano in funzione della loro
energia cinetica (Chi et al. 1994; Wiser e Smth, 2008)76.
75
Secondo Nussbaum (1997) basterebbe questa osservazione per giustificare epistemologicamente un
percorso didattico di tipo storico.
76
Diverse ricerche confermano queste assunzioni: gli studenti pensano la materia come un qualcosa di
continuo, per loro non c’è spazio fra le molecole, come nell’aristotelico horror vacui (Nussbaum 1997,
Méheut, 1982), attribuiscono alle particelle proprietà macroscopiche, “gli atomi di rame sono rossi come
120
Capitolo 5
5.3 Il design dell’ambiente di apprendimento e la sequenza dei contenuti
Il problema conoscitivo (cioè l’oggetto della conoscenza per cui viene attivato il
processo di modellizzazione) che si pone agli studenti è quello relativo al riscaldamento,
a partire dall’osservazione iniziale che il riscaldamento si ottiene con modalità differenti
(per contatto, per attrito, per irraggiamento) nell’intento di costruire un modello
interpretativo comune di ciò che accade a livello microscopico nei diversi modi di
riscaldare.
5.3.1
Approccio
Partendo da un approccio concreto al riscaldamento esperito nella vita quotidiana e
dal riscaldamento per contatto, riprodotto in laboratorio, si stimolano gli studenti alla
descrizione delle loro rappresentazioni del fenomeno con domande del tipo:
− cosa succede dentro la materia quando questa viene riscaldata?
− Succede in modo diverso nei solidi piuttosto che nei liquidi?
− A livello particellare i diversi modi di scaldare portano a effetti differenti?
il rame” (Albanese-Vicentini 1997), usano le proprietà macroscopiche della sostanza inferendole sulle
particelle, dal grande al piccolo, ad esempio se il materiale conduce elettricità o calore lo fanno anche gli
atomi.
121
Progettazione della Teaching Learning Sequence
La sequenza dei contenuti prende l’avvio dalla semplice osservazione del mondo che ci
circonda, che porta a catalogare la materia qualitativamente nei tre stati di aggregazione
e si sviluppa passando alla caratterizzazione quantitativa di grandezze, quali il volume,
massa e temperatura (Attività 1). Viene presentato qualitativamente il riscaldamento dei
corpi, che può avvenire per contatto con fonti di calore, per attrito e per irraggiamento,
quindi viene analizzato sperimentalmente il riscaldamento tramite calore (Attività 2).
L’osservazione della diffusione dell’inchiostro permette di introdurre il problema
conoscitivo che porta alla costruzione del modello microscopico della materia, che
viene visualizzato con animazioni/simulazioni (Attività 3). Infine si discute
l’equivalenza dei tre modi riscaldare in termini di uguale comportamento in una
relazione causa–effetto (Attività 4).
In ciascuna delle differenti attività che formano la sequenza didattica si tiene
conto dei modelli riportati in letteratura, monitorandone l’evoluzione durante lo
svolgimento delle attività. La tabella riporta, sinteticamente, il punto di partenza e la
rappresentazione scientifica.
122
Capitolo 5
Concezioni spontanee…
Attività 1:
Gli occhi del
fisico
Gli oggetti che si trovano in una stanza
sono caldi o freddi, quindi non si
trovano tutti alla stessa temperatura,
perché hanno la proprietà di essere caldi
o freddi per natura; alcuni possono
riscaldarsi, altri no.
La temperatura è una grandezza che
dipende dalla quantità di materia,
quando si divide in quantità minori la
temperatura si divide, quando si
uniscono quantità di materia la
temperatura si somma.
…Concezioni scientifiche
La temperatura è una variabile intensiva
che caratterizza lo stato di un corpo.
La temperatura di un corpo può
cambiare solo se il corpo lo può fare.
L’acqua si può riscaldare, ma fino ad un
certo punto.
Attività 2:
La temperatura
che cambia
Materiali diversi si riscaldano in modo
diverso.
Il calore è qualcosa che hanno le cose
calde, che si può propagare nella
materia.
Il calore si manifesta quando due corpi a
temperatura diversa vengono posti a
contatto.
Il riscaldamento di una sostanza dipende
dalla sostanza e dalla massa.
La temperatura è il grado di calore
contenuto in un corpo
La materia è fatta da piccoli granellini,
come la sabbia.
Nei solidi le particelle sono ferme e
attaccate.
Attività 3:
Guardare dentro
la materia
Fra le molecole dell’acqua c’è acqua.
Quando si riscalda una sostanza le sue
particelle diventano più grandi.
Nei liquidi le particelle sono molto più
lontane che nei solidi.
Attività 4:
Energia in
movimento
Il calore è qualcosa, tipo il fumo,
contenuto nei corpi e i corpi più caldi lo
passano a quelli più freddi.
La materia è formata da particelle
microscopiche in continuo movimento,
fra di esse vi è il vuoto.
Nel riscaldamento e nel cambiamento di
fase le particelle restano delle stesse
dimensioni, ciò che cambia è il modo in
cui sono legate.
Nei liquidi e nei solidi le distanze fra le
particelle sono confrontabili.
L’energia interna di un sistema può
cambiare se questo scambia con
l’ambiente energia, che a livello
microscopico è energia di movimento.
123
Progettazione della Teaching Learning Sequence
L’approccio si fonda sui seguenti punti rilevanti :
∼ costruzione del concetto di temperatura;
∼ interpretazione dal punto di vista macroscopico del fenomeno del
riscaldamento differenziando variabili di stato da variabili di processo;
∼ passaggio
dalla
descrizione
continua/statica/macroscopica
di
della
cui
ha
materia
esperienza
diretta,
come
alla
modellizzazione della materia come discreta/dinamica/microscopica (shift
ontologico);
∼ costruzione del modello interpretativo del fenomeno del riscaldamento al
livello microscopico.
5.3.2
Metodologia e strumenti didattici
Le attività della TLS utilizzano materiali didattici strutturati: schede guida per le
osservazioni e gli esperimenti (che vengono raccolte nel diario di bordo), un ipertesto
per la ri-sistemazione delle conoscenze e l’introduzione di concetti necessari per la
modellizzazione (che permette di contestualizzare e riprodurre animazioni filmate), un
tutorial che permette l’utilizzo di simulazioni in ambiente di dinamica molecolare. Le
animazioni, ed ancor più le simulazioni, permettono allo studente di vedere come gli
esperti visualizzano la materia e costruirsi una propria immagine mentale.
Riscaldiamo un corpo con modalità diverse (cosa
succede dentro?)
Il percorso parte dall’osservazione su come si riscaldano i
corpi e analizza quantitativamente il riscaldamento per
contatto con un riscaldatore elettrico. Cerca infine una
descrizione del contatto corpo caldo/corpo freddo
attraverso un modello cinetico di struttura della materia e
interpreta la fenomenologia macroscopica attraverso la
descrizione microscopica.
http://www.uop-perg.unipa.it/master_sito/lucilupo/
Nella fase della modellizzazione macroscopica, durante le attività 1 e 2, viene
introdotto l’uso del sensore di temperatura in linea con l’elaboratore. In un primo
momento i ragazzi hanno potuto familiarizzare con la strumentazione in situazione di
124
Capitolo 5
esplorazione libera. Durante questi momenti sono emerse numerose domande e proposte
operative da parte degli studenti che hanno evidenziato come anche nel caso di bambini
scuola elementare la possibilità di visualizzare direttamente ‘cosa accade’ stimola la
sperimentazione. Successivamente sono stati effettuati gli esperimenti di riscaldamento
di varie quantità d’acqua e sono stati realizzati dai ragazzi dei grafici. Gli esperimenti
sono stati svolti in grande gruppo, gli studenti hanno gestito il software e sono stati
sviluppati seguendo il processo di formulazione di previsioni, esplorazione
sperimentale, confronto fra risultati della sperimentazione e previsioni (PEC)77.
La modellizzazione microscopica, oggetto della seconda fase del percorso,
richiede uno sforzo maggiore da parte degli allievi e si presenta più problematica nel
versante insegnante per la scelta di strumenti e metodologie. Il ragazzo deve sviluppare
la capacità di andare oltre le evidenze sperimentali per costruire un modello teorico di
struttura della materia. L’individuazione di evidenze sperimentali che possano indurre i
ragazzi a pensare la materia in termini di molecole in moto è assai problematica. I testi
scolastici di solito utilizzano il moto Browniano come evidenza del moto degli atomi,
ma la realizzazione di un esperimento in classe necessita dell’uso di microscopi e può
indurre nei ragazzi l’idea che le molecole si possano vedere. La pubblicazione di
immagini di atomi ottenute con microscopi scanning tunneling ha portato molte persone
a pensare di aver visto atomi, quando invece le immagini sono modelli generati
all’elaboratore (Harrison e Treagust, 2002). Queste ragioni e la necessità di trovare un
problema che si avvicini maggiormente alla esperienza quotidiana dei ragazzi ha portato
a scegliere di proporre in classe un'altra osservazione che si trova anche in molti libri di
testo, la diffusione dell’inchiostro, quindi di introdurre una visualizzazione della materia
a livello microscopico usando l’elaboratore. Durante il corso dei cicli di
sperimentazione si sono operate scelte differenti, che sfruttano lo stesso strumento di
base: il modello di dinamica molecolare Molecular Workbench (MW)78. Inizialmente
MW è stato utilizzato nella fase organizzativa solo per creare delle animazioni, ovvero
dei filmati che venivano mostrati agli studenti, senza che essi potessero interagire con
l’ambiente di modellizzazione. In seguito è stato sviluppato un tutorial in cui gli
studenti sfruttavano le potenzialità interattive del modello computazionale.
77
La sperimentazione è stata svolta utilizzando il sensore di temperatura Go-temp, della Vernier ed il
software che lo correda, Logger-Lite, www.vernier.com
78
http://workbench.concord.org descrizione in appendice
125
Capitolo 5
A1
Nodi concettuali
Obiettivi di apprendimento
Concetto di temperatura
−
−
−
−
−
A2
A3
A4
Dipendenza del riscaldamento da
massa e sostanza
Modellizzazione microscopica
della materia
Modello interpretativo del
fenomeno del riscaldamento al
livello microscopico.
−
−
−
−
−
−
−
Sviluppa la sua capacità di osservazione e descrizione.
Distingue le grandezze fisiche dalle proprietà che non lo sono.
Misura temperature.
Distingue la materia per stato di aggregazione attraverso la
descrizione macroscopica delle proprietà.
Misura variazioni di temperatura, anche attraverso l’uso di
grafici T vs t.
Controlla le variabili in gioco.
Interpreta i grafici del riscaldamento.
Mette in relazione causa-effetto il trasferimento di energia e
l’aumento di temperatura (nel contatto con corpi a temperatura
maggiore, nello sfregamento di superfici, nell’illuminazione).
Sviluppa la conoscenza delle dimensioni spaziali dal
macroscopico al microscopico.
Costruisce un modello microscopico degli stati di aggregazione.
Lega l’agitazione molecolare alla temperatura.
Riflette su situazioni fenomenologiche interpretandole con il
modello microscopico.
Materiali e strumenti
− Oggetti, materiali, strumenti di
misura (bilancia, termometro)
− Materiali (acqua, olio, alcool),
riscaldatore da acquario,
contenitore isolante,
termometro on-line, carta
millimetrata
− Diffusione: becker, acqua,
colorante alimentare liquido
− Ipertesto
− Tutorial Molecular Workbench
− Ipertesto
− Tutorial Molecular Workbench
Capitolo 5
5.3.3
Attività
Il percorso può essere pensato in due fasi: la prima sviluppa la descrizione
macroscopica (attività 1 e attività 2), la seconda la modellizzazione microscopica
(attività 3 e attività 4), nelle due fasi vengono utilizzati strumenti teorici e didattici
differenti, che vengono descritti di seguito.
¾ Attività 1: Impariamo ad osservare il mondo che ci circonda con gli strumenti
della fisica
Gli alunni vengono invitati a ‘guardarsi intorno’ e descrivere ciò che li circonda:
gli oggetti, i materiali di cui sono fatti, le proprietà che li possono descrivere. Vengono
guidati alla distinzione fra le proprietà che si possono misurare (grandezze fisiche
volume, massa/peso, temperatura) e le ‘proprietà’ che non si possono misurare
(bellezza, colore, …). Fra le grandezze fisiche si distinguono quelle estensive (volume,
massa) da quelle intensive (densità, temperatura). Poi ragazzi vengono invitati
a
descrivere degli oggetti che si trovano in una scatola, distinguendoli per stato di
aggregazione, e nella discussione si caratterizzano le proprietà macroscopiche dei
diversi stati. Si pone l’attenzione sulla grandezza ‘temperatura’, chiedendo ai ragazzi di
classificare le ‘cose calde’ e le cose ‘fredde’ e si mette in crisi l’affidabilità della
sensazione termica per la stima della temperatura. Viene introdotto l’uso di strumenti di
Progettazione della Teaching Learning Sequence
misura (termometri) tradizionali e di strumenti di misura in linea con l’elaboratore
(sensore di temperatura).
In questa attività lo studente
− Sviluppa la sua capacità di osservazione e descrizione
− Distingue le grandezze fisiche dalle proprietà che non lo sono
− Misura temperature
− Distingue la materia per stato di aggregazione attraverso la descrizione
macroscopica delle proprietà.
L’attività, svolta in grande gruppo con l’intera classe, è mirata al recupero di
conoscenze che il ragazzo dovrebbe possedere per averle incontrate nell’istruzione
precedente o che comunque fanno parte del vissuto e quindi del bagaglio di
idee/spiegazioni/modelli che il ragazzo ha costruito spontaneamente. Ha come scopo il
rilevamento delle idee dei ragazzi al momento dell’inizio dell’istruzione formalizzata e
la costruzione del modo di guardare della fisica attraverso l’individuazione di
grandezze, la loro misura e la descrizione della realtà.
¾
Attività 2: La temperatura che cambia, modi diversi di scaldare.
L’attività guida gli studenti nel processo di modellizzazione macroscopica dei
processi termici, puntando l’attenzione su come può cambiare la temperatura di un
corpo. A partire dalla capacità di misurare la temperatura di un corpo (sviluppata
nell’attività 1) il ragazzo viene posto di fronte a problemi tipici della vita quotidiana:
come si scaldano le mani quando le sentiamo fredde, come si scalda una tazza di latte.
Durante l’attività viene sperimentato il riscaldamento di masse d’acqua tramite
riscaldatori elettrici.
In questa attività lo studente
− Misura variazioni di temperatura, anche attraverso l’uso di grafici T vs t.
− Controlla le variabili in gioco.
− Interpreta i grafici del riscaldamento.
128
Capitolo 5
− Mette in relazione causa-effetto il trasferimento di energia e l’aumento di
temperatura (nel contatto con corpi a temperatura maggiore, nello sfregamento
di superfici, nell’illuminazione).
L’attività che segue la soluzione del problema del ‘riscaldare’ porta il ragazzo a
costruire l’idea che perché un oggetto abbia una temperatura più alta è necessario
fornirgli dell’energia, questo si ottiene con le osservazioni dell’aumento di temperatura
delle mani quando vengono sfregate fra di loro e con le attività sperimentali relative al
riscaldamento di vari materiali. L’attività, proponendo l’analisi della fenomenologia
della vita quotidiana, sviluppa la capacità dei ragazzi di individuare situazioni fisiche
legate al riscaldamento e li porta a costruire un modello descrittivo di quanto avviene
quando una sostanza viene riscaldata, attraverso l’individuazione dei parametri che
entrano in gioco. In questa fase vengono sviluppate abilità di osservazione, descrizione
verbale, previsione, individuazione e controllo di grandezze macroscopiche, misura e
rappresentazione di dati sperimentali. L’obiettivo principale di questa fase è quello di
mostrare l’esistenza di diversi modi di riscaldare la materia, e di come il riscaldamento,
inteso come aumento di temperatura in un dato intervallo di tempo, in condizioni
tecnicamente identiche, dipenda dalla quantità di materia e dal tipo di sostanza. Nella
scuola di base di solito ci si ferma ad un’analisi dei fenomeni puramente qualitativa79.
Qui si è proposto un approccio quantitativo al fenomeno del riscaldamento, portando
anche gli studenti più piccoli a misurare grandezze e costruire/interpretare grafici che
rappresentano il riscaldamento, sia con carta e matita che con l’uso del software di
gestione del sensore di temperatura.
Dopo la fase di sperimentazione libera viene effettuato l’esperimento (descritto
in appendice, pag. 213) del riscaldamento dell’acqua tramite un riscaldatore da
acquario. Quindi ai ragazzi viene chiesto di riflettere sulla possibilità che differenti
materiali o differenti quantità dello stesso materiale si riscaldino in modo (/tempi)
diverso (/diversi), chiedendo loro di fare delle previsioni riguardo al ruolo delle variabili
in “massa” e “sostanza”. Vengono effettuati altri esperimenti variando masse o
sostanze. Dagli esperimenti effettuati vengono estratte delle tabelle di dati che i ragazzi
ricostruiscono su carta millimetrata. Le previsioni fatte vengono confrontate in grande
79
Ci si ferma a situazioni di vita quotidiana riportate alla memoria e descritte con un linguaggio familiare,
del tipo: “Sullo stesso fornello una pentola grande si riscalda in più tempo di una piccola”, “ Se la
mamma vuole far bollire l’acqua in una pentola grande deve posarla su un fornello grande”, ecc.
129
Progettazione della Teaching Learning Sequence
gruppo con i risultati che emergono dal confronto dei grafici (analisi delle variazioni di
temperatura a parità di tempo, analisi della pendenza della retta). Ciò porta alla
costruzione di un semplice modello previsionale sull’aumento di temperatura in
relazione alla massa ed alla sostanza.
¾ Attività 3: Guardare dentro la materia: un viaggio fino agli atomi, immaginiamo
quello che non possiamo vedere
130
Capitolo 5
L’attività inizia con l’osservazione di un fenomeno comune nella vita di tutti i
giorni: la diffusione di un liquido in un altro. Il ragazzo ne ha esperienza quando mette
lo sciroppo colorato in acqua per ottenere una bibita, quando immerge un pennello usato
per dipingere con le tempere nell’acqua, o ancora quando versa il bagnoschiuma
nell’acqua del bagno.
L’osservazione, riprodotta in aula, permette ai ragazzi di porsi domande sul
come e sul perché la goccia di inchiostro si diffonda (Cosa succede se metto una goccia
di inchiostro in acqua?), sulle differenze che si hanno quando la temperatura dell’acqua
è differente (Succede sempre allo stesso modo? Come potremmo fare per rendere più
veloce questo fenomeno?).
Riprendendo
la caratterizzazione dei tre stati attraverso le proprietà
macroscopiche, si osserva che caratteristica dei liquidi è che non hanno una struttura
regolare e rigida, il che permette di intuire il moto particellare meglio che nei solidi. E si
può verificare che se si mescola con un bastoncino o se si utilizza acqua a temperatura
maggiore la diffusione avverrà più velocemente. Ciò a cui si vuole portare lo studente è
la costruzione (o il recupero) dell’idea che le particelle del liquido sono in moto
costante, e che le molecole nell’acqua calda hanno un’energia maggiore e permettere
l’inferenza che “energia maggiore” significa
che le molecole nell’acqua calda si
muovono con una velocità maggiore. Benché il movimento delle molecole non sia
visibile, con la diffusione possiamo osservarne l’effetto e intuirlo.
A questo punto lo studente viene invitato a riflettere su come si presenti la
materia al livello microscopico, visionando dei filmati che visualizzano il modello
microscopico “viaggiando” attraverso le potenze di dieci. Per rendere questo viaggio
comprensibile viene proposto ai ragazzi di navigare nel sito del CERN sulle potenze di
dieci80, che mostra ingrandimenti fotografici di un cespuglio di fiori fino a mostrare
delle immagini di molecole ed atomi. Le immagini fanno riflettere in un modo semplice,
interattivo e gradevole sulle dimensioni degli oggetti con cui interagiamo
quotidianamente e ne permettono il confronto con quelle di cellule, molecole,
componenti dell’atomo. L’attività di navigazione (che viene svolta liberamente dai
80
http://microcosm.web.cern.ch/microcosm/P10/italian/welcome.html
131
Progettazione della Teaching Learning Sequence
ragazzi, in gruppo o singolarmente) permette ai ragazzi di riflettere sulla caratteristica di
‘modello’ dell’atomo.
La modellizzazione a livello microscopico si sviluppa infine utilizzando le
animazioni in cui non vengono visualizzate le forze di interazione ma è possibile
vedere il diverso comportamento microscopico nei tre stati e la dipendenza del moto
molecolare dalla temperatura.
I filmati e le simulazioni
132
Capitolo 5
In questa attività lo studente
− Sviluppa la conoscenza delle dimensioni spaziali dal macroscopico al
microscopico
− Costruisce un modello microscopico degli stati di aggregazione.
− Lega l’agitazione molecolare alla temperatura
L’attività rappresenta il cuore della sequenza e solo se il ragazzo partecipa attivamente
può comprendere l’intero impianto proposto. Per passare al modello dinamico di
struttura della materia si usano animazioni che permettono di visualizzare l’agitazione
termica, vedendo come le particelle si agitano di più se aumentiamo la temperatura.
Nelle pagine dell’ipertesto viene introdotto in modo molto semplice il legame fra la
temperatura e l’energia cinetica media delle molecole, usando delle vignette che mirano
a far capire al lettore che la temperatura è legata alla media delle energie cinetiche. Le
molecole vengono presentate come dei personaggi di un fumetto che svolgono attività
diverse che presuppongono velocità diverse.
le molecole si muovono!
Le molecole possiedono energia di movimento (energia cinetica),
l'energia di movimento delle molecole è legata alla temperatura
maggiore temperatura = maggiore energia di movimento delle
molecole
non tutte le molecole hanno la stessa energia di movimento,
parliamo quindi di 'energia media'
Con questo approccio vengono anche introdotti lo Zero assoluto e l’energia interna.
Lo Zero assoluto viene introdotto dalla domanda “cosa succede quando la temperatura
si abbassa molto?
Teoricamente (ma solo teoricamente!) la temperatura può
scendere fino a che l’energia cinetica delle particelle
assume un valore minimo.
La temperatura alla quale succede è detta “zero
assoluto”, ed è pari a -273 °C
Questa temperatura non può essere raggiunta nella
realtà.
Se ciò accadesse le molecole sarebbero tutte ferme.
133
Progettazione della Teaching Learning Sequence
Mentre l’energia interna viene presentata per introdurre il concetto di forza
intermolecolare.
energia nella materia
•
Le molecole possiedono energia di movimento ed energia che dipende da quanto sono legate
fra di loro le molecole , questa energia si chiama 'potenziale'.
L'energia cinetica e l'energia potenziale, insieme danno l'energia INTERNA
Le forze che legano gli atomi nelle molecole e le molecole fra di loro sono di natura elettrica.
•
Generalmente le molecole si attraggono, a grandi distanze queste forze sono molto deboli,
quasi nulle.
-9
Quando le molecole arrivano a distanze piccolissime 10 m si respingono.
nel solido
le forze di attrazione sono
nel liquido
le forze di attrazione sono grandi
nel gas
le forze sono molto piccole,
grandi e l'energia dovuta al
ma
quasi assenti, mentre l'energia
anche
movimento
l'energia
dovuta
al
di
movimento
è
è grande
movimento è piccola
molto grande
¾ Attività 4: Energia in movimento: cosa è successo alle molecole?
L’attività mette insieme le considerazioni fatte sulle variazioni di temperatura
dovute ai diversi modi di scaldare (come cause che producono lo stesso effetto) e la
modellizzazione microscopica della materia. Si utilizzano le animazioni/simulazioni del
tutorial e si discute in grande gruppo.
Si conclude che il calore è ‘energia in movimento’ che va naturalmente dai corpi
a temperatura più alta (maggiore energia termica) a quelli a temperatura più bassa e che
il meccanismo microscopico che corrisponde all’aumento macroscopico di temperatura
è l’aumento della velocità media delle molecole. Si discutono le osservazioni
macroscopiche effettuate in precedenza interpretandole con il modello microscopico ed
si discutono quei fenomeni nei quali il meccanismo di somministrazione di calore non
porta al riscaldamento, ma al passaggio da una organizzazione molecolare ad un’altra.
134
Capitolo 5
In questa attività lo studente
−
Riflette su situazioni fenomenologiche interpretandole con il modello
microscopico.
L’attività riorganizza in una rete i concetti costruiti nei due tronconi della sequenza:
quello sul calore e temperatura e quello sulla modellizzazione della struttura della
materia. Si ridiscute l’equivalenza calore-lavoro in termini di uguale comportamento in
una relazione causa –effetto (il che costituisce una approccio qualitativo/discorsivo al
primo principio della termodinamica).
La diffusione rivista con il modello microscopico
Animazione
Un fotogramma
del filmato che
mostra il confronto
fra la diffusione
dell’inchiostro a
temperature
differenti.
Simulazione
La pagina del
tutorial che
permette di
riprodurre la
diffusione
dell’inchiostro
riscaldando o
raffreddando
l’acqua.
135
Capitolo 6
CAPITOLO 6
I risultati della sperimentazione della sequenza
6.0 Introduzione
In questo capitolo vengono analizzati i dati raccolti durante la conduzione dei
diversi cicli dell’esperimento didattico, raggruppati per fascia di età: la prima analisi
riguarda la sperimentazione effettuata con gli alunni di scuola superiore di primo grado
(G1 e G2), la seconda analisi la sperimentazione effettuata con gli alunni di scuola
primaria (G3). I dati raccolti sono di diverso tipo: per l’analisi in itinere vengono
analizzati i materiali raccolti nel “diario di bordo” e le trascrizioni provenienti dalle
registrazioni degli interventi in classe, per l’analisi finale vengono analizzati i “problemi
da risolvere” e le interviste, del tipo focus-group, effettuate a campione. Nel “diario di
bordo” sono stati raccolti i fogli di lavoro delle varie attività: schede guida per le
osservazioni contenenti domande stimolo, schede per le attività di laboratorio, schede di
sintesi e commenti liberi; questi materiali seguono lo sviluppo delle attività e sono stati
in parte modificati a seconda delle esigenze del gruppo classe. Essendo stati prodotti in
parallelo da tutti gli alunni su supporto cartaceo e contenendo testi scritti, grafici e
disegni, si prestano maggiormente rispetto alle trascrizioni delle registrazioni ad
un’analisi secondo l’approccio fenomenografico. L’analisi delle trascrizioni delle
registrazioni ha portato alla selezione di episodi critici della sequenza di
insegnamento/apprendimento. L’analisi dei dati viene di seguito
ripercorrendo la sequenza.
presentata
Conduzione dell’esperimento didattico
6.1 analisi dei dati raccolti nella scuola media
6.1.1 L’attività n1
Nodi concettuali:
Concetto di temperatura
Concezioni spontanee
Gli oggetti che si trovano in una stanza sono caldi o
freddi, quindi non si trovano tutti alla stessa
temperatura, perché hanno la proprietà di essere
caldi o freddi per natura; alcuni possono riscaldarsi,
altri no.
Concezioni
scientifiche
La temperatura è una
variabile
intensiva
che caratterizza lo
stato di un corpo.
La temperatura è una grandezza che dipende dalla
quantità di materia, quando si divide in quantità
minori la temperatura si divide, quando si uniscono
quantità di materia la temperatura si somma.
Obiettivi di apprendimento
Sviluppo dell’attività
1. Osservazione di oggetti e distinzione
∼ Sviluppa la sua capacità di osservazione e descrizione,
in solido/liquido/ gas dei materiali
∼ Distingue le grandezze fisiche dalle proprietà che non
che li compongono
lo sono,
2. Classificazione di oggetti ‘caldi’ e
∼ Misura temperature,
‘freddi’
∼ Distingue la materia per stato di aggregazione
3.
Misura della temperatura con
attraverso la descrizione macroscopica delle proprietà.
termometri tradizionali ed in linea
con l’elaboratore
6.1.1.1 Osservazione di oggetti e distinzione in solido/liquido/ gas dei materiali che
li compongono
Gli alunni delle scuole medie coinvolti nella ricerca conoscono gli stati di
aggregazione della materia e ne riconoscono le caratteristiche macroscopiche:
R:- in questa scatola ci sono una serie di oggetti, osserviamoli. Come li potreste
raggruppare?
(in coro: Solido, liquido e gas
(…)
Giorgio: il profumo è liquido…
Francesco: ma poi diventa gassoso…
Ilenia : perché evapora
Francesco: il profumo è sia liquido che gassoso
Alice: è gassoso perché si sente!
Giorgio: quando è liquido è nel recipiente
Gli alunni sono in grado di individuare il volume, la sequenza di frasi che segue mostra
la contrattazione dei concetti spazio/forma/ volume durante il confronto dei vari stati di
aggregazione:
138
Capitolo 6
Ilenia: se prendi la molletta (pinza per stendere la biancheria) e la metti dentro
un recipiente…
Giorgio: non lo occupa
Francesco: non lo prende tutto
Massimiliano: non occupa tutto lo spazio
Francesco: i solidi hanno una propria forma e i liquidi prendono quella del
recipiente…
Massimiliano: i liquidi assumono la forma del recipiente
R: C’è differenza fra forma e volume?
(SILENZIO)
Francesco: la differenza è lo spazio?
Alice: Il volume è la misura della forma, dello spazio… dell’oggetto!
6.1.1.2 Classificazione di oggetti ‘caldi’ e ‘freddi’
L’attività prosegue discutendo il significato di ‘caldo’ e ‘freddo’, per arrivare
alla necessità di definire operativamente una grandezza fisica che
sensazioni. La discussione riguardante l’opportunità di
oggettivizzi le
‘misurare’ la temperatura
attraverso il senso del tatto è un nodo molto importante nello sviluppo del percorso. Una
stima della qualità ‘caldo/freddo’ dello stato dei corpi è possibile, è quello che viene
fatto nella vita comune ed è quanto si deve negoziare per costruire un significato che
abbia valore intersoggettivo. Dopo aver toccato diversi oggetti ed averli classificati
come caldi/freddi dicono:
Francesco: L’alcool è freddo
Michele: il legno è tiepido
Ilenia: per me è freddo, ma se lo tocco diventa caldo!
I ragazzi svolgono l’osservazione di Locke delle tre bacinelle contenenti acqua a
temperature diverse (vedi appendice, pag.211) e subito fanno riferimento allo strumento
di misura. In questa attività risulta importante che più di un ragazzo faccia
personalmente l’osservazione, perché la discordanza di opinione stimola la riflessione
ed il confronto. Nel gruppo G1 un solo ragazzo si propone per immergere le mani e in
breve si raggiunge un accordo:
Marcello: L’acqua …è calda… è fredda… è ghiacciata.
Annalisa: Così non è preciso perché non misuri il grado della temperatura che è il
calore in un corpo
Marcello: Dovrei trovare un metodo per dare la misura
Cristiana : usiamo un termometro!
Marcello: l’acqua calda è 39°… scende… ancora non si è fermato…l’acqua fredda
è 10°, ancora continua… è assurdo… ora è 2° OK!
139
Conduzione dell’esperimento didattico
In un’altra classe del gruppo G2 tutti i ragazzi hanno immerso le mani nell’acqua e ci
sono stati dei pareri diversi riguardo alla classificazione: la maggior parte dei ragazzi si
è espressa con i termini “tiepida”/ “fredda” o “ghiacciata”, mentre in tre dichiarano di
sentire l’acqua fredda con entrambe le mani. Questa discordanza fa si che la
conversazione si sposti dall’oggetto acqua al soggetto che ne stima la temperatura,
veicolando la necessità di un ‘arbitro’ sopra le parti:
Francesco: forse… è misurare la corporea…
Andrea: dipende dalla nostra temperatura, diciamo, se … è calda o fredda
Francesco: se è la stessa acqua vuol dire che il calore corporeo di ognuno
cambia… dobbiamo utilizzare dei macchinari specifici
6.1.1.3 La temperatura come grandezza intensiva
Per comprendere la natura della temperatura come grandezza fisica di stato può
essere utile scoprire attraverso la misura che non dipende dalla quantità di materia,
ovvero è una grandezza intensiva. Lo svolgimento di questa prima attività ha dato
modo di verificare che buona parte dei ragazzi non possiede questa idea. Nel diario di
bordo è stato proposto ai ragazzi un quesito su quale sarebbe stata la temperatura
dell’acqua se fosse stata divisa in due bicchieri:
Su 52 ragazzi presenti durante l’attività solo in 9 (17%) hanno risposto in maniera
corretta, il 75% ha dato risposte riconducibili al ragionamento proporzionale:
140
Capitolo 6
La temperatura è uguale perché….
…è una grandezza
- Francesco: sarà la stessa, perché cambia solo la quantità, ma la temperatura
intensiva
rimane sempre quella.
- Angelo:Ho pensato che la temperatura non varia a seconda della quantità
contenuta in un contenitore
- Maria: Non dipende dalla quantità
- Annalisa : Non dipende dalla massa
Vengono dallo
- Ludovica: Uguale perché viene dallo stesso recipiente
stesso recipiente
- Marta: Uguale perché l’acqua era tutta nello stesso recipiente e si è riscaldata
tutta in modo uguale .
- Dario: Secondo me anche se la divido in tanti bicchieri la temperatura
dell’acqua rimane invariata
La temperatura è diversa perché….
… è proporzionale
- Federica:Quando si travasa l’acqua in due contenitori la temperatura
alla massa
cambia a seconda della quantità
- Alessandro:Ho visto dove è arrivava l’acqua e ho dato la temperatura del
bicchiere
- Vincenzo: Ho capito con i millimetri
- Gabriele :Ho paragonato la quantità di litri con i gradi
Travasando si
- Giusi:Se 1000 ml è uguale a 40°C, 900 ml saranno 36°C, 800 ml saranno
raffredda
32°C cioè si diminuisce di 4°C man mano che diminuisce di 100ml il liquido
- Miriam:La metà di 40 è 20 perché l’acqua è stata divisa a metà. Perché in un
contenitore è alta fino a 90 e l’altro è bassa fino a 10
- Rossella: Dividendo per 10 i ml di acqua contenuta nel bicchiere
- Valentina: Io ho pensato scende di 200 ml sono scesi di 8°C
- Maria Teresa: Ho visto quanti ml c’erano e siccome nel primo c’erano 1000
ml e hanno scritto 40°C io negli altri ho fatto la cosa che è stata fatta nel
primo
- Giacomo :Guardando quale livello d’acqua era più alto
- Francesco: Ho diviso la temperatura per quanti ml c’erano nel contenitore
- Antonio: Ho fatto diviso 10
- Alberto: Se in 1000 ml d’acqua ci sono 40°C io ho fatto la sottrazione nelle
varie opzioni
- Dario: Ho fatto la differenza dei ml e poi il risultato l’ho tolto dalla
temperatura
141
Conduzione dell’esperimento didattico
Le attività svolte concretamente hanno permesso ai ragazzi di comprendere la natura
della grandezza fisica “temperatura”, sia nella sua definizione operativa che come
grandezza intensiva.
Alla fine del percorso alla domanda:
Secondo te si può misurare la temperatura usando il senso del tatto?
i ragazzi rispondono (80%) che non è possibile, usando motivazioni legate alla qualità
della misura e facendo riferimento (implicito) al flusso di energia o facendo riferimento
alla necessità di definire attraverso l’uso dello strumento:
Gabriele: possiamo solo distinguere caldo e freddo
Federica: …non si sa la temperatura precisa
Cristiana: col tatto possiamo percepire il calore di un corpo ma non misurarne la
temperatura con precisione
Enrica: infatti si usa il termometro
Esempi di modifica delle risposte riguardo l’aspetto La temperatura come grandezza fisica
Alunno
All’inizio del percorso
Alla fine del percorso
con il tatto possiamo avvertire la
Possiamo solo distinguere caldo e
Gabriele
temperatura di un oggetto.
freddo
Si può misurare ma senza avere il
Con il tatto non si può misurare una
Paolo*
grado preciso
temperatura esatta
perché una persona ha le mani fredde
Per misurare la temperatura si usa il
Francesco
la temperatura è fredda e viceversa
termometro
* in questo caso conferma in forma latente l’idea iniziale
E riguardo alla temperatura in relazione alla massa, alla domanda:
Se prendi una bottiglia d’acqua che si trova in frigo (4°C) e la versi in due bicchieri di
plastica, uno pieno ed uno a metà quale temperatura misurerai?
il 90% ha risposto ha risposto correttamente, motivando con frasi del tipo “rimane
sempre la stessa”, “misurerei la stessa temperatura in entrambi i bicchieri”,
aggiungendo delle osservazioni sulla temperatura dei contenitori o sul ruolo della
massa nel raffreddamento/riscaldamento.
142
Capitolo 6
Giusi: se verso la stessa quantità in entrambi i bicchieri sarà uguale ma anche se la
massa sarà differente la temperatura sarà uguale. Però in quella che ci sarà meno
acqua si raffredderà prima dell’acqua nell’altro contenitore.
Francesco: Dipende dai bicchieri, se già sono caldi o freddi. Senza questi
inconvenienti posso misurare la stessa temperatura.
Esempi di modifica delle risposte riguardo l’aspetto La temperatura come grandezza intensiva
Alunno
All’inizio del percorso
Alla fine del percorso
Quando si travasa l’acqua in due
Anche se dividiamo l’acqua in due
Federica
contenitori la temperatura cambia a contenitori la temperatura non
seconda della quantità
cambia
Guardando quale livello d’acqua
Misurerei la stessa temperatura in
Giacomo
era più alto
entrambi i bicchieri
Dipende dai bicchieri, se già sono
Ho diviso la temperatura per quanti caldi o freddi. Senza questi
Francesco
inconvenienti posso misurare la
ml c’erano nel contenitore
stessa temperatura.
6.1.2. L’attività n 2
Concezioni scientifiche
Concezioni spontanee
Il calore si manifesta quando
La temperatura di un corpo può cambiare
due corpi a temperatura diversa
solo se il corpo lo può fare.
vengono posti a contatto.
L’acqua si può riscaldare, ma fino ad un
certo punto.
Il riscaldamento di una sostanza
Materiali diversi si riscaldano in modo
dipende dalla sostanza e dalla
diverso.
massa.
Il calore è qualcosa che hanno le cose calde,
che si può propagare nella materia.
La temperatura è il grado di calore contenuto
in un corpo
Obiettivi di apprendimento
Sviluppo dell’attività
1. i tre modi di scaldare
∼ Misura variazioni di temperatura, anche
2. il riscaldatore dell’acquario
attraverso l’uso di grafici T vs t
3. riscaldare masse diverse
∼ Controlla le variabili in gioco,
4. riscaldare sostanze diverse
∼ Interpreta i grafici del riscaldamento,
∼ Mette in relazione causa-effetto il
trasferimento di energia e l’aumento di
temperatura (nel contatto con corpi a
temperatura maggiore, nello sfregamento di
superfici, nell’illuminazione).
Nodi concettuali:
dipendenza
del
riscaldamento
da
massa e sostanza
6.1.2.1 I tre modi di scaldare
L’attività 2 prende l’avvio da esempi di situazioni fenomenologiche della vita
quotidiana nelle quali si deve risolvere il problema di riscaldare qualcosa: le mani che
sentiamo fredde, una tazza di latte per la colazione. La discussione inizialmente porta ad
143
Conduzione dell’esperimento didattico
una definizione ‘operativa’ del riscaldare, cioè al capire che riscaldare qualcosa
significa aumentarne la temperatura. Si può aumentare la temperatura di qualcosa
facendo su di esso lavoro meccanico (sfregando le mani fra di loro, frullando il latte),
esponendolo ad onde elettromagnetiche (mettendo le mani al sole, vicino al fuoco,
mettendo il latte nel forno a microonde) o per contatto con un corpo a temperatura più
alta (le mani a contatto con un termosifone, il latte posandolo su una piastra elettrica).
La discussione in classe viene stimolata riportando a due situazioni di vita quotidiana:
riscaldare le mani fredde e una tazza di latte. Per le mani i ragazzi dicono:
Francesco: metto le mani sul fuoco
Alice: strofinando le mani
Laura: le appoggio in qualcosa di caldo
Angelo: uso l’acqua calda
Giorgio:… col termosifone
Alice: le metto al sole
Mentre per il latte:
Laura: nel forno a microonde
Francesco: mettendolo davanti al camino
Alice: al sole
Luca: nel forno
Giorgio: sulla stufa
Ogni alunno sembra avere una modalità preferita, probabilmente dipendente dalla sua
esperienza quotidiana che adatta al caso, Francesco vive in una casa col camino, e
quindi riscalda tutto col fuoco del camino; Alice, che si è appena trasferita in Sicilia da
una città del Nord, pensa al sole e Giorgio ai riscaldamenti. Il caso del latte non porta a
individuare il riscaldamento ‘meccanico’ che viene ripreso attraverso la domanda “oltre
le mani si possono scaldare altre cose strofinando?”:
Francesco: la penna…quando non scrive perché c’è freddo la sfrego sul foglio o fra
le mani, si riscalda e poi scrive
Giorgio: la stufa…no, la stufa quella non si strofina…
Laura: la gomma…anche il foglio!
Angelo: Ma anche...quando freni con la bicicletta la ruota sfregando con l’asfalto si
riscalda…
Luca: anche le mani quando facciamo il tiro alla fune e la fune scorre si riscaldano!
Discutendo sulla possibilità di raggruppare i vari modi di scaldare le cose, si ha un
passaggio nel quale si evince che nel caso dell’irraggiamento i ragazzi usano i termini
“calore” e “fonte di calore” in maniera riconducibile alla concezione spontanea “il
calore è qualcosa che hanno le cose calde, che si può propagare nella materia”. Tale
144
Capitolo 6
concezione viene mantenuta, mentre nella discussione viene condivisa la possibilità
che le cose si possono riscaldare anche se non sono a contatto:
Francesco: per riscaldare il latte lo metto vicino ad una fonte di calore, come il
fuoco o il sole
Angelo: quando accendo la lampadina sono a contatto con una fonte di calore….
Francesco: una fonte di calore è qualcosa che emana calore, qualcosa che è caldo
Laura: ma posso riscaldare mettendo l’oggetto vicino alla fonte di calore. Per
esempio mettendo le mani vicino al fuoco o prendendo una lampadina accesa e
sotto ci metto la tazza di latte e si riscalda.
Giorgio: Le cose si possono scaldare anche senza toccarle perché alcuni oggetti
emettono calore
La conclusione di Giorgio viene condivisa dal gruppo e può essere considerata, in
questa fase del percorso come un “modello di classe”, che si avvicina a quello
scientifico ma usa impropriamente il termine “calore”. Alla fine del percorso i ragazzi
osservano che: quando mettiamo il latte al sole viene toccato dalla luce, anche se la
fonte di luce è lontana la sua energia lo tocca e lo riscalda.
Dopo aver discusso sui diversi modi in cui si può scaldare qualcosa i ragazzi
provano a vedere se veramente i tre modi portano ad un aumento di temperatura
(usando il sensore on-line). L’attività permette di introdurre l’uso del sensore di
temperatura e di stabilire relazioni fra quanto si vede nel grafico (andamenti crescenti,
decrescenti o costanti) e quanto avviene alla temperatura. Questa competenza viene
145
Conduzione dell’esperimento didattico
facilitata molto dalla presenza nell’interfaccia grafica della tabella dei dati in
acquisizione, i ragazzi infatti guardano i numeri, controllano l’andamento e stabiliscono
autonomamente una corrispondenza, come si evince dai commenti:
Francesco:Se è orizzontale la linea
Giorgio: la temperatura è sempre uguale
Francesco: È costante
Giorgio: Quando la linea sale…la temperatura aumenta
Ilenia: C’è una differenza … la temperatura è diventata diversa …. dipende da
quale sono i numeri
Francesco: dipende che segna…
6.1.2.2 Riscaldare l’acqua con un riscaldatore da acquario
L’esperimento di riscaldamento dell’acqua con un riscaldatore da acquario
(descritto in appendice, pag.213) viene svolto dall’intero gruppo classe. I ragazzi
vengono invitati a fare una previsione sul grafico che si otterrà e dopo l’esperimento
viene loro chiesto i confrontare il risultato.
Giorgio
Analizzando le schede del diario di bordo dei diversi gruppi si trovano, per la
previsione andamenti simili: il 10% disegna un andamento decrescente, il 14% un
andamento prima crescente e poi decrescente, un 14% disegna un andamento costante
(anche con qualche oscillazione), il 19% un andamento crescente ma con tratti costanti
e il 43% un andamento crescente. Nella tabella che segue vengono riportati, come
esempio, i grafici disegnati da alcuni studenti del gruppo ‘G1’ .
146
Capitolo 6
Andamento decrescente
10%
Angelo
Andamento prima crescente poi
decrescente
14%
Roberta
Andamento costante
14%
Ilenia
Andamento crescente con tratti
costanti
19%
Marta
147
Conduzione dell’esperimento didattico
Francesco
Andamento crescente
Luca
43%
Il confronto con quanto misurato viene commentato generalmente osservando che ‘la
temperatura è aumentata’ o cercando la causa ‘è aumentata grazie al riscaldatore”.
6.1.2.3 Riscaldare masse e sostanze diverse
Nel diario di bordo i ragazzi devono anche rispondere alla domanda: “ Le cose si
riscaldano di più o di meno, da cosa pensi che dipenda?”. Gli alunni del gruppo G1
rispondono dicendo che “dipende dal riscaldatore”, “dal tempo che il riscaldatore resta
acceso”, nessuno pensa autonomamente alla massa e alla quantità di materia. La
modellizzazione lineare del riscaldamento, con la pendenza che dipende da massa e/o
dal tipo di materiale viene costruita ripetendo l’esperimento con quantità di massa
diverse e sostanze diverse. Per coinvolgere tutti i ragazzi in prima persona si è scelto di
far ricostruire
i grafici relativi a questi esperimenti su carta
millimetrata, con
l’obiettivo ulteriore di permettere loro di familiarizzare con la costruzione di grafici. Il
confronto dei grafici fatti dai ragazzi lavorando su tabelle di dati differenti (per massa o
per materiale) ha permesso di costruire una semplice modellizzazione del fenomeno del
riscaldamento. I ragazzi non avevano ancora trattato in classe la rappresentazione della
proporzionalità diretta, quindi è stato necessario costruire il significato della pendenza
osservando i grafici (appendice pag.199).
148
Capitolo 6
Alunno
Giorgio
Marta
Ilenia
Esempi di modellizzazione matematica del riscaldamento
Masse diverse
Materiali diversi
Conclusioni
Osserviamo che quando c'è
più acqua la T è più bassa,
mentre quando c'è meno
Nell'olio la temperatura è
Secondo me il maggiore o
acqua la T è più alta. Nel
più alta, mentre nell'acqua minore riscaldamento
grafico di massa 200g la T è
meno alta
dipende dal tempo
più alta di quella di 300g,
infine in quella di massa
400g è la più bassa
Quando la massa è minore
L’acqua si riscalda meno
Secondo me dipende dal tipo
si riscalda più velocemente
dell’olio
di materiale, dal tempo
mentre quando la massa è
impiegato per il
maggiore si riscalda più
riscaldamento e dal tipo di
lentamente
riscaldatore utilizzato
Più acqua c'è minore è la
Possiamo dire che l'acqua
temperatura, minore è la
aumenta meno lentamente
Dipende dalla massa e dalla
massa e la massa riscalda di rispetto all'alcool e all'olio
materia che si utilizza.
più
mentre quest'ultimo
aumenta più velocemente
Il gruppo G2, invece è formato da alunni di terza media che riconoscono l’andamento
lineare per averlo già trattato in classe. Dopo aver effettuato il primo esperimento
quindi stato possibile porre la domanda sul riscaldamento direttamente con la domanda
“da cosa dipenderà la pendenza della retta?”. Nella discussione i ragazzi condividono
una previsione e tentano una spiegazione:
Angelo:dipende dalla quantità… dall’aumento di volume…
Marco: se si aumenta l’acqua ci sta più tempo a riscaldare
Salvo: se si diminuisce…
Marco: il grafico sarà più basso
Dario: se cambiamo il recipiente?
Andrea: non c’entra il recipiente
Dario: …il tipo di materiale!
Andrea… l’olio!
Dario: il legno… brucia.. il ferro… l’olio!
Maria Grazia: l’olio si riscalda di più… perché è più leggero
Dario: ha una densità minore…anche l’alcool
Maria Grazia: di meno..
Dario: secondo me l’olio si riscalda di meno e l’alcool di più perché l’alcool si
riscalda più velocemente, prende fuoco…potremmo fare tanti grafici di tanti
materiali?
Dopo aver raggiunto l’accordo progettano di realizzare altri esperimenti, costruiscono i
grafici per masse e materiali diversi e li confrontano:
Marco: quello che va più su…
Salvo: mettiamoli in ordine, 200… 300…400
Angelo: quando c’è più massa si riscalda di meno…
149
Conduzione dell’esperimento didattico
Infine riflettono sul rapporto aumento di temperatura/ tempo, prima confrontando le
masse:
Ramona: io ho 400g e nella terza colonna mi veniva quasi sempre 0,01
Salvo: invece per 300 g viene 0,017
Angelo: e per 200 viene 0,02… questo numero è legato alla massa…
Salvo:… più massa ha un numero più piccolo e la retta più alta …cioè si riscalda
di più
Angelo: nello stesso tempo!
Quindi confrontando i diversi materiali:
Francesco: avevamo detto l’olio si riscalda di meno l’alcool di più, ma fra acqua e
alcool si riscalda di più l’alcool
Salvo: per l’acqua era 0,017
Dario: quindi per l’olio il numero sarà molto più alto!
Come si evince da questi scambi il gruppo riesce a costruire un modello che,
interpretando i dati in possesso, acquista capacità predittive. Durante le interviste
effettuate a fine percorso, discutendo del riscaldamento di masse diverse e riferendosi
all’aumento di temperatura Marta ed Ilenia mostrano di essere in grado di usare il
modello per risolvere situazioni problematiche poste in maniera nuova. Alla domanda
“se vogliamo riscaldare un pentolino con poca acqua e uno con tanta acqua, dobbiamo
fornire energia diversa?”:
Marta: se il fornello è uguale…il calore deve essere uguale … ma la temperatura
no
Ed Ilenia dà forza alla risposta della compagna dicendo:
Ilenia: nel pentolino con poca acqua le molecole, l’acqua, sono di meno, quindi si
riscalda prima.
Marta: quindi gli abbiamo dato meno energia
6.1.2.4. Il modello permette di prevedere
Le stesse alunne mostrano di saper risolvere un problema di confronto di
riscaldamento di materiali differenti, in cui viene chiesta una previsione qualitativa “il
riscaldamento sarà maggiore o minore?” e il grafico.
150
Capitolo 6
PROBLEMA
Il grafico in figura riporta la retta di riscaldamento ottenuta
fornendo energia termica ad 1kg di acqua. L’energia (calore) che
il riscaldatore trasferisce all’acqua è indicata con Q e sono
necessari 4180 Joule per innalzare la temperatura dell’acqua di
1°C, cioè l’acqua ha un calore specifico pari a 4180J/kg °C.
Se forniamo la stessa quantità di calore ad 1 kg di glicerolo, il
cui calore specifico è 2390 J/kg °C (poco più della metà di
quello dell’acqua)…
- otterremo un riscaldamento maggiore o minore di quello dell’acqua?
- Aggiungi al grafico la retta di riscaldamento che pensi di ottenere
- Quando il glicerolo o l’acqua si riscaldano, che tipo di energia viene trasferita a livello
microscopico?
Leggono il testo per circa tre minuti
Marta: il riscaldamento deve essere maggiore… perché dice che è poco più della
metà la …il… del glicerolo…
(…)
Ilenia: Di più di …5 gradi!
(…)
Roberta: l’aumento di temperatura sarà più o meno il doppio…
Fatta l’osservazione in modo autonomo disegnano
correttamente la retta di
riscaldamento riportando prima il valore di temperatura doppia e poi tracciando la retta
obliqua, quindi concludono che:
Marta: il calore è energia….
Ilenia:… termica… ma qui dice a livello microscopico
Marta: quindi…. le molecole…dell’acqua… del glicerolo…
Roberta: le molecole si muovono
Ilenia: e quando si riscaldano
Marta:…..si muovono di più
Risultati consistenti si evincono dal diario di bordo
fra gli alunni che
rispondono al quesito il
60% costruisce grafici
qualitativamente
corretti, il 40% corretti
anche quantitativamente
20%
5%
5%
40%
30%
151
Conduzione dell’esperimento didattico
6.1.3 L’attività n 3
Nodi concettuali
Concezioni spontanee
La materia è fatta da piccoli granellini, come
la sabbia.
Nei solidi le particelle sono ferme e
attaccate.
Fra le molecole dell’acqua c’è acqua.
Quando si riscalda una sostanza le sue
particelle diventano più grandi.
Nei liquidi le particelle sono molto più
lontane che nei solidi.
modellizzazione
microscopica della
materia
Obiettivi di apprendimento
∼ Sviluppa la conoscenza delle dimensioni
spaziali dal macroscopico al microscopico
∼ Costruisce un modello microscopico degli
stati di aggregazione.
∼ Lega l’agitazione molecolare alla temperatura
Concezioni scientifiche
La materia è formata da
particelle microscopiche in
continuo movimento, fra di esse
vi è il vuoto.
Nel riscaldamento e nel
cambiamento di fase le
particelle restano delle stesse
dimensioni, ciò che cambia è il
modo in cui sono legate.
Nei liquidi e nei solidi le
distanze fra le particelle sono
confrontabili.
Sviluppo dell’attività
1. la diffusione dell’inchiostro
2. potenze di dieci
3. la materia dentro: solidi liquidi e gas
4. le molecole si muovono
5. l’energia interna
6.1.3.1 La diffusione dell’inchiostro
L’attività è quella che fa da ponte fra il macroscopico ed il microscopico e
prende l’avvio da un’osservazione che ha dei riferimenti fenomenologici nella vita
quotidiana:
la
diffusione
dell’inchiostro
(appendice
pag.214).
La
scelta
dell’osservazione della diffusione dell’inchiostro nasce da semplici considerazioni
didattiche: in primo luogo lo scioglimento di un liquido in un altro fa parte
dell’esperienza comune (il colore dal pennello degli acquerelli nel bicchiere, il bagno
schiuma, lo sciroppo,…), ed il ragazzo può essersi fatto autonomamente delle domande
sul come e perché succeda e può aver sviluppato idee spontanee. È un’osservazione di
facile realizzazione, che i ragazzi possono condurre anche da soli e ripetere più volte per
verificare ipotesi. Quello che ci siamo chiesti in questa sede è se realmente questo
esperimento veicoli idee sulla natura particellare della materia ed in seconda istanza se
veicoli l’idea che ci sia una relazione fra la temperatura e l’agitazione delle particelle.
L’episodio riportato di seguito sembra dare una conferma di ciò. Si lavora in gruppo con
l’intera classe, vengono preparati due bicchieri che contengono acqua uno a 75°C,
l’altro a 13°C e viene lasciata cadere
una goccia di inchiostro, cominciando dal
bicchiere freddo. I ragazzi discutono animatamente attorno al tavolo:
152
Capitolo 6
Francesco: Sta diventando blu…
Giorgio: Certo…se l’inchiostro è blu!
Ilenia:In quella calda si sta espandendo di più
Francesco:In quella calda si spande mentre in quella fredda rimane a fondo…
Giorgio: Diffonde è come si espande!!!
(…)
Francesco:Nell’acqua calda è più veloce…
Marta: È l’acqua che lo fa diffondere…
Francesco: No, è la temperatura…
Giorgio: Le molecole si muovono e si …
Laura: quando l’acqua è più calda si diffondono più velocemente…
Francesco: dipende dalla temperatura…
Laura: nell’acqua fredda le molecole si muovono di meno…
Dalle trascrizioni delle registrazioni effettuate nei cicli di sperimentazione successivi,
però sembra che benché si veicoli l’ipotesi particellare della materia, la dipendenza
della velocità di diffusione, che viene osservata sempre, venga legata più alla distanza
fra le molecole che alla loro maggiore velocità:
Marco: proviamo con un’altra temperatura… con l’acqua fredda… lì non si
dissolverà…
Salvo:infatti rimane in superficie
Massimo: no…scende subito…
Mirko: ora quella “cavura” (calda)!
Marco: non sta andando a fondo…
Valentina: sta cambiando colore… velocemente… là era più lento!
Angelo: proviamo tre bicchieri insieme?
Maria Grazia: acqua calda, tiepida, fredda. Voglio cronometrare quanto tempo
impiega l’inchiostro a dissolversi…
Valentina: si conferma la tua osservazione… qua di si è depositato solo nel fondo
(acqua fredda), qua si sta diffondendo e là si è colorato del tutto (acqua calda)
(…)
Dario: quando l’acqua è calda c’è più spazio fra di loro…le molecole sono meno
compatte e l’inchiostro si espande più velocemente… perché quando l’acqua
diventa gas le molecole sono disperse nell’aria…
Nell’episodio seguente viene confermato quanto detto. I ragazzi hanno osservato la
diffusione in due bicchieri pieni d’acqua alla stessa temperatura ed hanno visto che
mescolando si ottiene prima la colorazione dell’acqua, provano in acqua calda:
Maria: io non lo so forse si potrebbe espandere più velocemente…hai visto? Non
c’è bisogno di mescolare, lo fa da solo…
Maria Teresa: secondo me manco ci arriva in fondo…
Maria Chiara: non si va a depositare
153
Conduzione dell’esperimento didattico
Andrea: allora proviamo con l’acqua fredda…
Preparano tre bicchieri 10°C, 20°C, 50°C
Maria: in quella calda più velocemente
Andrea: in quella fredda resta una chiazza
Antonio: in quella calda si diffonde velocemente, in quella tiepida di meno
Maria: in quella fredda è ancora in sospensione…
Andrea: perché l’acqua calda lo scioglie
Maria: c’entrano le molecole… nell’acqua fredda sono più attaccate
Maria Teresa: dipende… nel liquido non sono tutte attaccate
Maria : dipende dalla temperatura, nell’acqua calda sono un po’ più staccate…(per
spiegare quello che vuole dire disegna le molecole nelle tre temperature cambiando
solo la distanza intermolecolare)
Dall’analisi dei dati raccolti alla fine del percorso si può evincere che la spiegazione del
fenomeno si evolve con la trattazione a livello molecolare. Riportiamo un episodio
tratto dalle interviste effettuate a fine percorso:
Ilenia : in quella calda (l’inchiostro) si è sciolto prima
Roberta: in quella fredda c’è voluto più tempo, perché le molecole si muovono di
più nell’acqua calda
Marta: e l’inchiostro si scioglie, si espande più velocemente
Ilenia: è perchè l’inchiostro occupa l’area che c’è fra le molecole dell’acqua
Roberta: e pure perché nell’acqua calda…
Marta: … le molecole sbattono di più… e si mischiano prima
E alcune argomentazioni date in risposta alla domanda “perché l’inchiostro si diffonde
più velocemente nell’acqua calda?”:
Federica: perché le molecole dell’acqua calda si muovono di più e questo fornisce
la diffusione dell’acqua calda più velocemente
Debora: perché le molecole si muovono di più e tra esse c’è più spazio
Cristiana: perché i legami sono più larghi e le molecole più libere.
6.1.3.2 La materia dentro: solidi, liquidi e gas
La presentazione della struttura microscopica degli stati di aggregazione della
materia è stata affidata alle animazioni che si trovano nell’ipertesto81 “Il caldo il freddo
e al materia” ed alle simulazioni alle quali si accede dal tutorial “Stati T1”. Le
navigazioni sono state fatte dagli alunni in piccoli gruppi in aula di informatica. Prima
81
http://www.griaf.unipa.it/master_sito/lucilupo/index.htm
154
Capitolo 6
di iniziare la navigazione si è discusso con gli alunni il significato del termine
‘microscopico’ in relazione ai termini ‘atomo’ e ‘molecola’:
Francesco: Microscopico significa che non si può vedere ad occhio nudo
I ragazzi vengono invitati ad osservare della sabbia colorata, e vengono stimolati con la
domanda «possiamo dire che questi granelli sono microscopici? »
(coro): Si
Francesco: No, perché si vedono
Ilenia: Sono piccoli ma non microscopici
Giorgio: Quelli microscopici li vediamo al microscopio
Alice: …al microscopio elettronico… vediamo gli atomi…
Giorgio: e le molecole che sono formate da tanti atomi
La possibilità di vedere le molecole al microscopio elettronico è una delle idee comuni,
che in questo percorso viene trattata attraverso la navigazione commentata nel sito82
sulle potenze di 10, che permette di discutere del significato di “modello” e di
comprendere che nelle animazioni e nelle simulazioni, i dischetti rappresentano le
“particelle”, intendendo con questo termine atomi nel caso di alcune sostanze (ferro, …)
e molecole nel caso di altre sostanze (acqua, elio,…).
Fotogramma dal filmato che effettua ingrandimenti
del solido
http://www.griaf.unipa.it/master_sito/lucilupo/pagi
na5.htm
tratto dal minimodulo ‘States of matter’
all’indirizzo:
http://www.concord.org/~btinker/workbench_web/
states_of_matter/act2.html
Fotogramma dalla simulazione del solido
(stati_T_1\solido.cml) dalla libreria del software
http://mw.concord.org/modeler/
Esempio di conversazioni durante le navigazioni:
Osservando la simulazione del solido:
Maria: si muovono ma sembra che non si muovano
82
http://microcosm.web.cern.ch/microcosm/P10/italian/welcome.html
155
Conduzione dell’esperimento didattico
Francesco: si muovono sul proprio posto… si muovono tutte insieme perché il
solido deve essere compatto, aumentando la temperatura… si vanno distaccando
Maria: si muovono più velocemente
Maria Teresa: alcune si allontanano
Osservando la simulazione del liquido:
Marta: le molecole non sono legate come nel solido
Alice: qui le molecole sono più libere
Giorgia: …sono più distaccate e più fragili tra di loro. Si muovono un poco
rispetto ai solidi
Osservando la simulazione del gas:
Ilenia: nel gas le molecole sono definitivamente separate.
Giorgia: nei gas le molecole sono libere, si muovono molto e sono completamente
distaccate.
Gabriele:…e non hanno legami.
6.1.4 L’attività n 4
Nodi concettuali:
modello interpretativo
del fenomeno del
riscaldamento al livello
microscopico.
Concezioni spontanee
Il calore è qualcosa, tipo il fumo, contenuto
nei corpi e i corpi più caldi lo passano a
quelli più freddi.
Obiettivi di apprendimento
∼ Riflette su situazioni fenomenologiche
interpretandole con il modello microscopico.
Concezioni scientifiche
L’energia interna di un sistema
può cambiare se questo scambia
con l’ambiente energia, che a
livello microscopico è energia
di movimento.
Sviluppo dell’attività
1. i diversi modi di scaldare dal punto di
vista microscopico
2. il calore è energia in movimento
3. il lavoro ‘sposta’ l’energia
4. la luce ‘trasporta’ l’energia
5. problemi da risolvere (diffusione,
dilatazione, ebollizione,…)
6.1.4.1 I diversi modi di scaldare dal punto di vista microscopico
Durante l’attività conclusiva del percorso gli studenti discutono le simulazioni
che ripropongono il riscaldamento nei tre modi. Il riscaldamento per contatto risulta di
interpretazione più agevole, discutendo fra loro e facendo girare più volte la
simulazione i ragazzi riescono ad interpretare il codice dei colori (il rosso più intenso è
legato a maggior energia cinetica della particella) e legano la temperatura all’agitazione
media delle molecole.
156
Capitolo 6
Ilenia: presenta delle molecole, uno era un corpo caldo, rappresentava un corpo
caldo e l’altro freddo. Di sopra le palline erano rosse poi diventano bianche, che
significa che prima erano calde e poi fredde. Quello che passa è il calore mi
sembra che l’agitazione delle molecole passava dal corpo caldo al più freddo e
quindi pure in questo si agitavano. Prima sono sempre più calde poi il calore
passa alle altre e si muovevano perché quelle bianche prima sono ferme…
Maria: tutto diventa tiepido,
Antonio: le molecole si riscaldano
Maria: le molecole fredde trasmettono a quelle calde il freddo mentre quelle calde
trasmettono il caldo cioè… Si scambiano le temperature
Antonio:… una molecola ha una temperatura?
Maria: Ha la forza, si scambiano la forza motrice, si scambiano le molecole… il
pezzo di sopra avendo questa forza che riceve, questa energia, … quando si
surriscalda trasporta l’energia, questo calore lo trasporta all’altro.
fanno girare di nuovo la simulazione
Maria Teresa: quelle di sopra sono rosse
Maria:…i colori… quelle di sotto diventano rosa, si mischiano i due colori… il
movimento è maggiore
Maria Chiara: il colore rappresenta il movimento, quelle di sotto prima sembrano
ferme poi si cominciano a muovere
Maria Teresa: alla fine si muovono alla stessa velocità…
Maria: cioè diventano… tutto diventa tiepido
La presenza del colore come codice visivo per la differente velocità può risultare
fuorviante. Il ragazzo può essere indotto a pensare che ci sia una modifica nella ‘natura’
della particella. Per ovviare a ciò la simulazione può girare anche senza legare il
movimento ad un codice di colore. In questo caso
Antonio: ora sono tutte uguali
157
Conduzione dell’esperimento didattico
Maria:di sopra si muovono di più e di sotto di meno
Maria Chiara: cioè sono più fredde
Maria: aspettiamo un po’…ora si muovono più o meno in modo uguale
Antonio: anche se hanno colori diversi.
Nella simulazione del riscaldamento per attrito l’attenzione dei ragazzi viene
attratta dall’effetto che lo spostamento reciproco delle due superfici ha sulle asperità di
queste:
Alberto: più la temperatura di un corpo aumenta più le sue molecole si spostano,
si muovono più velocemente. Nel solido sono completamente compatte la figura
rappresenta una specie di camion che gli passava di sopra ma restavano
compatte, non si dividevano.
Miriana: le molecole si cominciano a spostare cioè una dall’altra… cioè fino a
quando la temperatura è bassa… a temperatura normale le molecole sono una
accanto all’altra strette, poi quando ci passa di sopra… si cominciano ad
appiattire.
Maria:la temperatura però aumenta, guarda il termometro…
6.1.4.2 Il calore è energia in movimento
Le discussioni finali vertono sull’interpretazione del riscaldamento a livello
microscopico e su fenomeni legati al riscaldamento. I ragazzi vengono invitati e
ripercorrere le fasi della sequenza, riprendendo il significato del ‘calore’ e
ridefinendolo in termini microscopici:
Dario: Quello che chiamiamo calore è quello emanato dal corpo
Angelo: è l’aumentare della temperatura di un corpo
Marco: lo abbiamo misurato!... con l’esperimento del riscaldatore…
Dario: il corpo a temperatura maggiore era il riscaldatore e l’acqua nel thermos
era a temperatura più bassa.
Marco: e attraverso il computer, il termometro vedevamo che l’acqua si riscaldava
Angelo: osservavamo il grafico…
Maria Grazia:… doveva salire
158
Capitolo 6
Angelo: che la linea doveva andare verso su.
Dario: il calore è lo scambio di energia far un corpo caldo e un corpo freddo
Angelo: le molecole del corpo freddo prima si muovevano meno, poi di più
Dario: Quindi il corpo emana il calore quando le sue molecole sbattono con quelle
del corpo freddo
Marco: con la velocità passa l’energia termica
Ai ragazzi viene poi chiesto di compilare la scheda (appendice, pag.201) rispondendo
alle domande:
•
Cosa succede alle molecole dell’acqua quando viene riscaldata con il
riscaldatore elettrico?
•
Cosa succede alle molecole di una gomma per cancellare quando questa viene
usata?
•
Cosa succede alle molecole dell'aria quando sorge il sole?
Da quanto i ragazzi scrivono
si evince che almeno in una delle situazioni che
analizzano hanno messo in relazione la temperatura con l’energia cinetica delle
molecole. In linea di massima le risposte sono coerenti nell’analisi dei tre meccanismi
ed è possibile classificarle considerando il differente uso del modello microscopico. Si
presenta il caso (presente in letteratura) in cui le molecole vengono considerate ‘la
sostanza’. È inoltre interessante vedere come gli alunni facciano inferenze dal macro al
micro e viceversa83:
a. Le molecole si riscaldano come la sostanzaÆmicro ‘apparente’ (28%)
b. Dal riscaldamento della sostanza alla interpretazione cineticaÆ dal macro al
micro (10%)
c. Dall’interpretazione cinetica al riscaldamento della sostanza Ædal micro al
macro (15%)
d. Interpretazione cinetica Æmicro (47%)
o Interpretazione cinetica con gli urti (20%)
Nella tabella che segue riportiamo alcune risposte esemplificative della classificazione.
83
Nei casi in cui non c’è coerenza nelle risposte alle tre domande è stato considerato il modello
prevalente
159
Conduzione dell’esperimento didattico
domanda 1
MODELLO
A-micro
‘apparente’
Le molecole si
riscaldano come la
sostanza
Alunno
Luca
«Cosa succede alle
molecole dell’acqua
quando viene riscaldata
con il riscaldatore
elettrico? »
Le molecole vengono
riscaldate
Dall’interpretazione
cinetica al
riscaldamento della
sostanza
D- micro:
Interpretazione
cinetica
«Cosa succede
alle molecole di
una gomma per
cancellare quando
questa viene
usata? »
Succede che le
molecole si
riscaldano
domanda 3
«Cosa succede
alle molecole
dell'aria quando
sorge il sole»
Succede che si
riscaldano
Roberta
Le molecole dell'acqua
vengono riscaldate e si
muovono più
velocemente
Si riscaldano e per
questo si muovono
velocemente
Si riscaldano
Francesco
Che l’acqua si riscalda
e le molecole si
muovono più
velocemente
La gomma si
riscalda molecole
si agitano
muovendosi
velocemente
L’aria si
riscalda grazie
al calore del sole
e le molecole si
muovono più
velocemente
Giorgia
Si muovono e si agitano
facendo riscaldare
l'acqua
Si muovono e si
agitano facendo
riscaldare sia la
gomma che il
corpo cancellato
Il sole trasmette
calore e quindi
l’aria si riscalda
B- macroÆmicro
Dal riscaldamento
della sostanza alla
interpretazione
cinetica
C: microÆmacro
domanda 2
Ilenia
Marta
Interpretazione
cinetica con gli urti
Giorgio
Le molecole si
muovono più
velocemente di quando
l'acqua è fredda
Le molecole si
muovono e vibrano fra
loro
Le molecole dell'acqua
si muovono più
velocemente e sbattono
fra loro
Le molecole si
agitano e si
muovono
velocemente
Le molecole si
scontrano tra loro
Le molecole
sbattono fra di
loro e si
riscaldano
Si riscaldano e
cominciano a
muoversi più
velocemente
Il sole trasmette
calore e riscalda
l'aria
Il sole trasmette
calore e li
riscalda
I ragazzi riconoscono che il calore nel caso del riscaldatore, l’energia di movimento
macroscopico nel caso della gomma strofinata sul foglio e l’energia “che viaggia con la
luce” portano ad un aumento dell’energia termica. Riguardo all’energia radiante le
risposte restano ad un livello più descrittivo, benché i ragazzi abbiano potuto riflettere
sulla fenomenologia del trasporto di energia tramite le onde 84.
84
Con l’osservazione che possiamo far muovere un oggetto colpendolo con l’estremità di una corda nella
quale si fa viaggiare un impulso
160
Capitolo 6
6.1.4.3 Problemi da risolvere
Come applicazione del modello si è proposto agli alunni di analizzare una
situazione di cambiamento di stato, con l’intenzione di analizzare le interpretazioni a
livello microscopico. Avendo trattato sempre situazioni nelle quali si aveva una
variazione di temperatura, la situazione problematica proposta, nella quale il
“riscaldamento” non portava ad un aumento di temperatura, avrebbe potuto mettere in
crisi il modello microscopico. Si è mostrato ai ragazzi un grafico dal quale si evince che
la temperatura non aumenta e si è chiesto ai ragazzi di spiegare a cosa serve e ‘dove
finisce’ il calore che continua ad essere fornito all’acqua. Ciò che si è riscontrato è che
il 70% degli alunni ha risposto facendo riferimento ai ‘legami’:
Marina: il calore è servito a spezzare i legami
Roberta : serve a far spezzare i legami delle molecole
Alice: a far togliere i legami
Marienza:il calore che forniamo finisce nel campione d'acqua e serve a far spezzare
i pochi legami che ci sono nei liquidi
Gabriele: raggiungendo i 100 gradi l'acqua evapora e cambiano i legami
Massimiliano:finisce nel vapore e serve a far spezzare i legami
Giorgia: il calore è servito a far spezzare i legami e quindi l'acqua che evapora
161
Conduzione dell’esperimento didattico
Mentre il 30% parla genericamente di energia che finisce nell’aria o identifica l’energia
con la materia stessa :
Angelo: è finita nell'aria ed è servita a riscaldare l'acqua
Daniele: nell'acqua a trasformarlo in vapore
Laura: l'energia termica finisce nel vapore
Giorgio:l'energia di calore è evaporata
Ludovica: il calore diventa vapore acqueo
6.2 Analisi dei dati raccolti nella scuola primaria
I bambini della scuola primaria hanno mostrato in generale un entusiasmo
maggiore rispetto ai ragazzi delle scuole medie, i loro interventi sono più immediati e in
certi casi le loro osservazioni seppur più semplici sono più vicine alle rappresentazioni
scientifiche.
6.2.1 Attività preparatorie (Osservazione di oggetti e distinzione in solido/liquido/
gas dei materiali che li compongono)
Prima di iniziare la sequenza sul calore, i bambini hanno svolto alcune attività
preparatorie sulla misura di volume e massa, ed hanno avuto modo di manipolare
materiali solidi e liquidi. Queste attività hanno impegnato i bambini per circa 6 ore,
durante le quali hanno costruito uno strumento di misura del volume dei liquidi e lo
hanno usato per misurare il volume di solidi dalla forma irregolare, hanno usato la
bilancia per misurare la massa di materiali sia solidi che liquidi. In queste attività i
bambini hanno imparato a riconoscere la densità come grandezza intensiva ed hanno
costruito dei grafici che evidenziano la proporzionalità diretta fra massa e volume.
Durante le attività hanno avuto modo anche di manipolare delle siringhe che hanno
permesso loro di fare delle osservazioni riguardo alla incompribilità dell’acqua rispetto
all’aria, il cui comportamento è stato osservato gonfiando e sgonfiando dei palloncini di
gomma. Ciò ha permesso di veicolare l’idea dello stato di aggregazione aeriforme.
6.2.2 Attività n. 1
6.2.2.1 Sensazione e misura: acqua calda, fredda e…
162
Capitolo 6
Ai bambini viene proposta l’esperienza di Locke e si osserva che, a differenza dei
più grandi, non pensano autonomamente ad uno strumento, concentrandosi più sulle
proprie sensazioni e tentandone una spiegazione. Immergendo prima una mano in acqua
a temperatura di circa 40°C e l’altra in acqua a circa 4°C, alla domanda “cosa senti?”, il
bambino risponde:
Piergiorgio: ahi, ahi caldo … e freddino.
Mettendo entrambe le mani nella bacinella centrale, a temperatura ambiente:
Piergiorgio: mano sinistra freddo … mano destra … un pochino ancora di freddo
quindi viene chiesto “com’è l’acqua nelle tre bacinelle ?” ed il bambino risponde:
Piergiorgio: calda, tiepida e fredda.
Viene quindi contrattato il significato dei termini caldo e freddo,
Danilo: caldo quando ti bruci ….
Amerigo:… e freddo quando ghiacci
e si discute di come mai le due mani diano informazioni diverse. I bambini si rendono
conto che la sensazione viene influenzata dalle operazioni precedenti:
Francesco: perché devi considerare che l’acqua lì era fredda e poi quando l’hai
messa nell’acqua tiepida, ti è sembrata calda!
Federica : perché l’acqua nel centro non era né molto fredda né molto
calda…immergendo il dito prima nell’acqua calda e poi nell’acqua centrale che è
tiepida ti potrebbe sembrare fredda, invece quella che si era abituata all’acqua
fredda gli potrebbe sembrare che è calda!
Piergiorgio: …con le mani non avremmo potuto dare un dato preciso
Federica : Però se l’avessimo messa prima in quella tiepida l’avremmo capito!
163
Conduzione dell’esperimento didattico
6.2.2.2 La premisura della temperatura
L’attività porta ad una “premisura” dello stato termico dell’acqua nelle
bacinelle: benché i termoscopi non siano tarati, i bambini hanno potuto confrontare ed
ordinare le diverse temperature collegandole alla diversa altezza del liquido e, quindi al
diverso volume. I termoscopi ad alcool vengono prima messi in acqua fredda, poi
passati in acqua calda: i bambini osservano che ‘aumenta’, individuando subito la
grandezza volume. Sono abbastanza grandi per controllare la conservazione della
quantità di materia, quindi quando parlano di aumento di volume stanno controllando la
dilatazione. I bambini posizionano la beuta nella bacinella contenente acqua calda, in
quella con acqua fredda ed in quella a temperatura ambiente, osservano e danno le loro
spiegazioni:
Marta: si sta gonfiando
Amerigo: perché il calore spinge l’aria verso sopra
Piergiorgio: l’acqua calda è più leggera quindi va verso sopra…
Marta: e ora si sgonfia…
Domenico: e in quella in mezzo?
(coro) niente… quasi niente
Danilo: mettilo là, vediamo che cambia
Piergiorgio: lascialo gonfiare
Amerigo: e perché gonfia?
Danilo: perché le molecole…
La conversazione si ferma a questo punto, i bambini non sono in grado di interpretare il
fenomeno della dilatazione in termini particellari. Lo stesso tipo di approccio
macroscopico si ha anche alla fine del percorso: i bambini descrivono l’aumento di
volume senza interpretare in termini particellari.
164
Capitolo 6
Francesco
Alessio
Marta
Dario
165
Conduzione dell’esperimento didattico
6.2.2.3 La temperatura come grandezza intensiva
L’attività procede familiarizzando con il termometro ad alcool e con la
grandezza “temperatura”: i bambini misurano la temperatura dell’acqua in diversi
contenitori e cercano una conferma alle sensazioni. Domenico mette il termometro in un
pentolino contenente una mistura di acqua e ghiaccio, contemporaneamente tocca con il
dito e commenta:
Domenico: Uao! Pizzica… ammazza come scende!.
Un gruppo di bambini misura la temperatura dell’acqua in una bottiglia:
(coro) la temperatura è ventitrè virgola quattro
viene loro proposto di versarla in bicchieri differenti, e di prevedere la temperatura che
misureranno. Rispondono in coro che la temperatura sarà “Uguale!” ed anche alla
domanda “ e se la mettiamo in un bicchiere più piccolo?” Rispondono ancora con
certezza “Uguale!”. Finché Piergiorgio, quasi spazientito per queste domande ripetute
su una cosa che gli appare ovvia sbuffa:
Piergiorgio: Non c’entra il volume
I bambini, quindi non hanno alcuna difficoltà a considerare la temperatura come una
grandezza intensiva.
6.2.2.4 La temperatura corporea con il termometro on-line
La naturalezza con la quale i bambini usano il termometro tradizionale si estende
all’uso del sensore di temperatura. Anche l’interpretazione dei grafici è immediata,
come si evince dall’episodio qui riportato. Appena viene presentato il sistema
sensore/software Danilo chiede di poter misurare la sua temperatura corporea. Gli viene
chiesto cosa si aspetta:
Danilo: voglio vedere se la temperatura si alzava… siiii… si sta alzando!
166
Capitolo 6
a quale temperatura si aspetta che si arrivi:
Danilo: trentaaaa…sei
Pergiorgio: o trentacinque…
e cosa succederà in quel caso:
Danilo: deve andare così (fa il segno con la mano) …per orizzontale
Piergiorgio: quando arriva a 36 la temperatura non si alza, rimane orizzontale
6.2.3 L’attività n. 2
6.2.3.1 I tre modi di scaldare
L’attività inizia con la domanda stimolo “Se voglio cambiare la T di qualcosa,
dell’acqua o di un corpo qualsiasi, come posso fare?”, i bambini rispondono
vivacemente mostrando di pensare autonomamente al contatto ed all’irraggiamento, ma
non all’attrito.
Federico: per raffreddare la metti nel ghiaccio
Danilo: se la vuoi riscaldare la metti al sole, però non per molto, perché sennò
evapora
Marta: oppure ci aggiungiamo acqua calda
Viene quindi riportata alla memoria una situazione che i bambini sicuramente hanno
vissuto: la frenata con i piedi di una bicicletta in movimento. Ai bambini viene chiesto
cosa ricordano di aver sentito e rispondono in coro “caldo”. Il risultato interessante è
che senza bisogno di ulteriori domande i bambini riportano altre situazioni nelle quali si
ha riscaldamento per attrito:
167
Conduzione dell’esperimento didattico
Francesco: La stessa cosa se metti la mano sul quaderno e fai così (fa il segno di
sfregare)
Piergiorgio: oppure a me è successo con la serranda, mi è scivolata oppure con la
gomma
La discussione sul riscaldamento per attrito porta Marta e Piergiorgio a proporre un loro
‘esperimento’:
Marta: faccio così sulla carta (sfrega la mano) appena la mano è calda prendo
quello (il termometro) per vedere quant’è la temperatura.
Piergiorgio: fai una cosa… prima vedi quant’è e dopo quando l’hai strofinata…
Ci provano ma non arrivano a nessun risultato, viene loro suggerito di tenere il
termometro fra le mani e sfregarle, lo fanno e osservano che:
Piergiorgio: la temperatura si alza… hu… come si sta alzando…. Più veloce più
veloce (incita la compagna) 35° c’hai la febbre!
Marta: 36° … 36°…36°…è perché mi sto fermando
Piergiorgio: 37° hai la febbre, Marta!... arriva a 40!
Marta: 38…
Dal gruppo di compagni arriva un brusio e si scopre che la tecnica del “riscaldamento
del termometro” è un trucco che i bambini conoscono benissimo.
6.2.3.2 Riscaldare l’acqua con un riscaldatore da acquario
La parte successiva dell’attività viene guidata dalla domanda: “Tutti i materiali si
riscaldano allo stesso modo?”, affiancata dal suggerimento di considerare l’olio. I
168
Capitolo 6
bambini fanno riferimento alla vita quotidiana mostrando di essere capaci di controllare
le variabili ‘sostanza’ e ‘massa’:
Amerigo: l’olio si riscalda in modo diverso perché scoppietta
Francesco: si riscalda prima l’olio, se lo metti nella friggitrice in meno di 2
minuti…
Danilo: ma dipende dalla quantità… la pentola d’acqua è piena, mentre la
padella…
Francesco: ma nella friggitrice c’è lo stesso olio dell’acqua nella pentola...
Piergiorgio: lo facciamo?
6.2.3.3 Riscaldare masse e sostanze diverse
Dopo aver effettuato gli esperimenti on-line i bambini hanno costruito i grafici
dei diversi campioni di massa e sostanza su carta millimetrata:
I bambini al lavoro
Il grafico di Piergiorgio
Il confronto dei grafici
Il confronto dei grafici fatti dai ragazzi lavorando sulle tabelle di dati differenti ha
permesso loro di costruire una semplice modellizzazione del fenomeno del
riscaldamento. I bambini avevano prima fatto delle ipotesi su quale materiale si
riscaldasse prima. Per verificare la sua ipotesi (l’olio si riscalda prima) Francesco
guarda i grafici acqua 300g e quello dell’olio 300g e dice:
Francesco:…il tempo è lo stesso ...si. … l’acqua in 300 secondi è arrivata a 30
gradi, l’olio … a 40 gradi… si è riscaldato di più… l‘olio. L’alcool arriva a 34,9
gradi centigradi, quindi lo mettiamo …
Danilo: al centro, rispetto all’acqua si riscalda prima e rispetto all’olio…dopo!
169
Conduzione dell’esperimento didattico
Per verificare la sua ipotesi (l’acqua si riscalda prima se ce n’è di meno), Danilo
confronta i grafici dell’acqua 200g e 300g:
Danilo: Vedi, si riscalda prima quella da 200… perché è di meno …perché qua è 32
e qua invece 30
6.2.4 L’attività n 3
6.2.4.1 La diffusione dell’inchiostro
I bambini, guidati opportunamente, arrivano ad ipotizzare la relazione fra la
temperatura e quindi la velocità delle molecole, parlando di molecole che, nell’acqua
fredda “si sfregano più lentamente”.
In due bicchieri di acqua alla stessa temperatura vengono messe due gocce di
colorante per alimenti, uno viene mescolato, l’altro no, i bambini osservano che
Amerigo: in uno si è sciolto l’inchiostro e nell’altro no
Viene loro chiesto se si aspettano che anche nel bicchiere dove non si è mescolato
avvenga la stessa cosa:
Piergiorgio:….no
Marta: secondo me si
Danilo: no, perché se ne va sul fondo e basta
Giulia: secondo me dopo un po’ di tempo diventa come quella nel bicchiere…
Amerigo: si, dopo due anni…
Giulia: già è così…un po’ blu…
Amerigo: allora un paio d’ore…io lo so perché, perché il colore senza mescolare si
è disciolto nell’acqua.
Viene quindi chiesto ai bambini cosa si aspettano che succederà se si decide di usare
acqua fredda e calda:
Valerio: nell’acqua fredda il colore sale e nell’altra scende
Amerigo: nel bicchiere dell’acqua fredda l’inchiostro solidifica, diventa un po’ più
duro nell’acqua calda si scioglie più velocemente
Piergiorgio: uao! Acqua calda…si sta disperdendo velocissimo
Marta: invece là (acqua fredda) è lentissima…
Amerigo: in quella fredda si sta sciogliendo lentamente, in quella tiepida
‘tiepidamente’, in quella calda velocemente
170
Capitolo 6
Federica: in quella calda è diventata come quella già mescolata…
Per confrontare si torna ai bicchieri usati prima e si osserva che il colorante si sta
sciogliendo anche nell’acqua non mescolata. Fatta anche questa osservazione i bambini
vanno alla ricerca dei perché, guidati dalla domanda: “Perché nell’acqua calda
l’inchiostro si scioglie più velocemente?”
Amerigo: ha qualcosa a che fare con le molecole?... in quella fredda le molecole si
ghiacciano …quelle che sono dentro il colore
Danilo: con l’acqua calda le molecole si allargano… si dividono, invece con
l’acqua fredda rimangono più compatte
Giulia: però a quel punto non dovrebbe essere tutta compatta… non dovrebbe
anche se dopo un certo tempo sciogliersi…
Federica: ma dopo un po’ di tempo si riscalda l’acqua…
Visto che i bambini parlano autonomamente di molecole, si conduce la loro attenzione
sulla temperatura, chiedendo loro di riflettere su come si comportano le molecole
nell’acqua calda e nell’acqua fredda:
Piergiorgio: le molecole sono in movimento nell’acqua calda
Federica: E nell’acqua fredda? sono più…
Federico: sono più lente…
Federica: ed è anche più lenta la diffusione del liquido.
Giulia: l’acqua non è abbastanza fredda perché le molecole si compattino, forse
nell’acqua più fredda…
Federico: nell’acqua fredda si sfregano più lentamente e non hanno abbastanza
energia per produrre calore…
6.2.4.2 La materia dentro: solidi, liquidi e gas
La navigazione sul sito è stata fatta in grande gruppo: un bambino alla
tastiera/mouse e gli altri guardando il maxischermo. I bambini commentano e discutono
liberamente. Osservando l’animazione che mostra lo zoom per potenze di dieci della
materia nei vari stati di aggregazione fanno molta attenzione alla struttura:
Amerigo: Si rimpicciolisce sempre di più fino alle molecole
Danilo: le particelle sono molto compatte
Piergiorgio: attaccate
Federico: in ordine
Piergiorgio: sono vicine
Nel liquido, invece:
171
Conduzione dell’esperimento didattico
Piergiorgio: sono staccate
Amerigo: sono in disordine e staccate
E nel gas:
Piergiorgio: si muovono proprio… a dismisura… se uno vibrava e l’altro
scivolava… qui…se ne vanno dove gli pare
6.2.5 L’attività n.4
6.2.5.1 I diversi modi di scaldare dal punto di vista microscopico
Dall’episodio seguente si evince come l’animazione riesca a veicolare che l’urto fra
le molecole è alla base del meccanismo di trasferimento di energia termica:
Dario: passa il calore perché diventano più rosse
Piergiorgio:… e si scambiano energia… sbattono una contro l’altra e…
Giulia: l’energia termica è … le molecole si muovono di più, più velocemente
nell’acqua calda… si trasmette energia sotto forma di…
Federico: si sono scambiate…
Piergiorgio: il movimento
6.2.5.2 Il calore è energia in movimento
Alla fine della navigazione si discute su cosa sia ed a cosa sia legata la temperatura
a livello molecolare:
Federica: è l’energia termica
Piergiorgio: il movimento
Amerigo: per il materiale, perché quando è solido si muove…
Daniele: vibra
Amerigo: si, vibra, quando è liquido si muovevano di più…
Daniele: scivolavano
Amerigo: e quando è gas… hanno gli scontri.
Piergiorgio: e muovendosi si trasmettono l’energia una all’altra
Federica: come la cosa con la mano…energia cinetica
172
Capitolo 6
Alla fine del percorso l’82% dei
bambini mostra di saper utilizzare il modello
microscopico per interpretare i modi di scaldare. Alla domanda “cosa succede se
mescoli molto velocemente l’acqua con un cucchiaio?” rispondono con affermazioni
che possono essere classificate nelle categorie già individuate:
a. Le molecole si riscaldano come
la sostanzaÆmicro ‘apparente’
(12%)
b. Dal riscaldamento della sostanza
alla interpretazione cineticaÆ dal
macro al micro (38%)
c. Dall’interpretazione cinetica al
riscaldamento della sostanza
Ædal micro al macro (25%)
d. Interpretazione cinetica Æmicro
Domenico: l’acqua diventa più calda perché le
molecole si riscaldano
Deborah: se la mescolo velocemente le
molecole si riscaldano e così anche l'acqua,
perché il cucchiaio fa aumentare il movimento
delle molecole dell'acqua
Federico: l’acqua si riscalda leggermente,
perché viene fornita energia alle molecole
Mattia: l'acqua diventa più calda perché le
molecole si muovono più velocemente
Amerigo l'acqua si riscalda quindi le molecole
si muovono più velocemente che prima, perché
trasmetti l’energia
Piergiorgio: se le mescolo velocemente le
molecole aumentano il movimento e così
l'acqua si riscalda, poiché il cucchiaio fa
aumentare il movimento delle molecole
dell'acqua
Giulia: succede che le molecole si muovono
maggiormente e l'acqua si riscalda
leggermente perché si trasmettono energia
Alessio: le molecole vanno più veloci
(19%)
o
Interpretazione cinetica
con gli urti
Dario: che le molecole si agitano e si
muovono velocemente, perché mescolando il
cucchiaio trasmette movimento alle molecole
dell’acqua
Solo un bambino dà una risposta che non contiene alcuna spiegazione di tipo
microscopico (6%).
6.2.5.3 Problemi da risolvere
Analogamente a quanto fatto con i ragazzi della scuola superiore ai bambini è
stato proposto di analizzare una situazione di cambiamento di stato, mostrando loro un
grafico e chiedendo quali informazioni potessero trarre e cosa succedesse nel periodo in
cui la temperatura era costante. I bambini hanno risposto mostrando di sapere analizzare
173
Conduzione dell’esperimento didattico
il grafico e di riconoscere che ad un certo punto si ha il cambiamento, ma non hanno
interpretato dal punto di vista microscopico.
Un quesito nel quale veniva chiesto ai bambini di spiegare se due quantità
d’acqua diversa si riscaldassero nello stesso tempo. L’80% dei bambini risponde che si
riscalda prima quello con meno acqua e pur disegnando le molecole non ne fa cenno nel
commento. Ma vi è un 20% di bambini che interpreta microscopicamente:
Marta
il bicchiere con più acqua si riscalda dopo e nell'altro con meno acqua si
riscalda prima perché dove c'è più acqua le molecole si riscaldano dopo. E dove c'è
meno acqua ci sono meno molecole e si riscaldano velocemente
Federica si riscalda prima quello con meno acqua perché ci sono meno molecole e
così si riscaldano più velocemente
Amerigo il primo perché l'energia ha delle molecole in meno da distribuire
l'energia
Marta
Federica
Amerigo
174
Capitolo 6
Durante l’attività 2 uno dei modi di scaldare che i bambini avevano proposto era
‘aggiungiamo acqua calda’, e durante le attività in cui è stato usato il termometro online alcuni bambini avevano proposto di misurare la temperatura di equilibrio di masse
d’acqua inizialmente a temperature diverse.
Non avendo a disposizione in quel momento due sensori di temperatura si è colta
l’occasione per mostrare ai bambini un grafico che rappresenta il raggiungimento
dell’equilibrio termico nel caso di due masse d’acqua uguali (una bottiglia che contiene
300 g d’acqua calda viene immersa in un thermos che contiene 300g d’acqua fredda). Il
commento dei bambini è stato:
Daniele: prima hai messo caldo e freddo e poi lo hai mescolato, l’hai cambiato,
va…
(tutti) la bottiglia raffredda… l’acqua nella pentola riscalda
Piergiorgio: fino ad arrivare a temperatura ambiente
Domenico: fino a tiepido… dipende anche dalla quantità d’acqua
Daniele: …e l’acqua della bottiglia è diventata fredda
Pergiorgio: hanno raggiunto la stessa temperatura…dopo… 90 minuti
Nella fase finale è stato proposto ai bambini di riflettere su una situazione
problematica che riprendeva questa conversazione. La situazione proposta è la seguente:
Tutti i bambini riconoscono che l’acqua si riscalda ed il blocchetto si raffredda, ma è
interessante la sequenza di risposte di due bambini che durante le attività precedenti non
175
Conduzione dell’esperimento didattico
si erano ‘esposti’ molto. Federico parla di cessione di ‘energia termica’ ed interpreta
microscopicamente usando le velocità (si muovono lentamente/velocemente), Fedele
parla di ‘scontri’ fra le molecole che così si ‘raffreddano’ o ‘riscaldano’, mentre Mattia
parla di energia ceduta attraverso gli urti con conseguente cambiamento della velocità
delle molecole.
Perché pensi
che
succeda?
Cosa
succede alle
molecole
dell’acqua?
Cosa
succede alle
molecole del
ferro?
il blocchetto
di ferro cede
energia
termica
all'acqua
---
si muovono
più
velocemente
di prima
si muovono
più
lentamente
di prima
Fedele
perché le
molecole si
scontrano
----
Si riscaldano
si
raffreddano
Mattia
il ferro cede
la sua
energia
all'acqua
le molecole
sbattono
Cosa ti
aspetti che
succeda?
Federico
si muovono
più
velocemente
Disegno
Prima
Disegno
poi
si muovono
più
lentamente
Infine è stato proposto ai bambini un ultimo problema, riguardante la sublimazione: il
fenomeno è familiare ai bambini perchè durante le attività preparatorie fra gli oggetti da
osservare vi erano anche delle palline di naftalina. Il problema veniva posto in questi
termini: “ Mentre sei nella tua stanza senti odore di naftalina… la porta è aperta. Cosa
pensi possa essere successo? Come lo spieghi?”. Il 70% dei bambini ha risposto
usando il modello particellare, alcuni hanno usato una terminologia corretta:
Piergiorgio: la naftalina da solida diventa gassosa per sublimazione e le molecole
sono arrivate al mio naso e io le ho assorbite.
Deborah : La naftalina da solida diventa gassosa e si disperde nell'aria e arriva
alla nostra camera.
Amerigo: penso che la persona che è nell'altra stanza sta usando la naftalina
quindi l'odore si disperde nelle molecole e le molecole vengono nella mia stanza.
Federico : le particelle di naftalina si sono disperse nell'aria.
176
Capitolo 6
Mentre il 30% ha dato descrizioni di tipo macroscopico senza far riferimento ad un
modello particellare:
Domenico: Mia mamma aveva sicuramente messa una pallina di naftalina in un
giubbotto e si è sciolta.
Alessio: La puzza di naftalina vuol, dire che nelle giacche e nei vestiti ci sono
sacchetti di naftalina per non far mangiare ai topi.
6.3 Conclusioni
Dall’analisi dei dati raccolti si evince come le attività proposte, nella loro
varietà, permettano ai bambini ed ai ragazzi di sviluppare capacità operative, di
osservazione, di descrizione, di interpretazione.
Il confronto fra pari, attraverso le discussioni di gruppo, ha permesso la
contrattazione
del significato delle osservazioni in termini di importanza delle
grandezze coinvolte e della loro interpretazione: i ragazzi a volte hanno imparato a
guardare con maggiore accuratezza osservando ciò che gli era inizialmente sfuggito,
altre volte a descrivere con maggior dettaglio quello che vedevano, per far capire agli
altri il loro pensiero. La possibilità di esprimersi in forma libera, seppur stimolata, ha
veicolato la negoziazione di significati di termini scientifici quali temperatura, calore,
energia, macroscopico, microscopico, molecola, particella ...
Entrando nello specifico delle domande legate alla definizione del problema di
ricerca possiamo affermare che l’introduzione dell’interpretazione microscopica aiuta
ad interpretare i fenomeni termici macroscopici (D1). Sia i bambini che i ragazzi più
grandi hanno rivelato una modifica sostanziale nelle strategie di ragionamento: alunni
che nella fase iniziale dell’attività accettavano passivamente quanto veniva loro
proposto hanno iniziato col porsi delle domande su come e sul perché il fenomeno del
riscaldamento avvenisse, anche a livello microscopico.
La costruzione del modello formale (grafico e matematico) del fenomeno del
riscaldamento è stata per i ragazzi l’occasione per comprendere che l’insieme delle
osservazioni che si fanno anche nella vita quotidiana vanno strutturate attraverso un
processo di selezione di fenomeni rappresentativi e, quindi, di selezione delle variabili
di interesse. È stata l’occasione per comprendere come nascono i modelli matematici
dalle osservazioni empiriche. La possibilità di rappresentare graficamente un andamento
177
Conduzione dell’esperimento didattico
lineare che si è ‘visto nascere’ dalla realtà sperimentale ha dato modo ai ragazzi di
capire il nesso fra la realtà dei fenomeni e la potenza descrittiva, interpretativa e
previsionale della matematica. La legge della proporzionalità diretta assume, in questa
sede, il valore di modello predittivo di un fenomeno, ed anche se non viene
formalmente scritta come equazione di una retta, si stabilisce la correlazione fra un
grafico lineare ed un ragionamento di tipo proporzionale (se la massa è il doppio
l’aumento di temperatura sarà la metà, se il calore specifico della sostanza è la metà il
riscaldamento sarà il doppio).
Nell’attività
della diffusione dell’inchiostro che ha seguito quella della
modellizzazione macroscopica del riscaldamento, i ragazzi hanno utilizzato quanto
avevano già sperimentato rispetto al controllo delle variabili85. La semplice
osservazione della diffusione dell’inchiostro li ha portati a domandarsi quale fosse il
ruolo della temperatura e perché la temperatura maggiore determinasse una velocità
maggiore di diffusione. Inizialmente le
risposte contenevano l’idea che fosse la
distanza fra le molecole a determinare la maggiore velocità di diffusione, i ragazzi
infatti legano alla maggiore temperatura soprattutto la dilatazione termica e non
pensavano alla maggiore velocità delle molecole. Inizialmente l’interpretazione non è
legata al movimento delle molecole, ma alla distanza fra di esse. Che non sia
l’interpretazione giusta diventa secondario rispetto al fatto che si è attivata la strategia
di ragionamento che li ha portati a cercare una spiegazione in termini microscopici. Alla
fine del percorso, infatti, la possibilità di interpretare il fenomeno con il modello
microscopico ha permesso loro di argomentare correttamente in termini di causa (urti
fra le molecole) ed effetto (mescolamento).
L’interpretazione del fenomeno del riscaldamento delle sostanze viene fatta dai
ragazzi e dai bambini con modelli simili presenti in percentuali diverse, come mostra la
tabella di confronto, dalla quale si evince che i ragazzi più grandi tendono a dare
un’interpretazione essenzialmente microscopica in percentuale maggiore rispetto ai
bambini (47% contro 29%), presentando anche in alta percentuale (maggiore rispetto
ai piccoli) un modello ‘apparentemente’ micro, nel quale si inferisce a livello
molecolare il riscaldamento della sostanza. L’analisi dei sistemi in termini sia
macroscopici che microscopici viene fatto in percentuale maggiore dai bambini più
85
Individuazione delle grandezze in gioco e selezione di quelle che si possono variare/controllare in
modo da poter progettare esperienze che servono a rispondere a precise domande.
178
Capitolo 6
piccoli (modelli “b” e “c” 63% contro il 25%), che tendono a seguire un modello che va
dal macroscopico al microscopico più dei ragazzi.
Confronto dell’uso dei modelli nei due gruppi di età
a. Le molecole si riscaldano come la sostanzaÆmicro
‘apparente’
b. Dal riscaldamento della sostanza alla interpretazione
cineticaÆ dal macro al micro
c. Dall’interpretazione cinetica al riscaldamento della
sostanza Ædal micro al macro
d. Interpretazione cinetica Æmicro
media
primaria
28%
12%
10%
38%
15%
25%
47%
19%
o
Interpretazione cinetica con gli urti
(20%)
(6%)
e.
Interpretazione solo macroscopica
0%
6%
Per quanto riguarda l’uso del modello microscopico per interpretare il fenomeno
dell’ebollizione si ha un risultato interessante: i due gruppi sono stati posti di fronte ad
un problema simile (ebollizione dell’acqua e ebollizione dell’alcool) che è stato
formulato in maniera differente. Ai ragazzi è stato esplicitamente chiesto di spiegare a
cosa serve il calore durante l’ebollizione, e ciò li ha portati ad interpretare con un
modello microscopico nel 70%, mentre ai bambini è stato chiesto di dire quali
informazioni traessero dal grafico. I bambini hanno mostrato di essere in grado di trarre
le informazioni di carattere macroscopico (“l'informazione che ottengo è che a 80°C
l'alcool evapora”, “che l'alcool può arrivare ad una temperatura e non può
aumentare”, “l'alcool a una certa temperatura non si riscalda più”) ma di non
descrivere l’evaporazione con un modello microscopico. Modello che però viene usato
dagli stessi bambini (70%) per dare conto della sublimazione.
L’osservazione su come il modello interpretativo possa cambiare a seconda di
come il problema viene formulato ci porta ad una riflessione sulla seconda domanda di
ricerca, su quale sia il livello di formalizzazione possibile nel caso della scuola di base
(D2). Durante le attività i bambini della scuola primaria hanno mostrato in più occasioni
di essere in grado di prevedere, leggere ed interpretare grafici di riscaldamento, di
raffreddamento e di passaggio di stato, quindi di essere in grado di gestire la
formalizzazione grafica. Allo stesso tempo sono generalmente in grado di descrivere ed
interpretare i fenomeni di riscaldamento usando le grandezze macroscopiche e, se
richiesto, usando le variabili che caratterizzano il livello microscopico. Quello che
risulta loro più difficile è la gestione in parallelo di due linguaggi: se interpretano un
179
Conduzione dell’esperimento didattico
grafico non passano alla descrizione microscopica, se viene posto loro un problema
macroscopico e richiesto un disegno (es. riscaldamento di due masse d’acqua diverse)
solo un 20% disegna ed interpreta in maniera discorsiva coerentemente. Nel caso dei
ragazzi della scuola media la capacità di lettura del grafico è supportata dall’istruzione
precedente, quindi era prevedibile che il livello di formalizzazione “grafica” fosse
correttamente utilizzato. Il risultato che è emerso dai dati è che, attraverso la costruzione
di grafici di riscaldamento on-line e l’analisi dei grafici costruiti con carta e matita, i
ragazzi sono stati in grado di costruire un modello matematico (lineare) della
dipendenza del riscaldamento dalla massa e dalla sostanza, e, pur senza aver scritto
formalmente la legge di proporzionalità diretta, sono in grado di riconoscerne le
proprietà e di fornire previsioni corrette sul comportamento di masse e sostanze
differenti.
Riguardo al
ruolo della visualizzazione microscopica ed agli opportuni
strumenti informatici (D3), l’esperimento didattico ha messo in luce la potenzialità
dell’uso di ambienti di simulazione, che molto più delle animazioni permettono di
costruire conoscenza scientifica. Sia i bambini che i ragazzi più grandi sono stati in
grado di usare le semplici simulazioni presentate, acquisendo subito le competenze di
base per la gestione dei controlli. Nel caso dei bambini più piccoli si è notato come
l’uso dello strumento interattivo abbia incentivato la partecipazione di alcuni soggetti,
che nelle fasi precedenti si erano mantenuti più in ombra ed abbia permesso una
cooperazione produttiva: un paio di bambini sono stati designati dalla classe “al mouse”
ma la classe -cooperativamente- ha scelto quando e come ripetere la simulazione per
“capire cosa succede se” o per “capire perché …”.
180
Conclusioni
CONCLUSIONI
L’obiettivo principale della tesi è stato la ricostruzione didattica di un contenuto
della fisica di base, che denominiamo “energia termica” intendendo con questo termine
quella componente dell’energia interna di un sistema che si può associare al movimento
delle particelle nella materia, che si può considerare responsabile delle sensazioni
termiche e che varia al variare della temperatura della materia. La ricostruzione
didattica è stata sviluppata seguendo le tre direttive dell’analisi del contenuto fisico,
dell’analisi delle rappresentazioni gli studenti e della progettazione e sperimentazione di
un percorso didattico.
L’analisi storico-epistemologica dei nodi concettuali che permettono la
modellizzazione del riscaldamento dei materiali tocca i tre meccanismi fisici di
trasferimento di energia per differenza di temperatura, della dissipazione di energia
macroscopica per fenomeni legati all’attrito, dell’aumento dell’energia media per
atomo/molecola per irraggiamento. L’individuazione e lo studio dei tre meccanismi ha
contribuito storicamente alla modellizzazione dei fenomeni termici e la nostra
ricostruzione didattica ne ritesse il filo alla luce e nel quadro di un modello esperto
ormai consolidato e della possibilità di usare strategie didattiche e strumenti idonei alla
predisposizione di un ambiente di apprendimento.
Le rappresentazioni degli studenti in relazione
ai fenomeni termici ed alla
struttura della materia sono state analizzate utilizzando i risultati riportati in letteratura
ed interagendo con le classi coinvolte nella fase sperimentale della ricerca. Ciò ha
permesso di individuare i modelli presenti nel campione in esame e di metterli in
relazione con i risultati conosciuti.
Il percorso didattico è stato progettato, visto il target scelto, tenendo conto della
necessaria elementarizzazione della fisica in gioco, nel rispetto della correttezza
scientifica. La scelta delle strategie e degli strumenti didattici è stata guidata dalla scelta
di contestualizzarsi all’interno del quadro epistemologico del costruttivismo. La
principale linea che ha guidato lo sviluppo del percorso sia in fase progettuale che in
fase realizzativa è quella della predisposizione di situazioni nelle quali l’apprendimento
del contenuto potesse avvenire sfruttando la Zona di Sviluppo Prossimale, attraverso
Conclusioni
due tipi di interazione: con artefatti che diventano strumenti d’indagine scientifica e con
il gruppo sociale di riferimento, formato dalla classe e dal docente.
Due sono stati gli artefatti che, a nostro avviso in modo innovativo rispetto alla
prassi per il livello della scuola di base, hanno permesso di sviluppare l’apprendimento:
la strumentazione on-line e l’ambiente di modellizzazione microscopica. Entrambi
entrano in gioco
come potenti strumenti di visualizzazione, il primo a livello
macroscopico con una descrizione grafica di tipo matematico, il secondo a livello
microscopico con una descrizione iconica di tipo fisico.
I due tipi di visualizzazione usano e sviluppano codici interpretativi differenti.
Attraverso l’uso del primo linguaggio, quello del grafico cartesiano, si sviluppa un
modello interpretativo del riscaldamento della materia in cui il referente (ciò che si
riscalda) viene analizzato a livello macroscopico costruendo un consensus model nel
quale la temperatura viene messa in relazione con il tipo di materiale e la quantità di
materia attraverso un ragionamento di tipo proporzionale. I risultati della
sperimentazione hanno mostrato che bambini che frequentano una quinta classe della
scuola primaria sono in grado di gestire una strumentazione on-line e di leggere ed
interpretare il linguaggio grafico. L’uso del sensore di temperatura ha permesso ai
bambini di mettere in relazione “dal vivo” i fenomeni che quotidianamente osservano
come riscaldamento (lo sfregamento delle mani, l’aria vicino ad una lampadina accesa,
il bollitore sulla piastra elettrica), con la grandezza fisica temperatura, che hanno
imparato a misurare.
I tre meccanismi portano tutti ad un riscaldamento, definito come l’aumento di
temperatura, ma solo nel caso del riscaldamento per contatto tra oggetti a differenti
temperature si è proceduto all’uso del linguaggio matematico. Questa scelta non ha
sminuito il potere unificante del modello del riscaldamento, esso infatti è stato
interpretato dagli alunni come scelta strategica che fa parte del metodo di lavoro
scientifico, come esempio di semplificazione della complessità del mondo reale ed
individuazione di un fenomeno rappresentativo di una classe. I bambini ed i ragazzi più
grandi hanno usato il codice linguistico della rappresentazione grafica del riscaldamento
sia per descrivere un fenomeno che per prevedere un comportamento. Nello sviluppo di
tali competenze si è rivelata utile la costruzione dei grafici lineari fatta con carta
millimetrata e matita. Ciò ha permesso agli alunni di comprendere che l’uso di
strumenti di laboratorio on-line non aggiunge un significato fisico a ciò che si osserva,
182
Appendici
ma fornisce una modalità immediata di monitoraggio (con alunni più grandi si possono
usare altri strumenti del software, come ad esempio il fitting).
L’uso dell’on-line ha permesso anche di sviluppare l’apprendimento di quelle
abilità gestuali che sono vicariate dal software ma che vanno acquisite perché lo
strumento della visualizzazione di andamenti grafici si estenda dal contesto del
laboratorio di fisica a quello della rappresentazione di andamenti in diversi ambiti. Con
ciò intendiamo uno sviluppo metacognitivo dello strumento di visualizzazione, ed in
questa prospettiva usare la strumentazione on-line permette di sviluppare abilità che il
bambino ed il ragazzo non hanno ancora messo in azione.
L’uso di un ambiente di modellizzazione microscopica della materia, invece, ha
permesso di introdurre un codice interpretativo del referente di natura completamente
differente. Il modello che si costruisce usando il software di simulazione, infatti, è
esemplificativo di una realtà della quale non abbiamo prove sensoriali. Sviluppare una
visualizzazione microscopica significa diventare capaci di vedere ciò che non si vede
con gli occhi. In questo caso il consensus model che si sviluppa è proprio quello visuale
con il quale si interagisce nell’ambiente, del quale si devono comprendere i simboli
rappresentativi (cosa rappresentano i cerchietti, cosa rappresentano i colori,…). La
costruzione di significato, il modello mentale, si crea nel momento in cui alle capacità
osservative il ragazzo affianca la capacità metavisuale e reinterpreta quanto ha osservato
diventando capace di “far girare” il modello visuale nella sua mente. Di ciò si ha prova
quando, prima di far girare la simulazione al computer, si chiede al ragazzo di fare un
previsione, che poi viene controllata.
L’uso del software di simulazione in questo caso, permette anche di superare le
difficoltà che sono legate alla trasposizione visuale di una serie di proposizioni testuali.
Un bambino può non essere capace di tradurre espressioni del tipo “ nel gas le particelle
urtano continuamente” in un’immagine mentale e l’illustrazione di un libro di testo può
fornirgli solo un suggerimento statico. La visualizzazione animata ed interattiva può
aiutare nella formazione dell’immagine mentale. Il rischio che si corre è quello di
limitare la creatività del ragazzo, quindi la formazione di modelli ephemeral, ma ciò
nella sequenza sperimentata in questa ricerca non avviene perché in fase preliminare
all’alunno viene chiesto di descrivere il suo modello personale, prima di presentare
qualsiasi modello di insegnamento.
La scelta di sviluppare una TLS che introduce il modello microscopico della
materia non va ovviamente nella direzione di trascurare l’approccio macroscopico,
183
Conclusioni
bensì di completarlo. E’ noto che un bambino non può comprendere il significato del
modello microscopico se prima non è in grado di descrivere la materia attraverso le
grandezze macroscopiche. Didatticamente, quindi, è auspicabile che prima di sviluppare
una TLS come quella proposta in questo lavoro, si costruiscano conoscenze e capacità
operative che portano alla comprensione dei concetti di massa, volume, densità. Anche
nel caso del lavoro qui descritto è stato svolto, in fase preparatoria, questo tipo di
attività. Nei due cicli di sperimentazione che hanno seguito quella ”pilota” sono state
svolte attività mirate ad addestrare i ragazzi, ma soprattutto i bambini, all’uso di
misuratori di massa e di volume ed è stato costruito il significato della grandezza
“densità”. Un lavoro di questo tipo è indispensabile perché i ragazzi comprendano che
esistono grandezze estensive e grandezze intensive (anche non usando i termini
specifici). La possibilità di costruire grafici massa vs volume e di confrontare i grafici di
materiali diversi permette ai ragazzi di familiarizzare con il linguaggio grafico, e
comprendere, quando il linguaggio si ripropone nella TLS qui descritta, il significato
della modellizzazione matematica.
La scelta del contenuto “riscaldamento dei materiali” e la scelta di costruire una
modellizzazione dal livello macroscopico al livello microscopico enfatizza quanto negli
Standard dei paesi anglosassoni viene solo accennato e si discosta da quanto avviene
nella scuola francese in cui nella scuola primaria si preferisce un approccio solo
manipolativo e macroscopico. L’analisi dei dati raccolti durante la sperimentazione del
nostro percorso ci permette di affermare che una modellizzazione del microscopico è
possibile anche a livello di scuola primaria: l’attenzione al microscopico non ha
distratto i bambini dall’osservazione macroscopica, che resta il livello di interazione
sensoriale. Se è vero che i bambini alla fine del nostro percorso passano ad una
descrizione microscopica anche osservando fenomeni microscopicamente, è anche vero
che buona parte di loro (38%) lo fa passando dalla descrizione macroscopica e a quella
microscopica (in questo ordine). Ciò è anche legato allo sviluppo delle strategie di
ragionamento che si sono evolute dal cercare risposte a domande del tipo “cosa sa
succedendo?” a domande del tipo “perché succede questo?”, “come posso
spiegarmi…”, quindi dall’uso dei modelli descrittivi all’uso di quelli interpretativi.
Nei suggerimenti del Regno Unito si consiglia di sviluppare la distinzione calore
temperatura solo alle medie, trattando alle primarie solo un approccio macroscopico ai
cambiamenti di stato. I nostri risultati mostrano che estendere il campo di studio ad una
184
Appendici
descrizione microscopica permette ai bambini di comprendere il ruolo delle forze di
interazione e di intuire come il passaggio di stato sia un processo che necessita di
trasferimenti di energia a temperatura costante.
Nelle Indicazioni Nazionali italiane del 2007, invece, si suggerisce di introdurre
la “plausibilità di primi modelli microscopici di trasformazioni fisiche”. La nostra
lettura di questa indicazione affianca al termine “trasformazione” quello di “processo”,
e benché non sviluppi esplicitamente la trasformazione microscopica della materia nei
passaggi di stato, stabilisce delle basi sulle quali sarà possibile comprenderne i
meccanismi.
La validità interna della sequenza di insegnamento/apprendimento proposta nel
presente lavoro è supportata dai risultati ottenuti nelle classi e discussi nel capitolo
precedente. Gli alunni hanno tratto vantaggio dall’introduzione del modello
microscopico, il cui uso ha permesso loro di acquisire una chiave interpretativa dei
fenomeni del riscaldamento. Quando, alla fine del percorso, è stato chiesto agli alunni di
interpretare fenomeni di vita quotidiana nei quali si percepisce un riscaldamento, hanno
utilizzato il modello microscopico, seppur con modalità interpretative differenti ed
inferendo a volte dal macro al micro ed a volte dal micro al macro.
La partecipazione degli alunni alle attività è stata costante, la scelta di proporre
sessioni di laboratorio e la possibilità di dedicare molto tempo alla discussione delle
osservazioni ha permesso di costruire i significati scientifici attraverso il confronto e la
contrattazione. Il grado di soddisfazione dei ragazzi coinvolti è alto, con il conseguente
innalzamento dell’interesse verso le attività di tipo scientifico. Anche ragazzi che
venivano presentati dagli insegnanti curriculari come poco partecipativi hanno trovato
nella metodologia proposta gli stimoli e gli spazi per superare la propria timidezza.
La validità esterna della sequenza può essere discussa in termini di
generalizzabilità delle scelte strategico/metodologiche effettuate nella progettazione del
percorso e dell’usabilità dello stesso come ambiente di apprendimento. A nostro avviso
la struttura della sequenza, che sfrutta l’osservazione fenomenologica di fenomeni del
quotidiano, la realizzazione di osservazioni e di esperimenti quantitativi in classe (con
strumenti tradizionali e on-line), l’utilizzo di ambienti di simulazione per la
visualizzazione a livello microscopico, può essere generalizzata ed usata anche per
costruire significati di altri nodi concettuali che coinvolgono un passaggio interpretativo
dal macro al micro, quali ad esempio la corrente elettrica, la propagazione delle onde
meccaniche, la pressione nei liquidi,…
185
Conclusioni
L’usabilità in contesti autentici senza la presenza di uno specialista della
disciplina, è legata alle competenze professionali
degli insegnanti curriculari. Un
insegnante che non ha familiarità con gli strumenti informatici difficilmente
programmerà un percorso di questo tipo, ma sapere che percorsi di questo tipo sono già
stati realizzati può essere da stimolo. Presentare il percorso come buona pratica può
rappresentare una tipologia di formazione in servizio. A questo scopo sono state
sviluppate le schede docenti che possono accompagnare la sequenza per renderla
fruibile.
La ricerca lascia aperti alcuni quesiti, la risposta ai quali necessita di un
approfondimento. Il primo spunto per l’ulteriore ricerca è il confronto fra due diversi
approcci alla comprensione della fenomenologia della vita quotidiana: l’approccio
didattico classico ed un approccio innovativo. Nell’approccio classico si sviluppa
un’analisi macroscopica e manipolativa della materia a partire dagli oggetti, per passare
ai materiali ed alle caratteristiche misurabili della materia (peso, volume,…) e dei
materiali (caratteristiche elastiche, densità,…), mentre in un approccio innovativo si
introduce l’analisi a livello microscopico della materia, consolidando la comprensione
macroscopica della materia (ad esempio la natura “materiale” dei gas) e fornendo una
base per sviluppare la comprensione di fenomeni (ad esempio i passaggi di stato o la
dilatazione termica).
E’ necessario confermare attraverso un confronto la realizzabilità del secondo
approccio alla fine della scuola primaria e nella scuola media inferiore e resta aperta la
questione della possibilità di anticiparlo anche a livelli inferiori.
Resta aperta e necessita di una ulteriore ricerca, la questione riguardante
l’usabilità dell’approccio proposto in un contesto classe reale gestito interamente da
insegnanti curriculari. Tale ricerca si può sviluppare sia in ambito di formazione
universitaria dei futuri insegnanti che in una logica di formazione di insegnanti in
servizio.
186
APPENDICI
Appendici
Gentili Genitori,
con la presente Vi informiamo che la classe di cui fa parte Vostro figlio è stata scelta
per rappresentare la Scuola in un progetto riguardante l’innovazione nella didattica delle
scienze presentato e condotto dalla dott.ssa Lucia Lupo nell’ambito della sua ricerca
presso l’Università di Palermo. La sperimentazione si svolgerà durante le ore di scienze
alla presenza dell’insegnante curriculare e dell’insegnante ricercatrice. Poiché la
documentazione a fini di ricerca scientifica dell’attività ne prevede la registrazione
audio/video/foto vi invitiamo ad autorizzare la ricercatrice per la raccolta di tali dati, che
verranno utilizzati nel pieno rispetto della privacy di ogni alunno, (non verranno rese
pubbliche immagini dei ragazzi o dati che ne permettano l’identificazione).
Ringraziandovi
della disponibilità,
Cordialmente
AUTORIZZAZIONE E LIBERATORIA PER L’ATTIVITA’ DI SCIENZE
Io sottoscritto/a ………………………………………………………………… in
qualità di genitore del minore……………………………………………………….. nato
a ……………………………. il………………………………..
autorizzo in base alla L. 675/97
mio/a figlio/a a partecipare all’attività didattica “Il caldo, il freddo e la materia” (che si
svolgerà nel periodo 15 novembre 2007-15 dicembre 2007 per la durata complessiva di
10 ore), in presenza dell’insegnante ricercatore ed acconsento a che le immagini, le
registrazioni ed il materiale cartaceo prodotto durante le attività vengano utilizzate per
la documentazione del percorso ai soli fini di ricerca scientifica.
Data………………………
188
Firma……………………
Appendici
Nome del navigatore……………………………. di anni……………..
Immagina di poter diventare talmente piccolo da viaggiare dentro le cose.
Immagina ad esempio, di essere dentro un pezzo di ferro… cosa vedi intorno
a te? Racconta e disegna quello che vedi …
Adesso immagina di entrare dentro un bicchiere d’acqua… cosa vedi intorno
a te? Il mondo è diverso rispetto a quando eri nel pezzo di ferro?
Mentre sei dentro il bicchiere d’acqua, qualcuno lo prende e lo mette in
frigo. Vedi dei cambiamenti?
189
Appendici
Il percorso didattico
Attività 1
Nodi concettuali:
Concetto di temperatura
Concezioni spontanee
Gli oggetti che si trovano in una stanza sono caldi o freddi, quindi non si
trovano tutti alla stessa temperatura, perché hanno la proprietà di essere caldi o
freddi per natura; alcuni possono riscaldarsi, altri no.
La temperatura è una grandezza che dipende dalla quantità di materia, quando si
divide in quantità minori la temperatura si divide, quando si uniscono quantità di
materia la temperatura si somma.
Obiettivi di apprendimento
∼
Sviluppa la sua capacità di osservazione e descrizione,
∼
Distingue le grandezze fisiche dalle proprietà che non lo sono,
∼
Misura temperature,
∼
Distingue la materia per stato di aggregazione attraverso la descrizione
macroscopica delle proprietà.
Attività 2
Nodi concettuali:
dipendenza
del
riscaldamento da massa
e sostanza
Sviluppo dell’attività
1. Osservazione di oggetti e distinzione in solido/liquido/
gas dei materiali che li compongono
2. Classificazione di oggetti ‘caldi’ e ‘freddi’
3. Misura della temperatura con termometri tradizionali ed
in linea con l’elaboratore
Concezioni spontanee
La temperatura di un corpo può cambiare solo se il corpo lo può fare.
L’acqua si può riscaldare, ma fino ad un certo punto.
Materiali diversi si riscaldano in modo diverso.
Il calore è qualcosa che hanno le cose calde, che si può propagare nella materia.
La temperatura è il grado di calore contenuto in un corpo
Obiettivi di apprendimento
∼
Misura variazioni di temperatura, anche attraverso l’uso di grafici T vs t
∼
Controlla le variabili in gioco,
∼
Interpreta i grafici del riscaldamento,
∼
Mette in relazione causa-effetto il trasferimento di energia e l’aumento di temperatura (nel
contatto con corpi a temperatura maggiore, nello sfregamento di superfici, nell’illuminazione).
Attività 3
Nodi concettuali:
modellizzazione
microscopica della
materia
∼
∼
∼
∼
Concezioni spontanee
La materia è fatta da piccoli granellini, come la sabbia.
Nei solidi le particelle sono ferme e attaccate.
Fra le molecole dell’acqua c’è acqua.
Quando si riscalda una sostanza le sue particelle diventano più
grandi.
Nei liquidi le particelle sono molto più lontane che nei solidi.
Obiettivi di apprendimento
Sviluppa la conoscenza delle dimensioni spaziali dal macroscopico al
microscopico
Costruisce un modello microscopico degli stati di aggregazione.
Lega l’agitazione molecolare alla temperatura
Attività 4
Nodi concettuali:
modello interpretativo del fenomeno del
riscaldamento al livello microscopico.
190
Concezioni scientifiche
Il calore si manifesta quando due
corpi a temperatura diversa
vengono posti a contatto.
Il riscaldamento di una sostanza
dipende dalla sostanza e dalla
massa.
Sviluppo dell’attività
1. i tre modi di scaldare
2. il riscaldatore dell’acquario
3. riscaldare masse diverse
4. riscaldare sostanze diverse
Concezioni scientifiche
La materia è formata da particelle microscopiche in
continuo movimento, fra di esse vi è il vuoto.
Nel riscaldamento e nel cambiamento di fase le
particelle restano delle stesse dimensioni, ciò che
cambia è il modo in cui sono legate.
Nei liquidi e nei solidi le distanze fra le particelle
sono confrontabili.
Sviluppo dell’attività
1.
la diffusione dell’inchiostro
2.
potenze di dieci
3.
la materia dentro: solidi liquidi e gas
4.
le molecole si muovono
5.
l’energia interna
Concezioni spontanee
Il calore è qualcosa, tipo il fumo,
contenuto nei corpi e i corpi più caldi lo
passano a quelli più freddi.
Obiettivi di apprendimento
∼
Riflette su situazioni fenomenologiche interpretandole
con il modello microscopico.
Concezioni scientifiche
La temperatura è una variabile
intensiva che caratterizza lo stato di
un corpo.
Concezioni scientifiche
L’energia interna di un sistema può cambiare se questo
scambia con l’ambiente energia, che a livello
microscopico è energia di movimento.
Sviluppo dell’attività
1. i diversi modi di scaldare dal punto di vista microscopico
2. il calore è energia in movimento
3. il lavoro ‘sposta’ l’energia
4. la luce ‘trasporta’ l’energia
5. problemi da risolvere (diffusione, dilatazione, ebollizione,…)
Appendici
191
Appendici
PORTFOLIO
(schede per lo studente)
192
Appendici
Diario di Bordo
Nome………………………………….. data……………………..
Attività 1 <<Gli occhi del fisico>>
In questa attività impareremo ad osservare il mondo che ci circonda con gli strumenti della
fisica.
Osserva gli oggetti che sono posti sul tavolo, puoi raggrupparli secondo delle
caratteristiche comuni?
La materia si può trovare nello stato solido, liquido o gassoso. Come distingui lo stato in cui
la materia si trova?
Completa la tabella con esempi tratti dalla vita quotidiana
Solidi
Liquidi
Gas
Gli oggetti che vedi sul tavolo sono caldi o freddi? Completa la tabella:
Oggetto
Prevedo
Esploro
Misuro
1
2
3
Confronta la tua previsione con la misura ed i risultati con quelli dei compagni.
193
Appendici
Diario di Bordo
Nome……………………………………………………….. data……………………..
Attività 1 <<Gli occhi del fisico>>
In questa attività abbiamo imparato ad osservare il mondo che ci circonda misurando le
grandezze fisiche massa, volume, temperatura, tempo.
Secondo te si può misurare la temperatura usando il senso del tatto? SI
NO
Spiega perché…………………………………………………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………………………………………………………………..………
Immagina di scaldare un bicchiere d’acqua, quali azioni compi?.........................................
……………………………………………………………………………………………………………………………………………..………
Come ti accorgi se l’acqua si è scaldata?....................................................................................
……………………………………………………………………………………………………………………………………………..………
Immagina di avere scaldato 1 litro d’acqua. Il termometro segna 40 °C. Immagina di
travasare l’acqua versandola in due contenitori. Quale sarà la temperatura segnata dal
termometro nei due contenitori?
Colora il termometro e indica la temperatura:
Prima
1000 ml
Dopo - primo caso:
800 ml
+
200 ml
Dopo - secondo caso
500 ml
+
500 ml
Spiega come hai ragionato per arrivare alla risposta …………………………………….
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
194
Appendici
Diario di Bordo
Nome………………………………….. data……………………..
Attività 2 <<La temperatura che cambia: modi diversi di scaldare>>
1. Hai le mani fredde cosa fai per scaldare? Indica almeno due modi diversi.
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
2. Il latte con cui fai colazione è freddo, ma il gas è finito! Puoi scaldarlo? In che
modo?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………
Osservazioni sperimentali sul riscaldamento: annota la strumentazione, la procedura e
commenta.
Primo modo:
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
Secondo modo:
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
Terzo modo:
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
195
Appendici
Nome………………………………….. data……………………..
Attività 2 << L’esperimento >>
Cosa vogliamo misurare …………………………………………………………………………………………
Materiale
Cosa utilizziamo
……………………………………………..
……………………………………………..
…………………………………………….
…………………………………………….
…………………………………………….
Come lo utilizziamo
……………………………………………..
……………………………………………..
…………………………………………….
…………………………………………….
…………………………………………….
disegno dell'apparato sperimentale
Cosa ci aspettiamo:
disegna il grafico come te lo aspetti
Cosa succede:
disegna il grafico come è sul computer
Temperatura
Temperatura
tempo
tempo
3. cosa c’è in ascissa (asse orizzontale)?...............................................................................
4. cosa c’è in ordinata (asse verticale)?.................................................................................
5. cosa puoi dire osservando il grafico? ................................................................................
6. qual è la temperatura iniziale?.................. e quella finale?................
7. come descriveresti a parole il grafico ottenuto?
............................................................................................................................................................
8. che energia è stata utilizzata?
............................................................................................................................................................
196
Appendici
−
Da dove proviene?
.................................................................................................................
−
Dove se ne è andata?
.................................................................................................................
9. La cose si riscaldano di più o di meno, da cosa pensi che dipenda?
...........................................................................................................................
10. come organizzeresti degli esperimenti per capire da cosa dipende il maggiore o
minore riscaldamento delle cose?
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
11. se prendiamo l’acqua che abbiamo riscaldato e la dividiamo in due bicchieri,
quale pensi che sarà la temperatura che misuriamo?
.............................................................................................................
Perché?
197
Appendici
Attività 2 << Riscaldare materiali e masse diverse>>
In questa attività utilizzeremo i seguenti gruppi di dati sperimentali che sono stati raccolti
con la stessa strumentazione variando la massa ed il materiale da riscaldare.
GRUPPO 1:
GRUPPO 2:
GRUPPO 3:
GRUPPO 4:
GRUPPO 5:
materiale=acqua
massa=400g
materiale=acqua
massa=300g
materiale=acqua
massa=200g
materiale=alcool
massa=300g
materiale=olio
massa=300g
tempo Temperatura
(s)
(°C)
tempoTemperatura
(s)
(°C)
tempo Temperatura
(s)
(°C)
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
25,0
25,4
25,8
26,2
26,7
27,1
27,5
27,9
28,4
28,8
29,2
tempo Temperatura
(s)
(°C)
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
25,0
25,5
26,0
26,4
27,0
27,5
28,0
28,5
29,0
29,5
30,0
tempo Temperatura
(s)
(°C)
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
25,0
25,6
26,3
27,0
27,7
28,5
29,1
29,6
30,3
31,0
31,7
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
25,0
26,0
27,0
28,1
29,0
30,1
30,7
31,8
32,8
33,6
34,9
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
L’insegnante ti assegnerà un gruppo di dati, ed i tuoi compiti sono:
- costruire un grafico su carta millimetrata
- trascrivere i dati nella tabella seguente e completarla calcolando in ogni rigo:
- quanto è aumentata la temperatura rispetto a quella iniziale
- l’aumento di temperatura diviso il tempo che è passato.
Materiale…………………….
tempo
Temperatura
(secondi)
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
(gradi °C)
25,0
massa=……………….g
aumento di
Temperatura
aumento di Temperatura
DIVISO
tempo
(gradi °C)
------
(°C/s)
-----
Noti qualche regolarità nei numeri ottenuti? ……………………………………………….………………………………
I tuoi compagni hanno ottenuti risultati simili?..............................................................................
198
25,0
26,5
28,0
29,4
31,0
32,5
33,9
35,2
36,8
38,2
40,0
Appendici
Diario di Bordo
Nome………………………………….. data……………………..
Attività 2 <<La temperatura che cambia: le cose si scaldano in maniera diversa>>
Formate dei gruppi con dei compagni in maniera tale che in ogni gruppo ci siano i
grafici di: 200 g acqua, 300 g acqua, 400 g acqua, 300 g alcool, 300 g olio.
Ricordate che i dati rappresentati sono stati ottenuti con un procedimento uguale a
quello usato in classe.
12. Mettete vicini i grafici relativi all’acqua e confrontateli. Nell’analisi può esservi
d’aiuto completare la tabella.
Acqua
Massa
200 g
300 g
400 g
Aumento di temperatura
Aumento di T : tempo
Cosa osservate?…………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
13. Mettete vicini i grafici relativi ai 300 g di acqua, alcool e olio e confrontateli.
Massa=300g
Acqua
Alcool
Olio
Aumento di temperatura
Aumento di T : tempo
Cosa osservate?………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
14. secondo voi c’è una relazione fra la retta rappresentata nel grafico e il numero
“Aumento di T : tempo”? se si dite quale
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
15. basandovi sull’analisi precedente completate le frasi:
a. 400 g di acqua si riscaldano………………………………. di 200 g di acqua
b. in una massa maggiore si ha…………………………………………………..
c. 300 g di olio ……………………………………………...di 300 g di acqua
d. materiali diversi si riscaldano……………………………………………………..
16. Concludendo, da cosa dipende secondo te il maggiore o minore riscaldamento
dei materiali?
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
199
Appendici
Diario di Bordo
Nome………………………………….. data……………………..
Attività 3 <<Guardare dentro la materia: un viaggio fino alle molecole>>
1.
Solido
Come si possono pensare solidi liquidi e gas a livello molecolare? Disegna i
modelli che ti sono stati presentati e descrivili.
Liquido
Gas
2. cosa c’è fra le molecole?
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
3. mescola 100 ml di acqua e 100 ml di alcool, che volume pensi di ottenere?
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
4. la tua previsione è stata verificata? Perché?
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
5. Se si rompe una boccetta di profumo si sente un buon odore in tutta la
stanza, perché?
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
6. Prendi due bicchieri e riempili uno di acqua fredda, l’altro di acqua calda.
Immagina di mettere in ognuno dei due una goccia di inchiostro e non
mescolare. Pensi che l’inchiostro si comporterà nello stesso modo nei due
bicchieri?
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
7. Verifica, confronta e commenta.
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
200
Appendici
Diario di Bordo
Nome………………………………….. data……………………..
Attività 4 <<Energia in movimento>>
Naviga nel sito http://www.uop-perg.unipa.it/master_sito/lucilupo/
Alla fine rispondi alle domande.
1.
cosa succede alle molecole dell’acqua quando viene riscaldata con un
riscaldatore elettrico?
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
l’energia elettrica si trasforma in ……………………………
2. cosa succede alle molecole di una gomma per cancellare quando questa viene
usata?
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
l’energia di movimento della gomma si trasforma in………………
3. cosa succede alle molecole dell’aria quando sorge il sole?
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
l‘energia che viaggia con la luce si trasforma in………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
201
Appendici
Diario di Bordo
Nome………………………………….. data……………………..
Attività 4 << QUALCHE PROBLEMA DA RISOLVERE>>
4. Quando riscaldiamo un oggetto di ferro possiamo osservare che il suo
volume aumenta, spiega in termini microscopici perché pensi che ciò
avvenga:
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
5. Se somministriamo calore per molto tempo ad un campione d’acqua quando
raggiungiamo 100°C il termometro misurerà un valore costante e vediamo
che l’acqua bolle (si trasforma in vapore), dove pensi che sia finita l’energia
termica che forniamo? A cosa è servita?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
6. Il grafico in figura riporta la retta di riscaldamento ottenuta fornendo
energia termica ad 1kg di acqua. L’energia (calore) che il riscaldatore
trasferisce all’acqua è indicata con Q e sono necessari 4180 Joule per
innalzare la temperatura dell’acqua di 1°C, cioè l’acqua ha un calore specifico
pari a 4180J/kg °C.
Se forniamo la stessa quantità di calore ad 1 kg di glicerolo, il cui calore
specifico è 2390 J/kg °C (poco più della metà di quello dell’acqua)…
∼ otterremo un riscaldamento maggiore o minore di quello dell’acqua?
∼ Aggiungi al grafico la retta di riscaldamento che pensi di ottenere
∼ Quando il glicerolo o l’acqua si riscaldano, che tipo di energia viene
trasferita a livello microscopico?
202
Appendici
Diario di Bordo
Nome………………………………….. data……………………..
Attività 4 << QUALCHE PROBLEMA DA RISOLVERE>>
Il grafico riportato in questa scheda è stato ottenuto riscaldando 100 g d’acqua su un
fornello elettrico.
Cosa puoi dire osservando il grafico?......................................................................................
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
A cosa pensi sia servita l’energia fornita all’acqua a partire dal 5° minuto in poi?.................
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Cosa sarebbe successo se invece di avere 100g d’acqua ne avessimo avuti 300?
Traccia il grafico che ti aspetti, non dimenticare le unità di misura.
203
Appendici
Diario di Bordo
Nome………………………………….. data……………………..
1.
Attività 4 << QUALCHE PROBLEMA DA RISOLVERE>>
la figura mostra un bicchiere d’acqua a temperatura ambiente. Disegna
le molecole come te le immagini, se pensi che si muovano disegna delle
freccette per far vedere dove vanno.
2. il rettangolo rappresenta un blocchetto di ferro molto caldo che è stato immerso
nel bicchiere d’acqua.
• Cosa ti aspetti che succeda?
…………………………………………………………………....................................................................................
…………………………………………………………………....................................................................................
• Come sarà la temperatura dell’acqua dopo qualche minuto?
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
• Cosa succede alle molecole dell’acqua?
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
• Cosa succede alle molecole del ferro?
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
•
204
Disegna… prima e
…poi
Appendici
3. Nei due bicchieri c’è un quantità diversa d’acqua. Se li posiamo su un fornello, quale
si riscalda prima? Perché?
………………………………………………………………………………………………………………………………………….............................
………………………………………………………………………………………………………………………………………….............................
disegna…
4. Spiega perché una siringa chiusa con un tappo e piena di cera non si può
comprimere, mentre una siringa vuota sì.
siringa vuota
siringa piena di cera
………………………………………………………………………………………………………………………………………….............................
………………………………………………………………………………………………………………………………………….............................
………………………………………………………………………………………………………………………………………….............................
………………………………………………………………………………………………………………………………………….............................
5. Spiega (e disegna) cosa succede quando un termoscopio ad acqua viene
immerso prima in un bicchiere di acqua e ghiaccio e poi in un bicchiere di acqua
bollente
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
205
Appendici
6. Il grafico mostra il riscaldamento di 100 g di alcool:
• Quali informazioni puoi ottenere da esso?
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
• Cosa succede nei primi 4 minuti?
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Cosa succede a livello microscopico qualche secondo dopo (dal punto segnato
dalla A)?
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
• A cosa serva l’energia che il fornello fornisce da A in poi?
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
•
206
Appendici
GRIGLIE DI DOMANDE
(FOCUS GROUP)
207
Appendici
GRIGLIA FOCUS GROUP 1
1.
Secondo te si può misurare la temperatura usando il senso del tatto?
2.
Se scaldi 1 litro d’acqua e poi la versi in due contenitori, quale temperatura
misurerai?
3. Per scaldare 1 litro d’acqua ci vuole lo stesso tempo che per scaldare 2 litri
d’acqua? Perché?
4. Cosa succede all’acqua quando questa viene riscaldata?
5. Secondo te i termini calore e temperatura significano la stessa cosa? Spiega
6. Perchè l’inchiostro si diffonde più velocemente nell’acqua calda?
7. Le palline rappresentano le molecole dell’acqua. Cosa c’è fra di esse?
208
Appendici
GRIGLIA FOCUS GROUP 2
Abbiamo visto che la temperatura non si può misurare con il tatto
1. da cosa pensi che dipenda?
2. come risolviamo il problema?
3. secondo te come funziona un termometro?
a. Quando un termometro misura la temperatura di un corpo ci mette un
certo tempo, perché?
b. È corretto dire che un termometro si riscalda/raffredda?
Abbiamo visto le simulazioni della materia.
4. come ti immaginavi le molecole nel liquido o nel solido prima di questa
esperienza?
5. è cambiato il tuo modo di pensare a come è fatta la materia
microscopicamente?
6. se si come?
7. c’è una relazione fra come le molecole si muovono e la temperatura a cui si
trovano?
Energia cinetica
8. il movimento è una forma di energia?
9. quali altre forme di energia conosci?
10. che tipo di energia pensi che sia legata alla temperatura?
11. come mettiamo insieme l’energia di movimento e quella legata alla
temperatura?
La materia possiede un patrimonio di energia: Energia interna
12. possiamo definire una grandezza che renda conto di quanto un corpo è caldo
a livello microscopico?
13. la possiamo misurare?
Misurare l’energia interna o misurare come varia?
14. come possiamo misurare l’energia termica?
15. quale parte dell’energia termica possiamo misurare? (Æ quella che si
trasferisce, cioè il calore)
Aumentare la temperatura significa aumentare l’energia interna. Come si fa?
16. quali sono i modi che conosci per aumentare la temperatura di un corpo?
a. Cosa hanno in comune il percuotere/sfregare e il mettere a contatto
due corpi a T diversa? (Æ aumenta la T)
b. Qual è il meccanismo che ti permette di comprendere lo stesso effetto
per due cause (microscopicamente) diverse?
c. Come progetteresti un esperimento per provare questa tua idea?
Secondo questo modello (microscopico) come pensi che si spieghi che
17. masse maggiori hanno bisogno di più tempo
18. materiali diversi si riscaldano in tempi diversi
19. cosa succede microscopicamente quando si ha la dilatazione termica?
20. quando mettiamo a contatto un corpo freddo ed uno caldo, cosa succede
a. alla temperatura
b. alle molecole
c. all’energia totale del sistema
Caso reale. Un ragazzo sulla bici deve frenare. Osserva che
• i freni si surriscaldano
• se mette i piedi per terra sente le suole riscaldarsi.
• Cosa è successo? troviamo una spiegazione dal macro al micro?
209
Appendici
SCHEDE GUIDA PER LE ATTIVITA’
(docente)
210
Appendici
L’OSSERVAZIONE DI LOCKE
Il tatto inganna nella stima della temperatura
Parole chiave: Caldo, freddo, tiepido
Saper fare Gli studenti sviluppano la capacità di descrizione
Sapere. La stima della temperatura con il tatto non è sempre affidabile
Osservazione: gli studenti toccano le bacinelle d’acqua e interpretano la sensazione tattile
Comunicazione: gli studenti descrivono le loro sensazioni con il linguaggio della vita quotidiana
Introduzione
Come possiamo fare a sapere se l’acqua è calda o fredda?
Procedimento
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
predisporre tre bacinelle contenenti acqua fredda
(usare l’acqua prelevata da una bacinella
contenente acqua e ghiaccio), a temperatura
ambiente e calda (non più di 45°C)
posizionare le bacinelle mettendo quella con acqua tiepida a centro
chiedere ad un alunno di immergere le mani
contemporaneamente nelle due bacinelle laterali
contare fino a dieci
chiedere all’alunno di descrivere a parole “com’è
l’acqua”
l chiedere all’alunno di immergere la mano destra
nella bacinella centrale e chiedere “com’è l’acqua”
chiedere all’alunno di immergere la mano sinistra
nella bacinella centrale e chiedere “com’è l’acqua”
far ripetere l’osservazione ad altri alunni
Spiegazione
Nelle bacinelle contenenti acqua dal bagno acqua-ghiaccio e l’acqua riscaldata si ha la sensazione di
“freddo” e “caldo”. Immergendo la mano nella bacinella centrale, a temperatura ambiente, si avrà la
sensazione di caldo, nella mano che era stata immersa nell’acqua fredda e di freddo nella mano che era
stata immersa nell’acqua calda. La sensazione termica è legata alla temperatura corporea: normalmente
temperature minori di 34°C sono percepite chiaramente come “freddo”, temperature maggiori di 40°C
come “caldo”. La sensazione è mediata da un certo numero di differenti recettori neuronali (termocettori e
nocicettori): alcuni dedicati alla individuazione di temperature minori della temperatura corporea
(termocettori del freddo, si attivano da 1°C fino a 35 °C), altri a quelle maggiori (termocettori del caldo,
sensibili fino a temperature di 40-45 °C). Al di sotto di temperature di 15°C e al di sopra di temperature di
43°C non si attivano i termocettori, ma i nocicettori che in entrambi i casi trasmettono la sensazione di
bruciore. La sensazione di caldo o freddo che si percepisce dipende però anche dalla temperatura a cui la
mano si trova. La mano che viene immersa nel bagno freddo invierà al cervello un segnale di freddo,
perché la sua temperatura comincerà ad abbassarsi e si ha un flusso di energia dalla mano verso il bagno.
Viceversa la mano immersa nel bagno caldo si riscalderà, inviando al cervello l’informazione di “caldo”.
Quando le mani vengono immerse la seconda volta, nell’acqua a temperatura ambiente, la prima avrà una
temperatura più bassa e si riscalderà (sensazione di caldo), mentre l’altra avrà una temperatura più alta e
si raffredderà (sensazione di freddo). La modulazione della sensazione di caldo o freddo dipende anche
dalla velocità del flusso del calore, che dipende dalla differenza di temperatura e dalla conducibilità
termica del materiale che viene toccato. Maggiori differenze determinano una maggiore velocità, quindi
più/meno caldo/freddo. Mentre se tocchiamo materiali diversi tutti alla stessa temperatura avremo
sensazioni diverse a seconda che questi siano buoni o cattivi conduttori del calore: se tocchiamo un pezzo
di legno ed un pezzo di metallo a temperatura ambiente avremo per il legno, buon isolante termico, una
sensazione di caldo (si ha un trasferimento di energia molto lento), mentre toccando il metallo, buon
conduttore del calore, avremo la sensazione di freddo (la nostra mano cede energia velocemente). Tutte
queste considerazioni permettono di interpretare il perché della diversa sensazione nella bacinella centrale
sia da parte della stessa persona che da parte di persone diverse.
211
Appendici
IL LABORATORIO ON-LINE
Con il termine “on-line” o “real-time” in laboratorio di scienze si intende l’uso
di strumentazione di misura che viene collegata ad un computer (CBL, computer based
laboratory)86. La strumentazione acquisisce dati sperimentali che vengono gestiti
attraverso un software (“interfaccia software”). La trasformazione della grandezza fisica
che si vuole misurare in dati digitali avviene attraverso l’uso di trasduttori (“interfacce
hardware”). La strumentazione on-line di prima generazione, per funzionare, doveva
essere collegata ad una personal computer (PC) dotato di un trasduttore che era una
scheda interna dedicata allo scopo. Le generazioni successive, invece, funzionano
collegate ad una qualsiasi PC dotato di un sistema operativo del tipo Windows XP.
L’interfaccia hardware può essere sia un “trasduttore” che permette di collegare
più strumenti contemporaneamente, che un computer palmare che può funzionare
autonomamente o come interfaccia, o un piccolo trasduttore che serve a collegare un
solo strumento. Esistono anche dei sensori che funzionano senza “trasduttore” esterno,
collegandosi direttamente al PC tramite una porta USB. Il software di gestione cambia
a seconda del tipo di interfaccia, ma di solito tutti i software della stessa casa produttrice
sono compatibili, ovvero i dati acquisiti con un sistema possono essere gestiti con
qualsiasi software.
Configurazioni possibili nei sistemi Vernier
COMPUTER
Interfaccia grafica:
- Lab-pro emulator
- Logger lite
- Logger Pro
86
TRASDUTTORE
Interfaccia hardware:
- Lab-Pro
- Lab-Quest
- Go-link
SENSORE
Interfaccia con il fenomeno:
- motion detector
- Hand Dynamometer
- Temperature probe
Diverse case produttrici hanno messo in commercio sistemi di questo tipo, la Vernier è una di queste
(www.vernier.com ).
212
Appendici
L’ESPERIMENTO “RISCALDARE I LIQUIDI”
______________________________________________________________________
Un riscaldatore da acquario ci permette di capire
quanto si riscaldano alcuni liquidi
Parole chiave: Caldo, freddo, tiepido
Saper fare: Gli studenti sviluppano la
capacità di misura, e di lettura di un grafico
Sapere: I liquidi si riscaldano di più o di
meno, masse maggiori si riscaldano di meno
Osservazione: il grafico che si ottiene è una
retta.
Misura: Per materiali e masse diversi si
ottengono rette con pendenza diversa.
Comunicazione: Gli studenti descrivono e confrontano i grafici
Introduzione
Le cose si riscaldano di più o di meno, da cosa pensi che dipenda?
Procedimento
1.
2.
3.
predisporre: un thermos che possa contenere fino a 400 ml di liquido, un riscaldatore da acquario
da 25 W, un sensore di temperatura ed il relativo software di acquisizione dati, 400 g di acqua,
300 d olio e 300 di alcool.
inserire il campione di materiale nel thermos, inserire il riscaldatore e isolarlo termicamente
dall’esterno
accendere il riscaldatore ed aspettare un paio di minuti, quindi iniziare l’acquisizione dei dati.
Spiegazione
L’energia immessa nel sistema liquido-thermos dal riscaldatore è la stessa a parità di tempo. Se il
riscaldatore eroga una potenza di 25 Watt, funzionando per 300 secondi immetterà nel sistema un'energia
pari a 7500 Joule (il Joule è l'unità di misura dell'energia). L’energia erogata dal riscaldatore viene
immessa nel sistema sotto forma di calore
(Q=potenza x tempo).I dati sperimentali
mostrano che la temperatura aumenta nel
tempo con una legge che è rappresentata da
una
retta, usando lo stesso apparato per riscaldare i
tre
materiali si ottengono rette con pendenze
diverse. Nello stesso tempo avremo un
riscaldamento maggiore rispettivamente per
olio,
alcool, acqua. Il riscaldamento viene misurato
dalla differenza di temperatura: T-Ti, dove T è
la
temperatura dopo un certo tempo, Ti è quella
iniziale. Quando la pendenza della retta è
maggiore, il numero (T-Ti)/tempo è più
grande. Il numero (T-Ti)/tempo rappresenta di
quanti gradi si riscalda il materiale in un
secondo e dipende sia dalla massa che dalla
sostanza. A parità di massa (300 g) acqua,
alcool ed olio si riscaldano di rispettivamente
di
circa 0,02 °C/s, 0,03 °C/s, 0,04 °C/s. Ciò avviene perché essi hanno calori specifici differenti (calore
specifico dell’ Acqua=4180 J/kg °C, calore specifico dell’ Alcool= 2428 J/kg °C, calore specifico
dell’Olio=1850 J/kg °C), si riscalda di più la sostanza che ha un calore specifico minore. La pendenza
della retta è legata alla potenza del riscaldatore ed al calore specifico della sostanza.
Q = cm (T − Tiniziale ) Æ
T − Ti Potenza
=
tempo
cm
213
Appendici
L’OSSERVAZIONE: MOLECOLE IN MOTO87
La temperatura influenza la velocità delle molecole nei liquidi e nei gas.
Parole chiave: Diffusione, Energia, Materia, Molecole
Saper fare
Abilità necessarie per l’indagine scientifica: gli studenti sviluppano descrizioni, spiegazioni,
predizioni, e modellizzano usando le evidenze dell’indagine.
Sapere
Proprietà e cambiamenti della materia: una caratteristica dei liquidi e gas è che le particelle non
hanno una struttura regolare e rigida.
Osservazione: gli studenti osservano il turbinio dell’inchiostro nell’acqua e la diffusione del
profumo in una stanza
Comunicazione: gli studenti descrivono le loro osservazioni
Introduzione
Cosa succede se metto una goccia di inchiostro in acqua?
Succede sempre allo stesso modo?
Come potremmo fare per rendere più veloce questo fenomeno?
Procedimento
Parte A: diffusione del liquido
1.
2.
3.
4.
5.
Aggiungere una goccia di colorante in ciascuno dei due bicchieri che contengono acqua alla
stessa temperatura . Usare un cucchiaio per mescolare il contenuto di un bicchiere ma non
l’altro. Discutere il risultato.
Mostrare i bicchieri di acqua calda e fredda e chiedere di prevedere cosa succederà.
Aggiungere una goccia. Non muovere i bicchieri.
Osservare le aree di colore in ciascun bicchiere e chiedere di descrivere cosa accade.
Usare diverse temperature e misurare il tempo richiesto per la diffusione completa.
Parte B: modellizzazione
1.
2.
Ripetere l’osservazione usando la simulazione
Formulare una legge generale riguardante la velocità di movimento rispetto alla temperatura
Spiegazione
Le particelle del liquido e del gas sono in moto costante . Le molecole nell’acqua calda hanno un’energia
maggiore. L’energia maggiore fa sì che le molecole nell’acqua calda si muovano con una velocità
maggiore. Benché il movimento delle molecole non sia visibile, possiamo osservarne l’effetto.
Nell’attività, il colorante è aggiunto sia all’acqua calda che all’acqua fredda. Sebbene non venga
mescolato, il colorante si sparge in tutta l’acqua. Questo tipo di movimento è chiamato diffusione. Le
molecole colorate diffondono più rapidamente nell’acqua calda perché le molecole in quel caso si
muovono più velocemente.
87
Sarquis, J., Hogue, L., SArquis, M., Woodward, L., Investigatine Solids, liquids, and gases with TOYS. 1997 by by Terrific
Science Press. McGraw-Hill
214
Appendici
L’AMBIENTE MOLECULAR WORKBENCH
Molecular Workbench (MW)88 è un ambiente di
modellizzazione nel quale è possibile riprodurre
fenomeni su scala atomica.
L’ambiente può essere incorporato in piattaforme che
possono essere usate direttamente nello sviluppo di
attività didattiche. MW è stato sviluppato dal Concord
Consortium, è un’applicazione Java che gira sui
comuni sistemi operativi, on-line con il server del Concord Consortium o in
locale se si scarica l’applicazione sul proprio computer. MW è un ambiente di
dinamica molecolare basato sulla meccanica classica, l’algoritmo di simulazione
calcola il moto di ciascun atomo sottoposto a forze in base alle leggi di Newton
ed a forze di tipo elettrostatico. Dopo poche iterazioni lo schermo si aggiorna
creando l’immagine animata del moto degli atomi. Il modello di MW (Pallant,
Tinker, 2004) è basato sulle interazioni atomiche, implementate seguendo poche
regole, e permette di mostrare i comportamenti emergenti che riproducono
importanti aspetti delle proprietà dei materiali, inclusi gli stati di aggregazione
della materia: si calcola il moto di un grande numero di atomi, se questi atomi
hanno abbastanza energia cinetica, formano un gas, altrimenti condensano in un
liquido o solidificano. Le forze di van der Waals, mediante le quali gli atomi
interagiscono, vengono approssimate usando il potenziale di Lennard-Jones. Il
software calcola il moto di atomi soggetti alle seguenti forze:
− Forze di Lennard –Jones, basate su potenziali che hanno un termine attrattivo
all’inverso della sesta potenza ed un termine repulsivo all’inverso della
dodicesima potenza. È possibile variare la forza ed il raggio della parte
attrattiva.
− Legami chimici approssimati da forze armoniche modificabili sia nella
direzione radiale che angolare.
− Forze elettrostatiche basate sulla legge di Coulomb che sono usate quando
sono presenti ioni polarizzati.
La costruzione di simulazioni con MW non è tale da poter essere proposta
direttamente agli studenti. Gli autori stessi suggeriscono di contestualizzarle
all’interno di ‘supporti pedagogici’ (Tinker 2001 a),all’interno delle quali si
possono inserire le simulazioni reperibili nel database dell’applicazione e nei
database in rete, nei quali si trovano numerose attività didattiche.89
88
http://workbench.concord.org
http://molo.concord.org/database, http://workbenh.concord.org/web_content
/sates_of_matter/index.html
89
215
Appendici
Considerazioni sul test pilota e modifiche apportate ai materiali didattici
La versione pilota del Teaching Experiment ha portato ad una riflessione sulle
scelte operate nella progettazione della Teaching Learning Sequence. La successiva
revisione e modifica ha riguardato solo alcune scelte sui materiali didattici ed è stata
operata sulla base dell’analisi dei dati raccolti. In particolare ci si è basati su una
‘relazione finale’, richiesta agli studenti coinvolti un paio di settimane dopo la fine della
sperimentazione, redatta dagli stessi a casa sulla consegna “Descrivi l’esperienza di
laboratorio di scienze”.
I ragazzi hanno descritto le attività riferendosi a:
1. le caratteristiche macroscopiche della materia (15, 65%)
2. il fatto di aver sperimentato (6, 26%)
3. i modelli in generale (1, 4%)
4. il modello manipolabile della materia (1, 4%)
5. i modi di riscaldare (6, 26%)
6. la sensazione termica nei diversi materiali (0, 0%)
7. la misura della temperatura (12, 52%)
8. l’agitazione termica (6, 26%)
9. il calore (5,22%)
funzionamento del riscaldatore (1, 4%)
Q proporzionale a m (5, 22%)
Q proporzionale a c (2, 8%)
10. l’uso dei grafici on-line (6, 26%)
11. le caratteristiche microscopiche di solidi, liquidi e gas (5, 22%)
I modelli concreti/manipolabili
Nella versione pilota della sequenza nell’attività 3 venivano presentati dei modelli manipolabili dello
stato solido e liquido, ed aeriforme nell’ipotesi che essi potessero permettere agli studenti un approccio
concreto alla visualizzazione del modello.
Per il modello del liquido
vengono utilizzati dei
legumi. Il modello
funziona
per
Per il modello di gas vengono
visualizzare
la
utilizzate delle palline di gomma
caratteristica
che sono libere di muoversi
macrosocopica dei
all’interno dell’aula e che
liquidi di prendere la
rimbalzano elasticamente.
Il modello di solido (PASCO) è forma del recipiente,
formato da sferette di plastica che ma non consente di
alcun
possono essere legate con molle. visualizzare
di
legame.
Le sferette possono essere tipo
appesantite con dei bulloni, e nel Funziona se si vuole
kit sono presenti due tipi di molle rendere visibile la
non conservazione del volume
di elasticità diversa.
nel caso della miscela di due
liquidi diversi (usando due tipi di
legumi differenti).
L’analisi di quanto riportato dagli studenti ha portato alla scelta di non riproporre questi artefatti. Per
quanto riguarda il modello di solido, infatti, l’artefatto avrebbe dovuto veicolare il modello che vede il
solido come un sistema massa/molla, ma ciò si è rivelato poco significativo. Gli studenti hanno solo
riprodotto nel diario di bordo l’oggetto loro presentato, solo una ragazza su 23 studenti relazione ne ha
riportato nota nella relazione, nominandolo semplicemente come “prototipo”. Intervistata in seguito sul
significato dell’oggetto ha detto:
Ilenia : ha la funzione di spiegarci come sono sistemate le molecole… nel solido le molecole un po’ si
muovono (6’36’’), non come nei liquidi e nei gas…
216
Appendici
La ragazza non fa cenno alla presenza delle molle e alla loro funzione. Nel diario di bordo Ilenia
disegnava correttamente l’oggetto ma riportava le molle anche nel liquido differenziando i due stati con
un’immagine che dal tridimensionale si trasforma in bidimensionale.
Della difficoltà ad utilizzare l’artefatto come strumento di modellizzazione si trova conferma nell’analisi
dei disegni che alcuni studenti fanno per rappresentare l’oggetto che stanno osservando: disegnano delle
sbarrette che tengono unite, fisse, le palline mostrando di non dare alle molle la funzione elastica di
attrazione/repulsione.
La riflessione che ne è conseguita è che, come messo comunque in conto in fase di progettazione
preliminare, un modello statico come quello proposto può anche rivelarsi fuorviante, in esso, infatti è
molto difficile rendere la caratteristica principale del modello e cioè il comportamento armonico del moto
delle masse. E’ possibile anche che lo studente nella costruzione del suo modello personale usi le molle
come un oggetto reale, piuttosto che come la rappresentazione analogica del potenziale di interazione
intermolecolare. Anche la mancanza di commenti alla presentazione dell’artefatto ci è sembrata un
motivo sufficiente alla rimozione del passaggio.
Riportiamo le poche battute che hanno accompagnato la presentazione dell’artefatto
− Questo è un cubo
R: e cosa rappresenta?
− Le palline le molecole
− E le molle i legamenti
− Qualcosa che li unisce…
Il modello di liquido invece, pur nella sua semplicità risulta essere utile alla modellizzazione del vuoto
intermolecolare, come dimostra la trascrizione dell’intervista 1 ( Marta, Ylenia, Roberta), durante la
quale, discutendo riguardo ai modelli concreti, le ragazze dicono:
Marta: guardavamo il volume…
Ylenia: con i fagioli e le lenticchie
Marta: si mettevano i fagioli e le lenticchie … non lo so dire
Ylenia: se aumentavano di volume
Marta: prima abbiamo visto acqua e alcool quelli veri, inizialmente non si mischiavano, poi si
(intervistatore) il volume totale qual era?
Ylenia: cos’erano 100 e 100? Allora doveva venire 200 ma veniva 196
(intervistatore) perché?
Ylenia: per capirlo abbiamo usato fagioli e lenticchie, i fagioli sono più grandi e le lenticchie più
piccole,
(intervistatore) cosa rappresentava un fagiolo?
Ylenia: un fagiolo era una molecola d’acqua.
(intervistatore) e cosa vedevamo fra i fagioli ?
Ylenia: vedevamo… lo spazio fra i fagioli era pieno d’aria… l’alcool occupava lo spazio vuoto
lasciato dalle molecole dell’acqua
(intervistatore) fra le molecole quindi che cosa c’è?
Roberta: fra i fagioli e le lenticchie aria, ma fra le molecole niente
217
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