Autore: Gabriele

(in F. Cambi, M. Piscitelli, Complessità e narrazione, Armando, Roma, 2005, pp. 85-114.)

                                                                                      Carlo Fiorentini

Cosa sono le competenze?

   Saperi e competenze^[1] si propone di fare il punto della riflessione, del dibattito, delle proposte e delle sperimentazioni che sono state effettuate negli ultimi anni intorno agli aspetti scolastici fondamentali dal punto di vista culturale e didattico.

   Viene innanzitutto precisato il confine della nozione di competenza che, in particolare durante gli anni dell’esperienza ministeriale berlingueriana, aveva assunto un ruolo centrale come parola emblematica del rinnovamento culturale scolastico. Per  Cambi, si tratta di un concetto articolato, complesso, che perde di significato se viene ridotto soltanto ad alcuni suoi aspetti, pur importanti. Innanzitutto, senza un bagaglio strutturato di conoscenze (e strutturato significa articolato in aree disciplinari) non vi sono competenze. “Dal complesso lavoro sui saperi devono emergere due tipi di competenze: una <<di contenuto>> e una <<di forma>>”. Mentre la prima è legata al possesso di conoscenze specifiche, la seconda “è più una forma mentis transdisciplinare, orientata in senso scientifico e critico”.  I saperi implicano inoltre sempre un <<saper fare>>, e ciò significa che i saperi scolastici non possono rimane inerti, devono essere applicati; non vi è cioè competenza senza questi <<saper fare>>, che sono poi specifici dei vari ambiti culturali. Infine, un’altra dimensione fondamentale delle competenze è data dallo sviluppo di capacità riflessive e critiche sui saperi, perché non vi è “conoscenza vera se il conoscere non si applica anche alla conoscenza stessa… Metaconoscenza è possedere dispositivi di lettura trasversale sui saperi, quali la complessità e la narratività”. Tutto ciò deve condurre da una parte “ad apprendere ad apprendere” e dall’altra a stimolare atteggiamenti personali verso la conoscenza, quali il gusto del conoscere.

    In altre parole, la scuola delle competenze, così intese nella loro complessità e organicità, implica una <<rivoluzione didattica>>, che indubbiamente è già in corso da molto tempo, grazie alle sperimentazioni condotte dalla parte più innovativa della scuola, ma che ha bisogno di essere generalizzata ed istituzionalizzata. Implica inoltre “una pedagogia molto più ricca e sofisticata rispetto a quella attuale^[2] e una didattica scolastica radicalmente rinnovata^[3] rispetto al formalismo del passato e del presente ( da quello disciplinare-espositivo-valutativo e da quello programmatorio-verificatorio)”. E’ necessario conseguentemente un profondo rinnovamento didattico- relazionale che può essere sintetizzato in tre aspetti centrali, tra loro strettamente intrecciati: ricerca, costruttivismo e motivazione. “La ricerca produce motivazioni e, nel contempo, postula un approccio costruttivo ai saperi, che faccia tesoro, cioè, delle conoscenze pregresse e su quelle venga edificando il ricercare”^[4].

   Ci proponiamo con questo nostro contributo di sviluppare, in riferimento all’insegnamento scientifico, queste importanti considerazioni sul complesso concetto di competenza che rappresentano indubbiamente una sintesi della più significativa riflessione epistemologica e pedagogica degli ultimi decenni.

Quali sono i risultati dell’insegnamento scientifico?

   Durante i lavori del gruppo di scienze della commissione De Mauro^[5], nel gennaio 2003, discutendo animatamente, avanzammo, nella prima fase, proposte e riflessioni divergenti su quasi tutto, tranne che su 2 o 3 aspetti; uno di questi, su cui l’accordo fu unanime, fu la valutazione sullo stato dell’insegnamento scientifico usuale. Queste sono le considerazioni che vennero scritte nel documento finale del sottogruppo scientifico: “Si constata, tuttavia, sia nella popolazione adulta che tra i giovani, un sempre più diffuso analfabetismo scientifico, rinforzato da una profonda demotivazione all’approfondimento e alla partecipazione. Non si tratta solo di preoccupanti carenze logico-linguistiche, ma anche di un’evidente incapacità di orientamento culturale di base in ambito scientifico, che spesso degrada in atteggiamenti superficiali ed ingenui”.

   Considerazioni analoghe erano state fatte, negli anni precedenti, da molti esperti, sulla base di ricerche sulle conoscenze scientifiche, che avevano evidenziato che molti studenti di 19-20 anni, dopo molti anni di insegnamento scientifico, continuano ad utilizzare soltanto le loro conoscenze di senso comune, e continuano a condividere su molti aspetti concezioni di tipo prescientifico^[6].

Come può essere spiegata questa drammatica situazione?

   Noi pensiamo che la causa fondamentale vada ricercata nell’impostazione formalistica, specialistica dell’insegnamento scientifico prevalente in tutta la scolarità preuniversitaria^[7]. E’ un insegnamento deduttivistico, addestrativo, basato sulla bignamizzazione^[8], sempre più spinta man mano che si scende ai livelli scolari iniziali, dei manuali del primo anno di università. Da tempo immemorabile sono stati indicati i profondi limiti di questa impostazione, sia dal punto di vista pedagogico-psicologico-didattico che sul piano epistemologico-culturale.

La scienza come dogma

   In riferimento agli aspetti culturali, è stata evidenziata da molti, e da moltissimo tempo, la visione dogmatica, banalizzante e riduzionistica presente in questo insegnamento: “Ogni generazione, quindi, esce dalla scuola con l’idea che la scienza sia un fatto certo, un tessuto di teorie assolute e invulnerabili, dietro alle quali c’è solo una preistoria di errori, e il cui futuro sarà dato forse soltanto da sempre migliori applicazioni. In sostanza, l’educazione manualistica della scienza distrugge l’idea che la scienza è una realtà storica, inculca l’immagine di una scienza dogmatica. Ed è così che la più antidogmatica tra le attività umane, vale a dire la ricerca scientifica, diventa il supporto del dogmatismo ideologico; la scienza è il frutto di discussioni ininterrotte, di polemiche e di controversie, di fantasie ardite e di critiche severe, e tuttavia quanti, attraverso l’immagine della scienza tratta dai loro manuali, desiderano, per esempio, imporre la loro ideologia, diranno (come dicono) che la loro ideologia è scientifica; intendendo con ciò che la loro ideologia è indiscutibile e incontrovertibilmente vera, proprio…come la scienza”^[9].

   Watkins^[10] aveva osservato che il libro di Khun La struttura delle rivoluzioni scientifiche conteneva nella scelta del linguaggio molti suggerimenti, alcuni espliciti, altri impliciti, di un significativo parallelismo tra la scienza e la teologia. Khun aveva infatti sottolineato il carattere essenzialmente dogmatico dell’insegnamento scientifico: “Si tratta di un’educazione rigida e limitata, forse più rigida e limitata di ogni altro tipo di educazione, fatta eccezione per la teologia ortodossa”^[11]. Kuhn, tuttavia, ne aveva anche indicato la sua funzionalità per la formazione scientifica necessaria per operare all’interno di una determinata tradizione: “Lo scopo di un manuale è fornire al lettore, nella forma più economica e facilmente accessibile, le proposizioni di ciò che la comunità scientifica contemporanea pensa di sapere e le principali applicazioni alle quali questa conoscenza può essere dedicata”^[12].

   Considerazioni sul ruolo nefasto dell’impostazione dogmatica dell’insegnamento scientifico sono state effettuate da molti altri epistemologi, storici della scienza e scienziati; ci limitiamo a ricordare, fra i molti, Schwab^[13], Holton^[14], e più recentemente le riflessioni di Reale^[15] e Bernardini durante i lavori della Commissione dei Saggi, istituita dal ministro Berlinguer nel 1997. Le considerazioni di Bernardini possono essere sintetizzate da queste sue parole: “L’insegnamento delle scienze della natura, così come è ancora oggi, non mostra alcuna parentela stretta con forme generali del pensiero razionale”^[16].

   Questa impostazione è una conseguenza di scelte culturali ideologiche specifiche di tipo dogmatico o la conseguenza di una determinata concezione dell’insegnamento scientifico consistente nel considerarlo soltanto come l’enciclopedia sistematica delle conoscenze (fatti, esperimenti, legge, teorie) attualmente ritenute significative e vere? Ora, dovrebbe a tutti essere evidente che le motivazioni di questa impostazione non stanno generalmente in motivazioni coscientemente dogmatiche, ma in una concezione aculturale e funzionalista del sapere scientifico, in una scelta delle comunità scientifiche di concepire il sapere scientifico in modo non umanistico, non come uno degli strumenti culturali necessari per la formazione alla cittadinanza, ma soltanto funzionale alla formazione e selezione dei futuri ricercatori. Ma l’assenza o la presenza di cultura scientifica nel cittadino medio non è senza implicazioni con la sua cultura generale e con la sua partecipazione responsabile alla vita delle società democratiche. Ciò è indicato in modo chiaro nel Libro Bianco della CEE del 1995^[17].    

Il mito dell’insegnamento scientifico contenutisticamente aggiornato

   La ricerca scientifica produce in modo sempre più accelerato nuove conoscenze e nuove teorie sempre più concettualmente raffinate e formalmente elaborate. Ed anche in Italia è molto diffusa la consuetudine di aggiornare i manuali e l’insegnamento con conoscenze dichiarative attinenti a queste conoscenze più recenti; si va dal big bang ai buchi neri, dalle manipolazioni genetiche a molte problematiche ambientali. In alcuni casi, le motivazioni sociali e culturali che guidano queste scelte non possono che essere condivise dal punto di vista teorico, ma ciò non è sufficiente per includere questi argomenti nel curricolo se i risultati formativi che si ottengono sono poi in contraddizione con quelle motivazioni. Scelte di questo tipo vengono effettuate spesso anche nella scuola di base.

   Arons, in uno dei migliori libri di didattica della scienze pubblicati negli ultimi cinquant’anni, si chiede, riferendosi addirittura ai corsi universitari, quale significato formativo possano avere: 1) lezioni dove si parla di fisica delle alte energie con l’incomprensibile gergo fatto di quark, gluoni, stranezza, ecc., con studenti che non hanno ancora una comprensione adeguata di concetti, quali accelerazione, massa, forza, energia; 2) lezioni di astronomia dove si tratta di nucleosintesi stellare, pulsar, quasar e buchi neri con studenti che non sono in grado di spiegare perché crediamo che la Terra ed i pianeti ruotino interno al sole; 3) lezioni su DNA, biologia molecolare e struttura dei geni con studenti che non sanno come le diverse sostanze vengono definite e riconosciute, che ad esempio non hanno alcuna idea di che cosa si intenda, dal punto di vista operativo, con le parole “ossigeno”, “azoto”, “carbonio”.

      Queste lezioni “sono inutili nel migliore dei casi, e nel peggiore dei casi dannose, dal momento che non c’è abbastanza tempo per affrontare le domande del tipo << Come facciamo a sapere….?  Perché crediamo che….? Non è possibile che un flusso di parole incomprensibili possa creare una cultura scientifica; semplicemente esso aggrava il problema che stiamo tentando di risolvere”.

    Arons non nega, tuttavia, l’importanza educativa che possono avere alcune problematiche più connesse alla contemporaneità, ma a condizione che gli studenti ne comprendano i fondamenti scientifici che ne stanno alla base. “Se invece le questioni si affrontano senza un’adeguata comprensione della scienza che ne sta alla base, come purtroppo viene spesso fatto, l’iniziativa diventa speciosa. Gli studenti sono indotti nell’errore di pensare di aver compiuto un’indagine e di possedere una conoscenza dei problemi mentre, in effetti, si sono limitati ad usare dei termini tecnici di cui non comprendono il significato, e hanno avuto a che fare solo con generalizzazioni vuote, prive di sostanza e di un’autentica riflessione. In questi casi sono stati incoraggiati in maniera insidiosa ad abbracciare l’idea fin troppo diffusa, secondo cui <<ogni opinione è valida quanto ogni altra>>. “Mi sembra che l’onestà intellettuale dovrebbe richiedere che gli studenti acquisiscano una certa comprensione genuina dei concetti, delle teorie, e delle scoperte scientifiche alla base del grande problema specifico che stiamo esaminando, e non devono essere incoraggiati a discorrere in maniera vuota di argomenti che essenzialmente non capiscono. Con studenti che già posseggono il retroterra concettuale necessario è possibile discutere subito di questi argomenti. Ma con studenti privi di idee su che cosa significhi <<energia>> (molti la considerano un qualche tipo di sostanza materiale) (…). Con studenti che non hanno alcuna base per credere al fatto che la struttura della materia sia discreta (conoscendo solo una successione di nomi, come <<atomo>>, <<molecola>>, <<nucleo>>, <<elettrone>>, presentati loro attraverso delle dichiarazioni senza alcune esame di qualche prova sperimentale, di qualche ragionamento che servano a spiegare il significato dei nomi stessi) (…). Infine con studenti che sono ancora aristotelici nel loro uso di frasi teleologiche e nella loro ignoranza della legge d’inerzia; con studenti di questo tipo è intellettualmente specioso e disonesto condurre la discussione iniziale senza aiutarli prima a formarsi e a capire i concetti prioritari essenziali”.     

         Qual è l’alternativa indicata da Arons? “E’ indispensabile riprendere, rallentare, diminuire il numero di argomenti, e dare agli studenti la possibilità di seguire e interiorizzare lo sviluppo di un piccolo numero di idee scientifiche, presentate in quantità tale e con un ritmo tale da permettere una conoscenza di tipo operativo, e non solo dichiarativo … Gli studenti devono avere il tempo di formarsi i concetti, di pensare, di ragionare, e di percepire i collegamenti. Devono discutere le idee, e devono scrivere qualcosa a riguardo”.

   Arons utilizza una problematica scientifica presente in molti corsi anche di carattere elementare per evidenziare sia l’insignificanza formativa dell’utilizzo di gergo scientifico che le potenzialità presenti per rendere gli studenti consapevoli del ruolo della scienza nello sviluppo intellettuale.

Perché gli oggetti cadono? Spesso già nella scuola elementare viene fornita la risposta che gli oggetti cadono a causa della gravità. Si dà così l’impressione al bambino di avere ricevuto una spiegazione. “Sia da parte di colui che fornisce, sia da parte di colui che riceve non vi è alcun sentore dell'<<informazione>> secondo cui il nome tecnico non contiene una conoscenza né una comprensione, ma nasconde semplicemente l’ignoranza circa la natura del fenomeno”. Se la stessa domanda viene fatta a studenti universitari è probabile che si abbia la stessa risposta.  Poche persone conoscono la storia di questo nome: che, all’inizio, il termine gravità indicava un effetto teleologico, la tendenza, cioè, degli elementi pesanti (acqua, terra) ad andare verso il centro della Terra, e che vi era un termine “levità” che indicava la tendenza opposta ad andare verso l’alto degli elementi leggeri, aria e fuoco. Newton, rinunciando a qualsiasi spiegazione sulla causa della gravità, formulò la teoria che vi sia un’unica forza di attrazione tra i corpi, responsabile sia della caduta delle mele sulla Terra, come della rotazione dei pianeti intorno al Sole. Ed anche oggi, “nonostante l’eleganza e la bellezza della teoria della relatività generale, non abbiamo tutt’ora la minima idea di come <<funzioni>> la gravità”.

   In riferimento a queste problematiche scientifiche vi sono delle consapevolezze culturali sconosciute alla maggior parte degli studenti. Solo pochi studenti hanno un’idea della rivoluzione culturale verificatasi nel XVII secolo, quando si rinunciò all’idea che i corpi celesti fossero fatti di sostanze diverse da quelle della Terra e si accettò la concezione che tutto l’universo, che iniziò ad essere concepito come un tutto, fosse governato dalle stesse leggi naturali. “Il modo in cui ogni individuo guarda a se stesso e al suo posto nell’universo è profondamente condizionato dalla sua eredità proveniente da Galileo, Cartesio, Newton e altri filosofi naturali del diciassettesimo secolo. Una persona colta dovrebbe essere cosciente di questa eredità in termini concettuali, storici e culturali, e non solo nella semplice asserzione dei risultati finali. Qui vi è l’occasione di un altro passo significativo verso una maggiore cultura scientifica”^[18].

Le competenze scientifiche ed i manuali

   L’impostazione usuale dell’insegnamento scientifico ha mostrato il suo fallimento anche dal  punto di vista strettamente delle competenze disciplinari. A nostro parere, la situazione è molto più grave di quanto indicato da Cambi, e ciò dovrebbe, a maggior ragione, rendere possibile, perché necessario anche rispetto alla dimensione lineare dei saperi, quanto auspicato dal Cambi stesso: “Competenza non è solo trasferibilità delle conoscenze acquisite, ma implica anche il modo in cui le si possiede (conseguente a quello in cui le si è acquisite): se solo applicativo o cosciente dei fondamenti o capace di leggere anche le implicazioni parallele e fissarne gli effetti pubblici (= sociali). Competenza scientifica non è solo competenza tecnica (applicativa ed esecutiva)”^[19].

    Condividiamo, ovviamente, questa idea complessa di competenza scientifica, e pensiamo che questa rappresenti realisticamente oggi la posta in gioco, perché pensiamo che anche la sola competenza tecnica non esista più nella maggioranza degli studenti alla fine della scuola secondaria superiore; questa competenza, con tutti i limiti della sua visione riduttiva, è esistita nel passato, comunque in una minoranza, quando essa contribuiva potentemente a selezionare la maggior parte degli studenti. Conseguentemente riteniamo che oggi vi siano le condizioni socio-culturali che effettivamente possano permettere un insegnamento scientifico problematico, critico, perché oggi è molto più evidente rispetto al passato che anche l’acquisizione stabile delle nozioni scientifiche fondamentali diventa possibile con un insegnamento radicalmente diverso da quello manualistico tradizionale. Oggi la critica principale che può essere rivolta a questa impostazione manualistica è che essa non è più neanche in grado di far raggiungere nozioni stabili disciplinari lineari alla maggioranza degli studenti. Vi sono oggi le condizioni per una critica più radicale dei manuali scientifici di quella fatta da Cambi, quando afferma “Ora, le <<scienze normali>>stanno sì nei manuali e nei loro esercizi, e i manuali hanno una dimensione convergente e lineare a caratterizzarli, in modo che il quadro sincronico dei saperi venga rispettato, anche se tale sincronizzazione è a sua volta un problema. Ma le competenze che da quei manuali vanno estratte e consolidate nei soggetti (gli allievi) possono essere curvate in molti sensi e possono ricevere varie <<intonazioni>> per così dire. Possono dogmatizzarsi o possono criticizzarsi a loro volta”^[20]. E, a nostro parere, invece, è soltanto questa critica più radicale che può permettere la realizzazione delle competenze nel significato complesso ed integrato indicato dallo stesso Cambi. Non pensiamo, quindi, che le competenze dei manuali scientifici usuali^[21], anche solo tecniche, possano essere curvate e utilizzate per realizzare competenze più generali.

Di meno è di più

   Una delle caratteristiche di questa impostazione è la quasi totale mancanza di un’idea di curricolo verticale^[22]; anche per molti esperti di didattica delle scienze, ad ogni livello scolare, a partire dalla scuola elementare, si dovrebbe insegnare un po’ di “tutto”, ovviamente si aggiunge in un “modo adatto agli studenti di quel livello”; il “tutto” avendo a disposizione, in tutta la scuola di base e quando va bene, 2 ore alla settimana. In pratica non viene affrontato in modo significativo per lo studente nessun argomento, né dal punto di vista tecnico, specifico, né dal punto di vista problematico, critico. La regola sono la fretta, la superficialità, il nozionismo. Il risultato è la mancanza dello sviluppo di qualsiasi competenza, o ancora peggio dello sviluppo di una qualsiasi dimensione del concetto di competenza. Nel passaggio da un livello scolare all’altro si riparte sempre da capo, non essendoci nessuna base significativa di competenze su cui costruire.

   Per avere un insegnamento significativo sono necessari, invece, tempi lunghi – tempi adeguati – per ciascuna problematica affrontata^[23]; se viceversa i tempi impiegati sono più simili a quelli degli spot televisivi, o detto in altre parole, sono quelli di un insegnamento nozionistico, trasmissivo, libresco, dove è compito principale dello studente comprendere, leggendo e studiando a casa le pagine assegnate, come è immaginabile che resti nello studente qualche conoscenza e che si sviluppi contemporaneamente, seppur gradualmente, il gusto del conoscere?

   Indubbiamente una delle caratteristiche dell’insegnamento scientifico dovrebbe essere quella di sviluppare nello studente una “forma mentis” logica, sistematica, rigorosa. Infatti una qualsiasi disciplina scientifica ha una sua organizzazione specifica, caratterizzata da relazioni precise fra i vari concetti, e da un lessico proprio; quando le parole che si usano sono anche utilizzate nella vita quotidiana, hanno in quel contesto disciplinare uno specifico significato che potrebbe non avere nulla in comune o addirittura essere in contraddizione con il significato quotidiano.

   Lo studente può gradualmente sviluppare questa “forma mentis” soltanto se questi aspetti fondamentali della disciplina adulta li potrà gradualmente costruire durante tutto l’arco della scolarità preuniversitaria, se si troverà costantemente nella situazione di vivere situazioni problematiche – sul piano sperimentale e/o teorico e/o culturale e/o sociale – che lo porteranno a comprendere l’utilità o la necessità, o la possibilità di una nuova ipotesi, di un nuovo concetto, di una determinata generalizzazione, di una formula, di una teoria più generale. Se, viceversa, tutto ciò gli viene proposto nella modalità usuale dei manuali, in modo asettico, non contestuale, non problematico, già ripulito e rifinito, il risultato, nella mente dello studente, non è il rigore , la razionalità, la logica, ma la mancanza di comprensione, di significato, e quindi l’opposto di tutto ciò.

   Bruner ci ricorda costantemente la fondamentale importanza del “fare significato”, che “senza il conferimento di un significato non ci può essere linguaggio, né mito, né arte – e non ci può essere cultura… I significati permeano le nostre percezioni e i nostri processi di pensiero in un modo che non esiste in nessun’altra parte del regno animale…Per capire bene il ‘significato’ di qualcosa è indispensabile una certa consapevolezza dei diversi significati che possono essere attribuiti alla cosa stessa, indipendentemente dal fatto che si concordi o meno con esse”^[24]. Ed anche “le epistemologie attuali tendono ad assumere al centro una precisa connotazione interpretativa, anti-riduzionistica e disponibile ad un pluralismo metodologico, nutrita di coscienza storica e capace di cogliere, al di là della semantica e della sintassi, anche il ‘senso’ di ogni sapere”^[25].

   Per comprendere qualcosa in ambito scientifico non si può trattare i termini e i concetti scientifici come se fossero venuti alla luce nel modo in cui sono presentati usualmente nei manuali; sono “decontestualizzati, liberati di ogni ambiguità”, ormai senza vita, senza significati. “Comprendere

una cosa in un certo modo è ‘giusto’ o ‘sbagliato’ solo dalla particolare prospettiva da cui la si considera. Ma l’’esattezza’ di una particolare interpretazione, pur dipendendo dalla prospettiva, implica anche il rispetto di regole quali quelle della dimostrazione, della concordanza e della coerenza.  Non tutto è accettabile. Esistono dei criteri intrinseci di giustezza, e la possibilità di interpretazioni diverse non le autorizza tutte indiscriminatamente”^[26].

   Ogni problematica importante ha bisogno di tempi molto lunghi per essere appresa in modo significativo, per diventare competenza; ciò implica considerare le variabili tempo e quantità dei contenuti in modo responsabile e non demagogico. “Questo tipo di ragionamento a sua volta implica che l’obiettivo dell’istruzione non sia tanto l’ampiezza, quanto la profondità”. Considerazioni di questo tipo erano presenti anche nel documento conclusivo della Commissione dei Saggi ed erano rivolte all’insegnamento di tutte le discipline scolastiche^[27]. Programmi di alto livello non sono quei programmi che fanno qualche riferimento a tutti gli aspetti fondamentali dell’enciclopedia scientifica, ma quelli che, effettuando scelte precise, hanno una quantità di contenuti effettivamente compatibili con un insegnamento che ha bisogno di tempi lunghi^[28]. Questa esigenza è, a nostro parere imprescindibile sia nella scuola di base^[29] che nella scuola secondaria superiore. “Il nemico della riflessione è il ritmo a rotta di collo – le mille immagini. In un certo senso profondo, possiamo dire dell’apprendimento, e in particolare dell’apprendimento di materie scientifiche, quello che diceva Mies van der Rohe a proposito dell’architettura, che ‘di meno è di più’^[30].

   Se concentriamo la nostra attenzione sulla secondaria superiore non è da molto tempo più accettabile, se si vogliono sviluppare negli studenti competenze, che il programma ( o meglio che i manuali) delle varie discipline scientifiche sia più o meno lo stesso a prescindere dalla collocazione di ciascuna disciplina nel piano di studi di ciascun indirizzo; è una situazione ben diversa avere a disposizione 2-3 alla settimana soltanto per un anno scolastico o per 3 o più anni. Evidentemente la quantità delle problematiche che possono essere affrontate dipende innanzitutto ed in modo determinante da questo aspetto.

Il che cosa insegnare?

Il caso della chimica, come esempio emblematico

   Una volta risolto il problema fondamentale della quantità, si pone il nodo ugualmente molto problematico e controverso del che cosa scegliere. Vi sono indubbiamente principi di carattere generale,validi per tutte le discipline scientifiche che debbono guidare nella scelta, quali fra tutti l’accessibilità cognitiva e l’importanza culturale-disciplinare delle problematiche individuate.

Vi sono, a questo proposito, importanti indicazioni anche nel Libro bianco della CEE del 1995:” La profonda trasformazione in corso del contesto scientifico e tecnico richiede dunque che, nel suo rapporto con la conoscenza e l’azione, l’individuo sia in grado, anche se non mira ad una carriera di ricercatore, di assimilare in un certo modo i valori dell’attività di ricerca: osservazione sistematica, curiosità e creatività intellettuali, sperimentazione pratica, cultura della cooperazione … In effetti la normalizzazione del sapere che permette di ottenere un diploma superiore è eccessiva. Essa induce a pensare che tutto debba essere insegnato in un ordine strettamente logico e che grazie alla padronanza di un sistema deduttivo, fondato su nozioni astratte, dove le matematiche svolgono un ruolo dominante, si può produrre e identificare la qualità. In alcuni casi, il sistema deduttivo può essere paralizzante ed uccidere l’immaginazione. Presentando le cose come totalmente costruite, fa dell’allievo un soggetto passivo e frena la tendenza alla sperimentazione”^[31].

   Proposte ancora più pregnanti vennero formulate dalla Commissione dei Saggi sia per la scuola di base che per la secondaria superiore; ci limitiamo a riprendere quelle per la secondaria superiore: “A livello superiore si condivide l’esigenza di immettere negli insegnamenti delle scienze fisico-naturali una prospettiva critica di natura storico-epistemologica, che ne consenta l’integrazione nel sistema dei saperi sociali e permetta anche di accogliere la tecnologia come ambito e strumento di conoscenza, e come tramite con le attività di produzione di beni e servizi. Su un piano più generale, si dovrà operare al fine di mettere gli allievi nelle condizioni di far fronte all’incertezza, intesa come istanza epistemologica propria delle scienze contemporanee, e come ambito entro il quale far esercitare le dimensioni di responsabilità della scelta e il coinvolgimento etico che essa comporta”^[32].

   Preferiamo, tuttavia, per maggiore chiarezza, entrare nel merito di una specifica disciplina, la chimica, per meglio evidenziare la portata culturale delle scelte che è necessario effettuare. La quasi totalità dei manuali di chimica hanno un’impostazione centrata sulle acquisizioni scientifiche del Novecento, ed in particolare sulla struttura atomica, i vari tipi di legame chimico, la struttura molecolare. Nei vari capitoli appaiono anche conoscenze (fatti, concetti, leggi) che risalgono a fasi precedenti della storia della chimica, ma in modo definitorio, nozionistico, asettico,  e, comunque, come esemplificazione, illustrazione, in una logica deduttiva, dei concetti fondanti il sapere chimico attuale, quelli di tipo microscopico. Vi sono poi molte problematiche affrontate, nel modo appena indicato, in capitoli (o, pardon, unità didattiche o moduli di 10-15 pagine) che costituiscono nella organizzazione attuale del curricolo universitario branche specialistiche ampie e complesse (è sufficiente pensare alla termodinamica^[33]). Questi manuali sono caratterizzati da una logica totalmente deduttivistica, centrata sul microscopico.

   La riflessione pedagogica ha, da molto tempo, evidenziato come sia psicologicamente assurdo un approccio deduttivistico come primo approccio ad una qualsiasi disciplina; è in questo senso emblematico il cammino fatto dalla didattica della geometria durante il Novecento, che ha portato ad indicare la necessità di una lunga fase di insegnamento basato sulla geometria intuitiva edoperativa prima di passare alla geometria deduttiva. E stiamo parlando di un sapere emblematico da millenni di un’organizzazione effettivamente deduttiva, dove è possibile con passaggi logici, con ragionamenti, ricavare nuove conoscenze, nuovi teoremi, sulla base delle conoscenze possedute.

Ma nel caso dell’organizzazione deduttivistica dei manuali di chimica siamo di fronte non solo ad assurdità di tipo psicologico-didattico, inerenti ad un impostazione deduttiva come primo approccio ad un sapere, ma ad una “farsa” del deduttivismo. Infatti nel caso della chimica, quella strutturazione di tipo espositivo-esplicativo, per cui l’introduzione di conoscenze microscopiche permetterebbe di descrivere e contemporaneamente spiegare fenomeni e leggi macroscopiche, opera in funzione non di ragionamenti deduttivi simili a quelli della geometria, necessari logicamente, ma di connessioni e ragionamenti legati all’esplorazione sperimentale e teorica, di carattere chimico-fisico, della realtà, effettivamente comprensibili soltanto a chi ha ampie e solide conoscenze specialistiche, acquisibili nella formazione universitaria specifica. Senza questa solida competenza, siamo di fronte ad una congerie di nozioni, apparentemente ben organizzate deduttivamente, che non possono, tuttavia,  che essere memorizzate nel modo più meccanico, ma a cui non corrisponde, per lo studente, nessun significato, nessuna competenza^[34]. O meglio (sarebbe da dire, tragicamente, peggio), il significato che viene attribuito anche da molti insegnanti che si rendono, in parte, conto delle assurdità che insegnano, è quello che queste nozioni servono per superare i test di ammissione ad alcuni corsi di laurea, come quello di medicina^[35].    

Il modello alternativo di insegnamento della chimica

    L’alternativa a questo modello deduttivistico ha iniziato ad essere prospettata in Italia durante gli anni 60 da alcuni universitari illuminati ed è stata sempre più rifinita ed articolata negli anni successivi, arrivando ad essere sancita formalmente anche in un programma ministeriale, che, tuttavia, è rimasto confinato in poche scuole sperimentali, il programma del Laboratorio di fisica e chimica del Progetto Brocca del 1989.     

   Questo programma, che si riferiva ad alcuni bienni della scuola secondaria superiore, prevedeva un’impostazione dell’insegnamento della Chimica completamente basato sulla Chimica classica, cioè, sulle teorie e i concetti fondamentali della chimica, quali si erano sviluppati, durante il Settecento e l’Ottocento, prima delle rivoluzionarie scoperte sulla struttura dell’atomo. Il progetto Brocca prevedeva, per questi indirizzi tecnici, l’insegnamento della chimica del Novecento usuale nel triennio. Ma il progetto Brocca non entrò mai in ordinamento, e quando a metà degli anni novanta il Ministero della P. I. decise lo svecchiamento dei programmi dei bienni degli Istituti tecnici, utilizzò i programmi Brocca del biennio per tutte le discipline, tranne Chimica e Fisica. Fu proposto per queste due materie un programma enciclopedico-nozionistico usuale, con la motivazione che il programma del Laboratorio di fisica e chimica non poteva essere assunto, non essendo presenti queste due discipline nel triennio, come invece era previsto dal progetto Brocca.

Evidentemente per il Ministero tutte le motivazioni culturali, pedagogiche e didattiche che stavano alla base (ed erano chiaramente enunciate) del programma del Laboratorio di fisica e chimica erano “chiacchere” inconsistenti; ciò che doveva, comunque, essere preservato era il canone tradizionale, accademico, dell’insegnamento della chimica e della fisica.

   Il programma del Laboratorio di fisica e chimica rimane indubbiamente il documento ufficiale più importante^[36], in relazione all’insegnamento di discipline scientifiche degli ultimi cinquant’anni, perché, in particolare in riferimento alla Chimica, contiene queste fondamentali scelte di tipo culturale, fondate su motivazioni pedagogico-psicologico-didattiche: l’insegnamento della chimica, nella scuola secondaria superiore, deve basarsi sull’osservazione-sperimentazione di trasformazioni chimiche, sulle leggi macroscopiche e sui modelli microscopici a loro strettamente connessi. Nelle finalità di questo programma troviamo queste indicazioni: “Prima di giungere ad una sistemazione complessiva è però opportuno che lo studente prenda contatto concretamente con i problemi e i temi tipici delle discipline, ad evitare il pericolo sempre presente che una trattazione teorica perda, nella mente degli studenti, il contatto con il mondo reale che quella teoria cerca di interpretare. A livello del biennio, quindi, è indispensabile  che l’insegnamento di alcuni temi portanti delle due discipline sia condotto in modo strettamente sperimentale … Nei contenuti indicati non è da ricercarsi la logica convenzionale delle due discipline, Chimica e Fisica. I principali criteri che hanno ispirato la scelta dei contenuti sono i seguenti: partire dall’osservazione macroscopica dei corpi, sostanze e fenomeni del mondo che ci circonda per giungere in modo graduale all’aspetto particellare senza entrare nel merito del modello elettronico della struttura atomica”^[37]. 

   Questo programma è esente da limiti? Non ci sono critiche da rivolgergli? Ci fu chi, subito, si scandalizzò, denunziando un approccio ingenuamente induttivistico. Anche noi pensiamo che questa critica aveva qualche fondamento, ma chi la faceva riproponeva sostanzialmente l’approccio tradizionale deduttivistico, sistematico, addestrativo. Il ribadire con enfasi l’importanza di un’impostazione operativa, laboratoriale^[38] rappresentava (come rappresenta ancora oggi) un aspetto fondamentale dell’insegnamento scientifico anche nella scuola secondaria superiore. Tuttavia il programma dava poche indicazioni metodologiche ulteriori, e poteva essere interpretato in una prospettiva totalmente induttiva, cadendo così in un atteggiamento banalmente induttivistico, sia dal punto di vista epistemologico che pedagogico-didattico. Ma esso poteva (ed oggi, a maggior ragione) essere anche interpretato in una prospettiva completamente diversa, molto più attenta alle modalità complesse con cui si sviluppa la conoscenza scientifica. L’epistemologia contemporanea, – da Koyrè a Bachelard, da Popper a Kuhn e Feyerabend – e la storia della scienza del Novecento – da Elkana a Jammer, dalla Metzger ad Holton, da Gillespie a Rocke – ci hanno, infatti, fatto,

comprendere anche l’inconsistenza di una concezione empirista della scienza: che “fare scienza è un cammino variegato e accidentato, dove l’intuizione, l’analogia, la stessa immaginazione conta e conta molto”; ci hanno proposto “una nuova immagine della scienza: più complessa e complicata, non lineare, più storicizzata, più autenticamente critica, in quanto capace di leggere senza paraocchi la complessità e la varietà del suo procedere”; e “che gli scienziati usano ogni sorta di ausili, intuizioni, storie e metafore per cercare di far sì che il loro modello speculativo si adatti alla “natura. Useranno tutte le metafore, tutte le figure, favole o fole che possono capitare sulla loro strada”^[39]. 

   Rispetto alle modalità prevalenti sistematico-deduttivo-addestrative dell’insegnamento scientifico, il ribadimento della centralità del laboratorio e più in generale di impostazioni operative costituisce una risposta importante, rappresenta una condizione necessaria per il rinnovamento dell’insegnamento scientifico, ma tutt’altro che sufficiente; anzi noi pensiamo che questa risposta, che è mossa da esigenze genuine in contrapposizione ad un insegnamento nozionistico, vuoto di significati, sia destinata, di per sé, alla sconfitta, perché un’impostazione radicalmente induttiva nella scuola superiore non è in grado minimamente di risolvere il problema dell’insegnamento di leggi e teorie scientifiche in un modo significativo, come è più volte avvenuto durante il Novecento, ogni qual volta tentativi di questo tipo sono stati realizzati. E’ emblematico in questo senso il progetto Nuffield per la chimica, che si proponeva di insegnare i concetti e le teorie della chimica classica con un’impostazione induttiva: era costituito da un libro per l’insegnante e da un insieme di schede per attività di laboratorio, per gli studenti. Era una proposta molto innovativa, che era stata progettata in Inghilterra durante gli anni sessanta, e che era arrivata 20 anni prima del progetto Brocca alle stesse conclusioni culturali rispetto a quale chimica dovesse esser insegnata come prima chimica; venne tradotta dalla Zanichelli all’inizio degli anni settanta^[40], ma sostanzialmente non fu mai utilizzato in modo stabile da nessun insegnante. Per quali motivi?  

   Noi pensiamo che il motivo fondamentale, per cui non fu adottato stabilmente da quasi nessuno, fu l’impostazione totalmente induttivistica, la totale mancanza di sistematicità, il ridurre l’insegnamento della chimica all’esecuzione di molti esperimenti che non si riusciva a riportare a comportamenti generali, a leggi, a teorie, a connettere, cioè, in un sistema.

   Nella scuola secondaria superiore, quando si affronta una qualsiasi disciplina scientifica, vi sono due aspetti fondamentali, apparentemente contradditori, che, se non vengono affrontati contemporaneamente, si vanifica qualsiasi tentativo di rendere l’insegnamento scientifico significativo: vi è la necessità di un insegnamento, da una parte, centrato sul “fare significato” – e quindi situato, contestuale, problematico, riflessivo, metacognitivo – e dall’altra che porti gradualmente alla costruzione di un sistema teorico, ad un’organizzazione che dia ordine, e che indichi regolarità tra le varie conoscenze specifiche.    

   Nell’insegnamento scientifico, le molteplici dimensioni del concetto di competenza si tengono l’una con l’altra: le competenze più strettamente disciplinari, lineari, sistematiche si possono sviluppare, nello studente della scuola di tutti, se innanzitutto viene messo al centro dell’insegnamento la motivazione dello studente, e quindi quelle scelte didattiche e culturali che possono costantemente mantenere vivo l’interesse e la partecipazione degli studenti: didattiche costruttiviste, lo spirito di ricerca, il confronto tra pari, l’accessibilità cognitiva delle problematiche su cui si lavora, lo sviluppo di competenze metacognitive, “l’imparare ad imparare” sono le condizioni irrinunciabili dello sviluppo delle competenze scientifiche, contemporaneamente ed in modo non separabile, nella realtà scolastica attuale, sia nella dimensione disciplinare sistematica che in quella critica e riflessiva.

   Le proposte culturali sostanziali del progetto Nuffield e del programma del Laboratorio di fisica e chimica possono essere a nostro parere realizzate, superando quindi prospettive angustamente induttivistiche, integrando la dimensione didattica disciplinare in esse contenute con alcune acquisizioni epistemologiche e psicopedagogiche evidenziate, nei loro risvolti educativi soprattutto negli ultimi venti anni, in particolare grazie al contributo di Bruner.

L’importanza dell’intersoggettività

   La tesi centrale della cultura dell’Educazione è che la cultura plasmi la mente, che fornisca gli attrezzi per mezzo dei quali “costruiamo non solo il nostro mondo, ma la nostra concezione di noi stessi e delle nostre capacità (…) Invece di vedere la cultura come qualcosa che viene ‘aggiunto’ alla mente o che in qualche modo interferisce con i processi elementari della mente, è meglio pensare che sia nella mente…E’ un approccio radicalmente diverso da quello riduzionistico delle ‘aggiunte’, che ha caratterizzato lo sviluppo della psicologia”^[41].

   Strettamente connessa a questa tesi vi è un altro principio, secondo il quale l’attività umana “non sia solitaria né avvenga senza aiuto, anche quando ha luogo “dentro la testa”. Bruner afferma di

aver avuto trenta anni prima un approccio in parte diverso, “troppo interessato  ai solitari processi intrapsichici del conoscere e al modo in cui potevano essere coadiuvati mediante interventi pedagogici adeguati”^[42]. Bruner, da molto tempo, d’altra parte aveva preso le distanze da Piaget, le cui opere fondamentali facevano pensare ad un bambino che “arrivasse a conoscere il mondo attraverso un contatto pratico, diretto, invece che, come normalmente succede, da altri. Infatti impariamo molto di quello che “conosciamo” anche del mondo fisico ascoltando le credenze degli altri in proposito, e non curiosando direttamente”^[43]. Bruner ricorda, inoltre, a distanza di molti anni gli incontri fecondi che ebbe con Alexander Luria che gli fece capire meglio, con le sue argomentazioni illuminanti, il ruolo che svolgono, secondo la teoria di Vygotskij, il linguaggio e la cultura nel funzionamento della mente; essi contribuirono così a  far vacillare la sua “fede nelle teorie più autonome e più formalistiche del grande Piaget, teorie che lasciavano pochissimo spazio al ruolo qualificante della cultura nello sviluppo mentale”^[44].

“La tradizione pedagogica occidentale rende poca giustizia all’importanza dell’intersoggettività nella trasmissione della cultura. Anzi, spesso non sa rinunciare alla preferenza per la chiarezza, al punto quasi da ignorare, almeno in apparenza, l’intersoggettività. Così il modello dell’insegnamento diventa quello del singolo docente, presumibilmente onnisciente, che racconta e mostra in maniera esplicita ad allievi presumibilmente ignari di qualcosa di cui presumibilmente non sanno niente (…) Sono convinto che uno dei più grandi regali che una psicologia culturale possa fare all’educazione sia la riformulazione di questa concezione ormai svuotata di significato^[45] (…) Questo comporta la costruzione di culture scolastiche che operino come comunità interattive, impegnate a risolvere i problemi in collaborazione con quanti contribuiscono al processo educativo. Questi gruppi non rappresentano solo un luogo di istruzione, ma anche un centro di costruzione dell’identità personale e di collaborazione. Dobbiamo far sì che le scuole diventino un luogo dove viene praticata (e non semplicemente proclamata) la reciprocità culturale, il che comporta una maggiore consapevolezza da parte dei bambini di quello che fanno, come lo fanno e perché… E siccome all’interno di queste culture scolastiche improntate al reciproco apprendimento si produce spontaneamente una divisione del lavoro, l’equilibrio tra l’esigenza di coltivare i talenti innati e quella di offrire a tutti l’opportunità di progredire viene espressa dal gruppo in una forma più umanistica: “da ciascuno secondo le sue capacità”^[46].

   Nel Progetto Nuffield e nel programma del Laboratorio di fisica e chimica non era indubbiamente più presente il modello dell’insegnante onnisciente, ma erano ambedue ancora totalmente permeati dalla visione pedagogica piagetiana che si arrivasse a conoscere il mondo attraverso un contatto pratico, diretto; non attribuivano, invece, nessuna importanza al tema dell’intersoggettività e della narrazione, ma allora questo modello pedagogico-didattico non era ancora sufficientemente conosciuto^[47]. Tuttavia l’assunzione di questo ultimo modello non può avvenire in contrapposizione agli aspetti duraturi di quello precedente; rimane, infatti, a nostro parere, un’indicazione pedagogica fondamentale, anche per la ristrutturazione educativa delle discipline scientifiche, l’idea piagetiana, che “il conseguimento della conoscenza è il risultato dell’attività propria del soggetto”, dove per soggetto attivo si intende “un soggetto che confronta, esclude, ordina, categorizza, riformula, verifica, elabora ipotesi, riorganizza, ecc., attraverso l’azione interiorizzata (il pensiero) o l’azione reale (a seconda del suo livello di sviluppo)”^[48]. Nei confronti di Piaget vi è, in ambito pedagogico e didattico, da molto tempo un atteggiamento di critica radicale: Piaget avrebbe infatti sottovalutato molteplici aspetti, quali, ad esempio il ruolo della dimensione sociale, del linguaggio e della sfera affettiva nel processo educativo. Condividiamo queste critiche, ma non condividiamo l’utilizzo di queste critiche per la liquidazione anche degli aspetti duraturi del pensiero di Piaget. Noi pensiamo, in altre parole, che il superamento di un’impostazione piagetiana dell’insegnamento scientifico non debba comportare l’abbandono di alcuni aspetti fondamentali del contributo di Piaget, in particolare per l’insegnamento delle scienze e della matematica, e che questi aspetti vadano integrati in una visione pedagogica più complessa.

                  La centralità della narrazione anche nell’insegnamento scientifico

   “Non intendo sottovalutare l’importanza del pensiero logico-scientifico… Ma non è un mistero che a molti giovani che oggi frequentano la scuola la scienza appaia “disumana”, “fredda” e “noiosa”, malgrado gli eccezionali sforzi degli insegnanti di scienze e di matematica e delle loro associazioni. L’immagine della scienza come impresa umana e culturale migliorerebbe molto se la si concepisse anche come una storia degli esseri umani che superano le idee ricevute – Lavoisier che supera il dogma del flogisto, Darwin che rivoluziona il rispettabile creazionismo, o Freud che osa gettare uno sguardo al di sotto della superficie soddisfatta del nostro autocompiacimento. Può darsi che abbiamo sbagliato staccando la scienza dalla narrazione della cultura. Una sintesi è forse necessaria. Un sistema educativo deve aiutare chi cresce in una cultura a trovare un’identità al suo interno. Se quest’identità manca, l’individuo incespica nell’inseguimento di un significato. Solo la narrazione consente di costruirsi un’identità e di trovare un posto nella propria cultura. Le scuole devono coltivare la capacità narrativa, svilupparla, smettere di darla per scontata”^[49].

   E’ quindi necessario comprendere che cosa Bruner intende quando attribuisce alla narrazione questo ruolo centrale anche nel rinnovamento dell’insegnamento scientifico:  “Partirò da alcune affermazioni ovvie. Una narrazione comporta una sequenza di eventi, ed è dalla sequenza che dipende il significato”^[50]. La narrazione è giustificata quando narra qualcosa di inatteso, di imprevisto, di apparentemente assurdo o contraddittorio. L’obiettivo della narrazione è di chiarire i dubbi, di spiegare lo “squilibrio” che ha portato all’esigenza di narrare la storia. La narrazione è, inoltre, strettamente connessa con l’interpretazione e non con la spiegazione. La comprensione, a differenza della spiegazione, comprende sempre più interpretazioni; “né l’interpretazione di una particolare narrazione esclude altre interpretazioni…la regola è la polisemia”^[51].

   A questo punto potrebbe sorgere il dubbio su che cosa abbia a che fare con la scienza la narrazione, se, come lo stesso Bruner evidenzia, la scienza è essenzialmente caratterizzata dalla dimensione esplicativa, e rappresenta uno dei due modi principali, alternativo proprio al modo narrativo, in cui gli uomini rappresentano il mondo: “Queste due forme di pensiero sono convenzionalmente note come pensiero logico-scientifico e pensiero narrativo^[52].  

   Indubbiamente, secondo Bruner, i due modi di conoscere la realtà sono irriducibilmente diversi, ma sono, tuttavia, complementari: “ Come ho più volte ripetuto, l’adozione di un’ottica interpretativa non implica una posizione antiempirica, anti-sperimentale o addirittura antiquantitativa. Significa semplicemente che, prima di poterci accingere alla spiegazione, dobbiamo dare un senso a quanto ci viene detto ^[53]. … “Per arrivare direttamente al dunque , la mia idea è che noi trasferiamo sempre i nostri tentativi di comprensione scientifica in forma narrativa, o, per così dire, di ‘euristica narrativa’. Il ‘noi’ comprende sia gli scienziati sia gli allievi che occupano le aule nelle quali insegnamo. Trasporremmo dunque in forma narrativa gli eventi che stiamo studiando, allo scopo di evidenziare meglio cosa c’è di canonico e di previsto nel nostro modo di considerarli, in modo da poter distinguere più facilmente che cosa è ambiguo e incoerente e quindi deve essere spiegato … Proverò ora a esprimere queste stesse idee con un linguaggio in parte diverso. Il processo del fare scienza è narrativo. Consiste nel produrre ipotesi sulla natura, nel verificarle, correggerle e rimettere ordine nelle idee. Nel corso della produzione di ipotesi verificabili giochiamo con le idee, cerchiamo di creare anomalie, cerchiamo di trovare belle formulazioni da applicare alle contrarietà più intrattabili in modo da poterle trasformare in problemi solubili, inventiamo trucchi per aggirare le situazioni intricate. La storia della scienza, come Bryant Conant ha cercato di dimostrare, può essere raccontata in forma drammatica, come una serie di vicende quasi eroiche di soluzione di problemi. I suoi critici amavano sottolineare che le storie dei casi che lui e i suoi colleghi avevano preparato, pur essendo molto interessanti non erano però scienza, ma storia della scienza. Non sto proponendo di sostituire alla scienza la storia della scienza. Sostengo invece che la nostra istruzione scientifica dovrebbe tener conto in ogni sua parte dei processi vivi del fare scienza, e non limitarsi a essere un resoconto della ‘scienza finita’ quale viene presentata nel libro di testo, nel manuale e nel comune e spesso noioso ‘esperimento di dimostrazione’^[54].

   Noi pensiamo che queste indicazioni di Bruner permettano di colmare le gravi lacune presenti nei progetti, comunque molto innovativi per quegli anni, Nuffield ed il Laboratorio del Progetto Brocca. Compenetrando le insuperabili indicazioni culturali-metodologiche di quei progetti con il contributo pedagogico dell’intersoggettività e della narrazione^[55], noi pensiamo che sia effettivamente possibile sviluppare competenze scientifiche negli studenti. Vogliamo prendere in considerazione, come esempio, una problematica importante della chimica, la legge di Proust, come potremmo scegliere, come esempi, la formazione del concetto di gas^[56], le leggi di Lavoisier^[57], le leggi di Dalton^[58], la legge di Gay Lussac^[59], la creazione delle formule chimiche (del linguaggio della chimica)^[60], ecc.  La legge di Proust costituisce una delle leggi fondamentali della chimica che generalmente non viene compresa dagli studenti (così come le altre leggi indicate sopra), perché non ne viene evidenziata la problematicità^[61]; da un punto di vista strettamente nozionistico è ormai una legge “stupida”: infatti, se partiamo nell’insegnamento dai modelli atomico-molecolari, che significato ha affermare l’ovvietà che le sostanze hanno composizione costante? E, se, invece adottiamo un approccio banalmente induttivo^[62], facendo eseguire uno o due esperimenti che evidenziano in questi casi la costanza delle proporzioni, che cosa di significativo si ricava per la comprensione della legge?

   Per coinvolgere gli studenti e fare loro comprendere la legge di Proust ( come le altre leggi o un qualsiasi concetto fondamentale della chimica) occorre trasporre “in forma narrativa gli eventi che stiamo studiando, allo scopo di evidenziare meglio cosa c’è di canonico e di previsto nel nostro modo di considerarli, in modo da poter distinguere più facilmente che cosa è ambiguo e incoerente e quindi deve essere spiegato…… Il processo del fare scienza è narrativo. Consiste nel produrre ipotesi sulla natura, nel verificarle, correggerle e rimettere ordine nelle idee”. Occorre far partecipare gli studenti, nelle modalità possibili nei vari casi, al gioco della scienza: “nel corso della produzione di ipotesi verificabili giochiamo con le idee, cerchiamo di creare anomalie, cerchiamo di trovare belle formulazioni da applicare alle contrarietà più intrattabili in modo da poterle trasformare in problemi solubili, inventiamo trucchi per aggirare le situazioni intricate”. Occorre fare in modo che ciò che è apparentemente ovvio diventi un problema^[63], una rottura epistemologica; occorre rendere, come dice Bruner del linguaggio letterario, “nuovamente estraneo ciò che è troppo familiare”… Siccome la connessione canonica fra le realtà, in una storia, rischia di generare noia, la narrativa, attraverso il linguaggio e l’invenzione letteraria, cerca di tener vivo l’interesse del suo pubblico “rendendo nuovamente strano l’ordinario”^[64]. Occorre ridare centralità alle ipotesi scientifiche^[65], bisogna quindi dare importanza al congiuntivo, come di nuovo Bruner dice a proposito della letteratura: “L’altro motivo per studiare la narrativa consiste nel comprenderla per meglio coltivare le sue illusioni di realtà, nel <<congiuntivizzare>> gli ovvi indicativi della vita di tutti i giorni…Dopotutto, la sua missione è ridare stranezza al familiare, trasformare l’indicativo in congiuntivo”^[66].  Nell’insegnamento scientifico, è di fondamentale importanza formativa lo sviluppo, nello studente, della consapevolezza della distinzione e contemporaneamente del rapporto costante che vi è tra fatti, fenomeni, esperimenti, da una parte, e interpretazioni, ipotesi, teorie^[67], dall’altra, e quindi del significato profondamente diverso, ad esempio, di queste due formulazioni: le cose stanno in questo modo o io penso che le cose stiano in questo modo. Ma Bruner ci ricorda che “l’atteggiamento interpretativo non è sempre gradito ai poteri costituiti, la cui autorità è fondata sul dare per scontato il mondo così com’è”^[68].

   Se l’analogia tra letteratura e scienza potesse sembrare troppo ardita, basta pensare a come Popper ha costantemente descritto la scienza: “Secondo la concezione della scienza che sto cercando di sostenere, ciò è dovuto al fatto che gli scienziati hanno osato creare dei miti, o congetture, o teorie, che pur essendo in netto contrasto con il mondo quotidiano dell’esperienza comune, sono tuttavia capaci di spiegare alcuni aspetti di tale mondo … E questi tentativi di spiegare il noto per mezzo dell’ignoto hanno enormemente ampliato il dominio della conoscenza”^[69].

La legge di Proust

   Lavoisier, sulla base dei dati analitici allora disponibili,  riteneva che molte sostanze avessero una composizione costante. Dopo Lavoisier, la determinazione della composizione quantitativa delle sostanze diventò, come lo stesso Lavoisier aveva previsto, uno dei compiti più importanti della chimica; in questo modo si realizzò la matematizzazione dellascienza chimica: la grandezza da misurare era il peso e le operazioni matematiche impiegate non erano altro che somme, sottrazioni, moltiplicazioni e divisioni. Con la teoria chimica lavoisieriana, il peso delle sostanze, mentre in precedenza era stato considerato una variabile irrilevante nella comprensione dei fenomeni chimici, diventava la grandezza fondamentale della chimica. Anche per la chimica la fondazione scientifica si realizzava con l’individuazione di concetti specifici di tipo quantitativo.

   Tutto il materiale sperimentale sulla composizione dei composti raccolto verso la fine del ‘700 portava a due conclusioni in apparenza opposte, ma nessuna delle quali contraddiceva le concezioni teoriche di quel tempo (es.: legge di conservazione del peso/massa). Secondo la prima di esse, nella formazione dei composti chimici, viene rigorosamente osservata la costanza della loro composizione ponderale, indipendentemente dal modo in cui sono stati ottenuti. Secondo l’altra, gli elementi chimici possono, in condizioni diverse, dare composti di diversa composizione ponderale.

   Proust concentrò il suo lavoro sperimentale su quei composti che Lavoisier aveva considerato a composizione variabile, quali gli ossidi metallici, ed in particolare si dedicò allo studio degli ossidi del ferro. Se il ferro fosse, come si pensava, capace di combinarsi con l’ossigeno in tutte le proporzioni tra 27% e 48%, che sembravano essere i due limiti estremi della sua combinazione con questo elemento, avrebbe dovuto dare con lo stesso acido (ad es. acido solforico) tante combinazioni diverse quanti ossidi differenti poteva produrre. Proust arrivò alla conclusione che – al di là dell’apparenza– esistono soltanto due solfati del ferro e che i solfati a composizione intermedia non sono altro che miscele di questi due^[70]: “ Un gran numero di fatti prova al contrario che malgrado i differenti gradi di ossigenazione, per i quali si crede che il ferro possa passare quando è esposto all’aria, non si conoscono che due solfati di questo metallo…… Tra questi due solfati non vi è nessun intermediario. Se dei solfati verdi, esposti al contatto dell’aria, prendono un colore che sembra non appartenere né all’una né all’altra delle specie già citate, ci si convincerà che essi non sono che una miscela dei due, separandoli con l’alcol”. Questa conclusione è connessa alla chiara affermazione di un altro principio basilare della chimica, la distinzione tra composti e miscugli^[71];  questo concetto venne utilizzato costantemente da Proust.

   Nel 1799 Proust, in un articolo dedicato alla composizione dell’ossido rameico, enunciò per la prima volta, la legge delle proporzioni definite, secondo la quale tutte le sostanze hanno composizione costante. Nella fase della scoperta, ciò che differenzia un’ipotesi corretta da una sbagliata, non è generalmente, il grado di conferma. Anche l’ipotesi delle proporzioni definite, come l’ipotesi di Lavoisier sulla costanza del peso, costituisce un esempio di generalizzazione affrettata; infatti, quando l’ipotesi fu enunciata per la prima volta, le esperienze su cui si basava erano limitate, ma l’enunciazione affrettata dell’ipotesi, come tutte le intuizioni geniali, svolse un ruolo fondamentale di indirizzo della ricerca chimica. Intorno al 1810 le conferme sperimentali dell’ipotesi erano ormai tali da permettere il suo accesso al rango dei principi basilari della chimica.

   Evidentemente Proust, sulla base delle sue analisi realizzate nel decennio precedente, e dell’intuizione dell’importante principio della distinzione tra composti e miscugli, si era già convinto che la composizione definita è una caratteristica di tutti i composti. Berthollet  era in favore, invece, della seconda teoria. Secondo Berthollet, infatti, se un composto consisteva degli elementi X e Y esso avrebbe contenuto una quantità di X superiore alla media, se fosse stato preparato adoperando una dose eccessiva di X. All’opinione di Berthollet si opponeva quella di Proust, il quale ricorrendo ad analisi meticolosamente accurate, dimostrò nel 1799 che il carbonato di rame, per esempio, conteneva proporzioni definite, in peso, di rame, carbonio e ossigeno, in qualunque modo fosse stato preparato in laboratorio o isolato dalle fonti naturali. Il rapporto dei composti era sempre di 5,3 parti di rame contro 4 parti di ossigeno e 1 di carbonio.

   Proust, formulando la generalizzazione in base alla quale in tutti i composti gli elementi erano contenuti in determinate proporzioni definite e non in altre combinazioni, indipendentemente dalle condizioni in cui i composti stessi venivano prodotti, effettuò una generalizzazione di livello superiore  (la legge di Proust è una generalizzazione di generalizzazioni) che suscitò le critiche di Berthollet: questi infatti fu in grado di produrre un certo numero di esempi in contraddizione con la legge.

   Berthollet non contestava la costanza della composizione per molte sostanze, ma non era disposto ad accettare la generalizzazione di questa affermazione, cioè la legge della costanza della composizione per tutti i composti. I controesempi più significativi  forniti da Berthollet rimasero le leghe ed i vetri; queste sostanze hanno composizione variabile e sono effettivamente, come sosteneva Proust dei miscugli (delle soluzioni solide), ma in questo caso Proust non fu in grado di fornire un criterio operativo capace di chiarire il problema.

   Dal momento in cui fu annunciata la legge di Proust, il mondo scientifico fu costretto a compiere profonde meditazioni su di essa. Se la natura della materia fosse stata continua (come sosteneva Berthollet), questa circostanza sarebbe stata difficile da spiegare. Perché gli elementi non potevano combinarsi secondo proporzioni leggermente variabili? La risposta a questa domanda fu data dalla teoria atomica, che ha la sua lunga storia. Ma solo adesso è giunta la sua ora. Dopo la creazione della teoria dell’ossigeno e del concetto di elemento chimico, dopo la scoperta delle leggi stechiometriche, lo sviluppo della chimica presupponeva, sotto gli aspetti logico e storico, lo sviluppo della concezione atomistica della struttura delle sostanze.

    La legge di Proust costituì una legge indubbiamente affrettata, dal punto di vista di canoni scientifici astratti, una legge falsa. E, paradossalmente proprio in questa sua problematicità risiede la sua importanza, che consiste in questi aspetti:

1) afferma l’esistenza di una determinata regolarità: la legge di Proust definiva in modo rigoroso i composti e forniva un criterio per individuarli;

2) spesso la nuova regolarità solleva altri interrogativi; nel caso della legge in oggetto, molti chimici iniziarono a chiedersi perché dalla combinazione degli elementi tra loro si ottenevano generalmente pochi composti (2, 3, 4) e per di più con composizione fissa. La risposta a questi interrogativi sarebbe venuta pochi anni dopo con la teoria atomistica di Dalton, che avrebbe poi conferito alla chimica, nell’arco di alcuni decenni, capacità esplicative e predittive inimmaginabili;

3) una legge rende possibile la ricerca scientifica; dopo Proust, la determinazione della composizione quantitativa dei composti diventò un’attività centrale della chimica. Inoltre, tutti gli sviluppi teorici successivi furono possibili perché, nell’arco di pochi decenni, il perfezionamento o l’invenzione di nuovi strumenti per l’analisi quantitativa dei composti raggiunsero un tale sviluppo da permettere la determinazione accurata delle composizioni. Tutto ciò fu possibile grazie alla convinzione che le sostanze hanno composizione costante e che quindi, ad esempio, risultati più o meno diversi delle analisi dipendano non da una variabilità nella composizione delle sostanze, ma soltanto dall’incertezza dei dati sperimentali. Tale convinzione fornì anche un criterio operativo: quando i risultati di poche analisi (2-3) presentavano una dispersione contenuta entro margini di errore accettabili, la ricerca terminava e la composizione veniva semplicemente ricavata effettuando la media dei valori sperimentali.

L’insegnamento della biologia e il riduzionismo

   La biologia rappresenta un caso paradossale: nonostante sia l’ambito dove maggiore è stata la riflessione sui limiti del riduzionismo^[72], la sua impostazione didattica quasi universale è riduzionista della “peggior specie”, in quanto si rivolge, in un linguaggio chimico-fisico sofisticato, a studenti che stanno eventualmente acquisendo le prime conoscenze di chimica e di fisica. Anche all’interno del progetto Brocca il Laboratorio di fisica e chimica, di cui abbiamo lungamente trattato,èl’unico programma innovativo in riferimento all’insegnamento scientifico. Contemporaneamente ad esso vennero, infatti, scritti i programmi, sempre per il biennio, di Scienze della Terra e di Biologia, che costituiscono, a nostro parere, esempi emblematici di programmi totalmente assurdi. Ad esempio, il programma di biologia ha il suo fondamento sulla biologia molecolare, quando gli studenti a cui viene proposto non hanno nessuna conoscenza sensata della chimica organica^[73].

   La didattica delle scienze sembra quasi la negazione della scienza; mentre nella scienza le nuove conoscenze si sviluppano sulla base di quelle precedenti, nella didattica scientifica si riparte sempre da capo; non è rimasta, ad esempio nessuna traccia delle illuminanti riflessioni che Ausubell ha dedicato all’insegnamento della biologia qualche decennio fa.

   Ausubell non condivise le proposte didattiche di tipo strutturalista, che vennero predisposte a partire dal libro di Bruner Dopo Dewey, il processo di apprendimento nelle due culture^[74], basate sull’assunto che fosse possibile insegnare qualsiasi concetto a qualsiasi età^[75]. “Uno dei caratteri distintivi del movimento per la riforma degli studi è la correzione eccessiva del livello inutilmente basso di sofisticazione con cui si insegnavano, e in parte si insegnano ancora, molte materie nelle scuole superiori. In scienze tale tendenza è sottolineata da un virtuale rifiuto dell’approccio descrittivo, naturalistico e applicato e da una enfatizzazione degli aspetti analitici, sperimentali e quantitativi della scienza. In un corso introduttivo di biologia per le scuole superiori, per esempio, il nuovo contenuto consiste in gran parte di argomenti biochimici altamente sofisticati, che presuppongono un’avanzata conoscenza della chimica, da parte di studenti che non hanno alcuna preparazione della materia”^[76].

   La sua analisi si concentrò sul più significativo progetto attivato negli Usa, il BSCS (Biological Sciences Curriculum Study), di cui vennero approntate più versioni. Le critiche maggiori sono rivolte alla versione blu, che è stata l’unica tradotta, non casualmente, in italiano: “la versione blu presenta un materiale di biologia di difficoltà e sofisticazione a livello universitario a studenti che non hanno le basi necessarie in chimica, fisica e biologia elementare, per poterle apprendere in modo significativo… I particolari estremamente sofisticati non solo sono inutili e non appropriati per un corso introduttivo, ma impacciano anche l’apprendimento e ingenerano delle valenze negative verso la materia^[77]“. La versione verde ha un’impostazione epistemologica molto più adeguata della gialla e della blu: essa permette, infatti, di comprendere che la conoscenza biologica, che non viene presentata come una verità assoluta, “cambia con la scoperta di nuovi fatti e nuove tecniche e quando vengono avanzate nuove teorie. Infine la versione verde suggerisce più esplicitamente che i concetti e le classificazioni della biologia sono dei tentativi che l’uomo fa per interpretare, organizzare e semplificare quello che comprendiamo dei fenomeni naturali; e che tali concetti e categorie né coincidono con i dati da cui sono ricavate, né rappresentano l’unico modo di concettualizzare e categorizzare quei dati”^[78]. Far comprendere la distinzione tra fatti e concezioni teoriche è di grande rilevanza sul piano didattico: nell’insegnamento scientifico l’accesso al significato, e non soltanto la mera memorizzazione, è infatti strettamente connesso alla comprensione della distinzione e delle relazioni che esistono tra fatti e teorie.

   Per Ausubell un corso introduttivo di biologia nella scuola secondaria superiore dovrebbe mantenere un approccio prevalentemente naturalistico e descrittivo. “Per dirla in breve, la biologia per le scuole superiori dovrebbe concentrarsi su quei concetti biologici generali che costituiscono una parte dell’istruzione generale, piuttosto che sull’analisi particolareggiata e tecnica delle basi fisiche e chimiche dei fenomeni biologici o della morfologia e della funzione delle microstrutture infracellulari^[79] … Per lo studente principiante in scienze, è molto più importante imparare ad osservare sistematicamente^[80] e con precisione gli eventi naturali, e a formulare e a verificare ipotesi sulla base di antecedenti e conseguenti che si verificano naturalmente piuttosto che imparare a manipolare una variabile sperimentale e a controllare altre variabili rilevanti, su un progetto, in una situazione di laboratorio. Il primo approccio non solo ha la precedenza nello sviluppo intellettuale dello studente, ed è più consono al suo bagaglio di esperienze, ma ha anche un maggiore valore di trasferimento per la soluzione di problemi nella vita reale. L’eguagliare dogmaticamente il metodo scientifico con l’approccio sperimentale-analitico esclude anche, piuttosto sommariamente, dall’ambito scientifico, settori della biologia, come l’ecologia, la paleontologia, e l’evoluzione, ed altre discipline, quali la geologia, l’astronomia, la meteorologia, l’antropologia e la sociologia”^[81].

Ed infine: alcune considerazioni sull’insegnamento della fisica

   Per l’insegnamento della fisica nella scuola secondaria superiore le considerazioni che abbiamo sviluppato in questo contributo sono, a nostro parere, tutte pertinenti; tuttavia, pensiamo necessario evidenziare una differenza con la chimica e la biologia: non è necessario un capovolgimento dell’asse culturale, perché anche noi riteniamo che l’insegnamento fondamentale debba essere costituito dalla fisica classica; pensiamo, inoltre, che, nell’insegnamento della fisica, a nessuno verrebbe in mente di insegnare la fisica relativistica o la fisica quantistica come insegnamento di base, come avviene nel caso della chimica e della biologia.

   Fatta questa non marginale precisazione, tuttavia, i nodi di fondo dell’insegnamento della fisica rimangono tutti generalmente irrisolti, perché anche nel caso della fisica il canone enciclopedico (meccanica classica, ottica, elettromagnetismo, calorimetria, termodinamica, fisica del Novecento), la visione deduttivistica ed il mito della quantificazione^[82] comportano necessariamente un’impostazione nozionistica, addestrativa, tecnicistica. Anche nel caso della fisica, il nodo preliminare è la scelta dei contenuti in relazione alle ore a disposizione, per potere avere i tempi per un insegnamento significativo per lo studente^[83] – problematico, situato, contestuale, riflessivo, metacognitivo-; abbiamo indirizzi in cui è insegnata 2-3 ore settimanali per un paio di anni, ed alcuni indirizzi sperimentali in cui è insegnata 3 ore per tutti e cinque gli anni.

   Le leggi di Newton, ad esempio, non vengono comprese dalla maggior parte degli studenti nell’insegnamento usuale^[84], assiomatico, nozionistico e addestrativo, ma possono essere, invece, comprese avendo a disposizione tempi lunghi, attenzione al linguaggio, al rigore scientifico, e innanzitutto agli ostacoli epistemologici; possono essere comprese soltanto all’interno di un’impostazione problematica, quale può essere garantita dallo loro contestualizzazione. Per un non esperto, il significato di un concetto non può essere ricavato da relazioni logiche all’interno di un’organizzazione deduttiva, a partire da concetti e teorie ancora più generali, di cui sfugge, a maggior ragione, il significato.  Il principio di inerzia, principio fondamentale su cui si basa la scienza moderna, non può diventare significativo per lo studente se viene presentato sbrigativamente in modo assiomatico. Vi è forse principio meno intuitivo, più in contraddizione con il senso comune, di questo? Di un principio che asserisce che un corpo in movimento continua a muoversi all’infinito di movimento rettilineo uniforme, senza l’intervento di una forza! Con questo principio, il movimento assumeva finalmente, nel Seicento, lo stesso statuto ontologico della quiete.

   Il contributo di Paola Falsini, sperimentato in una classe terza di un liceo scientifico, costituisce un esempio innovativo di insegnamento della fisica, e completamente in sintonia con le considerazioni sviluppate in questo nostro saggio, un esempio proprio basato sulla costruzione problematica e complessa del principio di inerzia.

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  17-22.

^[1] F. Cambi, Saperi e competenze, Bari, Laterza, 2004.

^[2] “In breve, fare pedagogia, oggi, si caratterizza come una elaborazione teorica e pratica contrassegnata da connotati di problematicità, di radicalizzazione, di criticità aperta, capace di ripensare e ristrutturare ab imis il discorso articolato e sfuggente, plurale ma insieme unitario, che verte sull’educazione, i suoi fini, i suoi modelli, i suoi processi.” F. Cambi,  La complessità come paradigma formativo, in M. Callari Galli, F. Cambi, M Ceruti, Formare alla complessità, Roma, Carocci, 2003, p.144.

^[3] F. Cambi (a cura di), La progettazione curricolare nella scuola dell’autonomia, Roma, Carocci, 2002.

^[4] F. Cambi, Saperi e competenze, Bari, Laterza, 2004, pp. 27, 32, 18.

^[5] Questo gruppo era costituito da circa venti esperti, in rappresentanza di tutte le associazioni di didattica delle scienze e di alcune associazioni professionali.

^[6] I risultati delle ricerche effettuate in Italia sono in consonanza con quelle effettuate nel contesto internazionale. Fra le pubblicazioni italiane sono particolarmente preziose le seguenti due: N. Gridellini Tomasini, G. Segrè, Conoscenze scientifiche: le rappresentazioni mentali degli studenti, Firenze, La Nuova Italia, 1991; G. Cavallini, La formazione dei concetti scientifici, Firenze, La Nuova Italia, 1995.

^[7] A. Borsese, C. Fiorentini, Università e formazione degli insegnanti: il problema della integrazione delle competenze, in Università e Scuola, 1997, 1/R, pp. 37-42;E. Aquilini, Gli insegnanti e le scienze, in Scuola e Didattica, 2003, n. 6. pp. 19-22; P. Falsini, L. Barsantini, Una riflessione sulle competenze degli insegnanti nella didattica delle discipline scientifiche, in Naturalmente, 2003, n. 2, pp. 32-34.

^[8] A. Borsese, C. Fiorentini, E. Roletto, Formule sulla leggibilità e comprensione del testo: considerazioni su una ricerca relativa ai manuali di scienze della scuola media, in Scuola e Città, 1996, n. 12, pp. 524-527.

^[9] D. Antiseri, Jenner e la ricerca sulle cause e gli effetti del vaiolo vaccino, Brescia, La Scuola, 1981, p.27.

^[10] J. Watkins, Contro la scienza normale, in I. Lakatos, A Musgrave, Critica e crescita della conoscenza, Milano, Feltrinelli, 1976, p. 102.

^[11] T. Khun, La struttura delle rivoluzioni scientifiche, Torino, Einaudi, 1969, p. 199.

^[12] T. Khun, La tensione essenziale: tradizione e innovazione nella ricerca scientifica in La tensione essenziale, Einuadi, 1985, p. 249.

^[13]J.J. Schwab, P. F. Brandwein, L’insegnamento della scienza,Roma, Armando, 1965, p. 75.

^[14]G. Holton, Scienza, educazione e interesse pubblico, Bologna, Il Mulino, 1995, p. 22-23.

^[15]G. Reale, in Le conoscenze fondamentali per l’apprendimento dei giovani nella scuola italiana nei prossimi decenni. I materiali della Commissioni dei Saggi, Firenze, Le Monnier, 1997, p. 374.

^[16] G. Bernardini, ibidem, p. 252.

^[17] Commissione dell’Unione Europea (a cura di), Insegnare a apprendere verso la società conoscitiva, in Annali della Pubblica Istruzione, 1995, n. 4, p. 309.

^[18] A. B. Arons, Guida all’insegnamento della fisica, Bologna, Zanichelli, pp 371, 372, 373, 374, 384,387, 380, 381.

^[19] F. Cambi, Saperi e competenze, Bari, Laterza, 2000, p.80.

^[20] Ibidem, p. 80.

^[21] “I veri programmi li fanno gli editori, che si basano su un modello di insegnante molto conservatore in vista delle adozioni e dei conseguenti profitti (basterebbe citare il caso dei manuali di 1000 e più pagine/anno, concepiti con l’odea che così gli insegnanti li trovano completi avendo un margine di scelta personale per le 100 pagine che effettivamente impiegheranno” (C. Bernardini, in Le conoscenze fondamentali per l’apprendimento dei giovani nella scuola italiana nei prossimi decenni. I materiali della Commissione dei Saggi, Firenze, Le Monnier, 1997, pp. 120.

^[22] C. Fiorentini, Quali condizioni per il rinnovamento del curricolo scientifico?, in F. Cambi, L’arcipelago dei saperi. Progettazione curricolare e percorsi didattici nella scuola dell’autonomia, Firenze, Le Monnier, 2000, pp. 275-290.

^[23] E’ molto interessante l’articolo di S. Tamburini  Cambiare la scuola in America, pubblicato in Sapere, 1997, n. 5: viene presentato Project 2061, un progetto americano preparato per rinnovare radicalmente l’insegnamento scientifico-matematico-tecnologico. Tra le innumerevoli proposte avanzate, vi è un totale ridimensionamento degli aspetti formalizzati. In più punti si parla invece di comprensione qualitativa.

^[24] J. Bruner, La cultura dell’educazione, Milano Feltrinelli, 1997, p. 179, 27.

^[25] F. Cambi, La complessità come paradigma formativo, in op. cit. p. 142.

^[26] J. Bruner, op. cit., p. 27.

^[27] “Elemento cruciale per l’apprendimento è dato dalla qualità delle esperienze che insegnanti e studenti realizzano in relazione alle aree di studio … L’istruzione non può e non deve mirare ad essere enciclopedica. Sezioni diverse del sistema scolastico hanno livelli e scopi diversi, ma in ognuna di esse la regola dovrebbe essere l’insegnamento di alcune cose bene e a fondo, non molte cose male e superficialmente: si deve avere il coraggio di scegliere e di concentrarsi”. ( R. Maragliano, Sintesi dei lavori della Commissione tecnico-scientifica, in Le conoscenze fondamentali per l’apprendimento dei giovani nella scuola italiana nei prossimi decenni. I materiali della Commissione dei Saggi, Firenze, Le Monnier, 1997, p. 78.

^[28] L. Barsantini, Sull’insegnamento della fisica, in Insegnare, 2000. n. 5, pp. 42-45.

^[29] Sono stati pubblicati negli ultimi anni due progetti curricolari per la scuola di base che hanno indubbiamente molti aspetti pedagogico-culturali in comune; differiscono radicalmente, tuttavia, sulla scelta delle problematiche, sull’idea che “sia possibile insegnare qualsiasi cosa a qualsiasi età” con le modalità opportune. Il primo progetto, legato a questa visione è stato pubblicato in questi due libri:  F. Alfieri, M. Arcà, P. Guidoni, Il senso di fare scienze. Un esempio di mediazione tra cultura e scuola, Torino, Bollati Boringhieri, 1995;  F. Alfieri, M. Arcà, P. Guidoni, I modi di fare scienze, Torino, Bollati Boringhieri, 2000. Ed anche il secondo progetto è stato pubblicato in due libri: L. Barsantini, C. Fiorentini, L’insegnamento scientifico verso un curricolo verticale. Volume primo. I fenomeni chimico-fisici, L’Aquila, IRRSAE Abruzzo, 2001; G. Cortellini, A. Mazzoni, L’insegnamento delle scienze verso un curricolo verticale. Volume   secondo. I fenomeni biologici, L’Aquila, IRRSAE Abruzzo, 2002. 

^[30] J. Bruner, op. cit., pp. 10, 142.

^[31] Commissione dell’Unione Europea (a cura di), Insegnare e apprendere verso la società conoscitiva, in Annali della

Pubblica Istruzione, Il Mulino, Bologna, 1995, p. 311. 

^[32] R. Maragliano, Sintesi dei lavori della Commissione tecnico-scientifica, in Le conoscenze fondamentali per l’apprendimento dei giovani nella scuola italiana nei prossimi decenni. I materiali della Commissione dei Saggi, Firenze, Le Monnier, 1997, pp. 81-81.

^[33] P. Mirone, La termodinamica può essere insegnata agli adolescenti? In Nuova Secondaria, 1994, n. 3, pp. 78-81.

^[34] Fra gli innumerevoli articoli che hanno messo in evidenza o la difficoltà dell’insegnamento, nella scuola secondaria superiore, di determinate problematiche della chimica o i risultati dell’insegnamento chimico usuale ci limitiamo a ricordarne alcune: A. Roletto, B. Piacenza, Il concetto di sostanza: una indagine sulle concezioni degli studenti universitari, in La chimica nella Scuola, 1993, n. 5, pp. 11-15; B. Piacenza, E. Roletto, Il concetto di densità: difficoltà di apprendimento, in Didattica delle Scienze e Informatica nellaScuola, 199, n. 172, pp. 19-22; P. Mirone, Per un più efficace insegnamento delle scienze, in Nuova Secondaria, 1995, n. 5, pp. 21-24; L. Benedetti, P. Mirone, Lacune concettuali negli studenti universitari di chimica, in La Chimica nella Scuola,1995, n. 2, pp. 43-47; P. Mirone, Per una definizione operativa del concetto di reazione, in Nuova Secondaria, 1996, n. 2, pp. 84-86; P. Mirone, Considerazioni sul concetto di reazione chimica, in La Chimica nella Scuola, 1998, n. 2, pp. 49-51; P. Mirone, Perché la chimica è difficile? In La Chimica nella Scuola, 1999, n. 3, pp. 67-70; P. Mirone, E. Roletto, Un’indagine sulle concezioni delle matricole di chimica, in La Chimica nella Suola, 1999, n. 4, pp. 116-121; P. Mirone, Gli orbitali sono realmente necessari nell’insegnamento della chimica? In La Chimica nella Scuola, 2003, n. 4, pp. 103-107; G. Del Re, Nota sul concetto di legame chimico, in La Chimica nella Scuola, 1996, n. 5, pp. 155-157; R. Gillespie, Legame senza orbitali, in La Chimica nella Scuola, 1997, n. 1, pp. 2-5.  

^[35] G. Bini, A. Borsese, Alcune considerazioni sui test per l’ammissione all’Università in Italia, Scuola e Città, 1995, n. 9, pp. 384-389.

^[36] P. Violino, Alcune considerazioni sul Laboratorio di fisica e di Chimica, in La Chimica nella Scuola, 1994, n. 5, pp. 132-136; F. Olmi, Ripensare i fondamenti dell’insegnamento della chimica al biennio, in La Chimica nella Scuola, 1997, n. 1, pp. 9-13.

^[37] Piani di studio della scuola secondaria superiore e programmi dei primi due anni. Le proposte della Commissione Brocca, Firenze, Le Monnier, p. 281, 1991.

^[38] Nelle finalità del programma vi erano queste considerazioni: “Il termine laboratorio sta ad indicare il carattere operativo di questo insegnamento. Naturalmente ci si riferisce ad una operatività sia mentale che concreta: gli studenti vengono educati ad operare al fine di trasformare la realtà indagata in rappresentazioni mentali (conoscenze, concetti, intuizioni) e ad utilizzare le rappresentazioni mentali acquisite per ulteriori indagini nella realtà concreta”, ibidem, p. 281.

^[39] F. Cambi, Saperi e competenze, Bari, Laterza, 2004, p.77-78. J. Bruner, Op. cit., p. 138. (Bruner ricorda come N. Bhor confessò di essere arrivato all’idea di complementarità in fisica, a partire da un dilemma morale che riguardava suo figlio).

^[40] Nuffield Chimica, Livello I, Bologna, Zanichelli, 1973; Nuffield Chimica, Livello II, Bologna, Zanichelli, 1974.

^[41] J, Bruner, La cultura dell’educazione, Milano, Feltrinelli, 1997, pp. 8, 185.

^[42] Ibidem, p. 9.

^[43] Ibidem, p. 192.

^[44] Ibidem, p. 11.

^[45] Ibidem, p. 34.

^[46] Ibidem, p. 95.

^[47] Queste proposte pedagogiche iniziarono ad essere ampiamente conosciute in Italia soltanto alla fine degli anni ottanta; un libro che contribuì a far conoscere alcuni aspetti, quelli maggiormente di ispirazione vygotslijana, fu: C. Pontecorvo, A. M. Ajello, C. Zucchermaglio, Discutendo si impara, Firenze, La Nuova Italia, 1991, 

^[48] E. Ferreiro, A Teberosky, La costruzione della lingua scritta nel bambino, Firenze, Giunti, 1985, p 25-26.

^[49] J. Bruner, op. cit., p. 53.

^[50] Ibidem, p. 135.

^[51] Ibidem, p. 103.

^[52] Ibidem, p. 53.

^[53] Ibidem, p. 126.

^[54] Ibidem, p.138, 140.

^[55] G. Bagni, Il bisogno di senso dell’insegnamento scientifico, in R. Conserva (a cura di), Il nuovo esame di stato, Bologna, Zanichelli, 2000.

^[56] E. Aquilini, Il ruolo del  concetto di gas nella costruzione delle basi della chimica, in La Chimica nella Scuola, 2000, n. 5, pp. 149-152.

^[57] C. Fiorentini, E. Roletto, Ipotesi per il curricolo di chimica, in La Chimica nella Scuola, 2000, n. 5, pp. 158-168; A. Testoni, D. Colombi, Quale teoria per gli acidi? La teoria dell’acidità di Lavoisier, in Atti del XII Congresso della Divisione Didattica della Società Chimica Italiana, Trieste, 2001, pp. 139-149.

^[58] T. Khun, La funzione della misura nella scienza fisica moderna, in La tensione essenziale, Torino, Einaudi, 1985, pp. 212, 214.

^[59] C. Fiorentini, La legge dei volumi di Gay Lussac: una legge evidente?, in CIDI di Firenze, Storicità e attualità della cultura scientifica e insegnamento delle scienze, Firenze, Marietti-Manzuoli, 1986, pp. 231-247. 

^[60] C. Fiorentini, V. Parrini, Dalla legge delle proporzioni multiple alle formule chimiche: l’origine dei simboli chimici, delle formule, dei pesi atomici, in Didattica delle scienze, 1987, n. 129, pp. 35-42.

^[61] E. Torracca, Una dimensione storica dell’insegnamento della chimica?, in Epsilon, 1994, n. 2, pp. 17-22; P. Riani, L’insegnamento della chimica, in Didattica delle Scienze e Informatica nella scuola, 1996, n. 182, pp. 22-26; L. Orlando, Ma nelle scuole parliamo di storia, in Sapere, 1997, n. 5, pp. 30-36.

^[62] M. Mancini, E. Torracca, Che tipo di esperimenti ci sono nei libri di testo di chimica?, in La Chimica nella Scuola, 2001, n. 4, pp. 121-127.

^[63] F. Olmi, Una sfida da raccogliere: l’esistenza di un più efficace approccio ai saperi scientifici fin dai primi livelli scolari, in Naturalmente, 2002, n. 4, pp. 31-39.

^[64] J. Bruner, op. cit., p. 154

^[65] C. Fiorentini, Psicologia, epistemologia e storia nel rinnovamento del curricolo chimico, in Rassegna, 2000, n. 12, pp.28-42.

^[66] J. Bruner, La fabbrica delle storie, Bari, Laterza, 2002, pp. 12, 13.

^[67] M. Ciardi, Il ruolo della storia e dell’epistemologia nella costruzione del curricolo verticale: Per una storia della didattica della chimica e una rivalutazione della ruolo della cultura chimica in Italia, in La Chimica nella Scuola, 2002, n. 3, pp. 79-83.

^[68] J. Bruner, La fabbrica delle storie, Bari, Laterza, 2002, p. VII.

^[69] K. Popper, Congetture e confutazioni, Bologna, Il Mulino, 1921, p.177.

^[70]Infatti la spiegazione all’apparenza più ragionevole è quella di ritenere che il solfato ferroso (verde), lasciato all’aria, è capace di produrre un numero indefinito di solfati, corrispondenti ai diversi gradi di ossidazione del ferro.

^[71] I composti erano consideraste da Proust le “combinazioni vere”.

^[72] G. G. Simpson, Evoluzione. Una visione del mondo, Firenze, Sansoni, 1972.

^[73] C. Fiorentini, Il ruolo delle scienze sperimentali nel progetto Brocca, in Insegnare, 1992, n. 7, pp. 14-16. 

^[74] Bruner con cui polemizzò Ausubell 30 anni fa ha ben poco in comune con il Bruner a cui abbiamo fatto riferimento in questo saggio. Già negli anni 60, Bruner, interessandosi sempre più di educazione, iniziò un cammino che lo avrebbe portato a posizioni pedagogiche molto diverse e molto più complesse di quelle presenti in libro Dopo Dewey. Il processo di apprendimento nelle due culture che lo rese famoso a livello mondiale.

^[75] Questa concezione bruneriana era stata criticata aspramente fin dall’inizio da alcuni pedagogisti, tra i quali Lydia Tornatore (Educazione e conoscenza, Torino, Loescher, 1974.)

^[76] D. P. Ausubel, Educazione e processi cognitivi, Milano, Angeli, 1983, p. 470.

^[77] Ibidem, p. 452.

^[78] Ibidem, p. 454.

^[79] Ibidem, pp. 470-471.

^[80] D. Basosi, Perché le piante, in Naturalmente, 2003, n. 2, pp. 29-31.

^[81]D. P. Ausubel, Educazione e processi cognitivi, Milano, Angeli, 1983, p. 471.

^[82] T. Khun, La funzione della misura nella scienza fisica moderna, in La tensione essenziale, Torino, Einaudi, pp.193-243.

^[83][83] P. Falsini, Tempi distesi e scelta dei contenuti per rinnovare l’insegnamento scientifico, in Naturalmente, 2003, n. 3, pp. 40-42.

^[84] P. Falsini, La fisica ingenua resiste, in La Fisica nella Scuola, 2004, n. 1, pp. 13-18.

Eleonora Aquilini

ITC “C.Cattaneo?di S. Miniato- Vicepresidente DD-SCI

ele.aquilini@tin.it

Il linguaggio ?centrale nella formazione dell’uomo  perch?in primo luogo rende possibile l’accesso ai significati di ordine superiore, quelli non collegati direttamente all’istinto e agli aspetti  pi?primitivi del nostro essere. Tuttavia ?facile perdersi nei meandri delle definizioni, per questo vorrei iniziare da una definizione semplice, data da alunni di una scuola, anche se molto particolare, quella di Barbiana: ?b>La lingua poi ?formata dai vocaboli d’ogni materia. Per cui bisogna sfiorare tutte le materie un po?alla meglio per arricchirsi la parola. Essere dilettanti in tutto e specialisti solo nell’arte del parlare.?/b>(1)

Questa osservazione traduce in realt?in maniera ottimale la trasversalit?del linguaggiorispetto alle varie discipline soprattutto nella scuola di base, dove le discipline non devono formare degli specialisti, ma devono solo “formare?gli individui per  essere cittadini capaci di capire e farsi capire.

Del resto anche Gramsci, come ci ricorda De Mauro, aveva sottolineato la connessione tra linguaggio e formazione:

“Gramsci…… non  dimentica mai d’insegnarci che ?il linguaggio, quale luogo di conoscenza, espressione, interazione, ?il linguaggio, il terreno su cui da alcune decine di millenni si gioca la grande partita che degli umani fa, quando la vincano, esseri pienamente capaci di senso e di storia. Ed ?l’educazione, ?la scuola lo spazio in cui nelle societ?anche appena sviluppate, singoli e ceti possono farsi classe e vincere quella diuturna partita sibi et alienis. Questo, penso, leggeva e ha spinto a leggere in Gramsci don Milani.?/span>(2)

In Pensiero e linguaggio Vygotskij (3) analizza gli stadi relativi alla nascita del linguaggio e al suo sviluppo. Tale processo  ?visto come l’espressione della progressiva e sempre migliore organizzazione dei contenuti percettivi fino alla formazione dei concetti.

Il passaggio dalla concretezza all’astrazione del significato delle parole si schematizza nella successione: mucchi, complessi, concetti.

Tutte e tre sono fasi del pensiero. Si pensa “per mucchi?/span> quando il pensiero ?sincretico e la  funzione indicativa che ha la parola ? riferita ad un insieme di oggetti collegati fra loro per caso nella percezione del bambino.

Nel ?/span>pensiero per complessi?/span> i legami che uniscono i vari oggetti in un complesso hanno carattere oggettivo, esistono veramente. “I legami fattuali caratterizzanti i complessi sono scoperti tramite l’esperienza diretta?Dacch?un complesso non ?nbsp; logico astratto, i legami che lo creano, come pure quelli che esso contribuisce a creare, mancano di unit?logica, e possono essere di specie molto diverse?4).

Vengono individuati  cinque tipi di complessi, e con essi la parola diventa il cognome di quella famiglia di oggetti i cui legami di parentela possono essere molteplici.

Successivamente i bambini diventano sempre pi?nbsp; capaci di mantenere fissi i criteri dei loro raggruppamenti, delle loro generalizzazioni. A questo punto troviamo lo pseudo-concetto che assomiglia ad un concetto “ma in realt?il criterio che vi corrisponde nella formazione dei raggruppamenti ?ancora quello di legami oggettivi concreti e fattuali sulla base della semplice associazione?(5)

Vygotskij enfatizza il ruolo dell’adulto che nello stadio dei complessi e poi in quello degli pseudoconcetti fornisce al bambino una parola  ed il significato che  inizialmente  non ?lo stesso  per entrambi ( perch?il bambino pensa la stessa cosa in modo diverso servendosi di operazioni mentali diverse), poi lo diventer? La comprensione fra i due ?nbsp; intanto assicurata in quanto parlando  ci si riferisce agli stessi oggetti; lo scambio, la relazione adulto-bambino  apre la strada, avvia il processo delle generalizzazioni, fino alla formazione dei concetti veri e propri.

“L’adulto fornisce semplicemente il significato gi?pronto di una parola, intorno a cui il bambino forma un complesso, con tutte le particolarit? funzionali, strutturali e genetiche del modo di pensare per complessi?Nella vita reale i complessi corrispondenti ai significati delle parole non sono sviluppati spontaneamente dal bambino: le linee lungo le quali un complesso si sviluppa sono predeterminate dal significato che una data parola gi?possiede nel linguaggio degli adulti.?(6)

E? interessante poi l’analogia fra il processo della creazione del linguaggio nella storia delle varie lingue umane e il processo della formazione dei complessi nello sviluppo intellettuale del bambino. La storia di una parola cambia nei suoi significati come nel pensiero del bambini e l’insieme dei significati viene a costituire un complesso.

Il concetto emerge, secondo Vygotskij, quando la totalit?delle caratteristiche

concrete, vengono astratte e poi sintetizzate di nuovo. Tale sintesi astratta diventa allora lo strumento principale di pensiero.

I complessi vengono chiamati anche schemi e coincidono con i  concetti spontanei  o quotidiani. I concetti  veri  e propri sono ?/span>formali? e   sono i concetti scientifici che vengono appresi principalmente a partire dall’et?scolare.

Schemi e concetti interagiscono fungendo da collegamento fra l?/span>esperienza concreta e l’astrazione, nel senso che i concetti organizzano per cos?dire dall’alto in maniera  convenzionale l’esperienza e l’esperienza, dal basso, tramite gli schemi riempie di contenuto i concetti. Viene detto  esplicitamente che i concetti non influenzano gli schemi se la distanza fra i due ?eccessiva e questo ci ricorda da vicino la teoria di Piaget relativa all’assimilazione e accomodamento che postula l’impossibilit?di assimilare quei concetti che le strutture cognitive di quel dato stadio evolutivo non sono in grado di recepire.

L’importanza di tale considerazione a cui Vigotskij giunge separatamente da Piaget, ?fondamentale per le implicazioni didattiche che comporta. Tuttavia mentre Piaget in generale non affronta  direttamente il problema della ricaduta nell’insegnamento della sua teoria, Vigotskij concepisce l’insegnamento come parte integrante dello sviluppo: e?l’istruzione formale che trasmette  i contenuti e insegna a riflettere sui contenuti.

Quindi il fatto  che l’insegnamento, che porta l’astrazione nell’esperienza quotidiana, tenga conto degli schemi spontanei e sia dipendente da questi, ?basilare per un corretto apprendimento. Il rischio che l’educatore vada oltre questi limiti e che i contenuti dell’insegnamento non siano pi?assimilabili convenientemente e che diventino sovrapposizione di concetti incomprensibili e non assimilazione, ? grande.

Il pericolo ?proprio quello di un verbalismo didattico che non porta a nessun apprendimento significativo.

C’è da dire per?che V. non fa una distinzione fra i diversi tipi di concetti scientifici e l’avere attribuito a tutti indistintamente la propriet?della presa di coscienza ?un po?azzardato. Sicuramente i concetti scientifici di tipo specialistico delle varie discipline non hanno le stesse caratteristiche dei concetti scientifici elementari. Un esempio di                    concetto scientifico elementare che riporta V. ?il concetto di fiore che ?una generalizzazione rispetto a rosa.

In generale comunque sia i concetti scientifici apparentemente pi?elementari che quelli specialistici e disciplinari sono fra loro stratificati e tali distinzione va fatta nel momento in cui si pensa ad un insegnamento di essi.

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                 RIFLESSIONI PER UNA PROPOSTA D’INSEGNAMENTO SCIENTIFICO

Le considerazioni fatte sul costrutto concetti spontanei- concetti scientifici, si basano sull’idea che sia necessario distinguere fra i diversi tipi di concetti scientifici ossia fra quelli specialistici delle varie discipline e i concetti scientifici elementari. Inoltre la propriet?psicologica della presa di coscienza che V. attribuisce a tutti i concetti scientifici non ? implicita. Il problema dell’insegnamento ? l’accesso ai significati  dei concetti scientifici disciplinari e questo riteniamo sia possibile conferendo ad essi un’organizzazione adatta che non prescinda da considerazioni storico- epistemologiche (7). Tale operazione deve essere preceduta dalla individuazione dei concetti pi?importanti della disciplina sia in relazione alla sua organizzazione specialistica attuale che alle strutture cognitive dello studente, che alle sue concezioni di senso comune.

L’organizzazione dei concetti scientifici nella scuola di base e nella scuola superiore deve essere diversa e tale distinzione deve basarsi principalmente su considerazioni riguardanti la psicologia evolutiva. Il riferimento principale ? la teoria degli stadi di Piaget nelle sue linee essenziali e incontestabili: gli stadi esistono anche se non sono precisamente localizzati nel tempo e legati ad una specie di automatismo biologico.

L’importante ?che lo stadio delle operazioni formali, indipendentemente da quando lo si raggiunga, ?comunque preceduto da quello delle operazioni concrete. Teoricamente questi due stadi sono quelli in cui si trovano rispettivamente gli alunni delle scuole superiori e quelli della scuola di base. Ci?implica che la comprensione del procedimento ipotetico- deduttivo  tipico dello sviluppo scientifico non pu?esserci quando la capacit?di astrazione non ?ancora consolidata. Una impostazione fenomenologica in cui sia possibile ragionare induttivamente sar?pi?adatta nella scuola di base. Per la costruzione della conoscenza ad ogni et?si considera di centrale importanza il costrutto piagetiano di assimilazione e accomodamento. In altre parole non ? possibile comprendere quello che le strutture cognitive non sono preparate ad accogliere. L’apprendimento deve essere graduale e ci?comporta che l’insegnante di materie scientifiche  sia consapevole, come gi?detto, della    stratificazione dei concetti scientifici.

Di centrale importanza ? il ruolo del linguaggio nello sviluppo dei concetti e per la loro acquisizione. In particolare la traduzione in linguaggio scritto delle osservazioni fatte sui fenomeni studiati nella scuola di base, attiva il sistema di rappresentazione simbolica che ?appunto quello della consapevolezza.

Vygotskij ha studiato il processo relativo allo sviluppo del linguaggio scritto e ha rilevato che ?/span>Il linguaggio scritto ?una funzione linguistica separata, che si distingue dal linguaggio orale sia nella struttura che nel funzionamento. Anche il suo sviluppo minimo richiede un alto livello di astrazione?Nell’imparare a scrivere il bambino deve liberarsi dell’aspetto percettivo del linguaggio e sostituire le parole con immagini di parole. Il linguaggio che ?solo immaginato e che richiede una simbolizzazione dell’immagine sonora mediante l’impiego di segni scritti (cio?un secondo grado di simbolizzazione) deve essere naturalmente pi? difficile del linguaggio orale??/span>(8)                                                                                 

Il ruolo delle discipline scientifiche ?molto importante nella formazione, deve per?essere analizzata la struttura della disciplina prima di essere  oggetto di apprendimento.

Ogni disciplina scientifica si definisce con lo studio di  fenomeni, le  leggi macroscopiche, le  leggi microscopiche, il  linguaggio. La comprensione di questi termini necessita della conoscenza  dei loro fondamenti epistemologici, della loro storia. Il   linguaggio della disciplina, in particolare, rispecchia e contiene tutto questo. Prendere in considerazione il linguaggio scientifico  significa allora prendere in esame  contemporaneamente l’organizzazione dei concetti disciplinari  (quelli che  ne costituiscono l’attuale statuto),  poich?nbsp; considerare i due aspetti separatamente vorrebbe dire contribuire a quella scissione di significati che ? purtroppo in atto nella scuola italiana da molto tempo.

Spesso nell’insegnamento scientifico usuale invece il linguaggio domina sugli altri fattori che costituiscono la disciplina e sembra assumere vita propria dai contenuti. Il linguaggio caratterizzato dalla complessit?delle parole da specialisti e una costruzione della frase tipica della disciplina, viene propinato agli alunni di tutte le et? come se fosse una lingua straniera da imparare, prima o poi, a forza di sentirla. L’accesso ai significati ?invece “innaturale?e richiede analisi disciplinare, tempi lunghi e consapevolezza della stratificazione dei concetti.

Qual ?l’effetto del modo consueto di insegnare  sugli alunni alle varie et?

   A livello di scuola media superiore allora la chimica viene recepita come una serie di nomi  di composti, di cui spesso si ignora tutto dal punto di vista del comportamento chimico; ogni  parola ?scollegata dal suo significato reale e imparare la nomenclatura ?una specie di gioco in cui contano regole verbali, “grammaticali?(la  conoscenza concreta della reattivit?dei composti che d?un  senso ai loro nomi spesso ?totalmente ignorata). Il linguaggio, ?uno  dei fattori fondamentali della disciplina, ma nell’insegnamento dovrebbe essere sempre    espressione di contenuti chiari, compresi, assimilati perch?se ne conosce la storia, il contesto in cui sono nati, la loro eventuale  osservabilit?o riproducibilit?sperimentale.

 Ci sono parole usate nel linguaggio scientifico che comprendono  significati complessi, come la parola acido che esprime uno dei concetti fondamentali della chimica. Il concetto di acido richiede una “costruzione?nbsp; lenta che parte dalla definizione di senso comune, va dalla definizione operativa adatta alla scuola media, alle definizioni  teoriche di Broensted o di Lewis della scuola media superiore. Il termine acido andr?acquisendo significati sempre pi?elaborati e il tutto si tradurr?in consapevolezza che passa anche attraverso la lingua.

Conseguentemente l’organizzazione dei concetti deve, a nostro avviso, essere  diversa nella scuola di base e nella scuola media superiore . Anche se l’argomento di studio ?nbsp; sempre quello dei fenomeni naturali, nella scuola di base essi devono essere scelti fra quelli “non troppo carichi di teoria?. Il metodo sar? fondamentalmente diverso in questi due ordini di scuola:   nella scuola di base le attivit?principali saranno quelle di  osservare, descrivere, confrontare (9), nella scuola media superiore  le leggi macroscopiche dovrebbero essere studiate grazie alla contestualizzazione storica insieme ad una riflessione sulle modalit?d’indagine della scienza. Nella scuola di base ha un grande importanza l’utilizzo del linguaggio scritto, grazie al quale le parole usate per descrivere un certo fenomeno osservato, acquistano, per cos?dire, peso e importanza. Nella scuola di base e nella scuola media superiore il linguaggio dovrebbe essere   utilizzato  per riempire di significati le parole, per dare quindi  senso alle strutturazioni linguistiche delle frasi.

Lo scopo ?nbsp; anche quello, trasversale a tutte le discipline, di potenziare le competenze linguistiche, essenziali per la conoscenza. Come ci dice Calasso  in “Le nozze di Cadmo e Armonia? l’alfabeto, il dono fatto da Cadmo alla Grecia,  ?paragonabile a quello dell’acqua, portata da Danao: ?i>Cadmo aveva portato alla Grecia <<doni provvisti di mente>>: vocali e consonanti aggiogate in segni minuscoli, <<modello inciso di un silenzio che non tace>>:l’alfabeto. Con l’alfabeto, i Greci si sarebbero educati a vivere gli dei nel silenzio della mente, non pi? nella presenza piena e normale, come a lui era toccato il giorno delle sue nozze?nessuno mai avrebbe potuto cancellare quelle zampe di mosca che Cadmo il fenicio aveva sparpagliato sulla terra greca..?(10)

E le parole sono “provviste di mente?quando i significati non sono disgiunti da esse, sia che esse siano scritte o vengano emesse come  insieme di suoni, per vivere “gli dei nel silenzio della mente?

BIBLIOGRAFIA

1) Scuola di Barbiana, Lettera ad una professoressa, Libreria Editrice Fiorentina,1969.

2)T. De Mauro ?Prima persona singolare passato prossimo indicativo? Bulzoni Editore,1998,    p.158.

                   3) L.S. Vygotskij “Pensiero e linguaggio? Giunti – G.Barbera,1969.

 4) Ibidem  p.84-85.

                    5) G. Cavallini,op.cit.p.303

 6) L.S. Vygotkij, op. cit., pp.91-92

  7) C. Fiorentini, Riflessioni epistemologiche e psicopedagogiche e proposte sull’insegnamento scientifico (Tesi di laurea), Anno Accad. 1993-94, Firenze.

                     8) L.S. Vygotkij, op. cit., pp. 199-221

         9)C. Fiorentini, Quali condizioni per il rinnovamento del curricolo?, in F.Cambi (a cura   di), L’arcipelago dei saperi,Progettazione curricolare e percorsi didattici nella scuola dell’Autonomia, Le Monnier, Firenze, 2000, p.275-290.

                     10) R. Calasso,Le nozze di Cadmo e Armonia, Gli Adelphi, Milano, 1995, p.436.

Percorso didattico per la classe terza del Liceo Scientifico PNI

Progetto: prof.ssa Paola Falsini (Fisica)

Collaborazione: prof. Giulia Fornaini (Lettere) e Mirta Stampella (Matematica)

Liceo Scientifico “A.M.E. Agnoletti”  Sesto Fiorentino

a.s. 2003/2004

PRESENTAZIONE

La proposta didattica qui presentata, elaborata all’interno del progetto TRASVERSALIA, si sviluppa a partire da un preciso ambito disciplinare, quello della Fisica, col proposito di introdurvi elementi decisamente innovativi dal punto di vista della didattica della disciplina stessa, scaturiti dalla riflessione condotta sulle categorie della complessità e della narrazione; essa cerca di configurarsi come concreto esempio di quella trasformazione delle pratiche d’insegnamento di cui ha urgente bisogno la nostra scuola media superiore.

Il tema scelto vuole offrire agli studenti un incipit allo studio della Fisica che sia, per qualità e contenuti, un taglio netto con quelle presentazioni banalmente semplificate che troviamo nei nostri manuali scolastici. Riflettendo sul modo tradizionale di insegnare Fisica, non è difficile rendersi conto del fatto che la trattazione proposta dai manuali, alla quale gli insegnanti si adeguano nelle linee generali, non rappresenta che la tappa finale di un processo che si è dato storicamente e che è sempre del tutto ignorato, se si escludono alcune nozioni frettolose che hanno quasi più il carattere della diversione o dell’intrattenimento. Ciò significa dare per scontati concetti anziché procedere alla loro costruzione; il concetto resta per lo studente del tutto oscuro, e spesso di ciò l’insegnante non è neppure consapevole; che cosa sarà allora la Fisica nella percezione dello studente? Un formulario che bisogna addestrarsi ad utilizzare, con risultati accettabili solo per pochi e con scarsa o nessuna consapevolezza dei significati per i più.

Tradizionalmente lo studio della Fisica si fa iniziare con lo studio del movimento dei corpi e con i principi della dinamica, Principio d’Inerzia in testa; quest’ultimo viene giustificato suggerendo semplici esperienze, tratte dal quotidiano o da svolgersi in laboratorio. Allo stesso modo, è evidente, si prosegue poi nella trattazione di altri principi fondamentali. Questo modo di procedere, che ignora nel modo più assoluto le profonde trasformazioni del pensiero, non solo scientifico, che hanno condotto alla formulazione del Principio d’Inerzia, produce diversi esiti negativi; la mancata concettualizzazione, cui abbiamo accennato sopra, dà luogo a un apprendimento poco significativo dal punto di vista della formazione dello studente e la trasmissione di un’immagine del tutto inadeguata di ciò che la scienza e il fare scienza siano davvero. Si pensi ad alcuni esperimenti proposti (anche della scuola media inferiore) per la verifica della legge d’inerzia: a una trattazione solo libresca si sostituisce un approccio “sperimentale”; ma la didattica delle scienze non procede così verso un rinnovamento significativo. Consideriamo infatti: se anche un ragazzino della scuola media può scoprire la legge d’inerzia, come è stato possibile che essa non sia stata formulata fino al XVII secolo? E che sia stato necessario il contributo di diverse grandi menti? Dunque, l’approccio banalmente induttivo non può davvero permettere allo studente di cogliere il vero e più ampio significato della legge; sarà l’approccio narrativo, che non esclude ben inteso l’esecuzione dei semplici esperimenti, a consentirci di interpretare qualcosa di inatteso nel comportamento della natura (cfr Bruner) e anche di comprendere quello che potrebbe altrimenti essere inteso come un ritardo inspiegabile nella storia del “progresso scientifico”.

La proposta che presentiamo vuole dunque condurre gli studenti alla consapevolezza della complessità del percorso che, a partire dalle idee aristoteliche, attraverso la critica ai concetti di moto naturale e moto violento, giunge all’idea che i corpi siano indifferenti al movimento, all’indipendenza dei moti simultanei, al Principio di Relatività e al Principio d’Inerzia. Il percorso, si capisce, ha una forte valenza propedeutica rispetto al cuore della Fisica classica, l’opera di Newton (le leggi della dinamica e la gravitazione universale).

Nell’elaborazione della proposta abbiamo dunque ben presente il punto di vista di J. Bruner sulla dimensione narrativa del processo del fare scienza. Nel suo libro “La cultura dell’educazione” egli suggerisce di spostare “il fulcro dell’attenzione da un interesse per la ‘natura-là-fuori’ a un interesse per la ricerca sulla natura., su come si fa a costruire un proprio modello di natura. E’ questo passaggio che trasforma la discussione da scienza morta a un vivace fare scienza. …Il processo del fare scienza è narrativo. Consiste nel produrre ipotesi sulla natura, nel verificarle, correggerle e rimettere ordine nelle idee. Nel corso della produzione di ipotesi verificabili giochiamo con le idee, cerchiamo di creare anomalie, cerchiamo di trovare belle formulazioni da applicare alle contrarietà più intrattabili in modo da poterle trasformare in problemi solubili, inventiamo trucchi per aggirare le situazioni intricate. La storia della scienza (…) può essere raccontata in forma drammatica, come una serie di vicende quasi eroiche di soluzione dei problemi.”

Questa attenzione ai processi narrativi del fare scienza suggerisce anche di interessarsi al ruolo dell’immaginazione nella scienza; come afferma G. Holton nel suo libro “La lezione di Einstein”, di solito si ritiene che la scienza e l’arte appartengano a due mondi distinti, mentre “tra loro esistono affinità profonde, perché, pur essendo diversi gli scopi, gli strumenti e i prodotti, l’ingegno e la passione che animano le due imprese sono simili”; e suggerisce di cogliere di sorpresa gli scienziati, andando a frugare nelle loro notazioni personali e nei quaderni di laboratorio, per scoprire ciò che essi non si sono curati di rivelare; ciò che, ad esempio, Galileo non ci ha raccontato nei Discorsi e che invece lo storico Stillman Drake ha saputo  ricostruire studiando i manoscritti su cui lo scienziato pisano aveva riportato calcoli e registrazioni sperimentali. Tuttavia, dovendo dare un limite, anche di svolgimento temporale, al nostro lavoro non è stato possibile sviluppare appieno tutte le suggestioni, le occasioni di approfondimento che esso ci ha offerto; così, si è lavorato sui testi di Galileo, che certamente ci svelano poco o quasi niente del “contesto della scoperta” (soprattutto se si pensa ai Discorsi), lasciando a un’altra occasione di sperimentazione didattica una riflessione, ad esempio sui manoscritti,  che possa condurre a un’immagine nuova, certamente del tutto estranea ai manuali scolastici, del fare scienza. E, allo stesso modo, per limiti di tempo, non è stato possibile approfondire il ruolo della misura nell’affermarsi delle teorie scientifiche, tema a cui il nostro percorso si è accostato in diverse occasioni.

Abbiamo già, poco sopra, parlato di complessità; cerchiamo qui di precisare meglio il legame tra questa categoria e il percorso scelto. Il nostro tema è il movimento: si tratta di un soggetto antichissimo, dice Galileo all’inizio della giornata terza dei suoi Discorsi. Aristotele aveva coniato il termine fisica – physis, per designare lo studio della natura; l’evento rilevante che caratterizza la natura è il mutamento, e il movimento non è che un particolare tipo di mutamento, di luogo rispetto al tempo. Era talmente stretto il rapporto tra la fisica nel suo complesso e lo studio del moto che Aristotele aveva dichiarato che ignorare il moto è ignorare la natura.  Il cuore del nostro percorso è proprio il tentativo di mostrare come le spiegazioni del movimento che si sono date storicamente siano intrecciate con le rappresentazioni dell’universo che gli uomini si sono costruite; intreccio quindi tra astronomia, cosmologia e fisica.  Dunque, i cambiamenti delle concezioni sul movimento sono strettamente legati con altri cambiamenti fondamentali nella storia del pensiero scientifico e filosofico, a loro volta indissolubilmente legati alle trasformazioni del mondo civile, religioso, economico, che pure cercheremo di non trascurare. Il Principio di Relatività e il Principio d’Inerzia, quindi, devono essere colti come sintesi, come risultato di quel processo di trasformazione dell’immagine dell’universo che A. Koyré chiama disgregazione del cosmo aristotelico, sostituzione di uno spazio geometrico a uno spazio fisico concreto. La rappresentazione del mondo fisico che ne scaturisce è di natura completamente nuova: il reale è descritto con il linguaggio della matematica, ed è la costruzione di strumenti, che consentono misure sempre più accurate, a rendere possibile questa descrizione. 

Il percorso didattico di seguito descritto si è sviluppato a partire dalle idee qui presentate, volendo contribuire a educare i nostri studenti ad una lettura attenta, articolata, mai banale o eccessivamente semplificata della realtà, anche in contesti totalmente diversi da quelli dello studio della Fisica.

IL PERCORSO DIDATTICO

1.      La spiegazione del movimento nella cosmologia aristotelica.

Il nostro percorso ha preso l’avvio dal legame tra osservazioni astronomiche e rappresentazione del cosmo, per dare giustificazione alla concezione aristotelica del movimento; e dunque, come primo passo, si è voluto presentare il più semplice e più antico modello cosmologico che abbia il suo fondamento sull’osservazione del cielo, il cosiddetto universo a due sfere. Esso si giustifica sulla base di elementi percettivi che, come tali, non sono affatto presenti  nell’esperienza degli studenti. Riferiamoci prima di tutto alla sfericità della Terra; certamente tutti i nostri studenti sanno che la Terra ha, approssimativamente, forma sferica; ciò su cui non hanno invece mai avuto l’occasione di riflettere sono proprio i dati d’esperienza su cui gli uomini dell’antichità si sono basati per giungere a questa convinzione; per molti è addirittura sorprendente apprendere che essa risale a diversi secoli prima di Cristo (qualcuno la farebbe risalire al’epoca del viaggio di Colombo…). Ben inteso, i dati d’esperienza, le percezioni di cui parliamo non possono essere recuperati all’interno di questo percorso; tuttavia partendo da domande del tipo ‘Come hanno potuto gli studiosi della Grecia antica convincersi che la Terra ha forma sferica?’, e anche ‘Come ci appare il cielo in una notte serena, quando siamo in aperta campagna o in mare aperto?’  si è potuto guidare gli studenti a un nuovo atteggiamento: prescindere da conoscenze e informazioni già in loro possesso sulla struttura dell’Universo oggi accreditata e cercare  di ricostruirsi una rappresentazione a partire dai soli dati percettivi disponibili dall’antichità e rimasti sostanzialmente immutati. Tali dati, come si diceva, non potevano che essere descritti (M1), trattandosi di esperienze non riproducibili a scuola: la posizione delle stelle in cielo cambia a seconda del luogo della Terra da cui le osserviamo; quando si vede una nave avvicinarsi al porto prima è visibile la punta dell’albero e poi via via le parti più vicine alla scafo; durante le eclissi di Luna l’ombra proiettata dalla Terra sulla Luna è circolare. Queste, e altre osservazioni, sono compatibili soltanto con la forma sferica della Terra; c’è stata una buona comprensione da parte degli studenti (alcuni hanno riconosciuto nella propria inconsapevole esperienza i fatti descritti). Comunque, per dare maggior forza a questi argomenti si è anche presentato il metodo con cui Eratostene poté ottenere, nel III sec a.C. una stima della lunghezza del raggio terrestre (M2). Esso si basa sul fatto che il 21 giugno, a mezzogiorno, il Sole è allo zenit al Tropico del Cancro (a Siene i raggi del Sole illuminano l’acqua di un pozzo), mentre ha un’altezza minore in una località sullo stesso meridiano (Alessandria, la cui distanza da Siene era nota). E’ proprio dalla misura di tale altezza che Eratostene giunse a stimare il raggio terrestre.

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E’ importante osservare che la descrizione del metodo è avvenuta contestualmente all’introduzione di termini ed espressioni di cui gli studenti non conoscevano con sicurezza il significato: si è dovuto precisare che cosa sia un meridiano, che cosa significhi altezza del Sole e il Sole è allo zenit, riflettendo su esperienze che mostrano come i raggi del Sole arrivino sulla Terra paralleli; si è anche discusso di quale poteva essere il metodo per misurare grandi distanze (in questo caso circa 800 km) e osservato che era in uso un’unità di misura diversa da quelle da noi utilizzate oggi.

A questo punto, dopo aver pienamente giustificato la convinzione degli antichi della sfericità della Terra,  si è cercato di introdurre il concetto di sfera celeste per completare lo schema concettuale dell’universo a due sfere; anche qui, tuttavia, non è stato possibile riferirsi a un dato d’esperienza: i nostri studenti (come la maggior parte degli adulti, del resto) non hanno alcuna consuetudine con l’osservazione del cielo, sono troppo “ben” informati sulle dimensioni dell’Universo  per accettare con facilità di ricollocarsi al centro di una sfera punteggiata di stelle. Come per la percezione della sfericità della Terra, anche questo tipo di percezione non è recuperabile rapidamente all’interno di questo percorso didattico; l’epoca in cui esso si è svolto (ottobre-novembre) è un periodo dell’anno in cui non c’è quasi nessuna occasione di stare all’aperto di notte; si è cercato comunque di suggerire qualche osservazione; scelta una stella nel cielo notturno, che sia facilmente riconoscibile, la rilevazione della sua posizione a distanza di qualche ora può servire a far percepire la rotazione della sfera celeste (solo qualche studente che abita in campagna ha riferito di una certa familiarità con i fatti che si andavano descrivendo). Certamente, sarebbe stato di aiuto aver chiesto in precedenza agli studenti di fare una serie di semplici osservazioni del cielo durante l’estate, anche in relazione ad altri aspetti osservativi che si presentano più avanti in questo percorso. Ciò che si può recuperare con questo tipo di attività è la convinzione lo schema dell’Universo a due sfere emerge dai dati percettivi come il più sensato; è un risultato importante che aiuta a rimuovere l’idea che nell’antichità si facessero degli errori nella descrizione della natura perché non si ricorreva al metodo scientifico basato sull’osservazione e l’esperienza.  Al contrario, lo schema concettuale dell’universo a due sfere emerge nel modo più semplice e diretto dalla percezione e dall’osservazione, per gli uomini dell’antichità come per noi; e si è anche precisato che tale rappresentazione è ancor oggi ampiamente utilizzata in alcuni ambiti: “la maggior parte dei manuali di navigazione o di agrimensura cominciano con frasi come questa: Per gli scopi che ci proponiamo, potremo assumere che la Terra sia una piccola sfera stazionaria il cui centro coincide con quello di una sfera stellare molto più grande e in rotazione” (T. Kuhn, 1972, pag 50). E’ stata anche l’occasione per far riflettere gli studenti sul fatto che un teoria scientifica può continuare a essere utilizzata, anche laddove un’altra teoria ha avuto la meglio su di essa perché capace di dare conto di una gamma più ampia di dati (nessuno utilizza la Relatività generale di Einstein, che rappresenta un superamento della Meccanica di Newton, per descrivere la caduta libera dei corpi).

 Possiamo, con queste premesse, ben comprendere come “La cosmologia a due sfere diede a molti uomini, per secoli, una certa visione del mondo, definendo la loro posizione nel creato e dando un significato fisico al loro rapporto con la divinità” (T. Kuhn, 1972, pag 51). A questo punto, per evitare il più possibile semplificazioni eccessive, si è anche fatto cenno alla presenza di cosmologie alternative formulate nell’antichità: Eraclide di Ponto, pitagorico, aveva proposto che la Terra ruotasse su stessa verso est al centro dell’universo (così si spiegherebbe il moto delle stelle verso ovest); così altri (Leucippo e Democrito, Aristarco di Samo) avevano proposto teorie alternative, ma l’idea di una Terra che si muove come uno tra i corpi celesti è antiintuitiva, è contro il senso comune. Questo argomento è stato ampiamente sviluppato più avanti nel percorso.

Il passo successivo nella costruzione della cosmologia aristotelica è il superamento del modello dell’universo a due sfere; siamo costretti a ciò dalla considerazione che gli oggetti celesti non si comportano tutti nello stesso modo. La mancanza di dati percettivi nei nostri studenti rispetto a questo comportamento è ancora più grave rispetto a quanto esposto sopra e impossibile da recuperare; si è dunque proceduto nell’unico modo possibile: la descrizione di questi dati osservativi. Ci stiamo riferendo al fatto che, mentre la posizione relativa delle stelle è fissa, la Luna, il Sole e i pianeti non hanno una posizione fissa rispetto alle stelle. Se dunque le stelle possono essere immaginate incastonate nella sfera celeste e trasportate da essa nella rotazione giornaliera da est a ovest, il Sole, la Luna e i pianeti non possono trovarsi su tale sfera, poiché, ciascuno con un periodo diverso, compiono una rivoluzione completa sulla sfera celeste, muovendosi da ovest verso est. Rispetto a queste nozioni anche l’aver fatto precedere il lavoro da opportune osservazioni da svolgere nel periodo estivo, non avrebbe probabilmente migliorato di molto la situazione; tranne forse per la Luna, è necessaria una serie abbastanza raffinata di osservazioni per giungere a percepire e descrivere questi movimenti verso est. La precisazione di questi comportamenti, d’altra parte, è essenziale per lo sviluppo successivo del percorso, come si capirà in seguito; e si è comunque cercato di limitarne la trattazione agli elementi irrinunciabili. Il punto di arrivo è stato un universo a più sfere, limitandosi al modello più semplice:

                                                                 FIGURA                                                       

 In esso, troviamo (almeno) tante sfere quanti sono gli oggetti erranti; la sfera delle stelle fisse le racchiude tutte.

La trattazione di questi aspetti astronomici ci ha messo nella condizione di poter presentare e giustificare la teoria aristotelica del movimento; a tal fine si è proceduto alla  lettura di alcuni brani dal capitolo terzo del testo di T. Kuhn “La Rivoluzione Copernicana”, capitolo che ha per titolo “L’universo a due sfere nel pensiero aristotelico”; ci si è particolarmente soffermati sul brano del De Caelo di Aristotele che presenta l’argomento della sfericità, centralità e immobilità della Terra (M3). Si sono fornite alcune notizie sul filosofo, avvalendosi delle pagine del sito internet dell’Istituto e Museo di Storia della Scienza di Firenze (M4) presentate con videoproiettore. Le letture proposte ci hanno fornito gli elementi caratterizzanti questa rappresentazione dell’universo: la distinzione tra mondo celeste, perfetto e immutabile, e mondo terrestre, sede del mutamento e della corruzione; la finitezza del cosmo e l’impossibilità del vuoto; ma soprattutto il fatto che, nell’universo aristotelico, ogni luogo rappresenta qualcosa e ha un’influenza; ogni oggetto è trasportato verso il suo proprio luogo. La spiegazione del moto locale (con questa espressione fino a Galileo si indicava il moto degli oggetti sulla Terra) ha il suo fondamento in questa concezione dello spazio: un spazio fisico, materiale in cui ciascuno dei cinque elementi di cui è costituito ha una sua collocazione naturale verso cui tenderà a tornare se da essa viene rimosso. E’ la teoria dei luoghi naturali; una volta introdotta si sono invitati gli studenti a proporre diversi esempi di movimenti: il tentativo di interpretarli alla luce di questa teoria ha condotto alla distinzione tra moti naturali emoti violenti.  

Come consolidamento di quanto introdotto, e anche come approfondimento della distinzione tra mondo terrestre, sede del mutamento e del cambiamento, della nascita e della morte, della formazione e della distruzione, e mondo celeste, inalterabile e perenne, in cui i moti sono regolari, in cui niente nasce e niente si corrompe, si è proposta la lettura di un brano tratto dall’antologia curata da P. Rossi “La rivoluzione scientifica” (M5) e di una buona sintesi presentata nel libro di testo per i licei “Project Physics Course – P.P.C” (M6).

Questa prima fase del percorso si è conclusa con un intervento, in compresenza, dell’insegnante di lettere  sulla sintesi tra cosmologia aristotelica e dottrina cristiana, nel cosmo dantesco. La Divina Commedia è il racconto di un viaggio straordinario, il viaggio del poeta attraverso l’universo della concezione cristiana del secolo XIV. Si sono invitati gli studenti a riflettere su come ogni variazione nel disegno dell’universo influisca inevitabilmente sul dramma della vita e della morte del cristiano. 

                                                                 FIGURA

La descrizione del cosmo dantesco ha offerto anche l’occasione per qualche riflessione linguistica; ad esempio, si è potuto chiedere agli studenti di chiarire l’origine dell’espressione essere al settimo cielo: il primo cielo è quello della Luna, il secondo quello di Mercurio, e così via fino a quello del pianeta più lontano, Saturno, che occupa, appunto, il

settimo cielo; considerato che i cieli sono il luogo della perfezione, essere al settimo cielo significa essere al colmo della felicità. E ancora: il termine firmamento, che ancora utilizziamo,    deriva dal verbo latino firmare, tener saldo; il firmamento è lo strumento che tiene saldo il cielo.

2.      Il  problema dei pianeti, la soluzione degli antichi.

In questa seconda fase l’attenzione si è spostata nuovamente, dalla rappresentazione del cosmo, a aspetti strettamente astronomici; ciò è stato necessario per preparare il contesto in cui emerse l’ipotesi copernicana. Affrontare aspetti più tecnici ha anche contribuito ad affinare, a rendere più chiara la differenza di significato tra i termini astronomia e cosmologia, anche se non si può affermare di aver colto pienamente quest’ultimo obiettivo (forse veramente troppo ‘alto’ per studenti che si affacciano a un triennio di scuola media superiore).

L’argomento da introdurre era il cosiddetto problema dei pianeti; a tale scopo si sono tornati a trattare aspetti già introdotti nella prima sezione che era però necessario approfondire, proprio per preparare il terreno in cui cogliere l’anomalia del moto dei pianeti. L’unico movimento ben conosciuto agli studenti è quello giornaliero del Sole da est verso ovest, con il variare dell’altezza sull’orizzonte in diversi momenti della giornata. La culminazione giornaliera a sud è un dato importante che serve a rafforzare il modello della sfera celeste rotante intorno alla Terra; ciò di cui gli studenti non erano affatto consapevoli è che, come il Sole, così anche le stelle sorgono, culminano e tramontano. Questo ci ha portato anche a precisare che ci sono stelle e costellazioni sempre presenti in cielo, le circumpolari: sono quelle che tanti studenti conoscono, il Gran Carro, Cassiopea, la Stella Polare; comunque alcuni studenti hanno dichiarato di non conoscere neppure queste stelle! Ciò fa emergere la necessità di introdurre nella scuola dell’obbligo semplici percorsi di astronomia, che forniscano non un approccio libresco e nozionistico, ma quei dati osservativi di cui, a questo punto, abbiamo lamentato diverse volte la mancanza. La culminazione giornaliera degli oggetti celesti, il fatto che la Stella Polare rimane fissa nel cielo notturno, l’altezza di tale stella sull’orizzonte: questi elementi sono stati tutti interpretati mediante la nostra posizione sulla sfera terrestre e la rotazione della sfera celeste intorno a un asse passante per i Poli Nord e Sud e per la Stella Polare (M7). E’ chiaro che nel trattare questi aspetti di geografia astronomica, così tecnici, è necessario fissare un limite; si è cercato di selezionare in funzione del significato generale del percorso e non è stato semplice per l’insegnante operare la scelta. Ricordiamo che l’obiettivo di questa fase è introdurre l’anomalia del comportamento dei Pianeti e, soprattutto, farla percepire come tale. Abbiamo ritenuto indispensabile descrivere lo spostamento del Sole attraverso le costellazioni dello Zodiaco, mentre si è rinunciato a precisare nei dettagli come l’inclinazione dell’eclittica, la sua traiettoria sullo sfondo della sfera celeste, rispetto all’equatore celeste renda conto della diversa altezza del Sole a mezzogiorno nell’arco dell’anno, così come della diversa posizione all’alba o al tramonto.

Un approccio induttivo al movimento del Sole lungo l’eclittica è stato impossibile, per ovvi motivi, all’interno di questo percorso didattico; solo diverse settimane, meglio ancora mesi, di osservazione sistematica consentono di rendersi conto che, notte dopo notte, l’aspetto del cielo si modifica, le costellazioni cambiano posizione, quelle che erano visibili in giugno a una certa ora della notte non sono più visibili a settembre alla stessa ora. E da qui alla conclusione che il Sole si sposta sulla sfera celeste è necessaria una rielaborazione tutt’altro che banale! Dunque non si poteva far altro che procedere attraverso un approccio puramente trasmissivo, suggerendo, su tempi lunghi, osservazioni di conferma di quanto appreso.

I nomi delle costellazioni dello Zodiaco sono ben noti a i nostri studenti, capita loro di frequente, in modo più o meno convinto, di ascoltare o leggere un oroscopo; tuttavia il significato di espressioni come ‘Sono del segno della Bilancia’ e simili è del tutto sconosciuto. Si è pensato che fosse abbastanza motivante proprio partire da interrogativi del tipo Cosa vuol dire essere nati sotto il segno della Bilancia? O del Toro? O dei Pesci? Gli aspetti tecnici che dovevamo introdurre (il Sole, in un tempo che gli uomini hanno chiamato anno, compie un giro completo della sfera celeste percorrendola da ovest verso est) sono dunque stati presentati come risposte a domande che hanno destato la curiosità dei ragazzi. Nel moto annuale il Sole si trova ad attraversare una fascia del cielo che, dall’antichità, gli uomini hanno diviso in 12 costellazioni, quelle appunto dello Zodiaco; essere del segno della Bilancia significa essere nati in quel periodo dell’anno in cui il Sole si trova in corrispondenza di quella costellazione. Qui è stato necessario riflettere sul fatto che le stelle in cielo ci sono sempre, anche di giorno;  se si potesse oscurare il Sole come durante un’eclisse (qualcuno ha ricordato quella del ’99) riusciremmo a vederle.

A questo punto il terreno era pronto per introdurre il problema dei pianeti; gli studenti conoscevano i nomi dei pianeti ( e i più “istruiti” avevano anche ben presenti le figure che li rappresentano in orbita intorno al Sole). Ma cosa significa la parola pianeta? Il dizionario ci ha dato la risposta: un pianeta è un oggetto errante; indagando sul comportamento di questi oggetti celesti è stato possibile giustificarne il nome. Si sono proposte, mediante la lavagna luminosa, immagini che riportassero la posizione di alcuni pianeti (Marte, Mercurio, Saturno), a intervalli regolari di qualche giorno, sullo sfondo della sfera celeste, per un tempo totale di qualche mese (M8). Gli studenti sono stati guidati dall’insegnante a vedere ciò che senza l’aiuto di un esperto non avrebbero mai potuto riconoscere (così come nella quasi totalità degli esperimenti didattici): i pianeti, come il Sole, si muovono da ovest verso est sullo sfondo della sfera celeste, ma, ecco l’anomalia, a un certo punto interrompono questo moto, si muovono verso ovest per poi riprendere il movimento regolare verso est; questo movimento anomalo è indicato come moto retrogrado (M9).

Una volta presentato il comportamento dei pianeti, la domanda che si è cercato di sollecitare è stata come giustificare il moto retrogrado? Era già evidente, a motivo del movimento verso est, che non è possibile collocare Sole e pianeti sulla sfera delle stelle fisse (ecco giustificate le sfere del cosmo aristotelico); ma ciò non basta a spiegare il moto ‘strano’ dei pianeti. A questo punto si è presentata la tecnica, introdotta da Apollonio e Ipparco e ampiamente utilizzata da Tolomeo, dell’epiciclo su deferente, evidenziando la convinzione che tutto dovesse essere spiegato in termini di opportune combinazioni di moti circolari: solo il moto circolare infatti si addice alla perfezione dei cieli (M10). Perché questa soluzione fosse ben compresa si è fatta eseguire la costruzione a ciascuno studente come compito a casa (M11); bisogna osservare che, mentre tutti hanno eseguito il compito in modo sostanzialmente corretto, recependo dunque l’aspetto tecnico, solo alcuni studenti, da quanto si è potuto rilevare dalle verifiche svolte, hanno mostrato una padronanza completa della problematica del moto retrogrado; pochi cioè hanno saputo cogliere la connessione tra come vediamo muoversi in cielo i pianeti e la costruzione geometrica che si è chiesto loro di realizzare. La costruzione della traiettoria di un pianeta mediante la tecnica dell’epiciclo su deferente è stata anche ripetuta utilizzando il software CABRI, il che ha consentito di ottenere un disegno animato e di superare, almeno parzialmente, quella che forse era stata la difficoltà fondamentale: la mancata comprensione di cosa fosse realmente un moto retrogrado.

La trattazione delle soluzioni proposte nell’astronomia tolemaica per giustificare le apparenze, si è limitata a qualche cenno alle enormi complicazioni geometriche connesse con queste soluzioni, dovute anche all’ostinazione, diremmo noi moderni, a utilizzare soltanto combinazioni di moti circolari. Pur tralasciando i dettagli delle soluzioni escogitate nei secoli nell’ambito del sistema tolemaico, si è tuttavia cercato di far cogliere la frattura tra astronomia e cosmologia, tra chi, come gli astronomi, aveva come obiettivo la previsione, con sempre migliore precisione, della posizione dei pianeti e chi invece cercava di fornire una descrizione fisica dell’universo. E’ evidente infatti che, ad esempio, il moto di un pianeta su un epiciclo non ha ragioni fisiche dato che avviene intorno a un centro in cui non c’è nulla; così come è evidente che tale movimento male si colloca all’interno del sistema di sfere omocentriche della cosmologia aristotelica.

3.      L’ipotesi copernicana conduce alla necessità di una nuova Fisica

Gli aspetti tecnici trattati sono stati fondamentali per introdurre, a questo punto, in modo significativo l’ipotesi di Copernico; in generale, nessuna rivoluzione può essere ben compresa se non si ha una sufficiente padronanza del sistema di credenze che essa è andata a scardinare. Per fare un esempio che si riferisce a un periodo completamente diverso della storia della scienza, non ci sarà modo di presentare in modo sensato la rivoluzione operata dalle idee della fisica quantistica a studenti che non abbiano una solida consuetudine con le idee della fisica classica. Così, perché non si riducesse a una banalizzazione il modello copernicano, si è voluto fornire un quadro il più possibile completo della rappresentazione del mondo che esso è andato a sconvolgere.

Prima di entrare nel merito dell’ipotesi copernicana, si è voluto soffermarsi sul fatto che modelli alternativi erano stati presi in esame e discussi anche nell’antichità; come abbiamo già accennato, ad esempio, Eraclide di Ponto aveva proposto un modello in cui fosse la Terra, al centro dell’universo, a ruotare su se stessa determinando il moto apparente della sfera celeste. Dalla lettura di  un brano di Tolomeo (M12) si sono conosciuti e discussi i motivi fisici (e ricordiamo che la fisica aveva come sua tema fondamentale la caduta dei corpi!) che si adducevano contro il moto della Terra, argomenti che ritroveremo trattati più avanti in Galileo.

Tolomeo ammette che ” non possono forse esservi obiezioni a questa teoria, per quel che concerne le apparenze del mondo stellare” ma “a giudicare dalle condizioni terrestri che riguardano noi stessi ed a quelle nell’aria attorno a noi, una tale ipotesi dev’esser vista come assolutamente ridicola … Se la Terra facesse in un tempo tanto breve un giro così enorme, tornando di nuovo alla stessa posizione …ogni cosa che non stesse effettivamente sulla Terra sembrerebbe necessariamente fare il medesimo movimento in senso contrario”. Si sono discussi insieme agli studenti gli argomenti sviluppati da Tolomeo nell’ Almagesto, riconoscendone la sensatezza, così come altri già presenti nel De Caelo di Aristotele; ad esempio se la Terra fosse posta fuori dal centro dell’universo, dove è la Luna, non dovremmo vedere gli oggetti cadere verso la Terra dato che il moto naturale di un oggetto è verso il centro del mondo. Si è compreso come, secondo le parole di Kuhn, “i sostenitori dell’idea di una Terra planetaria avranno quindi bisogno di una nuova teoria del moto, e finché una tale teoria non verrà scoperta … la conoscenza della fisica terrestre costituirà un freno dell’immaginazione astronomica”.

Eppure l’astronomia tolemaica non forniva un accordo soddisfacente con i dati dell’osservazione; la tecnica dell’epiciclo su deferente, oltre che porre, come abbiamo visto, questioni mai risolte sulla struttura del cosmo, non  era soddisfacente neppure da un punto di vista tecnico, perché non giustificava completamente le apparenze: alcune irregolarità nella velocità dei pianeti restavano non spiegate. Si è fatto presente come per molti secoli l’astronomia tolemaica abbia comunque continuato a credere che con opportuni miglioramenti si sarebbe in qualche modo giunti a una soluzione soddisfacente del problema dei pianeti, nell’ambito dell’universo a Terra centrale; questa è anche stata l’occasione per far notare, seguendo Kuhn, che “l’osservazione non è mai assolutamente incompatibile con uno schema concettuale”, che la discrepanza tra teoria e dati sperimentali non è da sola un elemento perché la teoria sia abbandonata tout court. Si tratta di un tema complesso e non ci si attendeva una comprensione piena da parte degli studenti; ma non si è voluto perdere l’occasione per introdurre una riflessione che andrà sviluppata, in più occasioni, nel corso di tutto il triennio.

A questo punto, prima di entrare nel merito degli aspetti tecnici dell’ipotesi copernicana, si sono  presentati, con l’intervento in compresenza dell’insegnante di Lettere, l’epoca di Copernico e quegli elementi culturali, religiosi e sociali in cui si è concretizzata la rivoluzione copernicana; in un’epoca di grandi cambiamenti, legati a eventi quali la scoperta del’America e la Riforma protestante, la Chiesa Cattolica reagisce con un severo controllo sulla cultura che non dà spazio ad aperture o dubbi di nessun genere, creando nuovi organismi per esercitarlo e potenziando quelli già esistenti (Ceserani  De Federicis, 1992, pagg 30-31 e 244-45).

Per entrare nella sostanza dell’ipotesi copernicana, si sono letti in classe i sette assiomi della nuova astronomia che qui ci sembra utile riportare (M13):

–         Non esiste un solo centro di tutti gli orbi celesti o sfere.

–         Il centro della Terra non è il centro dell’universo, ma solo della gravità e della sfera della Luna.

–         Tutte le sfere ruotano intorno al Sole come al loro punto centrale e pertanto il centro dell’universo è intorno al Sole.

–         Il rapporto tra la distanza della Terra dal Sole e l’altezza del firmamento è minore del rapporto fra il raggio terrestre e la distanza Terra-Sole, di modo che la distanza della Terra dal Sole è impercettibile in confronto all’altezza del firmamento.

–         Qualunque moto appaia nel firmamento, non deriva da un qualche moto del firmamento, ma dal moto della Terra. Pertanto la Terra, con gli elementi a lei più vicini compie una completa rotazione sui suoi poli fissi in un moto diurno, mentre il firmamento e il più alto cielo rimangono immobili.

–         Ciò che appare come movimenti del Sole non deriva dal suo moto, ma dal moto della Terra e della nostra sfera con la quale ruotiamo attorno al Sole come ogni altro pianeta. La Terra ha, pertanto, più di un movimento.

–        

L’apparente moto retrogrado e diretto dei pianeti non deriva dal loro moto, ma da quello della Terra. Il moto della sola Terra è pertanto sufficiente a spiegare tutte le disuguaglianze che appaiono nel cielo.

 La discussione collettiva su questi assiomi ci ha portato a riconoscere nei primi quattro la descrizione di come è fatto l’universo, mentre gli ultimi tre si occupano di giustificare in base alla struttura definita, i moti che appaiono in cielo. Il quinto si riferisce alla rotazione giornaliera del cielo da est a ovest; il sesto si occupa dei movimenti, giornaliero e annuale, del Sole e attribuisce non al Sole ma alla Terra più di un movimento; infine, il settimo afferma che il moto retrogrado dei pianeti è esso pure interpretabile mediante il movimento della Terra. Dunque abbiamo ritrovato in estrema sintesi le apparenze di cui ci siamo occupati fin dall’inizio del nostro percorso, e in particolare si è approfondita l’interpretazione del moto retrogrado: ciascuno studente ha eseguito la costruzione grafica delle posizioni successive di un pianeta in movimento intorno al Sole visto da una Terra pure in movimento; la costruzione è stata eseguita sia per pianeti posti tra il Sole e la Terra sia per quelli esterni (M14).

Evidentemente i limiti, anche temporali, entro cui doveva svilupparsi questa proposta didattica, hanno impedito di sviluppare in modo approfondito limiti e successi del modello copernicano; tuttavia non si sono volute trascurare del tutto alcune osservazioni. Nell’universo copernicano i movimenti sono ancora rigorosamente circolari e ciò implica in effetti un successo solo parziale nell’interpretazione del moto dei pianeti; ciò non permette, in effetti, di prevederne la posizione con precisione migliore di quella del sistema tolemaico. L’ipotesi copernicana, dunque, ha avviato in modo irreversibile un processo rivoluzionario, malgrado contenesse molti elementi di continuità con la tradizione; per esempio, l’universo di Copernico è un universo finito, ancora contenuto entro la sfera delle stelle fisse, ma se le stelle non sono in rotazione intorno al centro dell’universo tale sfera ha perduto la sua funzione. E allora le stelle potrebbero anche non stare sulla sfera, essere disposte a diversa distanza dal centro … ecco che l’universo si espande, si trasforma, per dirla con Koyré, da spazio fisico finitoa spazio geometrico infinito Queste implicazioni cosmologiche sono state oggetto di riflessione anche più avanti nel percorso ( e successivamente nel corso dell’anno scolastico quando si sono descritti il lavoro di Keplero e la sintesi di Newton).

Una volta affrontati gli aspetti astronomici del sistema copernicano, si sono esplicitate le difficoltà che tale modello implica per la spiegazione del movimento. Per questo si sono poste agli studenti proprio le stesse domande che si ponevano gli studiosi dell’epoca (già in parte introdotte dal testo citato dell’ Almagest)o: ‘Se la Terra è in movimento perché vediamo gli oggetti cadere verticalmente verso il basso? Come vediamo muoversi le stelle da est a ovest, così tutto ciò che non è solidale con la Terra dovrebbe esser visto muoversi allo stesso modo’. E ancora: ‘Aristotele affermava che gli oggetti cadono verso il centro della Terra perché esso coincide con il centro del tutto; ma se la Terra è ridotta a pianeta cos’è che fa cadere gli oggetti verso il suo centro?’ Emergerà da questi interrogativi la necessità di costruire, insieme a una nuova cosmologia, una nuova Fisica, nuove leggi del movimento.

4.      Galileo sviluppa una nuova concezione del movimento

L’analisi dell’opera di Galileo è stata preceduta da una presentazione dell’epoca in cui egli è vissuto, dell’ambiente culturale in cui è avvenuta la sua formazione, dell’assetto politico dell’Italia di quel periodo con particolare riferimento alla Firenze del Granducato Mediceo, alla Repubblica di Venezia, allo Stato Pontificio; anche qui ci si è avvalsi, in compresenza, dell’intervento della docente di lettere. La vicenda umana di Galileo si è andata poi delineando man mano che se ne sono analizzati e approfonditi i contributi scientifici (G. Ferroni, 1991,pagg 320-331)

Galileo, già prima dell’adesione aperta al copernicanesimo, aveva sviluppato la critica alla distinzione aristotelica tra moti naturali e violenti. Su questo tema si sono letti brani scelti dall’opera giovanile De Motu (~1592) (alcuni sono stati tradotti dal latino insieme alla docente di lettere) (M15); dopo la lettura si sono discusse collettivamente le situazioni immaginate da Galileo. Riportiamo qualche passaggio: “E qualora si domandi se gli elementi siano in sé, puramente e assolutamente, pesanti, rispondiamo che non solo l’acqua o la terra o l’aria, ma anche il fuoco e perfino, se c’è, qualcosa di più leggero del fuoco, hanno un peso e che lo hanno, insomma, tutti gli elementi che possiedano congiuntamente alla sostanza, una quantità e una materia” e “ I corpi si muovono verso l’alto per estrusione … Un moto del genere si può dire violento.” Troviamo qui la critica ai concetti di leggerezza e pesantezza; non esistono, per Galileo, oggetti ‘leggeri’ e non esiste, quindi, un moto naturale verso l’alto, tutti gli oggetti hanno un peso (e si tratterà di introdurre una scala quantitativa di pesantezza); tuttavia troviamo ancora la classificazione di un moto, quello di un corpo spinto fuori dal suo elemento, come violento. In un altro passaggio si discute se un moto circolare sia naturale o violento: “ Il moto naturale è quello in cui i mobili, spostandosi, si avvicinano ai luoghi loro propri; il moto violento è invece quello in cui i mobili, spostandosi, si allontanano dal luogo loro proprio. Stando così le cose , è evidente che la  sfera che ruota intorno al centro dell’universo non si muove né di moto naturale né di moto violento.” In questo, come in altri brani, Galileo presenta alcune situazioni fisiche in cui non è possibile procedere con sicurezza alla classificazione aristotelica dei movimenti in naturali o violenti (probabilmente la sfera cui si riferisce è la Terra secondo un’ipotesi cosmologica che riprende il sistema di Eraclide di Ponto). E ancora, mentre gli aristotelici classificavano alcuni moti come misti, al capitolo XVI del De Motu, Galileo afferma che non esiste moto “misto”, cioè che partecipi sia del naturale che del violento, ma piuttosto alcuni moti sono da classificare “neutri”: non si avvicinano né si allontanano dal centro.

Il brano seguente, in cui Galileo si occupa del moto su un piano orizzontale, è stato letto nel laboratorio di Fisica: “Si deve supporre che il piano sia in qualche modo incorporeo o per lo meno levigato con grande precisione e perfettamente duro e che, mentre il mobile grava sul piano, questo non si inclini né stia immobile in esso come in una fossa. E’ necessario anche che il mobile sia perfettamente levigato e di figura tale da non resistere al moto, quale è quella perfettamente sferica e della materia più dura, o fluida come acqua. Se tutto sarà disposto in questo modo, un corpo su un piano equidistante dall’orizzonte verrà mosso dovunque da una piccolissima forza, anzi, da una forza minore di ogni altra forza.” In questa descrizione abbiamo potuto già cogliere l’importanza dell’esperimento mentale, l’esperimento solo immaginato, che poi abbiamo ritrovato con tanta frequenza come espediente pedagogico nel Dialogo. Le condizioni ideali della situazione descritta sono emerse dall’analisi dei termini: gli studenti hanno notato l’uso ripetuto dell’avverbio perfettamente, per le caratteristiche del piano e la forma dell’oggetto, del superlativo piccolissima per la forza, dell’espressione equidistante dall’orizzonte e dell’aggettivo incorporeo per il piano. Si è voluto sottolineare come Galileo non si riferisca a un esperimento effettivamente svolto, e tuttavia concluda indicando con sicurezza il risultato. Noi, comunque, abbiamo voluto seguire le indicazioni del testo e fare la prova suggerita da Galileo: abbiamo effettivamente messo in moto con un soffio un carrello su una rotaia priva d’attrito e abbiamo visto la sequenza di un film didattico in cui un disco a ghiaccio secco viene messo in  movimento nello stesso modo (M16). Gli studenti sono stati così condotti a condividere, a fare propria con convinzione l’opinione galileiana secondo cui non si può classificare violento un movimento ottenibile con una forza piccola a piacere; la convinzione è nata da un’esperienza didattica articolata, di cui gli studenti sono stati protagonisti sia nella fase dell’analisi del testo sia in quella delle prove di laboratorio.

Un ulteriore approfondimento è venuto proseguendo nella lettura del De Motu; in esso Galileo ci avverte: “E le cose che abbiamo dimostrato, come sopra abbiamo detto, sono da intendersi immuni da ogni resistenza esterna. Ma poiché è forse impossibile trovare (tali corpi) nella materia, non ci si meravigli se, facendo l’esperimento su queste cose, l’esperienza delude, e una grande sfera, anche se su un piano orizzontale, non può essere mossa da una forza minima.” Dunque troviamo nel modo di procedere di Galileo un approccio nuovo alle cose della natura; citando Koyré “la necessità di sostituire la realtà empirica con il mondo matematico, platonico, archimedeo e l’impossibilità di questa sostituzione totale per il bisogno di spiegare i fatti.” Infatti, leggendo ancora Galileo: “Il piano non può essere veramente equidistante dall’orizzonte. La superficie della Terra infatti è sferica e un piano non può essere equidistante da essa. Perciò, poiché il piano è congiunto alla sfera soltanto in un punto, se si recede da tale punto, necessariamente si sale.”

Questa fase dedicata ai brani del De Motu ci ha portato, in sintesi, al superamento della classificazione aristotelica dei moti in naturali e violenti: Galileo, abbiamo visto, ha introdotto l’aggettivo “neutro”; più avanti si parlerà di  indifferenza dei corpi al moto, un’idea fondamentale, è evidente, verso l’enunciazione del Principio d’Inerzia.  Il delinearsi di questa nuova concezione del movimento s’intreccia con l’affermarsi dell’ipotesi copernicana; in effetti, l’interesse di Galileo per le questioni astronomiche nasce quando egli comprende che il moto terrestre è possibile da un punto di vista fisico. Alle scoperte astronomiche di Galileo, che sono una tappa di grande rilevanza nella sua vicenda umana e scientifica, ci siamo accostati sia attraverso la lettura di testi (M17), sia attraverso immagini e documenti reperibili su siti internet (M18). L’approfondimento di questa tematica, tra l’alto, ha avuto come obiettivo il superamento di un punto di vista banalizzante piuttosto diffuso, quello secondo cui Galileo con il cannocchiale ha scoperto che la Terra si muove, ha dimostrato la validità dell’ipotesi copernicana; si è cercato di far comprendere quanto più complessa sia stata la vicenda rispetto a queste semplificazioni, precisando come non vi sia mai, in questa come in altre occasioni, un’incompatibilità assoluta tra dati sperimentali e una determinata teoria, tale da indurre tutti i suoi sostenitori ad abbandonarla. E ancora, si è voluto, esaminando le pagine in cui Galileo ha riportato le sue osservazioni al cannocchiale, far cogliere anche la passione con cui lo scienziato pisano si è dedicato a queste ricerche, l’emozione con cui ha aspettato, sera dopo sera, le condizioni più favorevoli per le sue osservazioni.

Il passo successivo del nostro percorso è stato la lettura di alcuni brani dal Dialogo; in essi Galileo ripercorre tutti i principali argomenti fisici contro il moto della Terra, addotti dai tolemaici, e ne sviluppa la critica. Queste letture sono state introdotte da un nuovo intervento della docente di lettere dedicato agli aspetti più specificamente linguistici, alle sue scelte letterarie innovatrici. L’adozione della lingua volgare, anche per gli argomenti teorici che erano solitamente trattati in latino, era dovuta non ad ignoranza (le altre sue opere erano state scritte in latino), ma alla precisa volontà di rivolgersi ad un pubblico nuovo, più vasto, in un’epoca in cui nelle università si continuava a parlare latino. Altro elemento di innovazione, la definizione di quella terminologia tecnico-scientifica che, nel volgare, ancora mancava. “A questo scopo non si seguì il procedimento di coniare vocaboli dotti, derivati dal latino o dal greco, ma si fece ricorso a termini della lingua non specialistica […]; parole di uso comune, introdotte in nuovi contesti, finirono così per acquistare un valore tecnico” (Ceserani  De Federicis, 1992, pag 293). Le parole hanno dunque una funzione diversa da quella che veniva loro attribuita nella scienza aristotelica; i nomi di cui ci serviamo per designare i fenomeni possono essere scelti a piacer nostro, in modo convenzionale perché, per dirla con le parole stesse di Galileo, prima furon le cose e poi i nomi (M19).

Nei brani del Dialogo letti insieme agli studenti, o assegnati come lettura personale e poi discussi collettivamente, Galileo presenta molti argomenti che venivano utilizzati contro l’ipotesi copernicana e li fa dibattere con vivacità dai tre interlocutori.

Prima di tutto si sono presentati questi argomenti attraverso l’esposizione che ne fa Tycho Brahe, che fu certamente un grande innovatore in astronomia ma che in fisica resta un aristotelico: “Se certuni credono che una palla che si lancia in alto dal ponte di una nave in navigazione, ricada nello stesso punto in cui sarebbe caduta se la nave fosse stata ferma, si sbagliano di grosso. Infatti, quanto più veloce sarà l’avanzamento della nave, tanto più indietro rimarrà la palla.” E lo stesso argomento viene presentato in una versione modernizzata facendo uso del cannone, invenzione recente ai tempi di Tycho: “Ora, che cosa avverrebbe, io ti chiedo, se da un grande cannone si sparasse una palla verso l’Oriente … e poi dallo stesso cannone, e dallo stesso luogo, se ne sparasse un’altra … verso l’Occidente? E’ possibile credere che ambedue … percorrerebbero sulla terra degli spazi eguali?” La risposta di Brahe è un no deciso, il proiettile lanciato verso Oriente arriva meno lontano perché la terra con il suo movimento gli viene incontro. E’ stata molto importante l’analisi del punto di vista di Brahe; egli infatti afferma anche che il movimento estremamente violento impresso dal cannone alla palla “costituisce un ostacolo per l’altro”, cioè quello naturale della palla, corpo pesante, verso il basso (M20), un movimento, cioè, sopprime l’altro. Galileo si occuperà molto a lungo nel Dialogo di queste situazioni; si sono letti e discussi con gli studenti molti brani dalla giornata seconda. In essi Galileo espone con precisione  e ricchezza di particolari gli argomenti aristotelici (M21), poi passa alla critica; la lettura del Dialogo, inizialmente un po’ faticosa, è alla lunga risultata gratificante per gli studenti. Nella sezione scelta (M22) Simplicio si dice sicuro che una pietra lasciata cadere dalla cima dell’albero di una nave in movimento cada restando indietro rispetto alla nave, ma Galileo gli fa ammettere di non aver mai fatto l’esperienza ed è convinto che “quegli autori che la producono .. la portino senza averla fatta”  perché chiunque l’avesse eseguita avrebbe trovato “il contrario di quello che vien scritto”. Ci si è soffermati molto su questo passaggio perché qui Galileo conclude anche che dal modo di cadere della pietra, ai piedi dell’albero, non si può dedurre che la nave sia in moto o ferma; e allo stesso modo dal fatto che i gravi cadano perpendicolarmente al suolo non si può evincere che la Terra sia o meno in movimento, che è poi un’affermazione del Principio di Relatività; principio che abbiamo ritrovato espresso nel celebre brano in cui Galileo, ampliando con molti esempi un’opinione che abbiamo già ascoltato, suggerisce ai suoi interlocutori: “Rinserratevi con qualche amico nella maggiore stanza che vi sia sotto coverta di alcun gran navilio…”; di nuovo Galileo ci indica condizioni ideali, di nuovo troviamo l’espediente dell’esperimento pensato. Il testo è stato letto con molta attenzione; gli studenti, nella fase di verifica, hanno mostrato di averne ben compreso il contenuto e di aver colto le connessioni tra questi argomenti e la disputa cosmologica.

Questa fase di lettura di testi è stata resa più vivace con l’ausilio di immagini e sequenze opportunamente scelte da alcuni film, didattici e non (M23); così pure la lettura del famoso brano del Dialogo in cui Galileosuggerisce di fare esperimenti mettendosi sotto coperta di un gran naviglio, è stato accompagnato, ad esempio, da immagini girate all’interno di un aereo. Si è chiesto agli studenti ‘Da quello che avete potuto osservare si può capire se l’aereo fosse in volo oppure fermo all’aeroporto?’, portandoli ad esprimere conclusioni coerenti con il Principio di Relatività. Le immagini, di fatto, sono servite solo a evocare con più facilità esperienze effettivamente svolte, in modo inconsapevole, dagli studenti.

Questa fase impegnativa del nostro percorso ci ha portato, in sintesi, a una nuova concezione del movimento; esso non è una qualità dei corpi, che sono indifferenti al moto o alla quiete; e ancora attraverso il testo del Dialogo abbiamo ascoltato l’opinione secondo cui non si debba distinguere tra i movimenti celesti e quelli terrestri, così come tra la natura dei corpi celesti e quella dei corpi terrestri (M24); è la distruzione della cosmologia aristotelica, ben espressa dalle parole di Simplicio: “Questo modo di filosofare tende alla sovversion di tutta la filosofia naturale, ed al disordinare e mettere in conquasso il cielo e la terra e tutto l’universo”. E’ in questo nuovo universo, che si è dilatato e non ha più un centro assoluto, e grazie a questo modo nuovo di pensare il movimento, che diventa possibile concepire un moto rettilineo uniforme, arrivando dunque all’enunciazione del Principio d’Inerzia.

In questa sezione sono state anche fornite notizie sulle questioni relative alla pubblicazione del Dialogo; abbiamo così seguito la vicenda umana di Galileo con il processo davanti al Tribunale dell’Inquisizione, l’abiura, la condanna al domicilio coatto (M25).

5.      Galileo descrive matematicamente il moto dei proiettili

Le considerazioni svolte fino a questo punto ci hanno fatto comprendere come Galileo abbia  concepito il movimento in modo del tutto nuovo; si è insistito molto ancora sulle conclusioni cui si era giunti nella sezione precedente, chiedendo agli studenti, in diverse occasioni di verifica, di esplicitarle: non esiste più un centro dell’universo (e non ha senso chiedersi che cosa sia la gravità, “non mi par opportuno entrar nell’investigazione delle cause dell’accelerazione”); i corpi sono indifferenti al movimento, non gli si fa mai violenza; l’essere in moto o l’essere fermo non sono più caratteristiche primarie di un oggetto; il movimento in avanti e quello verso il basso, ad esempio in un oggetto lanciato, non si ostacolano. E’ bene precisare che il percorso svolto per arrivare a queste conclusioni è ben diverso da ciò che è proposto dai manuali scientifici; questi procedono come se le menti dei nostri studenti fossero dei vasi vuoti in cui riversare la conoscenza scientifica, non tenendo in nessun conto del fatto che essi possiedono invece, in modo quasi del tutto inconsapevole, delle rappresentazioni strutturate della realtà. Come abbiamo visto il percorso svolto ha invece consentito di esplicitare, ad esempio attraverso le opinioni di Tycho Brahe, questo modo ingenuo di interpretare i fenomeni, di coglierne la ragioni all’interno di  un certo sistema di pensiero, di operarne la critica approdando a un modo nuovo di guardare agli stessi fatti.

In quest’ultima sezione ci si è occupati di come Galileo non si sia limitato alla descrizione, potremmo dire, qualitativa del movimento; e per questo, abbandonato il Dialogo, si sono letti alcuni brani dai Discorsi per comprendere le caratteristiche, i metodi, il linguaggio della nuova Fisica.

Ci siamo dunque chiesti: ‘Se i corpi sono indifferenti al moto, come si muove un oggetto animato da più movimenti?’ Il movimento non solo è concepito in modo nuovo, ma, vedremo, è anche nuovo il linguaggio utilizzato per descriverlo; la risposta al come della domanda precedente è scritta nel linguaggio della matematica.

Si è scelto, come primo approccio alla questione, di seguire il suggerimento di Galileo per visualizzare la traiettoria di un oggetto animato da più movimenti: “Io ho una palla di bronzo esquisitamente rotonda, non più grande d’una noce; questa tirata sopra uno specchio di metallo, non eretto all’orizzonte ma alquanto inclinato, sì che la palla nel moto vi possa camminar sopra calcandolo leggiermente nel muoversi, lascia una linea parabolica sottilisimamente e pulitissimamente descritta, e più larga e più stretta secondo che la proiezione si sarà più o meno elevata. Dove anco abbiamo chiara e sensata esperienza il moto dei proietti farsi per linee paraboliche.” (M26). Con qualche piccola variante rispetto a queste indicazioni (M27), abbiamo ripetuto la prova molte volte coinvolgendo il maggior numero possibile di studenti. Alla domanda “Di che curva si tratta?” gli studenti hanno risposto senza incertezze trattarsi di una parabola, curva cha avevano imparato a conoscere dal biennio come particolare luogo geometrico e di cui conoscono l’equazione generale; tuttavia l’insegnante ha cercato di sollecitare risposte più precise e osservazioni più accurate. Qualcuno ha notato che tutte le curve ottenute risultavano di fatto asimmetriche, alcune in modo più marcato, altre meno; l’attrito con il piano, che fa rallentare la sferetta, è stato riconosciuto come la causa dell’asimmetria. Si è  voluto allora eseguire la prova con un tavolo privo d’attrito, disponibile in laboratorio, rivestito di una carta speciale su cui è possibile far muovere un corpo cilindrico che lascia una traccia mediante piccole scariche elettriche (M28); anche stavolta abbiamo eseguito diversi lanci. Nel commentare i nuovi risultati ottenuti si è posta la domanda “Come possiamo essere sicuri che si tratta davvero di traiettorie paraboliche?” e qui le risposte sono state meno sicure. Si è scelto dunque di cercare la risposta nella Giornata quarta dei Discorsi (M29); Galileo ha già trattato nella Giornata terza del moto naturalmente accelerato e l’obiettivo è adesso quello di studiare un “moto composto di un duplice movimento, cioè di un movimento equabile e di uno naturalmente accelerato”, appunto il moto dei proiettili. La lettura di queste pagine è stata condotta insieme all’insegnante di matematica; per prima cosa Galileo spiega come ottenere un simile movimento: “Immagino di avere un mobile lanciato su un piano orizzontale, rimosso ogni impedimento: già sappiamo, per quello che abbiamo detto più diffusamente altrove, che il suo moto si svolgerà equabile e perpetuo sul medesimo piano, qualora questo si estenda all’infinito; se invece intendiamo questo piano limitato e posto in alto, il mobile che immagino dotato di gravità, giunto all’estremo del piano e continuando la sua corsa, aggiungerà al precedente movimento equabile e indelebile quella propensione all’ingiù dovuta alla sua propria gravità: ne nasce un moto composto di un moto orizzontale equabile e di un moto deorsum naturalmente accelerato (…).” Nel commentare questo brano gli studenti vi hanno ravvisato un’enunciazione del Principio d’Inerzia; in particolare si è sottolineato l’aggettivo indelebile che esprime in modo particolarmente efficace la nuova concezione del movimento sviluppata nella sezione precedente. Segue subito la Proposizione I in cui si afferma che il “proietto (…) descrive nel suo movimento una traiettoria semiparabolica”. Qui Galileo non procede immediatamente alla dimostrazione di tale proposizione; in risposta alle richieste dei due personaggi Simplicio e Sagredo, che si dichiarano poco preparati su questa e altre sezioni coniche di Apollonio (“non mi son tanto inoltrato nella geometria”), egli presenta “due passioni principalissime di essa parabola”.

Per prima cosa, dato un cono retto, egli mostra come nasca la sezione detta parabola; qui non ci siamo voluti limitare al disegno di Galileo e per visualizzare meglio come si ottiene la curva in questione abbiamo mostrato alcuni modelli in legno. Si trattava, appunto, di coni di legno sezionati con piani di diversa inclinazione; così si è compreso che si possono ottenere diverse curve a seconda dell’inclinazione del piano rispetto all’asse del cono e tra tutte la parabola è stata riconosciuta dagli studenti come un caso molto particolare (e nell’uguaglianza tra le due inclinazioni, del piano e della generatrice, si è anche rintracciata l’origine del termine parabola). Si è anche voluto far riconoscere la presenza di tali sezioni nella realtà che ci circonda, in situazioni tratte dal quotidiano; così, seguendo le indicazioni di didattica della matematica di Emma Castelnuovo, si è utilizzato un fascio di luce, un cono appunto, proiettandolo su una parete in una stanza buia. Dapprima si è ottenuto un cerchio, poi un’ellisse e, inclinando ulteriormente l’asse del cono, la sezione sul muro è diventata una parabola. Sono emerse diverse osservazioni da parte degli studenti, che sono stati incoraggiati a ripetere a casa queste prove.

Tornando al testo dei Discorsi ci siamo cimentati con la dimostrazione di una delle passioni della parabola: si è trovato che la relazione quadratica, che gli studenti avevano ottenuto dalla definizione di parabola come luogo geometrico, è valida anche per la parabola definita come sezione conica. La dimostrazione è stata impegnativa, soprattutto è stato necessario soffermarsi sulla differenza di linguaggio, il diverso utilizzo dei simboli; l’insegnante di matematica ha condotto insieme agli studenti una vera e propria traduzione dal testo di Galileo al linguaggio della geometria analitica a loro ben familiare.

Come già anticipato, gli studenti conoscevano già la legge secondo cui nella caduta libera “gli spazi percorsi da un grave (…) sono in duplicata proporzione dei tempi”, esiste cioè una relazione quadratica; l’ultima fatica sul testo è stata dunque la lettura in cui si dimostra che la composizione di un moto equabile orizzontale e di uno naturalmente accelerato dà luogo a una traiettoria parabolica (si è fatto osservare come questa operazione di composizione di movimenti fosse riconducibile alla tecnica astronomica di costruzione della traiettoria dei pianeti mediante la combinazione epiciclo su deferente). Ottenuta la dimostrazione si è deciso di accogliere la proposta che già in precedenza alcuni studenti avevano avanzato: controllare se le curve che avevamo ottenuto in laboratorio fossero realmente parabole; tale attività è stata assegnata come lavoro a casa e la discussione delle verifiche svolte dai ragazzi è stata l’occasione per sviluppare considerazioni sull’aderenza del modello matematico alla realtà. Riprendendo ancora la lettura del testo dei Discorsi abbiamo ascoltato Salviati rispondere alle critiche dei suoi interlocutori e parlare della necessità di astrarre da tutti gli impedimenti della realtà fisica stessa (M30). Sagredo e Simplicio obiettano che la traiettoria che realmente il proiettile andrà a percorrere non sarà una parabola per diversi motivi: la verticale, che dovrebbe individuare l’asse della conica, cambia continuamente orientamento durante il moto; il piano su cui il proiettile si muove prima di cadere non è veramente orizzontale (argomento già discusso anche con gli studenti); l’impedimento del mezo fa sì che il moto trasversale non sia equabile e quello di caduta non segua veramente la regola nota. Salviati, che ormai abbiamo imparato a conoscere come colui che esprime l’opinione di Galileo, ammette la validità di tutte queste osservazioni e concede che “le conclusioni così in astratto dimostrate si alterino in concreto”; ma aggiunge anche, per le prime due obiezioni, che si tratta di minuzie. Nel discutere, più avanti, dell’attrito dell’aria, ammette di non saperne dare una descrizione matematica ma afferma anche la necessità di “astrar da essi, e ritrovate e dimostrate le conclusioni astratte dagl’impedimenti, servircene nel praticarle, con quelle limitazioni che l’esperienza ci verrà insegnando”. Troviamo qui ribadita la convinzione che la realtà sia scritta nel linguaggio della matematica, la fiducia nella possibilità di utilizzare comunque leggi semplici per la descrizione dei fatti della natura. E proprio nel ruolo fondamentale del linguaggio matematico i nostri studenti hanno potuto riconoscere l’elemento di grande innovazione dell’opera di Galileo, rispetto alla tradizione aristotelica da cui il nostro percorso aveva preso l’avvio.  

CONSIDERAZIONI METODOLOGICHE-DIDATTICHE

La proposta didattica che abbiamo presentato è stata svolta in una terza liceo scientifico, all’inizio dell’anno scolastico; questa collocazione è coerente con la propedeuticità che essa offre allo studio della Fisica classica. Trattandosi di un corso P.N.I. gli studenti avevano già frequentato per due anni un corso di Fisica, erano già stati introdotti i concetti di velocità e accelerazione, era nota la legge della caduta libera. Ciò non è stato tuttavia di particolare rilevanza ai fini dello svolgimento del percorso stesso; anzi esso acquisterebbe pienezza di senso proprio includendovi, certamente con tempi completamente diversi rispetto a quelli di seguito indicati, lo studio del moto di caduta libera e la costruzione del concetto di accelerazione.

Nel ricostruire l’evolversi della concezione del movimento abbiamo trascurato completamente, per limiti di tempo, la trasformazione della tradizione aristotelica ad opera degli studiosi medievali; ci stiamo riferendo alla teoria dell’impetus, riconducibile a studiosi quali N. D’Oresme e G. Buridano; questi autori erano ben noti a Galileo, i loro scritti hanno contribuito a formare quella convinzione antiaristotelica espressa, come abbiamo visto, già nel De Motu.

La scelta di testi e immagini ha cercato di essere la più adatta al fine di costruire insieme agli studenti i concetti più rilevanti del nostro percorso; come si è visto si è fatto uso del laboratorio di Fisica, così come di sequenze di film, ma soprattutto si è inteso costruire un clima laboratoriale, anche quando i nostri strumenti d’indagine sono stati i testi  scritti. L’approccio narrativo, l’ottica della trasversalità e della complessità, che si sono volute tenere presenti nel cercare di offrire un punto di vista del tutto nuovo sul tema del movimento, completamente alternativo a quello del manuale, non si realizzano nel modo tradizionale del fare scuola: lezione frontale, appunti, studiare da pagina x a pagina y. E tuttavia si è dovuto constatare che è molto difficile andare ad intaccare questo modello; in parte perché l’aula scolastica ha una sua rigidità che predispone a un certo modo di fare scuola, in parte perché gli stessi studenti hanno un atteggiamento passivo molto radicato, costruito attraverso tanti anni di una certa pratica scolastica.

Crediamo che, anche con queste difficoltà, il nostro percorso sia stato, in una certa misura, un’esperienza coinvolgente per i nostri studenti, un’occasione per sentirsi “dentro” una storia.

VERIFICHE

La verifica si è svolta prevalentemente attraverso questionari scritti, ma anche sulla base delle risposte e degli interventi contestuali alla costruzione del percorso; si deve inoltre precisare che la verifica sui concetti introdotti è proseguita, implicitamente ed esplicitamente, nella trattazione dei temi successivi (in particolar modo le leggi della dinamica e la gravitazione universale).

Testo della prima verifica scritta:

–          Spiega brevemente di che cosa si occupa l’astronomia e di che cosa la cosmologia.

–          Spiega in che cosa consiste il modello di universo a due sfere e come si muove in  esso il Sole.

–          Da quali argomentazioni Aristotele deriva la sfericità, l’immobilità e la centralità della Terra? Descrivi brevemente la struttura del cosmo aristotelico.  Per quale motivo si parla di cosmologia aristotelico-medievale?

–          Da dove deriva la distinzione aristotelica tra moti naturali e moti violenti?

–          Fin dal IV sec a. C., “il problema dei pianeti” è stato il problema fondamentale dell’astronomia. Che cosa significa la parola pianeta? Come fu spiegato il moto dei pianeti nell’astronomia tolemaica?

–          Esponi gli “assiomi” dell’astronomia copernicana. Per quale motivo il sistema copernicano risultò non meno complicato, da un punto di vista geometrico, di quello tolemaico? Come si spiega il movimento dei pianeti superiori nell’astronomia copernicana?

–          Spiega perché l’aver posto la Terra su un’orbita intono al Sole mette in crisi la fisica (leggi del movimento) e la cosmologia aristoteliche.

–          Esponi gli esempi portati da Galileo nel De motu  per criticare la distinzione aristotelica tra moti naturali e moti violenti. Quale aggettivo introduce Galileo per alcuni movimenti?

–          Per ciascuno degli studiosi delle domande precedenti precisa il luogo e il tempo in cui è vissuto.

Testo della seconda verifica scritta:

–          Traccia un breve e schematico profilo biografico di Galileo.

Quali sono i titoli e gli anni di pubblicazione delle due opere più celebri di Galileo? Quale forma letteraria viene in esse utilizzata? Perché la scelta del volgare? Chi rappresentano i personaggi che intervengono nelle due opere? L’ultima di queste due opere, in ordine di pubblicazione, fu stampata non in Italia bensì a Leida, una città dell’Olanda; perché?

–          Che cosa significa (in senso allargato) e da dove deriva l’espressione mettere all’indice?

–          Come era interpretata nell’astronomia tolemaica la comparsa di comete o di stelle novae ?

–          Quali furono le scoperte astronomiche ottenute da Galileo con il cannocchiale? Qual è il titolo dell’opera in cui Galileo descrive le sue scoperte astronomiche? Che cosa significa? Per due di queste scoperte spiega perché danno credito all’ipotesi copernicana.

–          “Rinserratevi con qualche amico…”  è l’inizio di uno dei brani più celebri di Galileo; descrivi alcuni degli esempi che Galileo usa per enunciare il principio di Relatività. Perché queste argomentazioni sono di grande importanza per la disputa cosmologica?

–          Definisci la parabola come particolare sezione conica; in che modo, utilizzando un cono di luce, si possono “disegnare” le diverse sezioni coniche?

–          Quale proprietà della parabola viene dimostrata da Galileo  nei Discorsi? Sapresti ripetere qui tale dimostrazione?

–          La tecnica di composizione di movimenti era ampiamente utilizzata in astronomia; quale esempio importante conosci?

–          Quali obiezioni vengono mosse a Salviati contro l’affermazione che la traiettoria di un oggetto lanciato da un piano orizzontale sia effettivamente parabolica? Come si difende Salviati?

TEMPI DI SVOLGIMENTO

Il percorso si svolto in un arco di tempo di 6-7 settimane (ottobre-novembre 2003); le ore impiegate in totale sono state 25 (di cui 19 di Fisica, 4 di Lettere e 2 di Matematica) più le ore necessarie per le verifiche scritte. In dettaglio:

–          La spiegazione del movimento nella cosmologia aristotelica: 5 ore, di cui 1 in compresenza con il docente di Lettere;

–          Il  problema dei pianeti, la soluzione degli antichi:3 ore;

–          L’ipotesi copernicana conduce alla necessità di una nuova Fisica: 3 ore, di cui 1 in compresenza con l’insegnante di Lettere;

–          Galileo sviluppa una nuova concezione del movimento: 9 ore, di cui 2 in compresenza con l’insegnante di Lettere;

–          Galileo descrive matematicamente il moto dei proiettili: 5 ore, di cui 2 in compresenza con l’insegnante di Matematica.

 ELENCO MATERIALI e SUSSIDI DIDATTICI

M1          Sito internet http://www.cd-astro.org/CD/CD_TESTI/SFERA.HTM per le prove della sfericità della Terra

M2          Sito internet http://www.vialattea.net/eratostene/ per la misura del raggio terrestre; da qui è anche tratta la figura riportata nel testo;

M3          Nell’edizione citata nella bibliografia il brano in questione è a pag 109-110

M4          Sito internet www.imss.fi.it; all’epoca in cui il percorso è stato svolto era possibile effettuare la visita virtuale alla sala di Galileo ottenendo immagini e notizie biografiche, oltre che su Galileo e la sua opera, anche su Aristotele, Tolomeo, Copernico. Attualmente il sito del museo è stato modificato.

M5          Nell’edizione citata nella bibliografia il brano in questione è a pag 119-121

M6          Nel testo P.P.C. citato nella bibliografia si tratta del primo paragrafo del capitolo 3, dedicato al problema della caduta libera.

M7          Nell’impossibilità di osservare davvero stelle circumpolari, culminazioni e altri eventi similari, si sono utilizzati i disegni presenti nel testo di Kuhn, alle pagg 22, 25, 26 e 41 e il materiale presentato nel primo capitolo del testo P.P.C. (dedicato all’astronomia come alba della scienza); si è analizzata con particolare attenzione la fotografia della zona di cielo intorno alla Polare, alla pag 1-6, ottenuta con un tempo di esposizione opportunamente lungo. In essa il moto delle stelle circumpolari ha tracciato archi di circonferenza aventi tutti lo stesso angolo al centro, centro che è ovviamente la stella Polare. Dalla misura di tali angoli gli studenti hanno potuto ricavare la durata dell’esposizione, tenendo conto che la rotazione completa della sfera celeste (360°) avviene in 24 ore.

M8          Le immagini utilizzate sono ancora tratte dal primo capitolo del testo P.P.C. alla pag 1-11

M9          Tutta questa parte sul moto annuale del Sole e sui moti dei pianeti avrebbe certamente tratto grande vantaggio dall’utilizzo di un planetario che in questo percorso è mancato; certamente l’insegnante, per mancanza di esperienza didattica, non aveva saputo prevedere le difficoltà che poi si sono presentate nella descrizione degli aspetti astronomici.

M10        La tecnica dell’epiciclo su deferente è stata presentata utilizzando un disegno tratto dall’antologia di P. Rossi citata nella bibliografia, alla pag 135.

M11        La costruzione è stata svolta seguendo le indicazioni fornite nel testo P.P.C. alle pagg 1-38 e 1-39 (esercizio n.14); è attualmente disponibile sul sito dell’Istituto e Museo di Storia della Scienza una descrizione della tecnica degli epicicli accompagnata da animazione (vedere sul sito nell’elenco delle animazioni)

M12        Il brano è stato tratto dal testo di Kuhn già ampiamente utilizzato, dove si tova alla pag 111.

M13        I sette assiomi sono tratti dal libro di P. Rossi, già citato, alla pag 143.

M14        Nel testo di Kuhn, alla pag 213, troviamo entrambe queste costruzioni, che sono state mostrate agli studenti prima che essi stessi le riproducessero

M15        I brani sono stati tratti da “Studi galileiani” di Koyré, alle pagg 67, 68, 70, e da “”Galileo. Una biografia scientifica” di Drake, alle pag 52-57, entrambi citati nella bibliografia.

M16        Si tratta del film “Inerzia e moto” della ESSO ITALIANA, di corredo al corso di Fisica del PSSC

M17        Si è utilizzato di nuovo il testo P.P.C., capitolo terzo, paragrafi 11, 12, 13

M18        L’elenco di indirizzi internet qui riportato è puramente indicativo; si possono certamente trovare numerosi altri riferimenti mediante ricerche sulla rete:

         sui satelliti di Giove:          http://albinoni.brera.unimi.it/CAELUM/SISTSOL/img/jupiter1.jpg

http://www.cd-astro.org/CD/CD_TESTI/SAT_GAL.HTM

sulle fasi di Venere              sito IMSS e http://www.corriere.it/speciali/stelle/venere.shtml

foto della Luna                    http://mercury.nineplanets.org:8011/astro/luna.jpg

anelli di Saturno                  www.nautilaus.com/osservatorio/foto/saturno.jpg

su tutti gli argomenti          http://www.pd.astro.it/MOSTRA/NEW/A1002OSS.HTM

M19        Per questa parte si è fatto riferimento al testo di Ceserani e De Federicis, alle pag 293-295, inserito nella bibliografia

M20        I brani citati e l’argomento sviluppato si trovano in “Studi galileiani” di Koyré alle pagg 184-187

M21        Nell’edizione delle OPERE galileiane citata nella bibliografia questo brano si trova alle pagg 164 e 165

M22        Nell’edizione delle OPERE galileiane citata nella bibliografia la selezione di brani scelta si trova tra la pag 185 e la pag 200

M23        Alcune sequenze sono state tratte dal film “Sistemi di riferimento” della ESSO ITALIANA, di corredo al corso di Fisica del PSSC; altre dai film di Wim Wenders “Così vicino così lontano” (una bambina cade da un grattacielo ed è raccolta da un angelo) e “Il cielo sopra Berlino” ( gli angeli si aggirano tra i viaggiatori su un aereo)

M24        Nell’edizione delle OPERE galileiane citata nella bibliografia i brani letti sono alle pagg 56 -58 e alle pagg 82 – 83

M25        Anche qui si è fatto uso di immagini e testi reperibili sul sito dell’IMSS

M26        Il brano è tratto dalla Giornata seconda dei Discorsi; nell’edizione delle OPERE galileiane citata nella bibliografia si trova alla pag 717.

M27        Il piano era cosparso di polvere di carbone e la sferetta era d’acciaio; sul piano veniva fissato un foglio di carta bianco.

M28        Si trattava di un piano a cuscino d’aria della ditta Leybold.

M29        I brani letti si trovano alle pagg 769 – 776 nell’edizione delle OPERE galileiane citata nella bibliografia.

M30        I brani letti si trovano alle pagg 776 – 782 nell’edizione delle OPERE galileiane citata nella bibliografia

BIBLIOGRAFIA

–          J. Bruner “La cultura dell’educazione”, Feltrinelli, 1997

–          G. Holton “La lezione di Einstein”, Feltrinelli,1997

–          G. Galilei  OPERE , vol II a cura di Franz Brunetti, UTET ,  Seconda edizione 1980

–          T. Kuhn “La rivoluzione copernicana”, Einaudi 1972

–          P. Rossi “La rivoluzione scientifica da Copernico a Newton”,  Loescher, 1984

–          E. Bellone “I grandi della scienza – Galileo, le opere e i giorni di una mente inquieta” LE SCIENZE, 1998.

–          A. Koyré “Studi galileiani” , Einaudi, 1976

–          S. Drake “Galileo. Una biografia scientifica”, Il Mulino, 1988

–          A cura di L. Geymonat “Storia del pensiero scientifico e filosofico” vol II, Garzanti, 1970

–          A. Koyré “Dal mondo del pressappoco all’universo della precisione”, Einaudi, 1967

–          E. Castelnuovo “Didattica della matematica” La Nuova Italia, 1963

–          C. Seife “Zero – La storia di un’idea pericolosa”, Bollati Boringhieri, 2002

–          “PPC Progetto Fisica” vol A Zanichelli, 1986

–          Harold Acton “Gli ultimi Medici”, Einaudi, 1962

–          M. L. Altieri Biagi “Galileo e la terminologia tecnico scientifica”, Olschki, 1965

–          S. Drake “Galileo” , Il Mulino, 1998

–          R. Ceserani L. De Federicis “Il materiale e l’immaginario”, vol III, Loescher , 1992

–          Giulio Ferroni “Storia della Letteratura italiana”, vol II, Einaudi, 1991

Riassunto

Dagli studi riportati da Cavallini e dalla Grimellini è evidente che lo stato gassoso presenta notevoli  problemi cognitivi. Noi pensiamo che, per sviluppare un lavoro didattico significativo sui gas si debba necessariamente partire dall’aria.. Facendo un’analisi di tipo storico ed epistemologico del concetto di materialità dell’aria, ci si rende conto che lo studio di questo tema non può essere affrontato prima del biennio delle scuole medie superiori. La semplice esecuzione dell’esperimento di Torricelli, senza alcuna contestualizzazione, non porta a nessuna comprensione significativa. Con l’esperienza di Boyle, s’introduce un altro fattore importante per la comprensione del comportamento dei gas, l’elasticità dell’aria.

Una volta stabilito che l’aria è materia perché ha un peso, un volume, esercita una pressione, si può dimostrare che è chimicamente attiva, rifacendosi alle esperienze di Black sull’aria fissa.

1. Introduzione

Questo lavoro ha lo scopo di presentare in modo diverso da quello usualmente proposto dai libri di testo, la chimica dei gas a livello di biennio della scuola media superiore. Analizzando la letteratura che riporta le concezioni di bambini e adolescenti sullo stato gassoso, prima e dopo l’insegnamento fatto in maniera tradizionale, e tenendo conto dell’esperienza quotidiana nelle classi, non si possono dare per scontati concetti come il peso, il peso specifico, la pressione dei gas. Si deve per prima cosa stabilire la materialità dell’aria. Questo concetto verrà chiarito utilizzando il suo contrario: il vuoto. La stessa storia del pensiero scientifico e filosofico ci dimostra quanto tale concetto sia ostico e quanto sia resistente la convinzione razionale ed emotiva che il vuoto sia impossibile. Il filo conduttore sarà l’esistenza del vuoto. Una volta stabilita la materialità dell’aria, si seguirà  il cammino storico che ha portato ad individuare la prima “aria” diversa da quella atmosferica, l’aria fissa. L’aria diventa qualcosa di  chimicamente attivo.

Non si tratta di  sostituire l’insegnamento della chimica con quello  della storia della chimica, ma di tenere conto della storia del pensiero utilizzando quello che è utile per la comprensione.  Tenendo presente il nesso che può esistere fra la filogenesi e l’ontogenesi, non ci stupiremo  del fatto che, ad esempio, la comprensione dell’esperienza di Torricelli presenta per gli alunni gli stessi problemi cognitivi che presentava per gli uomini del Sei-Settecento.

Ritengo che costruire i significati all’interno dell’insegnamento scientifico, sia comunque un atto creativo che deve essere supportato da strumenti diversi da quelli tecnici che competono alle specifiche discipline. A questo proposito le parole di Bruner sono decisive  rispetto alla necessità del “fare significato”, che è il senso prioritario dell’insegnamento: ”……..Può darsi che abbiamo sbagliato staccando la scienza dalla narrazione della cultura…..Un sistema educativo deve trovare un’identità al suo interno.  Se questa identità manca, l’individuo incespica nell’inseguimento di un significato. Solo la narrazione consente di costruirsi un’identità e di trovare un posto nella propria cultura.” (1)

 Insegnare le scienze in modo significativo vuol dire  quindi contestualizzare, mettere in relazione le leggi, le teorie con le idee degli uomini di un’epoca. Di solito non lo si fa, si danno una serie di definizioni a scopo addestrativo, che mediamente restano in mente agli alunni giusto il tempo per rispondere all’interrogazione. Nell’insegnamento di tipo scientifico usuale poco resta di significativo dal punto di vista culturale almeno a livello di scuola media superiore. La narrazione delle idee, del pensiero nel tempo, ha bisogno della storia. I saperi si integrano attraverso “la storia” e la storia è scritta dai saperi.

2. Preconcezioni e concezioni di senso comune dei bambini sui gas

Lo stato gassoso presenta notevoli  problemi cognitivi. Da ricerche fatte con bambini ed adolescenti emerge che concezioni  alternative e punti di vista lontani da quelli oggi accreditati sono molto diffusi. Per quanto riguarda il concetto di “stato gassoso” già Piaget nel 1929 nel libro “La rappresentazione del mondo nel fanciullo” (2) aveva notato che il termine gas è piuttosto estraneo e caso mai si riferisce solo al gas combustibile. La parola aria, specie nel senso di brezza è nota fin dalla più tenera età e spesso viene associata a cose invisibili, come lo spirito, i sogni, il pensiero.

 Dagli studi riportati da Cavallini (3) e dalla Grimellini (4), è evidente che:

1)      per i bambini fino a 10 anni l’idea di gas è legata all’aria in movimento (si tende a negarne l’esistenza quando è ferma) .

2)      bambini di 11-12 anni associano anch’essi l’aria al movimento, sono in grado di comprendere che una certa quantità di aria si conserva a temperatura costante, hanno difficoltà a fare previsioni di comportamento, quando vi sono cambiamenti di temperatura;

3)      molti bambini  e ragazzi hanno l’idea di pressione del gas, perché ne hanno sentito parlare, ma non sono capaci di utilizzarla per spiegare alcun fenomeno;

4)      l’aria per molti non ha peso, altri pensano che una gran quantità d’aria aumenti la “leggerezza”;

5)      mediamente non vi è acquisizione del concetto di struttura particellare dei gas, neanche dopo lo studio scolastico. Bambini di 12-13 anni continuano  a pensare la materia come compatta, continua, oppure discreta ma con idee alternative (non si applica la teoria cinetica).

A questo proposito, è interessante il lavoro  di Novick e Nussbaum riportato dalla Grimellini (4)

Lo scopo era quello di  capire fino a che punto studenti israeliani di 14 anni che avevano ricevuto  l’anno precedente un insegnamento dedicato alla struttura particellare della materia, erano in grado di applicare i diversi aspetti del modello particellare per spiegare semplici fenomeni fisici dei gas. In particolare si volevano  mettere in evidenza i seguenti aspetti:

1)      la materia è fatta di particelle;

2)      le particelle di gas sono uniformemente distribuite in uno spazio chiuso.

Il primo esperimento consisteva nell’evacuazione parziale dell’aria da una bottiglia

Agli allievi veniva chiesto di disegnare  l’aria all’interno della bottiglia prima e dopo averne aspirata una parte. Gli allievi rispondevano ombreggiando certe regioni della bottiglia .(fig.1) o mettendo puntini indicando un modello continuo nel primo caso e un modello particellare nel secondo caso (fig.2). I tipi di rappresentazione ottenuti venivano poi mostrati a tutti gli alunni in modo da cercare di comprendere se, anche in caso di raffigurazione  erronea, l’alunno sapeva comunque    riconoscere come giusto il modello particellare. Inoltre ai “particellari” veniva chiesto di spiegare che cosa c’è tra i puntini nei disegni della figura. Ciò per mettere alla prova l’idea di spazio vuoto. Inoltre a tutti sono state fatte domande allo scopo d’indagare le idee circa il moto proprio delle particelle.

Lo studio ha condotto ai seguenti risultati:

1)      il 64% degli alunni suggerisce che l’aria è fatta di particelle e il 74% sceglie come rappresentazione dell’aria il diagramma particellare ( sono inclusi anche coloro che lo hanno scelto in seconda battuta);

2)      Un alunno su sei fra i “particellari” crede che le particelle, dopo che una parte dell’aria è stata aspirata, non sono distribuite uniformemente, ma sono concentrate da qualche parte.

3)      Il 45% dei “particellari” pensa che vi sia spazio vuoto fra le particelle. Gli altri pensano che ci dovrebbe essere “qualcosa” che per alcuni è polvere,  per altri sono gas diversi come azoto e ossigeno, oppure sporco e germi e così via.

Gli autori concludono che la maggioranza degli alunni ha in mente un modello alternativo in cui la materia è concepita come continua e statica.

 Risultati di questo tipo confermano che gli ostacoli cognitivi che si presentano nello studio dello stato gassoso sono notevoli. Noi pensiamo che, per sviluppare un lavoro didattico significativo sui gas si debba necessariamente partire dall’aria. Prima di introdurre un qualunque modello particellare è necessario quindi arrivare a concettualizzare la materialità dell’aria. Questa operazione non può essere fatta partendo soltanto da dati percettivi (non ci accorgiamo che l’aria pesa).

L’argomento è complesso e non può essere risolto esclusivamente con uno studio di tipo fenomenologico.

3. Analisi storico-epistemologica della nascita del concetto di gas

Facendo un’analisi di tipo storico ed epistemologico del concetto di materialità dell’aria, ci si rende conto che una buona comprensione di questo tema non può essere raggiunta prima del biennio delle scuole medie superiori, questo perché il problema del peso dell’aria, primo punto da affrontare per materializzare l’aria, s’intreccia al problema dell’esistenza del vuoto (fig.3). L’esperienza di Torricelli acquista un grande ruolo didattico, quando gli alunni sono in grado di recepire la differenza, il salto che ci può essere fra l’esperimento e il suo significato

 Torricelli ebbe una grandissima intuizione nel ritenere che il comportamento del mercurio fosse  dovuto al peso dell’aria.  La famosa esperienza può essere considerata il punto di arrivo, la prova inconfutabile   che mise fine alla polemica fra “pienisti” e “vacuisti”. L’idea cardine della filosofia aristotelica era l’“horror vacui” e  giustificava  la fisica del moto. Il corpo lanciato è continuamente spinto dall’aria, che lo sostiene, esercita una forza. Siccome la sua velocità aumenta all’aumentare della forza applicata e diminuisce con la  resistenza che offre il mezzo, la sua velocità nel vuoto sarebbe infinita. Questa è una conseguenza talmente contraria al senso comune che Aristotele considera impossibile l’esistenza del vuoto. Una cosa da notare per non banalizzare il concetto di peso dell’aria è che  verso il 1630, una caratteristica che accomunava tutti i vacuisti era che essi ammettevano il peso assoluto dell’aria ma non il peso dell’aria nell’aria (5).In altre parole il concetto di peso dell’aria non portava naturalmente al concetto di pressione atmosferica. Lo stesso Galileo avendo saputo dai fontanieri di Firenze che le pompe aspiranti non riuscivano a sollevare l’acqua oltre 18 braccia, tentò di spiegare il fenomeno sostituendo all’antico “horror vacui”, la forza del vacuo, cioè la resistenza misurata da una colonna d’acqua alta 18 braccia, offerta dal vuoto prima di potersi produrre (5).  Quando a Galileo venne manifestato da parte di Baliani ^[1] il dubbio che sul comportamento dei sifoni potesse essere implicato il peso dell’aria, Galileo non ammise che questo potesse avere ragione ma gli storici suppongono che ne parlò a Torricelli.

Scrive Torricelli in una lettera a Michelangelo Ricci^[2] l’11 giugno 1644 “Questa forza che regge quell’argento vivo contro la sua naturalezza di ricadere giù, si è creduto fino adesso che sia interna al vaso, o di vacuo, o di quella roba sommamente rarefatta; ma io pretendo che la sia esterna e che la forza venga di fuori….”

In una lettera del 28 giugno 1644 Torricelli risponde a Michelangelo Ricci che si domanda se la colonna di mercurio si sarebbe sostenuta anche chiudendo la bacinella, dicendo che chiudendo con un coperchio la vaschetta, il liquido non scenderà perché l’aria rimasta nella vaschetta avrà la stessa condensazione dell’esterna  allo stesso modo come, tagliando trasversalmente con un ferro il cilindro di lana compressa da un peso, la parte inferiore della lana rimane sempre compressa.

Il significato dell’esperimento non si comprende facendo riferimento al senso comune, o alla percezione.  Quello che convince gli alunni che  Torricelli “aveva ragione” sono gli esperimenti che sono seguiti a questo, fatti da lui stesso o dai suoi sostenitori per confutare, l”horror vacui”. Ripetendo¹ l’esperimento con “vasi” di forma diversa, il mercurio non si comportava in modo tale da lasciare meno vuoto possibile. Con liquidi diversi dal mercurio occorrevano tubi di lunghezza diversa per bilanciare il peso dell’aria. Ragionando in questo modo si concretizzano, in relazione al peso dell’aria, concetti come il peso specifico e la pressione.

La semplice esecuzione dell’esperimento, senza alcuna contestualizzazione, dando per scontata la conclusione è invece non significativa, una nozione tra le tante, per gli alunni. La conclusione è infatti non evidente  e non deducibile dall’osservazione. Si possono far riflettere gli alunni sul fatto che le grandi scoperte sono, come dice Popper (6), dovute a colpi di genio, ad intuizioni che sono spesso in netta contraddizione con il senso comune.

Con l’esperienza di Boyle, s’introduce un altro fattore importante per la comprensione del comportamento dei gas, l’elasticità dell’aria. L’aria è un fluido elastico che  può essere compresso ed esiste una relazione di inversa proporzionalità fra pressione e volume. E’ un’occasione importante quest’ultima per cogliere la regolarità di certi comportamenti, introdurre la legge che costituisce un esempio di utilizzo della matematica nella chimica.

Una volta stabilito che l’aria è materia perché ha un peso, un volume, esercita una pressione, si può dimostrare che è chimicamente attiva, rifacendosi alle esperienze di Black sull’aria fissa (7). Il concetto di pressione è un requisito fondamentale per la comprensione di questo punto. Lo strumento principale per la raccolta delle varie “arie” è infatti il bagno pneumatico ideato da Hales, il cui funzionamento, semplice ma geniale, si basa sul fatto che il cilindro rovesciato contiene acqua che non  scende perché sostenuto dal peso dell’aria. Tale cilindro che è immerso in una bacinella d’acqua, è in grado di raccogliere la cosiddetta aria che si forma in una reazione chimica. Hales non fu in grado di distinguere i diversi gas che si ottenevano da queste  trasformazioni, egli pensava che si trattasse sempre dello stesso gas, cioè dell’aria atmosferica. Il fatto che l’aria partecipi a molte trasformazioni chimiche ed è chimicamente attiva è un’acquisizione concettuale fondamentale.

L’invenzione di Hales costituì l’atto di nascita del concetto di gas. Essa permette di sottolineare un aspetto fondamentale  della scienza moderna contemporanea, rispetto a quella medievale e cioè che la natura, come ci dice Geymonat (8),  non deve essere solo osservata ma interrogata: “La preparazione dell’esperimento non coinvolge soltanto un aspetto tecnologico, bensì anche uno essenzialmente teorico. Per porre una chiara interrogazione bisogna avere preventivamente un’idea delle risposte che si possono ottenere; bisogna cioè possedere, in via ipotetica, una teoria del fenomeno che si vuole indagare”.

La prima aria che è stata caratterizzata come diversa dall’aria atmosferica è stata appunto l’aria fissa ottenuta per decomposizione termica del carbonato di calcio. Tale “aria”, non mantiene la combustione, non permette la respirazione e  precipita l’acqua di calce.

La calcinazione del calcare e l’invenzione di Hales ci permettono inoltre di evidenziare che la comprensione di un fenomeno è limitata se ci si colloca in modo passivo di fronte ad esso e che il dispositivo sperimentale opportuno è fondamentale per confermare le ipotesi In questo caso il dispositivo sperimentale è molto semplice. Ciò che non è banale è l’utilizzo di questo dispositivo per raccogliere della materia non visibile, dell’aria prodotta da trasformazioni chimiche.

La caratterizzazione di questa “aria” fu fatta da Black nel 1755 evidenziando che:

1) non mantiene la combustione,

2) non permette la respirazione,

3) precipita acqua di calce.

L’ipotesi dell’aria fissa di Black ha permesso di spiegare fenomeni come l’effervescenza e la caustificazione della soda e della potassa.

4.Idee ed esperienze per la progettazione di un modulo sull’aria

Il percorso proposto (9)è stato realizzato nelle prime classi di diversi Istituti Tecnici. 

La sequenza che noi seguiamo è riassunta nello schema 1.

Prima parte: la materialità dell’aria

1)      Esperienze semplici che introducono il problema dell’esistenza del vuoto ( ad esempio si cerca di far uscire il pistone di una siringa tenendo tappato il foro in cui si mette l’ago),

2)      Esecuzione dell’esperienza di Torricelli con discussione che di solito porta alla socializzazione dell’insuccesso della comprensione dell’alunno con i contemporanei di Torricelli. Per il nostro alunno è confortante sapere che i suoi ostacoli cognitivi sono quelli degli uomini del seicento (non si sente stupido)

3)      Spiegazione di Torricelli circa la causa del dislivello di mercurio e narrazione delle altre esperienze di Torricelli fatte con tubi di forma diversa per dimostrare che la paura del vuoto non esiste.

4)      La definizione di Pressione

5)      Esercizi  riguardanti problemi del tipo: “Se invece del mercurio c’è acqua, quanto deve essere lungo il tubo torricelliano?”

6)      Pascal e il barometro

7)      La pompa pneumatica (fig.4)

8)       Esecuzione dell’esperienza di Boyle

9)   La legge Pressione- volume

 

 Seconda parte: l’aria è chimicamente attiva

1)      Hales e il bagno pneumatico. Ci costruiamo il bagno pneumatico riempiendo un grosso cilindro di acqua.. Adesso capiamo perché l’acqua quando capovolgiamo il cilindro, non scende.

2)      Black e l’aria fissa. Esperienze:  produzione dell’aria fissa per decomposizione termica del calcare caratterizzazione dell’aria fissa come “aria “diversa da quella atmosferica

3)      La calce viva e la calce spenta; l’aria fissa entra nella calce ed esce dal calcare.

4)      Che cos’è l’effervescenza?

5)      La caustificazione della soda e della potassa.

Il lavoro svolto con gli alunni  ha confermato in larga parte le aspettative in termini di acquisizione di contenuti .La proposta che coniuga l’analisi dei contenuti disciplinari con una  riflessione di tipo storico-epistemologico    ci è sembrato adeguato all’età degli alunni che hanno risposto  con  curiosità  e interesse.

A mio avviso il lavoro descritto ha una valenza formativa notevole, soprattutto perché questa introduzione prosegue con  lo studio dell’opera di Lavoisier.  La crisi  causata dalla “chimica delle arie” e dalla questione dei rapporti ponderali nella combustione e nella calcinazione dei metalli,  ha poi portato alla comprensione relativa al coinvolgimento dell’aria nella combustione.  Ciò ha comportato l’abbandono della teoria del flogisto ed ha costituito la rivoluzione chimica (10). Riteniamo che la nascita del concetto di gas non solo sia stato basilare per la nascita della chimica come scienza, ma sia un nodo concettuale chiave per la comprensione dello sviluppo della chimica come disciplina a livello di biennio della scuola  media superiore.

Desidero ringraziare Q. Florio che ha realizzato con me questo percorso all’ITIS “G.Marconi” di Pontedera e l’amico e collega P. Robino per i consigli e le proficue discussioni.

Bibliografia

1)      J.Bruner, La cultura dell’educazione, Feltrinelli, Milano,1997, p.55.

2)      J. Piaget , La rappresentazione del mondo nel fanciullo,  Edizioni Scientifiche Einaudi, Torino,    1955, p.39-174.

3)      G.Cavallini,  La formazione dei concetti scientifici, La Nuova Italia, Firenze, 1955, p.38-52.

4)      N.Grimellini Tomasini e G. Segrè, Conoscenze scientifiche: le rappresentazioni mentali degli studenti”,  La Nuova Italia, Firenze, 1991, p.254-286.

5)      M.Gliozzi –M.Giua ,Storia delle scienze, UTET, Torino, 1962, vol.II.

6)      Popper, Congetture e confutazioni, Il Mulino, Bologna, 1988, p.176-177.

7)      F.Abbri, Le terre, l’acqua, le arie, ,Il Mulino, Bologna, 1984, p.169-184.

8)      L. Geymonat, Lineamenti di filosofia della scienza, Mondadori, Milano, 1985, p.38-39.

9)      Dispense di Chimica di Carlo Fiorentini per il biennio della Scuola Media Superiore, disponibili      presso in CIDI di Firenze.

10) T. Kuhn, La struttura delle rivoluzioni scientifiche, Einaudi, Torino, 1995.

^* Gruppo di ricerca e sperimentazione didattica in educazione scientifica  del CIDI di Firenze; Aquilini Eleonora <ele.aquilini@tin.it>

^[1] Giovan Battista Baliani (1582-1666), filosofo genovese.  Con Galileo Galilei discusse sul comportamento dei sifoni e sull’esistenza del vuoto per via epistolare.

^[2]Michelangelo Ricci (1619-1692), uomo coltissimo, amico e discepolo di Torricelli ; era in corrispondenza con i maggiori scienziati e nel 1645  si recò a Parigi per ripetere l’esperimento  “dell’argento vivo” . In Francia il famoso curato Mersenne sosteneva comunque l’impossibilità del vuoto e attribuiva il fenomeno torricelliano al mercurio, corpo bastardo che non sa dove andare verso l’alto o verso il basso….

Leonardo Barsantini

            Le ricerche, riportate in letteratura, sulle conoscenze acquisite dagli studenti nelle discipline scientifiche, indicano un chiaro fallimento della attuale didattica delle scienze.

I libri di testo si presentano come manuali di tipo enciclopedico, costruiti sulla organizzazione del trattato universitario. Il materiale è presentato in modo assolutamente inadeguato per chi deve imparare.

Eccessiva quantità di materiale proposto, scelta degli argomenti senza tenere conto della maturazione psicologica degli studenti, tempi non adeguati, sottovalutazione dell’aspetto storico ed epistemologico della disciplina sono gli elementi che non permettono agli studenti di acquisire competenze.

La formazione universitaria degli insegnanti è tale da non lasciare spazio a una riflessione didattica che non sia quella che individua il sapere e la sua trasmissione con il sapere accademico specialistico. Il paradigma ancora dominante è quello di una trasmissione lineare di conoscenze che si accumulano con continuità e in modo dogmatico su conoscenze pregresse.

Gli insegnanti, proprio per la formazione che ricevono, sono ancorati a una visione della scienza lontana un secolo dalla riflessione epistemologica che si è sviluppata nel ‘900. L’immagine tradizionale della scienza gioca un ruolo rilevante nella costruzione dell’interazione docente – studente. Leggendo il primo capitolo di manuali scolastici, quello dedicato al metodo scientifico, si finisce per pensare che le semplici osservazioni permettano di costruire teorie; termini quali oggettività, verità, realtà non sono mai problematici. Ma questa visione ingenua della scienza incide negativamente nell’insegnamento scolastico. Non ci si deve stupire che molti siano portati a vedere la scienza come un pericolo per l’umanità rivolgendosi, poi, a “rituali” alternativi.

            E’ quindi necessario scegliere opportunamente gli argomenti da sviluppare in tempi adeguati senza trascurare le preconcezioni degli studenti. Ciò che si insegna non può essere troppo lontano da ciò che lo studente sa. Dice Darwin (1945): <<E’ tanto difficile non farsi un’opinione qualunque, come è difficile formarsi un giusto giudizio>>.

Le concezioni degli studenti

            In letteratura sono da tempo presenti ottimi testi che analizzano approfonditamente il ruolo delle concezioni degli studenti nell’apprendimento delle discipline scientifiche (Grimellini e altri (1991), Cavallini (1995)). Decine di migliaia di studenti, e anche adulti, sono stati sottoposti a test in molti paesi del mondo. Il risultato drammatico di queste ricerche è che al termine della scuola superiore gli studenti, anche quando hanno acquisito un certo numero di nozioni, hanno una conoscenza scientifica che non fa riferimento a quanto avrebbero dovuto imparare, ma piuttosto al senso comune. E’ qui il caso di analizzare, anche se sommariamente, alcune di queste ricerche per comprenderne l’importanza per la didattica.

            Per quanto riguarda l’ottica, gli studi condotti hanno messo in evidenza come, nella testa degli studenti, la luce emessa da una lampada sia diversa da quella emessa, ad esempio, da una candela. La luce della lampada ha, per molti studenti, la caratteristica di propagarsi fino ad incontrare un ostacolo, che è ciò che avviene, ma questo solo se la lampada è accesa di notte. Di giorno la luce della lampada, per la maggioranza degli studenti intervistati, tende a restare confinata attorno alla lampada stessa. Molti pensano che la luce di una candela anche di notte tenda a rimanere confinata attorno alla sorgente. Questa caratteristica è rafforzata per sorgenti di luce ancora più deboli.

            Gli studenti sono vincolati a una concezione che associa la propagazione della luce alla sorgente e a separare i fenomeni che avvengono in oscurità o in piena luce. Gli studenti, inoltre, distinguono fra la luce prodotta da sorgenti che hanno il compito di fare luce e sorgenti che pur emettendo luce, non sono state realizzate con lo scopo di illuminare e per le quali la luce è una sorta di alone che si concentra in uno spazio prossimo alla sorgente.

            Gli studi sulla propagazione della luce mostrano che molti studenti pensano che si possa vedere un raggio luminoso anche se non incide nell’occhio dell’osservatore. Questa concezione è confermata dai test relativi alla riflessione dai quali risulta che solo percentuali attorno al 20% di alunni applica correttamente la legge sulla riflessione, ad esempio per poter vedere un oggetto riflesso in uno specchio. Gli altri ritengono che sia sufficiente essere davanti allo specchio, o che basti essere dall’altra parte, in modo generico, dello specchio rispetto all’oggetto, o che valga una legge di riflessione con un angolo di 90° fra raggio incidente e raggio riflesso. Anche Piaget, studiando le condizioni che applicano i ragazzi per ottenere la riflessione da uno specchio, si era imbattuto in questi casi.

            Ricerche sono state condotte sugli specchi e sui colori, fornendo risultati analoghi a quelli visti in precedenza. I colori, poi, spesso sono ritenuti indipendenti dalla luce.

Gli insegnanti tradizionalmente operano una classificazione che vede l’ottica geometrica affrontata prima dei colori, considerando questi ultimi più difficili, ma in realtà questo modo di vedere l’insegnamento deve essere superato: è facile ciò che coincide o è vicino alle conoscenze di senso comune, è difficile ciò che è lontano e in contrasto con il senso comune. Un insegnamento di tipo tradizionale che non tenga conto delle conoscenze di senso comune, non  modifica le teorie ingenue degli studenti, e i tempi solitamente brevi, durante i quali si affrontano i vari argomenti, non correggono minimamente le preconcezioni degli studenti.  

            Vediamo anche quali sono le opinioni più comuni relative ai fenomeni termici. Gli studenti ritengono che le sorgenti classiche di calore siano le stufe, i forni, il fuoco, il sole. Il calore è confuso con l’aria o il vapore oppure si ritiene che esistano delle particelle di calore. I corpi di dimensioni maggiori hanno la capacità di accumulare maggiori quantità d’aria facilitando la propagazione del calore. Però per molti, la dimensione degli oggetti non è la caratteristica da prendere in considerazione; infatti, per alcuni studenti, i metalli, essendo compatti, non permettono l’accumulo di aria e quindi sono freddi. E’ spesso presente una distinzione fra calore caldo e calore freddo che colloca le due sensazioni su piani contrapposti. Non tutti i corpi, poi, sono ritenuti capaci di riscaldarsi.

            Per molti studenti la temperatura di un oggetto frazionato in più pezzi si divide fra le varie parti. Anche la temperatura di un corpo è messa in relazione con le sue dimensioni, così come accade per il calore. Alcuni ragazzi pensano che unendo due masse d’acqua, mantenute, ad esempio, una a 40°C e l’altra a 30°C, la temperatura finale sia pari a 70°C, altri a 10°C. Si fa fatica a comprendere che gli oggetti di una stanza all’equilibrio termico hanno tutti la stessa temperatura.

Il ghiaccio non può fornire calore e non è considerato una sorgente di calore per corpi a temperatura inferiore. Alcuni, pensando alla temperatura di solidificazione dell’acqua a 0°C, ritengono che quella sia l’unica temperatura del ghiaccio e 0°C sono considerati equivalenti a un calore nullo. Un cubetto di ghiaccio su una tavoletta di ferro si pensa che si sciolga più lentamente di uno su una tavoletta di legno.

E’ difficile capacitarsi del fatto che la temperatura dell’acqua in ebollizione resta costante. La conoscenza della costanza della temperatura all’ebollizione, non esclude, per molti studenti, che si possa raggiungere l’ebollizione con qualunque temperatura purché si aspetti un tempo sufficientemente lungo.

Per molti la temperatura che si misura con i termometri da esterno non è la stessa grandezza di quella misurata con i termometri da febbre, ed è presente la convinzione che nei termometri da febbre la temperatura misurata dipenda dal valore di partenza segnato dalla colonna di mercurio.

            Molti ragazzi ritengono che i recipienti di metallo, considerati più freddi, conservino il ghiaccio meglio di altri materiali. Per alcuni studenti, e anche per alcuni adulti, il ghiaccio avvolto in un maglione, si scioglie più velocemente. Non si riflette mai sul fatto che nelle sensazioni termiche anche il corpo prende parte all’interazione.

            Si può pensare che l’insegnamento tradizionale operi proprio per scalzare queste concezioni e per sostituirle con una nuova visione del mondo di tipo più scientifico, ma in realtà le cose non stanno così; un insegnamento di tipo tradizionale non scuote minimamente le preconcezioni degli studenti, anzi talvolta le rinforza. Posti di fronte a domande che potremmo definire “non scolastiche”, ciò non tradizionali, gli studenti tornano a fornire risposte di senso comune anche dopo aver affrontato l’argomento in oggetto.

            Gli esempi qui riportati sono soltanto un piccolo campione delle ricerche compiute, lavori analoghi si possono trovare sulla chimica o la biologia e sono stati condotti con studenti di molte nazioni con risultati sostanzialmente coincidenti. Nel progettare una didattica efficace queste ricerche non possono più essere trascurate se vogliamo che l’insegnamento delle discipline scientifiche abbia un significato.

            La scelta dei contenuti da trattare deve essere allora ripensata in una ottica completamente nuova e visto che il ragionamento degli studenti è influenzato dal contenuto preso in esame, le metodologie e i contenuti devono procedere di pari passo. L’istruzione deve favorire l’organizzazione delle conoscenze e l’elaborazione di strategie cognitive.

Le proposte didattiche, oltre che essere calibrate alla maturazione psicologica dei ragazzi, devono mirare al superamento delle preconcezioni degli studenti e devono, quindi, essere fondate sulla conoscenza delle idee dei ragazzi. Facendo riferimento ai concetti piagetiani di assimilazione e accomodamento possiamo affermare che vi è una stretta relazione fra nuove assimilazioni e struttura cognitiva. Gli alunni sono in grado di apprendere soltanto se non vi è uno scarto troppo grande fra ciò che sarà e ciò che è già stato assimilato. Non c’è crescita, sia quando ciò che si deve apprendere coincide con ciò che si è già appreso, sia quando, e questo è il caso dell’insegnamento delle scienze nella scuola, c’è troppo scarto fra il vecchio e il nuovo. Le idee dei ragazzi sono fondate sulle loro esperienze e non devono essere considerate una sorta di “fiera della castroneria”, piuttosto una metafora della loro visione del mondo.

Purtroppo si è diffuso un modello di insegnamento che ripropone, opportunamente banalizzato, il sapere universitario anche nelle scuole di base. In Italia, rispetto ad altri paesi, il quadro è aggravato dalla mancanza di una ricerca universitaria nel campo delle discipline scientifiche (sono presenti poche anche se significative eccezioni), e dalla formazione di insegnanti in funzione della ricerca o della professione, ma non per l’inserimento da professionisti nel mondo della scuola.

I libri di testo

            I testi scolastici hanno una parte di responsabilità riguardo al fallimento della didattica delle scienze. L’impostazione del libro di testo è basata tutta sulla disciplina piuttosto che sulla didattica. I sussidiari della scuola elementare sono una banalizzazione dei testi della scuola media, questi a loro volta sembrano derivare da quelli della superiore per semplificazione e infine i testi della superiore sono costruiti rispecchiando il manuale universitario. Purtroppo questi manuali sono lo strumento sul quale molti insegnanti impostano il loro lavoro.

            Ad esempio la trattazione del principio d’inerzia ripercorre le stesse tappe nel testo della scuola media, in quello della superiore e nel manuale universitario; oppure si scopre che la temperatura e il calore, in un sussidiario della scuola elementare, sono trattati in tre pagine e la combustione in dieci righe, la temperatura poi è definita come la misura del calore. Eppure quanto visto sulle concezioni degli studenti a proposito dei fenomeni termici induce a pensare che lo spazio da dedicare a questi argomenti debba essere molto maggiore, che abbia poco senso affrontare un concetto complesso come quello di calore senza prima aver riportato le sensazioni di caldo e freddo a una unica grandezza o senza prima aver acquisito dati con un termometro.

            Nei manuali della scuola media, come anche in quelli della scuola superiore sembra predominare l’enciclopedismo e il formalismo. E’ abbastanza comune iniziare il testo con un capitolo sul metodo scientifico, identificandolo banalmente con un improbabile metodo sperimentale fatto di osservazioni certe, scelta ovvia delle grandezza da osservare, ipotesi e verifica sperimentale che rendono l’esperimento di laboratorio una sorta di ricetta di cucina. Ma le cose sono ben diverse. Gli studenti, a causa delle loro preconcezioni, anche se osservano ciò che osserva l’insegnante non vedono le stesse cose. Le grandezze da considerare e quelle da scartare non sono le stesse per tutti, la costruzione di un concetto va ben al di là dei dati forniti dall’esperimento di laboratorio. Considerazioni sul metodo verranno riprese in seguito, comunque anche accettando il metodo proposto nel primo capitolo di molti libri di testo, si evidenzia una incoerenza fra quanto si afferma e la presentazione effettiva degli argomenti in modo dogmatico con qualche concessione, qua e là, a schede di laboratorio e a schede con brevi profili storici.

            La presentazione degli argomenti, anche quando non segue il filo tradizionale è comunque fortemente influenzata dalla trattazione universitaria classica. Nel caso della velocità, ad esempio, si assiste a una presentazione rapida della relazione che lega velocità, spazio e tempo per poi passare ad analizzare alcuni moti. Ma se vogliamo che la velocità sia compresa è necessario che la relazione sia il punto di arrivo di un percorso e non il punto di partenza. Deve essere lo studente, lavorando su distanze percorse e tempi impiegati, a comprendere l’importanza di definire una nuova grandezza che leghi assieme distanze e tempi in una definizione operativa. La presentazione della definizione di velocità è vista da molti studenti, che continuano a dare maggiore importanza al punto di arrivo o a un eventuale sorpasso, come un meccanismo per fare dei conti dati dei numeri.

            Molti studenti pensano alla forza come a una caratteristica che può essere espressa soltanto da esseri animati, animali o uomini, eppure quanti libri di testo affrontano l’argomento?

            Il libro di testo ha una importanza minore con gli studenti più piccoli. Addirittura nella scuola elementare questo potrebbe essere sostituito da un libro per l’insegnante con percorsi adeguati e sperimentati per ragazzi di quella fascia d’età. Gli studenti possono ricostruire il lavoro fatto in classe sul proprio quaderno per arrivare ad una sintesi condivisa che rappresenta un “capitolo” del loro libro di testo autocostruito.

            L’attenzione deve essere concentrata non su una scansione degli argomenti funzionale solo da un punto di vista disciplinare, ma su percorsi finalizzati a permettere la costruzione di competenze. Questi percorsi o sottopercorsi costruiti per ogni segmento di scolarità vanno intesi come i tasselli di un unico percorso che, partendo dalla scuola di base, sviluppi le conoscenze degli studenti su obiettivi definiti che si raggiungeranno al compimento del ciclo scolastico della scuola dell’obbligo.

Nell’immagine “ingenua” di scienza si è talvolta portati a vedere la scoperta di un fenomeno come un momento definitivo, di arrivo; possiamo però ribaltare questo punto di vista e considerare la scoperta come il punto di partenza per organizzare e sviluppare la conoscenza. Anche nello sviluppo di un concetto non si deve cadere nell’errore di sentirsi in dovere di “fare tutto”, al contrario, si devono porre le basi e procedere un passo alla volta, anno dopo anno.  

Si ha quasi l’impressione che il testo scolastico più che soddisfare le esigenze dello studente nell’incontro con la disciplina soddisfi la necessità di enciclopedismo e di formalismo degli esperti. E il vostro che tipo di manuale è?

La riflessione sulla scienza

La riflessione sulla disciplina si riduce spesso alla scelta di quali contenuti affrontare e quali trascurare. Una scelta è indubbiamente essenziale, ma se la scelta non è contemporaneamente anche una riflessione sulla struttura stessa della disciplina, probabilmente un argomento vale l’altro e quindi si può arrivare, come si arriva, a sviluppare la trattazione del radiocarbonio in un sussidiario della scuola elementare. Non che la sola riflessione sulla disciplina permetta di affrontare e risolvere il problema del cosa affrontare e del come affrontarlo, ma è sicuramente uno degli elementi necessari.

Di seguito sono presentate alcune considerazioni che possono rappresentare, pur con tutti i limiti, le difficoltà e i rischi che una simile operazione può comportare, un modo di porre attenzione alle discipline scientifiche che vada al di là della scelta dei contenuti.

Definizioni operative

Lo scopo che ci si prefigge, con un atteggiamento scientifico, è quello di mettere in evidenza, nella descrizione di un fenomeno, quali sono i fatti rilevanti rispetto a quelli che non lo sono. Questo contrasta con la visione del mondo del profano per il quale ciò che conta sono spesso eventi contingenti: si è molto più interessati a sapere quanto si impiegherà domani per andare da Firenze a Bologna, piuttosto che definire chiaramente alcune grandezze e conoscere una teoria cinematica.

Le grandezze fisiche sono definite descrivendo il procedimento utilizzato per misurarle, per mezzo di quella che viene detta una definizione operativa. Il termine definire può dare luogo a fraintendimenti, tant’è che nei libri di testo spesso si forniscono definizioni da dizionario più che definizioni operative. Si legge in un sussidiario della scuola elementare: “Temperatura: è la misura del calore”. Ovviamente questa definizione è errata, ma anche se fosse giusta non definirebbe proprio niente perché semplicemente “opera” sulle parole.

Le definizione operative hanno un forte aggancio con l’osservazione sperimentale; ad esempio definire operativamente la combustione richiede un lavoro approfondito di osservazione caratteristico di una scienza sperimentale, che fa concentrare l’attenzione sull’innesco, il residuo, il fumo, la velocità, l’emissione di luce, l’emissione di calore, scartando altri elementi che in quel contesto possono apparire inessenziali. Questo è ben diverso dall’affermare, semplicisticamente, che si verifica una combustione quando le sostanze bruciano. Dal punto di vista della didattica, si arriva alla definizione operativa quando si è costruito il concetto.

E’ vero che la definizione di velocità intesa come spazio percorso diviso tempo impiegato è la stessa sia che venga fornita in classe come punto di partenza sia che venga costruita al termine di un percorso, ma solo in questo secondo caso si può parlare di definizione operativa. Deve essere lo studente che “operando” su distanze, tempi, traiettorie, rappresentazioni grafiche, unità di misura e riflettendo anche sul significato di un rapporto, si costruisce il concetto di velocità abbandonando le proprie concezioni di senso comune.

 Le teorie

L’approccio operativo è fondamentale nella scuola di base ma si deve essere consci che non tutte le grandezze hanno un aggancio diretto con l’esperienza. E’ solo dopo aver lavorato operativamente in modo sperimentale – sperimentale nel senso che si diceva sopra, e non nel senso di andare in laboratorio per fare un esperimento – che si può passare a costruire una struttura teorica e non viceversa. Usando la metafora della rete proposta da Harl Gustav Hempel si può vedere una teoria scientifica come una rete composta da nodi collegati all’esperienza, e il resto della struttura con funzione teorica. I nodi devono quindi essere ben individuati prima di perdersi nelle maglie della rete.

E’ ovvio che le teorie svolgono un ruolo importante nella costruzione di una disciplina scientifica ma queste non possono essere il punto di partenza, quanto il punto d’arrivo. Spesso accade il contrario, la teoria atomica è posta, ad esempio, a fondamento della chimica già nella scuola elementare senza aver costruito una solida base osservativa su fenomeni macroscopici elementari.

Operativamente si può introdurre il concetto di forza per arrivare, tramite lo studio delle deformazioni, al dinamometro, e solo in seguito si affronterà il concetto di forza nei termini della dinamica. In seguito, qui, non significa di seguito, ma vuole indicare una precisa distanza temporale che implica il passaggio dalla scuola di base alla scuola secondaria.

Le teorie fanno uso di un linguaggio formale lontano da quello naturale; inoltre proprio la loro importanza, e talvolta anche la loro bellezza, è nella capacità di “comprimere” le informazioni in un quadro coerente. Ma questo è quanto di più lontano possa esserci dalla “testa” di un ragazzo. E’ vero che le teorie sono presentate, nei libri di testo o a lezione, in modo semiformale, ma questo non risolve il problema in quanto spinge a interpretare la parte formale in termini di senso comune.

Spesso gli studenti incontrano difficoltà nella comprensione, non solo del significato di singoli termini (ad esempio il termine lavoro ha significati diversi nella vita di tutti i giorni rispetto alla fisica), ma anche e molto più sottilmente per la confusione generata dai connettivi logici. Le ricerche hanno messo in evidenza che alcuni studenti interpretano un’espressione del tipo: “a quindi b”, come “a e b”. Problemi analoghi possono sorgere con: se … allora, non, o, alcuni, tutti.

Il luogo naturale per le definizioni operative è la scuola primaria, quello delle teorie, la scuola secondaria.

Oggetti macroscopici e microscopici

Gli oggetti macroscopici e quelli microscopici non possono essere trattati alla stessa stregua. I primi, infatti, hanno caratteristiche quali massa, carica, e forma contingenti, ma il loro comportamento è determinato con precisione dalle leggi fisiche. Gli altri, invece, hanno massa, carica, spin determinati e comportamenti, al contrario, descrivibili soltanto per mezzo di distribuzioni di probabilità. Gli oggetti microscopici possono anche avere la caratteristica di essere indistinguibili fra loro: due elettroni diversi sono a tutti gli effetti indistinguibili. Ciò non vale più per gli oggetti macroscopici, per i quali, accettando il postulato degli indiscernibili di Leibnitz, due oggetti che hanno esattamente le stesse proprietà, non possono che essere lo stesso oggetto. Al contrario di quello che succede con gli oggetti macroscopici, le particelle elementari, proprio per la loro indistinguibilità, non possono neppure essere caratterizzate con un nome proprio. Al massimo possiamo caratterizzare con dei nomi, non le particelle, ma le regioni che le contengono (sempre che, ad esempio nel caso di due particelle, le due regioni all’interno delle quali sono contenute siano abbastanza lontane da non dare origine ad una sovrapposizione, perché in quel caso le cose sono ancora più complesse).

Questa breve riflessione mostra quanto siano distanti i piani del mondo macroscopico e di quello microscopico, e la comprensione di quest’ultimo richiede una profonda concettualizzazione del primo: qui siamo ben lontani dai nodi della rete di Hempel. La definizione di particella è fortemente astratta. Lo studente, in mancanza di meglio, non può che riportare la descrizione del mondo microscopico a quella del mondo macroscopico travisandone completamente la natura.

Questo non significa che non si possano trattare argomenti di questo tipo con gli studenti della scuola primaria (diverso è il discorso con gli studenti della secondaria), ma si deve essere coscienti che affrontare tali argomenti non permette agli studenti di operare per crearsi dei concetti, ma al massimo di memorizzare delle informazioni. Ovviamente ciò fa venire meno il motivo per cui si insegna la scienza a scuola. Non che la trasmissione di informazioni sia sempre deprecabile, ad esempio per soddisfare la curiosità degli studenti o per catturare la loro attenzione, ma si deve essere coscienti che una cosa è dedicare una piccola parte del proprio tempo e per i motivi appena detti, a presentare certe nozioni, un’altra è impostare su tali argomenti l’anno scolastico. Si deve essere consapevoli del fatto che, mentre affrontare la combustione in un’ora in modo superficiale o affrontarla in uno o due mesi in modo operativo fa la sua differenza per lo sviluppo di competenze nel bambino, dedicare due ore o due mesi al mondo microscopico (radiocarbonio nella scuola elementare, partire dall’atomo per introdurre i fenomeni chimico-fisici, dedicare buona parte di un percorso di scienze nella scuola media per lavorare sull’energia nucleare) non fa nessuna differenza perché in ogni caso gli studenti, chiamati a lavorare su concetti troppo distanti e astratti, non potranno costruirsi una propria struttura interpretativa.

La fisica moderna

            Collegato a quanto appena detto è il problema della fisica moderna. L’insegnamento della fisica moderna può trarre grande giovamento dalla conoscenza storica del lavoro fatto dagli scienziati su alcune teorie del ‘900. Arons (1992) mette bene in evidenza come sia possibile introdurre soltanto alcuni elementi della prima fisica moderna, con gli studenti più grandi, e soltanto se si sono poste le basi opportune all’interno della fisica classica. Individuare una “linea storica”, come dice Arons, significa portare gli studenti a ragionare sui processi che determinano la creazione dei concetti. Nei libri di testo si presentano i risultati finali sui quali gli studenti non possono far altro che lavorare “di memoria”. La regola di quantizzazione del momento angolare, così com’è presentata è equivalente all’enunciazione di una formula magica (non c’è poi da stupirsi che la scienza sia talvolta messa sullo stesso piano di visioni del mondo “esoteriche”); non si tiene in nessun conto il percorso sviluppato da Bohr che fra le altre cose si pose il problema di trovare prove che indicassero che l’atomo di idrogeno è formato da un nucleo centrale attorno al quale ruota un solo elettrone.

            Arons racconta un aneddoto a proposito di un insegnante che aveva ricevuto, negli Stati Uniti, un encomio presidenziale per la sua didattica sulla fisica delle particelle elementari. Ma l’acquisizione di competenze attraverso lo studio delle particelle elementari, studio che è ben al di là delle capacità degli studenti di una scuola superiore, per Arons è addirittura meno utile di imparare a memoria le capitali degli stati americani. 

Le scoperte scientifiche

            Leggendo i libri di testo si ha l’impressione che le date che determinano le scoperte scientifiche siano il termine di un processo di ricerca e che da quel momento in poi si disponga di un nuovo concetto. In realtà, a ben guardare, è più probabile che la scoperta sia l’inizio di un processo destinato a evolversi nel tempo.

Se pensiamo, storicamente, a una particella possiamo percorrere una serie di tappe quali: parti molto piccole di oggetti macroscopici; le molecole della teoria cinetica; le molecole intese come aggregati di atomi; elettroni, protoni e neutroni come descritti dalle prime ricerche sulla radioattività; la comparsa di fotoni e neutrini; la creazione di particelle negli acceleratori di particelle; i quark fino ad arrivare alle più recenti teorie sulle super corde. Cosa si intende allora per particella? I quark, che non possono essere osservati singolarmente, possono essere considerate delle particelle? Ed inoltre possiamo affermare che l’elettrone cui pensano oggi i ricercatori sia lo stesso elettrone scoperto nel 1897 da J. J. Thomson? E di conseguenze, dobbiamo pensare alla scoperta dell’elettrone come a un atto definitivo che ha avuto il suo epilogo nel 1897, oppure a un processo che vede nella data del 1897, senza trascurare gli studi precedenti, un inizio per la nascita del concetto di elettrone?

Queste riflessioni valgono anche per la didattica. Sarebbe assurdo pensare di introdurre un concetto nella sua versione definitiva (quale poi?); è, al contrario, necessario permettere allo studente di costruire i propri concetti partendo da una visione del mondo più vicina a quella del vedere comune, di ogni giorno, per articolarla verso un maggior approfondimento e complessità, ma sempre passo dopo passo. Questo non significa, come qualcuno potrebbe intendere, che prima si fa la meccanica, poi la termodinamica, l’elettricità e il magnetismo e infine la fisica moderna, in una scansione da manuale.

In precedenza è stata messa in evidenza la difficoltà nel trattare il mondo microscopico. Questo vale per quel mondo astratto e formalizzato fuori dalla portata dei bambini. Niente vieta, ad esempio, al termine di un percorso sulle soluzioni nella scuola elementare, che i bambini possano formulare le loro ipotesi sul sale o sullo zucchero sciolto nell’acqua in termini particellari.

Il caso del movimento

            Il lavoro di J. Piaget (1975) sul movimento e la velocità permette di comprendere chiaramente come la definizione di velocità espressa per mezzo della relazione distanza percorsa fratto tempo impiegato sia insufficiente per lo studente, se non si chiarisce il ruolo di alcuni elementi, spesso trascurati nelle presentazioni tradizionali, quali la traiettoria, il sorpasso, i punti di partenza e di arrivo.

            Un percorso di introduzione al movimento deve far sì che lo studente possa focalizzare l’attenzione sulla distanza percorsa su una data traiettoria e sull’importanza della misurazione della distanza stessa. Si può quindi porre lo studente di fronte a situazioni diverse, che gli permettano di pensare al movimento in funzione delle distanze percorse e dei tempi impiegati; si possono introdurre i grafici spazio tempo in modo “concreto”, in modo, cioè, che la loro “costruzione” abbia un significato per gli studenti, cominciando anche a confrontare velocità diverse partendo dal concetto primitivo posseduto dagli studenti. Infine si può, con gli strumenti precedentemente sviluppati arrivare a una definizione di velocità, ma questa definizione non può essere il punto di partenza dello studio se non si vuole ridurre il tutto ad un banale addestramento su una formula. E d’altra parte questo percorso rappresenta soltanto una tappa conclusiva che apre la strada a nuovi approfondimenti e generalizzazioni che permetteranno di vedere in un’ottica nuova il concetto di velocità costruito in una prima fase. Processi di questo tipo richiedono tempi lunghi.

E la storia ci insegna quanto impegnativo sia stato lo sforzo di Galileo nello studio dei movimenti. Lo stesso Galileo, come è riportato da E. Grant (1983), utilizzò i concetti sviluppati dagli studi del Medioevo, e in particolare quelli del Merton College di Oxford, sulle intensioni e remissioni delle forme e delle qualità, cioè sulle velocità di variazione, ad esempio, del colore di un frutto con la maturazione. Ad esempio il moto uniforme veniva definito come: “l’attraversamento di distanze uguali in ogni intervallo uguale di tempo”. L’ogni elimina la possibilità che, all’interno di intervalli di uguali distanze e tempi, la velocità non sia uniforme. Queste sono proprio le definizioni verso le quali gli studenti dovrebbero essere condotti con lo studio del movimento.

Se queste difficoltà si incontrano sui concetti di base, attorno ai quali si può operare in una dimensione sperimentale anche in scuole dotate di pochi mezzi, ben più complessa è la faccenda quando si tratta di costruire concetti complessi quale quello d’inerzia. Soltanto se si opera su solide basi c’è la possibilità di introdurre gli studenti a operare su livelli più elevati, in caso contrario non esiste nessuna possibilità di riuscita. Le attività didattiche devono prendere in considerazione i preconcetti di senso comune assieme a prerequisiti specifici e le osservazioni sperimentali devono inserirsi in una rete di conoscenze e devono servire per formulare ipotesi o per far propri concetti operativi.

Oggetti e nomi

Abbiamo visto la difficoltà a caratterizzare con dei nomi le particelle per poterle riconoscere. Quando si attribuisce un nome si può distinguere, come ha proposto Gottlob Frege fra due significati, quello relativo all’estensione e quello relativo all’intensione. Le estensioni si riferiscono all’oggetto fisico, le intensioni al concetto associato all’oggetto fisico. Il nome termometro, come estensione, indica un ben preciso oggetto conosciuto da tutti; non altrettanto accade con l’intensione, cioè col concetto associato. Infatti, facendo riferimento alla misurazione di temperatura, quindi alle teorie sui fenomeni termici, il “termometro” dell’esperto è molto distante da quello del profano. Se non si tiene conto di questa distinzione il fraintendimento è totale.

Con il mondo microscopico le cose si complicano, perché in quel caso i nomi sono associati all’intensione, al concetto, e non all’estensione, cioè all’oggetto fisico. Ma le cose possono andare anche peggio costruendo una scienza di soli nomi all’interno della quale scompaiono gli oggetti e i relativi concetti. Come dice Galileo, a proposito della gravità: “Voi errate, signor Simplicio; voi dovevate dire che ciaschedun sa ch’ella si chiama gravità. Ma io non vi domando del nome, ma dell’essenza della cosa: della quale essenza voi non sapete punto più di quello che voi sappiate dell’essenza del movente le stelle in giro…>>.

Galileo afferma: <<I nomi, e gli attributi si devono accomodare all’essenza delle cose, e non l’essenza ai nomi, perché prima furono le cose, e poi i nomi>>.

La realtà

            Possiamo conoscere la realtà che ci circonda? Nei libri di testo è frequente trovare affermazioni del tipo: la scienza ci permette di conoscere la realtà che ci circonda. Ma qual è il significato di affermazioni di questo tipo? Mettendoci nella posizione dell’empirista ingenuo possiamo ritenere che i sensi ci diano una conoscenza certa della realtà. Ma questa posizione è poco sostenibile. La realtà, così come ci appare, è il frutto di una elaborazione personale. Lo studente non interpreta una prova sperimentale allo stesso modo dell’insegnante. Non tenere conto di questa distinzione, cioè non partire dalla posizione dello studente per realizzare un’opera di ricostruzione del mondo che avvicini lo studente all’insegnante significa fallire sicuramente.

Nella fisica i numeri ottenuti dalle misurazioni sono in relazione con le grandezze fisiche associate. Questo può dar luogo a un grave fraintendimento se si finisce per ritenere che quei numeri o quei simboli siano la realtà. Quando ciò accade si smette di lavorare sui concetti e si inizia l’addestramento con formule e numeri. Einstein  e Infeld (1965), affermano che: <<Per il detective il delitto è un fatto positivo ed il problema si pone semplicemente in questi termini: chi è l’uccisore? Lo scienziato invece deve, almeno in parte, commettere egli stesso il delitto e al contempo condurre egli stesso l’inchiesta>> E aggiungono: <<I libri di fisica sono pieni di complicate formule matematiche. Ma il pensiero e le idee e non le formule stanno all’origine di ogni teoria fisica>>.

Lo sviluppo storico della disciplina

In molti libri di testo la storia è utilizzata per introdurre un capitolo, per realizzare dei riquadri tipograficamente piacevoli o per inserire delle note contenenti alcune notizie storiche sui grandi scienziati. La didattica della disciplina, però, non è sviluppata alla luce di una riflessione sullo sviluppo storico. Ad esempio i gas e i liquidi sono trattati sullo stesso piano, anche se storicamente sappiamo che la concettualizzazione dei gas – o dell’aria – è risultata molto complessa. Analizziamo un po’ più in dettaglio lo sviluppo storico di alcuni concetti scientifici tenendo sempre come punto di riferimento la didattica.

La pressione atmosferica

            La pressione atmosferica viene normalmente introdotta con qualche riferimento a Torricelli e con la presentazione del barometro. Che il barometro sia uno degli strumenti fondamentali che ha permesso la rivoluzione scientifica del XVII secolo è innegabile, ma che con la presentazione del barometro si riesca a concettualizzare “l’aria o il vuoto” è un altro discorso.

            Se analizziamo più in dettaglio il processo storico che ha condotto allo studio dei gas ci accorgiamo che vi hanno preso parte scienziati del calibro di Galileo, Torricelli, Pascal, Boyle.

Già Galileo aveva affrontato i problemi relativi ai sifoni per tirare su acqua e al vuoto in un ambito che è quello della teoria dell’horror vacui; è però Torricelli, eseguendo le prime esperienze col barometro, a mettere in evidenza che l’altezza della colonna di mercurio, quattordici volte più denso dell’acqua, deve essere quattordici volte più bassa della colonna d’acqua. Inoltre lo scienziato sottolinea il fatto che lo spazio sopra il mercurio è vuoto e che la causa per l’innalzamento del mercurio è nell’aria esterna al barometro. Torricelli si esprime nel seguente modo in una lettera a Ricci del giugno del 1644: <<Noi viviamo al fondo di un pelago d’aria elementare, la quale per esperienze indubitate si sa che pesa, e tanto, che questa grossissima vicino alla sua terrena, pesa circa la quattrocentesima parte del peso dell’acqua. Questa forza che regge quell’argento vivo contro la sua naturalezza di ricadere giù, si è creduto fino adesso, che sia stata interna al vaso [barometro] …; ma io pretendo che la sia esterna, e che la forza venga di fuori.>>.

Ricci risponde ponendo delle obiezioni alle quali Torricelli è però in grado di ribattere. Ricci osserva che se è il peso dell’aria a determinare l’innalzamento della colonna di mercurio, tappando a tenuta il contenitore del mercurio, nel quale è immerso il tubo, questa spinta dovrebbe venire a cessare. Torricelli ribatte che se l’aria che resta all’interno è “del medesimo grado di condensazione” di quella esterna, il livello della colonna di mercurio resta invariato.

 Benché Torricelli avesse indicato la presenza del vuoto sopra la colonna di mercurio, il problema di cosa restava all’interno del tubo, sopra il liquido, per molti non era stato risolto.

Pascal, inserendosi a questo punto del dibattito, svolge un ruolo fondamentale nel chiarire la questione. Avendo la possibilità di utilizzare tubi di vetro molto lunghi realizza un esperimento che mette a confronto acqua e vino. All’epoca si riteneva che il vino avendo una maggiore quantità di “vapori”, dovesse salire meno in alto dell’acqua. In realtà l’esperimento, condotto nel porto di Rouen, utilizzando come sostegno l’albero di una nave, mostra che il vino sale più dell’acqua come c’era da aspettarsi in base al confronto fra le densità dei due liquidi. La tesi del vapore è sconfitta.

Pascal mostra anche che l’altezza della colonna di mercurio è sempre la stessa indipendentemente dallo spazio che si trova sopra mettendo così in crisi l’ipotesi, formulata da alcuni, di una bolla d’aria che sostiene il mercurio. Non disponendo di pompe a vuoto, Pascal esegue sempre nel 1648 un’esperienza ritenuta decisiva costatando che il livello della colonna di mercurio del barometro in cima al Puy de Dome è diminuito. E’ necessario mettere in evidenza che fa ormai parte del patrimonio delle conoscenze dell’epoca il fatto che la densità dell’aria vari con l’altezza: si usa quindi quest’ultimo risultato per interpretare la differente altezza della colonna di mercurio al variare della quota e non il contrario. Pascal, pur conoscendo i lavori di Torricelli, non farà mai riferimento a quest’ultimo attribuendosi il primato nella spiegazione dei fenomeni.

In questo dibattito si inseriscono proficuamente Otto von Guericke (1602 – 1686) e Robert Boyle (1627 – 1691). Benché pompe aspiranti siano già presenti fin dal XVI secolo, per merito di ingegneri rinascimentali, Guericke è in grado di realizzare le prime pompe per produrre il vuoto ed eseguire così ulteriori esperimenti.

Boyle, in particolare si trovò a sostenere una disputa col gesuita inglese Francis Hall, conosciuto come Linus (1595 – 1675), che lo condusse alla pubblicazione del saggio: A defence of the doctrine touching the spring and weight of the air, nel 1662. Linus, ancora aggrappato alla teoria aristotelica del vuoto, sosteneva che al disopra del mercurio non fosse presente il vuoto, ma un “funiculus” in grado di sostenere il mercurio stesso.

La teoria dell’horror vacui riceve un duro colpo dall’insieme dei fatti riportati fin qui. E’ pero evidente che un solo esperimento, per quanto significativo, non permette il cambiamento concettuale nella comunità scientifica. Si parla spesso di esprimenti cruciali, ma forse questi sono tali soltanto quando si è abbandonato il vecchio paradigma e si è accettato il nuovo.

Resta da chiedersi cosa ritenevano, tutti questi personaggi, fosse il vuoto. Paolo Rossi (1997), citando Dijksterhuis, afferma: <<E’ vero che la natura era stata liberata dall’horror vacui, ma è anche vero che quest’ultimo si era impossessato delle menti: “le tante teorie dell’etere, che occuperanno un posto di rilievo nella fisica ne sono la prova eloquente”.>>.

Questa breva trattazione sulla pressione atmosferica, mettendo in evidenza le difficoltà insite nella costruzione di un concetto, permette di puntualizzare l’inadeguatezza di trattazioni che banalizzano i concetti riportando soltanto i risultati finali. Ricerche condotte sulla pressione atmosferica hanno mostrato che molti studenti, anche universitari, pensano che l’aria eserciti una pressione solo quando c’è vento. A ciò si aggiunge una confusione fra gravità e pressione nel senso che, per molti, è il peso dell’atmosfera che ci schiaccia contro il suolo impedendoci di volare via, cioè è la pressione atmosferica la responsabile della gravità e non viceversa. Il vuoto poi, nel migliore dei casi, per molti è un vuoto pieno di aria, di polvere, di germi, di vapori sconosciuti.

Dice  T. Kuhn (1969): <<La presentazione manualistica presuppone che, fin dall’inizio dell’attività scientifica, gli scienziati abbiano rivolto i loro sforzi verso quegli argomenti particolari che sono incorporati negli odierni paradigmi. Uno dopo l’altro, in un processo spesso paragonato al porre un mattone sopra l’altro per formare un edificio, gli scienziati hanno aggiunto nuovi fatti, concetti, leggi e teorie al corpo di informazioni fornito dal manuale scientifico contemporaneo.

Ma questo non è il modo in cui si sviluppa la scienza.>>

E forse non è neppure il modo in cui si sviluppa la didattica della scienza.

I fenomeni elettrici e magnetici

            La necessità di rigore, termine spesso utilizzato quando si discute di insegnamento scientifico, non può significare l’obbligatorietà di presentare i diversi argomenti in una forma già ripulita e formalizzata, ma piuttosto l’esigenza di operare affinché lo studente venga portato su un terreno all’interno del quale sia in grado di muoversi anche con rigore logico. Troppo spesso ci si comporta come se (citando un’espressione ormai famosa) gli studenti che non conoscono niente di fisica o di chimica fossero in grado di ragionare come fisici o chimici. Non possiamo dare per scontato il ragionamento razionale nell’ambito delle discipline scientifiche, ma lavorare proprio per costruire la razionalità, tenendo presente che questa è un limite verso il quale si tende.

            William Gilbert, autore del De magnete magneticisque corporibus et de magno magnete Tellure physiologia nova, pubblicato nel 1600,  è stata una figura importante nello studio dei fenomeni magnetici perché cercò di riconoscere i fatti dalle superstizioni; all’epoca si pensava, come racconta il gesuita Niccolò Cabeo nel suo libro Philosophia magnetica del 1629 che: la polvere di un magnete potesse curare certe malattie, i magneti scacciassero le streghe, l’aglio avesse la capacità di indebolire la calamita, il magnete potesse riunire marito e moglie e potesse essere adoperato come filtro d’amore.

            Lo studio dei fenomeni elettrici non era facile, basti pensare alle difficoltà che può provocare l’umidità dell’aria, e anche Newton, nel 1675, mise in evidenza l’imprevedibilità nello sperimentare con le sostanze elettrizzate. Comunque Gilbert pose le basi per distinguere fra i fenomeni elettrici (all’epoca si riteneva che nelle interazioni elettriche fosse presente soltanto l’attrazione) e quelli magnetici e ipotizzò che la terra fosse un enorme magnete.

            D’altra parte lo stesso Gilbert riteneva che il magnetismo fosse l’anima della terra; parlava di simpatie e antipatie nella descrizione dei fenomeni osservati; parlando di attrazioni si esprimeva in termini di una “unione volontaria”, per cui il ferro e la magnetite si congiungevano assieme. Affermava che la calamita possedeva un’anima e che la bussola era “il dito di Dio”. Per Gilbert, insomma, la materia era viva e capace di recepire gli stimoli che gli giungevano.

            Alcuni studiosi, come il gesuita Athanasius Kircher, professore di matematica, fisica e lingue orientali al Collegio Gregoriano di Roma, mescolavano assieme magia e ricerca sui fenomeni naturali. La linea che divideva la magia dalla scienza non era così ben definita. Contemporaneamente, però, altri ricercatori, quali Lorenzo Magalotti (1637 – 1712) segretario dell’Accademia del Cimento, mettendo in evidenza un atteggiamento più moderno, puntualizzavano quanto fosse difficile sperimentare e la necessità di un condotta prudente nell’interpretare i nuovi fenomeni.

            Questi pensatori non sempre erano in accordo fra loro; ad esempio Cabeo, quasi trent’anni dopo le idee pubblicate da Gilbert, rifiutava l’idea che la terra fosse un magnete. Johannes Kepler, nell’Astronomia Nova del 1609, sosteneva la natura magnetica del Sole e individuava in una forza magnetica la causa che produceva il moto dei pianeti attorno al Sole. Kircher non era d’accordo con tale ipotesi perché riteneva che se il Sole fosse stato capace di generare una forza magnetica tanto intensa da trattenere i pianeti nelle loro orbite allora gli aghi delle bussole avrebbero dovuto puntare verso il Sole. Kircher obiettava anche a Gilbert che se un piccolo magnete ha abbastanza forza da attirare oggetti di ferro, la terra, molto più grande del magnete, dovrebbe attirare al suolo ferri di cavallo, pentole, armature e altri oggetti metallici; poiché questo non avviene la terra non può essere un magnete.

Come si vede i concetti in formazione sono impastati e sporchi e sono necessari lunghi periodi di riflessione e di sperimentazione per ripulirli e ciò vale anche per gli studenti. Ovviamente non si propone di ripercorrere tutte le tappe della storia della scienza, ma concentrandosi su pochi concetti fondamentali e tenendo conto di questi insegnamenti, di presentare agli studenti percorsi coerenti e in continuità fra loro affinché possano arrivare a costruire una conoscenza organizzata, che sia padroneggiata, di cui si è consapevoli e che permetta di affrontare il nuovo.

Queste due riflessioni storiche non vanno intese come proposte di studio per gli studenti (anche se ciò è in parte possibile per studenti più grandi che frequentano istituti ad indirizzo scientifico, auspicabile per chi frequenta facoltà scientifiche e obbligatorio per chi vuole fare l’insegnante), ma piuttosto come elemento di riflessione, da parte degli insegnanti, per la costruzione di percorsi didattici. Le difficoltà che hanno incontrato i grandi scienziati del passato sono, con le dovute proporzioni, le difficoltà di tanti studenti ancorati a una visione basata sul senso comune. Se vogliamo dare risalto alla costruzione dei concetti non si possono non tenere in considerazione conoscenze di tipo storico. Il docente non deve trasformarsi in uno storico della scienza, ma senza queste competenze non è possibile formulare proposte didattiche significative, ma soltanto fare del nozionismo e dell’addestramento. Presentare una disciplina scientifica, anche senza far riferimento a fatti storici, senza avere presente una dimensione diacronica piuttosto che sincronica della scienza, significa non permettere agli studenti la costruzione di concetti significativi. D’altra parte la progettazione di percorsi specifici configura delle competenze specifiche anche negli insegnanti: non si formano competenze negli studenti, se non sono presenti competenze negli insegnanti che vadano al di là della conoscenza, anche buona, della disciplina.

Leonardo Barsantini

La formazione dei concetti scientifici

            Alcuni studi mostrano chiaramente quanto difficile sia ragionare correttamente e quanto al contrario sia facile imboccare scorciatoie o “tunnel della mente” che conducono a conclusioni errate. Siamo portati a esprimere giudizi di tipo intuitivo, immediato, che non trovano poi riscontro nei fatti.

            La scienza dello studente si concentra su aspetti e grandezze che caratterizzano la vita di tutti i giorni è mostra difficoltà nell’utilizzare ragionamenti astratti. L’attenzione è indirizzata su fatti singoli e si accontenta di una visione locale a scapito di una visione più ampia. Non si cerca la generalizzazione nelle spiegazioni, c’è assenza di coerenza e non si eseguono controlli. Inoltre non c’è riflessione sul significato delle parole attribuendovi spesso più significati.

Consideriamo come esempio un semplice circuito composto da un generatore di tensione (una pila) e una resistenza. Se togliamo la resistenza non circola più corrente, e questo lo affermano dopo un po’ di esperienza tutti gli studenti; se però chiediamo quanto vale la resistenza fra i due punti lasciati aperti diventa “intuitivo”, per la quasi totalità degli studenti, affermare che questa vale zero. E’ tipico, per molti studenti, anche degli ultimi anni della scuola superiore, pensare che togliere un “oggetto” equivalga a porlo uguale a zero, ma in un circuito elettrico togliere una resistenza fra due punti equivale a porre una R di valore molto elevato (pari alla resistenza dell’aria fra i due punti del circuito). Un aspetto come questo deve essere affrontato e risolto in modo non superficiale se non vogliamo che dopo qualche mese la risposta fornita sia nuovamente che la resistenza vale zero, anzi può anche accadere che qualcuno prenda sicurezza dall’aver studiato un dato argomento per dare ulteriore conferma ai giudizi errati.

E’ molto difficile produrre il cambiamento e gli studenti devono essere guidati per mezzo di un salto concettuale dalla primitiva intuizione a un nuovo modo di analizzare o di intuire i fenomeni. Di ciò l’insegnante dovrebbe tenere conto perché se è vero che con difficoltà gli studenti possono farsi un giudizio corretto, è altrettanto vero, come osservava Darwin, che un’opinione qualsiasi finiscono per assumerla.

            Restando in ambito elettrico è comune per gli studenti ritenere che, in un circuito composto da un generatore e una resistenza, la corrente che circola “prima” della resistenza è maggiore di quella che circola “dopo”. Ciò accade perché gli studenti non pensano al mondo come a un insieme di oggetti fra loro interrelati, ma tendono a separare gli oggetti concentrando l’attenzione su alcuni e trascurandone altri, e quindi anche il circuito elettrico non è visto come un sistema chiuso.

Quello che gli studenti vedono e pensano spesso non ha niente a che vedere con quello che gli insegnanti si aspettano che gli studenti vedano e pensino: guardare non è vedere. Non basta andare in laboratorio perché tutti gli elementi trovino il loro posto e si mostrino nella loro evidenza.

Galileo distingue fra qualità primarie e qualità secondarie. Una possibile classificazione è la seguente. Qualità primarie sono la grandezza, la disposizione nello spazio, la quantità, il peso, la forma, il moto. Qualità secondarie i colori, gli odori, i sapori, i suoni. Per Galileo la ragione ci fornisce indicazioni sulle qualità primarie, i sensi sulle qualità secondarie e queste sono erronee in quanto hanno “residenza nel corpo sensitivo”. Il discorso è indubbiamente complesso, poiché si potrebbe dire che sono le qualità secondarie a dare corpo alle qualità primarie, e non è il caso di affrontarlo qui, però è forse opportuno fare un breve accenno alle qualità terziarie. Dice Max Wertheimer: <<Il nero è lugubre ancora prima di essere nero>>. Neppure le misure vanno a incidere sulle qualità terziarie che continuano a condizionare l’osservabile. Nella percezione siamo fortemente condizionati da stereotipi: l’acqua è più liquido dell’olio, l’aria è più gas del cloro, il ferro è più solido della sabbia. Seguendo Piattelli Palmarini (1993), sappiamo tutti che un chilo di piombo pesa quanto un chilo di piume, eppure cosa preferiremmo ricevere su un piede da un paio di metri di altezza?

Associamo spontaneamente al concetto di peso una serie di altri concetti quali quelli di sforzo, di solidità, di impatto col corpo, di fatica, di dolore. Il concetto di senso comune di peso, per certi versi più vicino al concetto di peso specifico, non si basa solo sulla misurazione che si può ottenere con la bilancia, ma mescola “sensazioni” ed elaborazioni mentali. Nell’analisi ingenua dei fenomeni il moto di un proiettile sparato da un cannone è visto in modo diverso rispetto a quello di una foglia che cade: si ritorna alla distinzione fra moto naturale e moto violento. Per molti studenti la capacità di produrre una forza è una prerogativa dei soli esseri viventi e non degli oggetti inanimati.

A ben guardare le cose sono più complesse di quanto l’ingenuo metodo sperimentale dei libri di testo voglia far vedere; non ha alcun senso un “induttivismo ingenuo” che ponga in concetti della fisica nelle cose e nei fenomeni, concetti derivabili poi dall’osservazione. Secondo Westfall (1984), Galileo conduceva i suoi esperimenti ideali nell’unico luogo possibile: la sua immaginazione. E i suoi esperimenti servivano soprattutto a convincere gli altri, poiché lui credeva nei suoi risultati senza la necessità di eseguirli.

Nel Dialogo è Simplicio, piuttosto che Salviati, a sostenere il primato dell’osservazione. Al contrario Salviati afferma: <<… né posso a bastanza ammirare l’eminenza dell’ingegno di quelli che l’hanno ricevuta e stimata vera [l’opinione copernicana], ed hanno con la vivacità dell’intelletto loro fatta forza tale a i propri sensi, che abbiano possuto antepor quello che il discorso gli dettava, a quello che le sensate esperienze gli mostravano apertamente in contrasto>>.

            Anche in Keplero giocano un ruolo fondamentale considerazioni relative al numero di pianeti presenti in cielo o speculazioni che riguardano legami fra le armonie musicali e i moti planetari. Keplero vede una corrispondenza fra le tre cose immobili nell’universo: il Sole, le stelle fisse e lo spazio intermedio e la Trinità.

            Con ciò non si vuole affermare che il laboratorio non è importante nell’educazione scientifica, al contrario, forse, pochi insegnanti ne fanno un uso sistematico, quanto piuttosto mettere in evidenza la necessità di non “santificare l’osservazione”.

Nel ‘600 prende avvio il “metodo sperimentale”, cioè l’indagine della natura in condizioni sperimentali definite dall’osservatore. Ma per far ciò l’osservatore deve avere già in mente come vuole procedere, cosa osservare e cosa tralasciare. Anche gli studenti che si avvicinano al laboratorio devono essere posti in queste condizioni, non soltanto dicendo loro cosa fare, ma lavorando in modo che l’osservare diventi familiare. E’ necessario lavorare per imparare a osservare e a descrivere fino dalla scuola dell’infanzia su percorsi didattici specifici: a poco servono gli esperimenti “ricetta”. I concetti sono inventati dagli scienziati per descrivere comportamenti osservati e sono più spesso le teorie a precedere l’osservazione.

Le strutture con cui si interpretano i fenomeni devono essere costruite dalla mente e non dipendono da quante volte ripetiamo l’esperienza se non ci si pone di fronte al “fatto” con spirito critico imparando a distinguere ciò che è essenziale da ciò che non lo è. La realtà non trasmette conoscenza senza un’operazione attiva di interpretazione e ricostruzione. Spiegare non è assolutamente sufficiente per far comprendere. E’ fondamentale, quindi, che il lavoro svolto a scuola non stimoli soltanto la memorizzazione. Il metodo scientifico deve allora essere inteso come sinonimo di atteggiamento critico e non nel senso della generica scansione in osservazione, ipotesi, esperimento e legge.

In una didattica più tradizionale sono messe sullo stesso piano problematiche confrontabili da un punto di vista dell’organizzazione formale della disciplina, ma su piani completamente diversi per quanto riguarda il loro apprendimento. Tradizionalmente si trattano allo stesso modo, dedicandovi lo stesso tempo, le misurazioni di corrente e di tensione, eppure le prime sono enormemente più difficili da apprendere delle seconde perché si deve operare un “taglio” in un punto opportuno del circuito, riconoscere i due estremi e inserire lo strumento. Le misurazioni di tensioni sono, al contrario, molto più semplici perché non si opera sul circuito ma si pongono i terminali dello strumento sul componente prescelto. Non è raro che dopo un anno passato a fare misurazioni di tensione e di corrente molti studenti misurino una corrente allo stesso modo di una tensione.

Il luogo ideale affinché le misconcezioni vengano in superficie è lo sviluppo di percorsi didattici che permettano allo studente di evolvere dalle proprie concezioni verso concezioni più accreditate scientificamente. Spesso, al contrario, ci si limita a presentare delle analogie inadeguate. Ad esempio, una analogia tipica è quella fra la corrente e lo scorrere di un liquido in un condotto. Per molti studenti l’unico liquido cui pensare è l’acqua nelle condutture che diminuisce di portata via via che raggiunge i vari utenti. Questo modello è ovviamente errato perché la corrente circola in un sistema chiuso e quindi non si esaurisce. Sistemi idraulici chiusi, più simili al circuito elettrico, sono spesso altrettanto inadeguati perché si finisce per spiegare il comportamento del sistema elettrico, ricorrendo all’analogia con un sistema idraulico che è altrettanto sconosciuto.

Spesso, proprio per la complessità degli argomenti trattati, gli studenti sono soggetti più che a un “ragionare disordinato” (affermazione tipica presente in molti consigli di classe), a uno “sragionare ordinato” là dove hanno memorizzato o si sono addestrati su conoscenze che non hanno concettualizzato, ma che sanno ridire in  bella forma.

La crescita della conoscenza non va vista in modo cumulativo, ma organico: si conservano alcune parti, magari modificandole parzialmente, se ne sostituiscono altre. Le percezioni che hanno rilevanza sono quindi percezioni concettuali. Nella scuola tanto più si comunica, permettendo una concettualizzazione degli argomenti trattati, tanto meno si informa. I concetti permettono allora di fare delle generalizzazioni, diventano degli strumenti che identificano gli oggetti collocandoli all’interno di un sistema, integrandosi con altri concetti. Uno schema concettuale diventa un modo di organizzare l’esperienza. La didattica tradizionale sembra, al contrario, che intenda uno schema concettuale come un modo statico di organizzare la realtà esterna. Uno schema concettuale, al contrario deve generare nuove classi di possibilità.

Come viene ironicamente riportato da Arons (1992), visti i risultati che si ottengono nell’insegnamento scientifico, forse si dovrebbero concentrare gli sforzi verso la progettazione di corsi molto piacevoli e molto facili da dimenticare. Dice a questo proposito J. K. Jerome (1995): “Per quanto mi riguarda, non capisco una parola di tedesco. L’ho studiato a scuola ma l’ho dimenticato completamente nello spazio di due anni e, da allora, mi sono sentito assai meglio.” L’impressione che si ha, parlando con amici e conoscenti, è che per molti quello che è stato fatto a scuola, e questo vale soprattutto nel campo della matematica e delle scienze, non abbia contribuito ad una vera crescita culturale.

Il metodo

            Nel capitolo relativo alla riflessione sulla disciplina non si è dedicato un paragrafo al metodo. Indubbiamente il discorso sul metodo è molto complesso in un epoca in cui la riflessione ha portato Feyerabend (1979) a pubblicare un libro dal titolo “Contro il metodo”. La questione su cosa sia il metodo scientifico coinvolge una riflessione sulla stessa scienza e sarebbe quindi opportuno non parlare con tanta leggerezza di metodo scientifico dando per scontato cose che scontate non sono. Una riflessione è però necessario farla; una proposta metodologica innovativa del fare scienza a scuola non ha niente a che vedere con il “metodo sperimentale”. Chi afferma che tutto sommato a scuola, lui, il metodo sperimentale lo ha sempre usato, probabilmente sta fraintendendo completamente la necessità di rinnovare la didattica delle discipline scientifiche.

            Confusione deriva anche dalla distinzione fra metodo induttivo, deduttivo e ipotetico – deduttivo, termini questi usati con grande superficialità nel primo capitolo dei libri di testo. Tracciare una semplice distinzione fra i tre ambiti può portare a banalizzazioni ma possiamo tentare dicendo che con deduzione si intende un procedimento che partendo da premesse implica delle conclusioni in modo tale che la verità delle premesse garantisce la verità delle conclusioni. La deduzione fornisce certezza al legame fra premesse e conclusioni ma non dice niente sulla verità di una singola affermazione. L’induzione permette di passare da alcune premesse a una conclusione ritenuta più o meno probabile. Gli scienziati, in modo più raffinato, prendono in considerazione la probabilità, il campione statistico, la precisione sulla previsione. Questo non ha niente a che vedere con le generalizzazioni induttive cui, al contrario, si fa riferimento nella vita di tutti i giorni, e che sono induzioni di tipo popolare che partono da pochi eventi importanti soprattutto emotivamente. Resta aperta la possibilità che la conclusione sia falsa anche partendo da premesse vere. Infine si parla di metodo ipotetico – deduttivo quando un’ipotesi è controllata dalle conseguenze che da questa vengono dedotte. Qui è necessario non fare confusione, non si dimostra, deduttivamente, la verità dell’ipotesi, ma dalle conseguenze dedotte dall’ipotesi si cerca di ricavare materiale, in modo induttivo, che sia a sostegno della verità dell’ipotesi.

            Nello sviluppo della didattica della scienza la conferma ipotetica – deduttiva gioca un ruolo fondamentale. Si tratta di sostituire un modello induttivo all’interno del quale la generalizzazione di osservazioni porta alla costruzione di teorie, con un modello all’interno del quale le ipotesi giocano un ruolo fondamentale. E qui è opportuno fornire un’ulteriore chiarificazione a proposito della “verità nelle scienze”. Anche questo è un concetto complesso e non si vuole certo dare una definizione di verità, quanto piuttosto riflettere su come non dovrebbe essere intesa. E’ fondamentale comprendere che la verità di una ipotesi non può essere riconosciuta dalla corrispondenza con i fatti. Questa osservazione può sembrare paradossale, ma in effetti non lo è perché teoria e osservazione sono strettamente legati. Nel ‘700 gli scienziati vedevano una corrispondenza fra le loro ipotesi e la spiegazione di fatti postulando l’esistenza del flogisto e nell’ 800 dell’etere. Entrambe queste “sostanze” sono  sparite dalla scienza. Ciò accade perché osservazione e teoria, pur essendo diverse, sono in un certo senso anche la stessa cosa e si forniscono un’assistenza reciproca. La corrispondenza con i fatti non è verificabile, ciò che conta è la coerenza di teorie rispetto ad altre teorie e osservazioni. L’oggettività, termine molto abusato nel parlare di scienza, è allora una oggettività interna alla costruzione che si va realizzando e non soltanto una corrispondenza con fatti esterni.

            L’impressione che si ha è che anche quando si accetta che le teorie siano valide in determinati ambiti, si sia portati a inquadrare la scienza sotto parametri non ben identificati che hanno un valore assoluto. Ma anche gli standard di valutazione di certi risultati possono cambiare ed essere abbandonati così come i risultati stessi.

            Il modo tradizionale di concepire la scienza, oltre a non corrispondere all’attività dello scienziato, non permette di operare con profitto nella didattica della scienza. Se lo studio della scienza deve servire per mandare a memoria delle formule o nell’eseguire degli esperimenti ricetta allora non ci sono problemi, ma se ciò che conta è portare gli studenti verso modalità di pensiero più aperte e attente a obbedire a standard di giustificazione coerenti, allora è necessario rivalutare il ruolo delle ipotesi degli studenti, operare affinché si abbia coerenza nella sistemazione di idee all’interno di quadri teorici e coerenza di quadri teorici indipendenti fra loro richiamando e utilizzando quanto appreso in ambiti diversi. Si tratta in definitiva di lavorare in un modo completamente diverso da quello tradizionale.

La metodologia

            Nel paragrafo precedente, che aveva per titolo “Il metodo”, si è cercato di mettere in evidenza la difficoltà insita nel definire un metodo scientifico. Questo termine ricorre molto spesso anche dove ci sono situazioni di insegnamento – apprendimento che si pensa di poter risolvere proponendo il ricorso ad un qualche “metodo” più o meno innovativo. Anche in questo caso è opportuno prendere le distanze da queste impostazioni che, come afferma Dewey (1961), sostanzialmente tendono a sostituire l’attività mentale del singolo con schemi ed espedienti meccanici inevitabilmente destinati a fallire o a fornire qualche risultato soltanto in casi di addestramento specifico. Per non creare confusioni è opportuno parlare di metodologia in senso meno meccanico ma più attento alle strutture cognitive di chi deve apprendere.

            Nell’insegnamento delle scienze si può individuare una discontinuità fra scuola primaria e scuola secondaria. Questa distinzione tiene conto della maturazione psicologica degli studenti, ma in questa scelta è anche presente lo spazio limitato dedicato alle scienze nella scuola primaria (due ore alla settimana). Partendo da qui si può fornire come indicazione di base per la scuola primaria, quella di eliminare dall’insegnamento i concetti elementari della struttura specialistica della disciplina. Se l’osservazione, componente fondamentale della conoscenza, è un’attività di descrizione e giustificazione, allora è da qui che si deve partire con gli alunni più piccoli. Spesso, al contrario, l’osservazione viene intesa come un’attività passiva di fatti già descritti e giustificati.

Ad esempio, un percorso sulle soluzioni per alunni della scuola elementare, partendo dal mescolare sostanze in acqua, permette, attraverso l’osservazione, una descrizione di quanto avviene anche per mezzo di tabelle che indichino cosa accade al solido: galleggia, va a fondo, è sparito, o all’acqua: è limpida, è torbida, è colorata. Si possono poi cercare raggruppamenti fra sostanze che hanno comportamenti comuni per arrivare a una definizione operativa di soluzione, e infine cercare di giustificare quanto visto con ipotesi, sempre formulate dagli studenti, sulla separazione di sostanze quali il sale e lo zucchero in particelle molto piccole e quindi non più visibili. In un percorso di questo tipo l’osservazione gioca un ruolo attivo. Al contrario, la verifica, molto comune, che per la combustione è necessario ossigeno, realizzata per mezzo di una candela coperta da un bicchiere, oltre a non inquadrarsi in un percorso, fa un uso distorto dell’esperimento scientifico, perché contrabbanda un’osservazione impossibile, quella dell’ossigeno, con una giustificazione fornita dall’insegnante. E’ fondamentale comprendere che questo tipo di esperienze non sono di tipo scientifico, e non forniscono nessun motivo valido per lavorare sulle scienze per promuovere capacità nello studente. Questo tipo di scienza è equivalente all’astrologia, però poi si dovrebbe essere coerenti e non affermare di insegnare scienze.

Osservazioni analoghe possono essere fatte per l’introduzione di modelli atomici nella scuola primaria; questo non significa che non si possano fornire informazioni anche in risposta a curiosità degli studenti, ma è cosa ben diversa impostare, ad esempio, l’insegnamento della chimica a partire dal modello atomico, o lo studio delle forze dalle leggi della dinamica.

In un processo di apprendimento di tipo costruttivistico, in un processo cioè che dà valore alla costruzione della conoscenza da parte dello studente e non alla sua riproduzione, che presenta compiti contestualizzati piuttosto che astratti, che alimenta la riflessione, che valorizza rappresentazioni multiple della realtà, che tiene conto delle dinamiche che facilitano o ostacolano la costruzione della conoscenza, l’attività dello studente è allora fondamentalmente di tipo cognitivo. Gli eventi devono essere situati in un contesto per comprenderne lo svolgimento e le modificazioni apportate al contesto stesso. Il laboratorio che ha senso è allora una sorta di laboratorio mentale: questa affermazione non ha niente a che vedere con la necessità di andare in laboratorio, ma vuole semplicemente mettere in evidenza che non è attraverso l’attivismo in laboratorio che si costruisce conoscenza. Gli studenti possono anche non effettuare in prima persona tutte le esperienze di laboratorio, è importante però che in prima persona tutti possano gestire il proprio laboratorio mentale.

Le discipline devono svolgere il compito di permettere allo studente l’acquisizione di competenze. Sono le competenze, poi, che contribuiscono a quel sapere unitario che permette all’individuo di orientarsi in una società complessa e in rapida evoluzione.

Le conoscenze rappresentano un aspetto delle competenze ma accanto alle conoscenze devono essere presenti anche competenze di tipo metodologico e operativo. Le competenze di tipo metodologico dicono sostanzialmente come si fa, ad esempio nell’organizzare o nel valutare; le competenze di tipo operativo permettono di fare, di realizzare. Le competenze sono anche di tipo comunicativo permettendo l’uso di linguaggi in contesti appropriati, di rappresentare e documentare. Infine si può parlare di competenze personali intendendo gli atteggiamenti di responsabilità e le motivazioni che ci guidano.

Per formare competenze la scelta dei tempi deve essere adeguata. E’ vero che in questa società di forte competizione la rapidità è considerata una dote, per cui l’insegnante che procede lentamente non è più un buon insegnante, un insegnante al passo coi tempi, ma è anche vero che non calibrare i tempi sugli studenti significa o far perdere motivazione, e quindi produrre disturbo, o costruire una conoscenza da usare soltanto in ambito scolastico.

Le fasi della metodologia per l’insegnamento delle scienze nella scuola di base

            Per la scuola di base possiamo far riferimento alla proposta metodologica, in cinque fasi, sviluppata da C. Fiorentini (1999).

La prima fase è di tipo osservativo. Di conseguenza i percorsi didattici devono essere progettati pensando a fenomeni che possano essere sperimentati e osservati dagli studenti.

            La seconda fase è quella della verbalizzazione individuale scritta. E’ in questo modo che si costruisce una prima struttura logica e si va al di là di una osservazione che resta nel piano della superficialità. E’ il linguaggio che permette questa riflessione e in particolar modo il linguaggio scritto, più che quello orale, permette di iniziare il processo di concettualizzazione fornendo a tutti la possibilità di esprimersi, senza i condizionamenti dovuti al linguaggio orale, specie quando si ha a che fare con classi numerose. In questa fase il linguaggio scritto usato dagli alunni deve essere il più libero possibile. E’ opportuno non dare consegne che non possano essere soddisfatte, troppo generiche, ma indicare chiaramente qual è il compito da svolgere: descrivere, oppure classificare, oppure mettere in evidenza somiglianze e differenze o altro. Dopo la prima fase di osservazione libera si possono introdurre strumenti che permettano agli studenti di svolgere molto più agevolmente confronti e descrizioni di esperimenti e osservazioni. Ad esempio nel caso delle soluzioni è probabile che molti bambini non siano in grado di costruire una tabella a doppia entrata significativa per l’osservazione del fenomeno, in questo caso è l’insegnante che fornirà la tabella, ma il tentativo di averla costruita farà assumere alla tabella un valore diverso rispetto a una tabella accettata acriticamente. In alcuni casi, la rappresentazione del fenomeno potrà avvenire per mezzo di disegni o di schemi grafici più che attraverso una descrizione verbale scritta.

            La terza fase è quella della discussione verbale collettiva. Questa fase ha significato soltanto se preceduta dalle due fasi precedenti. Non si possono cercare scorciatoie che comporterebbero soltanto un’analisi superficiale del fenomeno, l’intervento di pochi bambini, probabilmente sempre gli stessi, e l’omologazione del pensiero degli altri ai primi intervenuti.

            La quarta fase consiste nell’affinamento della concettualizzazione ed è strettamente legata alla terza. Questa fase rappresenta il momento in cui confrontate le opinioni, le descrizioni, le classificazioni di ogni bambino in base a quanto emerso nella seconda fase, si dà la possibilità a ognuno di correggere, modificare e integrare la propria concettualizzazione.

            Infine nella quinta e ultima fase si opera una sintesi collettiva del materiale prodotto e condiviso dall’insegnante. Il ruolo dell’insegnante come regista di tutto il processo è fondamentale se non vogliamo che gli alunni si perdano per strada. E’ compito dell’insegnante far sì che si realizzi una sintesi scritta chiara e corretta, comune a tutti gli studenti, che deve trovare posto nel quaderno di ogni alunno e che indichi il resoconto del processo di costruzione di conoscenza operato.

            La metodologia proposta allunga i tempi del lavoro in classe, ma è necessario essere coscienti che eventuali scorciatoie, ad esempio passare direttamente dalla osservazione alla discussione in classe e poi alla sintesi del fenomeno magari per mezzo del manuale scolastico o delle impressioni ricavate dalla discussione in classe, non portano a nessuna costruzione di conoscenza.

L’attività deve essere impostata su fenomeni che si possano sperimentare e osservare permettendo al bambino di confrontare, ordinare, escludere, verificare, elaborare ipotesi, organizzare allo scopo di operare classificazioni, definizioni e giustificazioni di ciò che si sta facendo. I contenuti non possono essere quelli della tradizione specialistica anche se elementare della disciplina, ma devono essere fenomeni accessibili che permettano la classificazione, la definizione e la giustificazione. Con riferimento a Dewey (1961), si può intendere la classificazione come estensione e la definizione come intensione, il cui significato è cioè omogeneo e autodelimitato. Lo studio delle soluzioni proposto in seguito per il curricolo della scuola di base permette attraverso l’osservazione attiva del fenomeno, la classificazione di sostanze solubili o insolubili in acqua, la definizione operativa di soluzione, la giustificazione attraverso l’ipotesi di un semplice modello particellare proposto dai bambini. Lo studente può operare sui fenomeni proposti con gli strumenti della classificazione e della definizione per costruire definizioni operative. Un approccio quindi di tipo fenomenologico – operativo, che non vede nella sperimentazione per la sperimentazione il fine ultimo, un attivismo che non costruisce, ma ha come riferimento la creazione di concetti e di reti di concetti.

Costruire conoscenza non significa osservare e mettere assieme pareri raccolti qua e là, ma permettere che il maggior numero di studenti costruisca una struttura narrativa. Dice Bruner (1997): <<Il processo di fare scienza è narrativo. […] Nel corso della produzione di ipotesi verificabili giochiamo con le idee, cerchiamo di creare anomalie, cerchiamo di trovare belle formulazioni da applicare alle contrarietà più intrattabili in modo da poterle trasformare in problemi solubili, inventiamo trucchi per aggirare le situazioni intricate. […] La nostra istruzione scientifica dovrebbe tener conto in ogni sua parte dei processi vivi del fare scienza, e non limitarsi a essere un resoconto della “scienza finita” quale viene presentata nel libro di testo, nel manuale e nel comune e spesso noiosissimo “esperimento di dimostrazione”>>.

Anche a scuola dobbiamo stimolare questo processo narrativo tenendo conto che negli studenti prevalgono i passaggi logici deboli, l’induzione popolare, un uso improprio dei ragionamenti probabilistici che, comunque, assumono, per lo studente, il valore di ragionamento logico, coerente e affidabile. Da questa forma di narrazione si deve passare alla narrazione descritta da Bruner, ma affinché quanto affermato sopra renda la didattica efficace è necessario che:

·        gli studenti siano chiamati a lavorare su percorsi adeguati alle loro capacità, percorsi sui quali possano esprimere le loro idee. Al contrario molti degli argomenti trattati tradizionalmente non permettono altro che un ricordo facile e breve, cioè la memorizzazione cieca dei risultati finali, utilizzati in esercizi artificiali.

·        I tempi utilizzati siano adeguati all’apprendimento. Afferma ancora Bruner: “Il nemico della riflessione è il ritmo a rotta di collo – le mille immagini. […] Nell’apprendimento delle materie scientifiche “di meno è di più ””.

Si tenga presente, come afferma Montaigne, che è meglio una testa ben fatta che una testa ben piena.

La metodologia della scuola secondaria

            E’ solo dopo aver operato in questo modo nella scuola primaria che nella scuola secondaria si può passare a una fase successiva in discontinuità con quanto detto fin qui. E’ evidente che non tutti i fenomeni possono essere presentati partendo da una base osservativa, una cosa è trattare le soluzioni partendo col mescolare del sale o dello zucchero in acqua, un’altra è pensare di introdurre le leggi della dinamica partendo dall’osservazione in laboratorio. Ma questa seconda fase si può sviluppare proficuamente solo se nella scuola primaria si è lavorato nel modo descritto. L’impostazione sperimentale  è ancora importante anche se l’operatività mentale resta sempre quella fondamentale. Nel biennio della scuola superiore si può allora pensare di introdurre gli studenti alla comprensione dei concetti di base della struttura specialistica, ad esempio le leggi della dinamica per la fisica e i concetti di elemento, composto e trasformazione per la chimica e nei trienni, nel caso che la disciplina venga trattata, affrontare questioni più specialistiche quali alcune delle teorie sia della chimica che della fisica di questo secolo.

            Il ruolo del porsi domande è qui fondamentale: perché, ad esempio, Galileo si è posto il problema di definire l’accelerazione come variazione di velocità nell’unità di tempo piuttosto che nell’unità di spazio? Per dirla con Arons (1992), “come facciamo a sapere che“? Questo è il tipo di domande sulle quali lavorare, piuttosto che fornire risposte a domande che non sono mai state poste.

            L’attività di laboratorio non deve essere riservata soltanto alla dimostrazione di una qualche legge o all’acquisizione di abilità pratiche, ma soprattutto ad agganciare alcuni dei nodi collegati all’esperienza, alla rete teorica della metafora di Hempel: l’insegnante deve aver chiaro che i fatti non giustificano le teorie. Le strutture interpretative, la rete, devono essere costruite dallo studente e non c’è alcuna speranza che possano sorgere per mezzo di qualche esperimento di laboratorio o di qualche presentazione più o meno convincente. Anche in questo caso devono essere costruiti percorsi che però richiedono allo studente una discontinuità rispetto al passato in quanto non si tratta più di lavorare su fenomeni che possono essere classificati, definiti e dei quali si possa ricercare una giustificazione, adesso si passa dalla definizione operativa di grandezze alla costruzione teorica. Non si tratta di generalizzare osservazioni empiriche ma di portare gli studenti a lavorare su modelli e ad acquisire una visione sistemica d’insieme.

In questo caso la riflessione storico – epistemologica assume un ruolo importante, non solo per la progettazione didattica, ma anche per risolvere passaggi significativi nella didattica in classe. La didattica delle discipline assume allora un ruolo più ampio e può anche avvicinare alle scelte operate da scienziati del passato, alla partecipazione collettiva e democratica della scienza, al divenire delle conoscenze scientifiche, al ruolo della scienza nella nostra società.

 Perché studiare le scienze

            Lo studio delle discipline scientifiche deve servire ad aprire nuovi orizzonti della mente combattendo modi di pensare e vedere il mondo, comuni a molti, ma fuorvianti e che fanno ricorsi a generalizzazioni basate su induzioni che considerano pochi, o un solo elemento, emotivamente forte. Molti studenti sono ben lontani dal fornire spiegazioni dalle quali sia possibile ricavare una causalità fra eventi che non sia dettata da una semplice associazione di idee estemporanee. Siamo talvolta vincolati a un pensiero, che, pur non abbandonando la ragione, talvolta la sospende per tirare delle conclusioni che paiono completamente logiche. Molte persone, molti “cittadini”, sono propensi a utilizzare ragionamenti, all’apparenza corretti, per spiegare i più diversi fenomeni. Ad esempio, in alcune cure “miracolose” si tende a sostituire l’indagine statistica con la conoscenza di pochi casi a esito positivo. D’altra parte tutti i quotidiani e le televisioni forniscono l’oroscopo del giorno. La scienza al contrario permette di prendere coscienza di noi stessi e del nostro mondo e delle tante domande alle quali è possibile dare risposta, ma anche di quelle alle quali non è possibile dare risposta.

In particolare lo studio delle scienze deve permettere agli studenti di: sviluppare capacità osservative e descrittive; riconoscere l’importanza dell’immaginazione nello sviluppo dei concetti scientifici; confrontarsi con definizioni operative; comprendere come possa formarsi una teoria; capire la differenza fra osservazione e deduzione; formulare e accettare provvisoriamente una ipotesi; confrontare le proprie opinioni all’interno della comunità – classe; correggere i propri errori; essere in grado di acquisire dei dati e di elaborarli; comprendere che le definizioni sono enunciazioni provvisorie.

Lo studio della scienza deve servire a mettere in discussione conoscenze ritenute certe, a sviluppare un atteggiamento critico. L’insegnante deve operare per sviluppare il “pensiero critico” e, nella scuola superiore, deve farne partecipe costantemente gli stessi studenti. Tutte le occasioni sono buone per mostrare che lo studio dei fenomeni fisico – chimici non è fine a se stesso, ma serve a sviluppare le competenze elencate sopra: si devono fornire ragioni valide. Mentre per gli studenti più piccoli l’affrontare in modo opportuno i fenomeni del mondo fisico – chimico può essere sufficiente ad attirare l’attenzione e a creare anche entusiasmo, gli studenti più grandi hanno necessità di una continua giustificazione del lavoro svolto. I percorsi didattici devono essere sviluppati in modo tale da permettere agli studenti di comprendere il perché di questo lavoro: quali capacità si cerca di sviluppare, i tranelli del pensiero di senso comune, l’importanza di non creare, come sosteneva Galileo, mondi di carta, l’importanza delle conoscenze scientifiche per la nostra società, la necessità di un lavoro continuo che investe più persone per arrivare a risultati condivisi, la dimensione Europea per la nascita della scienza moderna. Alla riflessione sulle attività svolte a scuola si deve aggiungere questa “riflessione sulla riflessione” che giustifica il lavoro svolto. Gli insegnanti devono comprendere che permettere allo studente questa metariflessione è fondamentale: nessun studente mette in dubbio la necessità degli esercizi imposti dall’allenatore sportivo. Lo stesso deve accadere anche a scuola affinché la stragrande maggioranza degli studenti non affermi più, come accade ora, che ciò che si è studiato a scuola non è servito a niente.

            L’elemento di riferimento è la formazione democratica e lo sviluppo di capacità osservative, logiche e linguistiche nello studente. Questi obiettivi di carattere più generale non devono restare sullo sfondo di un processo quotidiano che procede per conto proprio, ma devono essere calati nelle modalità effettive di fare didattica in classe. E’ democratico permettere a un numero più grande possibile di studenti di partecipare alle attività svolte in classe con contributi personali, favorire l’apertura mentale, dare importanza al confronto e al dialogo, coinvolgere emotivamente gli studenti su materiali cognitivamente adeguati alla loro età. Ciò permette di sviluppare quelle capacità osservative, logiche e linguistiche di cui si diceva prima. Non è altrettanto democratica una didattica basata su un modello di conoscenza enciclopedico, che non rispetta i tempi, dogmatica e rigida, che dice di lavorare sulla scienza ma in realtà con la scienza non ha niente a che vedere, che obbliga lo studente alla riproduzione passiva di quanto trasmesso in classe.

La proposta per i fenomeni fisico – chimici nella scuola elementare e media.

            La proposta che viene qui sviluppata è in stretta connessione con la metodologia in cinque fasi descritta in precedenza. L’insieme composto da metodologia, contenuti, ma anche della riflessione sulla struttura della disciplina, ben diversa da quella tradizionale, dalle considerazioni sulle concezioni degli studenti, porta a costruire il curricolo per l’insegnamento dei fenomeni chimico fisici. Il curricolo proposto tiene anche conto di un laboratorio possibile che permetta di costruire concetti attraverso l’osservazione, la descrizione e la giustificazione di fenomeni non specialistici o di livello formale superiore. Le competenze necessarie a sviluppare una ipotesi di curricolo si possono raggruppare in quattro ambiti relativi alla (Fiorentini (1999)):

1. disciplina

2. epistemologia e storia della disciplina

3. scienza dell’educazione

4. riflessione sull’esperienza.

            E’ da qui che scaturisce la didattica: la scelta degli argomenti da trattare non può più essere funzione della sola disciplina. Questo ci fa comprendere quanto insensata possa essere una pedagogia per obiettivi, peraltro abbastanza praticata a scuola, che fissa una serie di obiettivi, tutti magari condivisibili, e poi cerca di perseguirli partendo soltanto dalla disciplina accademica.

            E’ solo lavorando su questi terreni, in un contesto che fa riferimento alla complessità, che si può costruire un’ipotesi di curricolo che abbia possibilità di successo. Nella tradizione, ad esempio, liquidi, solidi e gas sono trattati in un unico capitolo, ma sia la riflessione storico – epistemologica che quella sulle concezioni degli studenti mostra chiaramente la differenza fra la concettualizzazione dei liquidi e dei solidi e quella dei gas. E’ allora evidente che lo studio dei gas dovrà essere presentato agli studenti in epoche successive limitandosi in una prima fase all’evaporazione dell’acqua.

Abbiamo parlato di un contesto relativo alla complessità con riferimento ad alcuni dei principi che E. Morin (2000) indica come principi guida: lo stretto rapporto fra il tutto e le parti, la necessità di ritrovare la generalità di ciò che si sta facendo anche nelle singole parti, la presenza di una costante retroazione, la presenza di un’organizzazione che dal rapporto ciclico studenti – curricolo permette lo sviluppo di competenze, la stretta relazione fra il lavoro instaurato in classe e le scelte fatte sul curricolo per generare autonomia nei soggetti che apprendono, la presenza costante dei due principi opposti di ordine – disordine costantemente presenti e entrambi necessari allo sviluppo della didattica in una tensione costante dal disordine all’ordine, coscienti della facilità del riemergere delle concezioni che si tenta di superare; infine la consapevolezza che la conoscenza si attua attraverso la ricostruzione di schemi interpretativi in un contesto definito. Ben poco valore avrebbe far riferimento alla complessità proponendo ai ragazzi della scuola elementare, come elemento di partenza, la nascita dell’universo con la formazione di particelle, atomi e molecole, transitare attraverso la nascita della vita e concludere in un ambito antropologico, sociologico o psicologico (eppure queste sono alcune delle proposte che circolano).

Vediamo quindi la proposta per la scuola di base (Fiorentini (1999)).

Scuola elementare

Primo ciclo

1. Dagli oggetti ai materiali

Identificazione e descrizione degli oggetti

–            inizialmente descrizione libera

–            successivamente descrizione indirizzata principalmente alle proprietà

–           giochi con gli oggetti e le proprietà

Classificazione di oggetti in base a una o due proprietà. Le parti di un oggetto

I primi confronti

–           più alto di, il più alto

–           più pesante di, il più pesante

–           più duro di, il più duro

Identificazione di alcuni materiali

–           dato un oggetto, individuare i materiali

–           dato un materiale, individuare gli oggetti

–           il raggruppamento dei metalli e delle leghe

–           alcune proprietà dei metalli: conducibilità del calore, lavorabilità

–            riconoscere il ferro dagli altri metalli per mezzo della calamita

Secondo ciclo

2. Il fenomeno della combustione

–            effettuazione e descrizione della combustione di alcuni materiali (carta, legno, e altri)

–            somiglianze e differenze

–            definizione del fenomeno

–            importanza del combustibile nella vita quotidiana

–           un combustibile artificiale: il carbone di legna

–           la combustione e l’inquinamento

3. La solubilità

–            riconoscimento di tre sostanze: zucchero, sale, polvere di marmo

–            esperimenti di solubilizzazione in acqua

–            raggruppamenti di sostanze che si comportano con l’acqua in modo simile

–            definizione operativa delle soluzioni

–            recupero delle sostanze iniziali

–            spiegazione particellare del termine solubile

4. Il peso

–            avendo a disposizione diversi oggetti, come si fa a stabilire chi è il più pesante?

–           primo ordinamento non metrico

–            costruzione di una bilancia a bracci uguali

–           si può stabilire chi pesa di più, o si può anche constatare di quanto pesa di più?

–           quali oggetti si possono usare come unità di misura per il peso?

–           unità di misura di peso convenzionali: grammi, chilogrammi, e altro

–           utilizzo di bilance a bracci uguali; portata e sensibilità

5. L’evaporazione dell’acqua

–            descrizione del riscaldamento dell’acqua

–            definizione del fenomeno dell’ebollizione dell’acqua

–           che cos’è il fumo?

–           la distillazione dell’acqua

–           l’acqua distillata

–           le acque minerali

–           che cosa sono le bolle che si formano durante l’ebollizione?

–           l’acqua bolle a 100°C; primi grafici temperatura – tempo

–            l’evaporazione dell’acqua

–           il “fumo” è vapore acqueo?

–           come mai il vapore acqueo non è visibile?

–            dall’evaporazione di soluzioni si ottengono cristalli

–           il ciclo dell’acqua

6. Liquidi e solidi

–           le proprietà più evidenti dei liquidi e dei solidi

–           se si inchina un bicchiere, come si dispone l’acqua contenuta?

–           nei liquidi, la superficie libera si dispone orizzontalmente quando sono versati

–           quale concetto hanno i bambini di orizzontale e verticale?

–           come si dispongono gli alberi e le case in montagna?

–            definizione operativa di verticale e orizzontale

–           liquidi viscosi e polveri

7. La fusione e la solidificazione

–           la fusione del ghiaccio

–           la solidificazione dell’acqua

–           la fusione e la solidificazione della cera, della paraffina, dello stagno e del burro

–           solido <– fusione, solidificazione –> liquido

8. Il volume e la capacità

–            quando si travasa dell’acqua da un recipiente a un altro di forma diversa, la quantità d’acqua cambia o si conserva?

–           con recipienti di forma diversa come si fa a stabilire chi contiene più acqua?

–           come si fa a misurare un corpo liquido?

–           si può misurare il peso; si può misurare lo spazio occupato, il volume, per mezzo di recipienti più piccoli

–           misure di capacità: il litro, suoi multipli e sottomultipli

–           il cm³, il dm³, il m³ e le loro relazioni; costruzione di cubi di volume pari a 1 cm³, 1 dm³, 1 m³

–            seriazione sia in relazione al peso che al volume di oggetti di volume leggermente diverso e dello stesso materiale o di materiali diversi

–            all’aumentare della temperatura, mentre il peso rimane inalterato, il volume aumenta: la dilatazione

–            durante la fusione, mentre il peso rimane inalterato, il volume aumenta

–           il comportamento anomalo dell’acqua

–           la conservazione della sostanza, del peso, del volume in semplici modificazioni di forma

Scuola media

9. Aspetti qualitativi della velocità

–           il movimento

–           verso il concetto di velocità

–           la costruzione di grafici spazio – tempo

–            approfondimento: costruzione e interpretazione di grafici

–           la definizione di velocità

10. Le classi degli acidi, delle sostanze basiche e dei sali

–           gli acidi hanno la proprietà di sciogliere alcune sostanze insolubili in acqua quali, ad esempio, il calcare e alcuni metalli

–           il tempo di solubilizzazione

–           la distinzione fra le modalità di sciogliere degli acidi e dell’acqua

–           la distinzione tra trasformazione fisica e chimica

–           che cos’è l’effervescenza?

–           la velocità di reazione

–           la distinzione fra acidi forti e acidi deboli

–           la scoperta degli acidi minerali

–           la produzione dell’acido solforico per decomposizione del vetriolo

–           anche le sostanze basiche hanno la proprietà di sciogliere alcune sostanze insolubili in acqua

–           alcune sostanze basiche

–           la produzione del sapone

–           la reazione di neutralizzazione tra acido cloridrico e soda

–           la distinzione fra acidi e sostanze basiche

–           i sali

–           la preparazione di un indicatore mediante estrazione con alcol del colore dei fiori

–           la cartina indicatrice universale

–            l’estrazione della potassa dalla cenere

11. Le forze

–           che cosa significa forza, fare forza, essere forti?

–           fare raggruppamenti dei vari tipi di forza

–            confronto fra forze muscolari per mezzo di estensori

–            deformazione di altri oggetti

–           le deformazioni a cosa sono dovute?

–            rappresentazione di forze

–           gli effetti delle forze

–            bilancia e forze: la forza – peso

–            campioni di forza – peso

–           il dinamometro

–            l’equilibrio

12. Il peso specifico

–            distinzione fra “pesante” e aver maggior peso

–            determinazione del peso specifico dell’acqua

–            determinazione del peso specifico dell’olio

–            determinazione del peso specifico dei solidi regolari

–            determinazione del peso specifico dei solidi irregolari

–            significato del rapporto che definisce il peso specifico

13. Il galleggiamento

–            equilibrio

–            principio di Archimede

–            galleggiamento

–           il galleggiamento dell’olio sull’acqua

–           il galleggiamento delle navi

14. Temperatura e calore

–            determinazione della temperatura di fusione della naftalina

–           la temperatura di fusione delle sostanze solide

–           il ghiaccio fonde a 0°C

–            distinzione tra temperatura e calore

–           la costruzione di un termometro

–            termometri non confrontabili e termometri confrontabili

15. Elettricità e magnetismo

–           cosa accade se si strofina una bacchetta di plastica con un panno di lana e si avvicina la bacchetta a un piccolo frammento di carta

–            attrazione e repulsione di bacchette di vetro e di plastica

–           quanti tipi di carica esistono

–            conduttori e isolanti

–            distinzione fra oggetti attratti e non attratti dalla calamita

–            attrazione e repulsione di calamite, i poli della calamita

–            magnetizzazione di oggetti di ferro

–           i poli terrestri

–            inseparabilità dei poli della calamita

–            costruzione di una bussola

–            riflessione storica sui fenomeni elettrici e magnetici

16. L’ottica

–           la luce si propaga dalla sorgente luminosa o forma un alone attorno a questa?

–           la luce si propaga in modo rettilineo?

–           prime esperienze sulla riflessione della luce

–           legge della riflessione

–            superfici riflettenti e non.

La scelta dei percorsi deve essere tale da permettere la costruzione di una rete di concetti. Ad esempio un filo conduttore è quello del peso, dei liquidi e dei solidi, del volume e della capacità, delle forze, del peso specifico e del galleggiamento. Il percorso complessivo, dal peso al galleggiamento, deve avere una sua coerenza interna e non ridursi a una sequenza di argomenti. Il galleggiamento diventa la tappa conclusiva che permette di recuperare quanto fatto e sviluppare conoscenze contestualizzate in un ambito nuovo. Il galleggiamento è presente in alcune proposte della scuola elementare, e anche della scuola materna, ma quale utilità può avere per gli studenti? La concettualizzazione del  galleggiamento con riferimento al principio di Archimede non è certo alla portata dei bambini della scuola elementare. Inoltre considerati i tempi attualmente a disposizione per lo studio delle scienze, questa scelta non pare proprio praticabile.

Abbiamo messo in evidenza uno sviluppo verticale del percorso dal peso al galleggiamento, ma parallelamente a questo è necessario sviluppare i concetti di  movimento e velocità affinché lo studio della dinamica e di concetti complessi quali quelli di massa e accelerazione, non presenti nella proposta per la scuola di base, possa essere affrontato nella scuola secondaria (Barsantini (5/2000)).

Osservazioni analoghe possono essere fatte per le trasformazioni fisiche e chimiche o per la costruzione dei concetti di temperatura e calore.

Gli argomenti presentati, pur essendo inferiori, come numero, a quelli delle trattazioni classiche, possono essere ulteriormente ridotti se le esigenze della classe lo richiedono. Si tenga presente che questa proposta deve essere affiancata dallo studio di fenomeni biologici.

Il primo capitolo del libro di testo è dedicato al metodo scientifico (capita anche che qualcuno si senta in dovere di dedicare alcune lezioni a trattare il “metodo scientifico” nella scuola di base!), il secondo alla misurazione. Pensare di trattare problematiche relative alle misurazioni o agli errori, svincolate da un contesto ben preciso significa perdere del tempo. E’ del tutto assurdo pensare di introdurre gli strumenti di misura e le misurazioni senza parallelamente operare sulle grandezze da misurare. L’interazione fra grandezza e strumento deve avvenire contestualmente come ben si comprende dallo studio della nascita del termometro e del concetto di temperatura (Barsantini (7-8/2000)).

Lo sviluppo dei percorsi qui presentati oltre a creare una rete di concetti in ambito fisico chimico, deve servire a sviluppare una trasversalità con altri ambiti quali l’educazione linguistica, i fenomeni biologici, la matematica. La trasversalità non va confusa con l’interdisciplinarità, anzi in una fase in cui si costruiscono le discipline ciò comporterebbe soltanto confusione. Si deve invece operare usando le capacità linguistiche per sviluppare quelle di tipo descrittivo in una sorta di processo retroazionato che a sua volta dà impulso anche alle capacità linguistiche. A questo proposito abbiamo già messo in evidenza l’importanza della narrazione nel fare didattica della scienza. Si può comprendere il concetto di velocità attraverso l’uso di diagrammi cartesiani, ma a sua volta i diagrammi cartesiani prendono sostanza dallo studio di situazioni concrete riferite all’ambito della velocità. In particolare i collegamenti con la matematica sono presenti in tutto il percorso: i grafici e la velocità, la proporzionalità diretta e le forze, la geometria e l’ottica, le misure e gli errori, i rapporti e il peso specifico, il volume e altri ancora evidenti nella proposta.

In definitiva tutti i percorsi devono servire a creare un’unica rete di concetti.

Bibliografia

1. Arons A. B. – Guida all’insegnamento della fisica – Zanichelli, 1992.

2. Barsantini L. – Sull’insegnamento della fisica – Insegnare, 5 / 2000.

3. Barsantini L. – Fiorentini C. – L’insegnamento delle scienze verso un curricolo verticale, vol. 1 – IRRSAE Abruzzo, 2001.

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5. Bellone E. – Caos e armonia – UTET, 1990.

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11. Darwin C. – Diario di un naturalista giramondo – Gamma Editrice, 1945.

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13. Driver R. – L’allievo come scienziato – Zanichelli, 1988.

14. Egidi R. (a cura di) – La svolta relativistica nell’epistemologia contemporanea – Franco Angeli, 1988.

15. Einstein A., Infeld L. – L’evoluzione della fisica – Bollati Boringhieri, 1965.

16. Feyerabend P. K. – Contro il metodo – Feltrinelli, 1979.

17. Fiorentini C.– La prima chimica – Franco Angeli, 1990.

18. Fiorentini C. – contributo presente in L’arcipelago dei saperi, a cura di F. Cambi – Le Monnier, IRRSAE Toscana, 1999.

19. Giorello G. – Introduzione alla filosofia della scienza – Bompiani, 1994.

20. Grant E. – La scienza nel Medioevo – Il Mulino, 1983.

21. Grimellini Tomasini N., Segré G. (a cura di) – Conoscenze scientifiche: le rappresentazioni mentali degli studenti – La Nuova Italia, 1991.

22. Heilbron J. H. – Alle origini della fisica moderna – Il Mulino, 1984.

23. Jerome J. K. – Tre uomini in barca – BIT, 1995.

24. Kosso P. – Leggere il libro della natura – Il Mulino, 1995.

25. Kuhn T. – La struttura delle rivoluzioni scientifiche – Einaudi, 1969.

26. Morin E. – La testa ben fatta – Raffaello Cortina Editore, 2000.

27. Musgrave A. – Senso comune, scienza e scetticismo – Raffaello Cortina Editore, 1995.

28. Piaget J. – La nozione di movimento e di velocità nel bambino – New Compton, 1975.

29. Piattelli Palmarini M.– L’illusione di sapere – Oscar Mondadori, 1993.

30. Popper K. – Congetture e confutazioni – Il Mulino, 1972.

31. Rorty R. – Scritti sull’educazione – La nuova Italia, 1996.

32. Rossi P. – La nascita della scienza moderna in Europa – Laterza, 1997.

33. Vicentini M., Mayer M. (a cura di) – Didattica della fisica – La Nuova Italia, 1996.

34. Westfall R. S. – La rivoluzione scientifica del XVII secolo – Il Mulino1984.

35. Wolpert L. – La natura innaturale della scienza – Edizioni dedalo, 1996.

QUALE CONCETTO DI ACIDO E BASE   NELLA PARTE   TERMINALE DELL’OBBLIGO SCOLASTICO? Eleonora AquiliniGruppo di ricerca e sperimentazione didattica in educazione scientifica del CIDI di Firenze. INTRODUZIONENella proposta di curricolo per l’insegnamento della Chimica preparato dalla commissione della SCI/DD ,  in base a considerazioni  psicopedagogiche da un lato e storico- epistemologiche dall’altro,  è stato scelto di privilegiare nel biennio  terminale dell’obbligo la chimica classica (1).  In questa fase è delicato il passaggio dal  processo di apprendimento di metodi di indagine (osservare, confrontare, classificare, misurare, generalizzare…) senza  specificità disciplinare della scuola di base, alla loro identificazione negli ambiti disciplinari veri e propri.Si passa in sostanza dallo studio di problemi  “affrontabili” facilmente dai bambini, in quanto legati a fenomenologie su cui si possono fare ipotesi e proporre soluzioni verificabili sperimentalmente , a problemi così complessi che hanno avuto bisogno di millenni  di storia solo per emergere alla coscienza. La loro soluzione ha costituito  quell’insieme di conoscenze che chiamiamo nuclei concettuali fondanti delle discipline. La comprensione dei nuclei fondanti richiede un approccio graduale  di costruzione di significati . Nei diversi  livelli scolari verranno quindi affrontati in maniera diversa, con varie articolazioni.Alla luce di queste considerazioni, l’analisi dei nuclei fondanti della chimica utilizzati nell’insegnamento ha portato all’identificazione dei: nuclei fondanti dell’apprendimento.(2) Li elenchiamo:1)       la natura dei corpi materiali2)      le trasformazioni della materia3)      massa e trasformazioni della materia4)      composizione delle sostanze5)      atomi e molecole6)      relazione tra proprietà e strutture delle molecole7)      energia nelle sostanze e nelle reazioni8)      tempo e reazioniPensiamo che i concetti di acido e base siano ideali per costruire in uno sviluppo verticale del curricolo, alcuni di questi nuclei fondanti. La proposta prevede  un’articolazione di questi temi realizzabile nel passaggio dalla scuola di base al   biennio della scuola media superiore, focalizzata sul tema centrale delle trasformazioni chimiche .  La distinzione fra trasformazione chimica e trasformazione fisica,  viene utilizzata in questo lavoro a scopo didattico (3).Pensiamo che la definizione operativa  di acido, base e sale, costituisca la base per costruire significati sempre più generali di questi concetti come quelli contenuti nelle teorie di Lavoisier  e Arrhenius, Broensted e Lewis. 2. Schema del  percorso sulla natura degli acidi e delle basi e       collegamenti con i nuclei fondanti   1) Gli acidi sono sostanze aggressive                        la natura dei corpi  materiali           sono in grado di sciogliere solidi insolubili in acqua         2)Gli acidi hanno tutti la stessa forza?                                  La forza di un acido è la sua  aggressività            3) Da quali fattori dipende la velocità                        Il tempo e le reazionidi solubilizzazione?                     La natura dei reagenti: lo stato di suddivisione del solido,il tipo di acido.  4)In quale modo gli acidi sciolgono?                     Trasformazioni della materia   Si ha una trasformazione chimicaQuali sono i segni della trasformazione chimica?     5)Le sostanze basiche                                                                               La natura dei corpi materialiSono  sostanze aggressive  che sono in grado di sciogliere alcune sostanze insolubili in acqua6)Gli acidi e le basi sono un’unica classe di sostanze?   Reagiscono fra di loro formando i SALI Acidi e basi si possono riconoscere con gli INDICATORI         3.LE TRE CLASSI FONDAMENTALI DI SOSTANZE: GLI ACIDI, LE BASI, I SALI.DEFINIZIONE OPERATIVA Il percorso riguardante gli acidi, le basi e i sali è stato ideato in  seguito ad alcune riflessioni riguardanti le conoscenze di senso comune relative a tali classi di composti (4).  Il loro comportamento nei riguardi della solubilizzazione permette di sviluppare un lavoro particolarmente efficace su un concetto ostico: quello di trasformazione chimica.Bambini di 12- 13 anni e molti adulti di solito conoscono il termine acido, mentre ignorano il termine base; intendono per sale quello da cucina. Sicuramente per le basi e i sali non si ha la consapevolezza che costituiscano una classe di sostanze (5).Per gli acidi è presente anche l’idea che siano sostanze corrosive.Le definizioni di acido e base oggi accettate, e che portano dentro significati sempre più generali di conoscenza, non hanno significato per bambini che non possiedono neppure i concetti fondamentali di tipo macroscopico. Si tratta allora di partire dal concetto spontaneo di acido, associato all’aggressività, legare a questo il concetto di base, e poi capire “come” acidi e basi agiscono quando riescono a solubilizzare molte sostanze solide insolubili in acqua.Inizialmente si osserva il comportamento del marmo in pezzi e in polvere con l’acido cloridrico diluito e concentrato.  Si nota  quindi che l’effervescenza  è legata alla solubilizzazione e la velocità del discioglimento dipende dalla concentrazione,  dal tipo di acido, dalla pezzatura del solido.Riflettendo sulle osservazioni schematizzate in tabella 1 , si avrà una prima concettualizzazione sutemi  “importanti” per la chimica , quali la velocità di reazione e la forza degli acidi e delle basi    TABELLA 1 EffervescenzaSolubilizzazioneLiquido incolore/ coloratoVelocitàCarbonato di calcio in polvere + acqua    Carbonato di calcio in polvere+acqua+ acido cloridrico    Carbonato di calcio in pezzi +acqua +acido cloridrico    Carbonato di calcio in polvere+ aceto    Carbonato di calcio in pezzi + aceto     Successivamente è importante osservare il comportamento con l’acido cloridrico di altre sostanze insolubili in acqua (tabella 2).  E’ opportuno in questo caso utilizzare un solo acido di riferimento.  Questo per due motivi: 1) il modo scientifico di procedere per  studiare i fattori che si ritiene influenzino un certo fenomeno è l “isolamento” di uno di essi, controllando le altre  variabili in gioco; 2)  se gli alunni fossero in grado di valutare l’azione combinata di più variabili nell’analisi dei fenomeni, avrebbero una conoscenza già specialistica della disciplina.Il primo punto comporta una riflessione di tipo epistemologico che, se il percorso viene svolto all’inizio del biennio della scuola media superiore, può essere fatta insieme agli alunni, avendo presente  che   quando  Galileo ha introdotto lo studio della natura con un metodo che prevedeva l’isolamento della parte rispetto al tutto è nata la scienza moderna . A questo proposito ci resta utile riprendere il pensiero di Bontempelli: “La rivoluzione scientifica cinque-seicentesca ha rappresentato un formidabile salto in avanti nello sviluppo dei procedimenti razionali proprio perché ha ridefinito gli oggetti teorici attraverso nettissime astrazioni dai significati dell’esperienza comune. Inoltre ogni riduzione e maggiore separazione di un oggetto teorico accresce la sua efficacia come strumento di previsione e quindi di azione….. Nella scienza ciò è ancora più vero: quanto più un oggetto teorico è ritagliato dal suo sfondo, e quanto più sono isolate le sue singole relazioni con gli altri oggetti, tanto più risultano prevedibili e riproducibili determinati suoi effetti particolari.” (6).            Tabella 2   EffervescenzaSolubilizzazione Liquido colorato/ incoloreVelocità Ferro + acido cloridrico    Rame+acido cloridrico    Ossido di rame + acido cloridrico    Alluminio+acido cloridrico in pezzi    Alluminio+ acido cloridrico in pallina     Con il discioglimento dell’ossido di rame   e la colorazione verde osservata, si  evidenzia il fatto che il cambiamento di colore  è un  possibile segno della trasformazione chimica, che rischia altrimenti di essere associata solo all’effervescenza.Si ha poi una seconda fase in cui si ha una prima acquisizione di tipo scientifico: si comprende il modo diverso rispetto all’acqua con cui gli acidi “sciolgono”. Il termine “sciogliere” viene usato per continuità con il senso comune, poi quando si capirà che è la nuova sostanza,   prodotta per interazione fra l’acido e la sostanza insolubile, ad essere solubile in acqua, allora si introdurranno le parole giuste.Si dirà che si è avuta una reazione quando si comprenderà che la sostanza che si recupera è diversa da quella di partenza; si dirà che l’acido cloridrico reagisce con il carbonato di calcioe che si forma una sostanza che ha comportamento diverso con l’acqua: è solubile. Si useranno i termini appropriati quando si saranno costruiti i relativi significati. Sperimentando questo percorso  con ragazzi della prima classe di Istituti Tecnici ci si rende conto che la parola reazione è conosciuta e che viene usata per indicare che è successo qualcosa, che c’è stato un contatto fra sostanze che ha prodotto una diversità (effervescenza, cambiamento di colore, …) ma non c’è nessuna consapevolezza della trasformazione. Se infatti, si chiede, sempre nel caso dell’acido cloridrico e del carbonato di calcio, “che fine ha fatto il carbonato di calcio ?” gli alunni rispondono con sicurezza che  è in soluzione e che si può recuperare facendo evaporare la parte liquida. Solo provando a recuperare il carbonato di calcio nel modo da loro indicato, e facendo la prova della solubilità in acqua, si capisce con stupore che quella sostanza bianca non è carbonato di calcio.Per la caratterizzazione delle basi come sostanze aggressive si opera in maniera analoga agli acidi:TABELLA 3 EffervescenzaSolubilizzazione Liquido colorato/ incoloreVelocità Soda caustica + alluminio     Potassa caustica+ Alluminio    Soda caustica +Ferro    Soda caustica +calcare     Anche   le basi , come gli acidi, “sciolgono”  sostanze che non vengono sciolte  dall’acqua; spesso attaccano sostanze che non vengono aggredite dagli acidi. Si osserva, anche con le basi, effervescenza e cambiamento di colore.Gli acidi e le basi possono essere distinti con indicatori naturali (tè, estratto alcolico di fiori colorati..) che possiamo “fabbricarci” da soli o  trovare già pronti come la cartina tornasole. Acidi e basi perdono la loro originaria aggressività combinandosi fra di loro e formando i sali.Quasi tutti gli alunni pensano che invece, unendo un acido con una base si ottenga un liquido “superpotente” in grado di “sciogliere” tutto.E’ con molta diffidenza e timore che toccano e assaggiano il prodotto della mescolanza di acido cloridrico e idrossido di sodio, recuperato come solido con l’evaporazione. Fantastica è la faccia incredula degli alunni che con coraggio hanno appena assaggiato il sale…; è piena di meraviglia perché… quella cosa lì….ottenuta in laboratorio, è…sale da cucina, cioè proprio “il sale”.Il recupero del cloruro di sodio è essenziale perché se nell’analisi del liquido ottenuto dal mescolamento dell’acido e della base ci si ferma alla prova che verifica la perdita di aggressività (aggiungendo carbonato di calcio che rimane quindi indisciolto o alluminio che reagisce sia con gli acidi che con le basi),  agli alunni resta l’idea che “l’acido cloridrico e la soda caustica unendosi si annullano” e   questa formulazione verbale per alcuni significa che “si annullano le due aggressività” per altri  significa  “ scomparsa delle due sostanze”. Le parole, il racconto che può fare l’insegnante di ciò che avviene in soluzione, difficilmente servono per cambiare l’idea che tutte le sostanze siano svanite nel nulla.Le acquisizioni connesse al concetto di trasformazione chimica in questa prima fase sono sostanzialmente due:1)      quando si ha una trasformazione chimica, si ottengono sostanze con proprietà diverse da quelle di partenza e quindi sostanze diverse,2)       la trasformazione è dovuta ad un’interazione fra almeno due sostanze e  la trasformazione è un atto di reciprocità.Riguardo al primo punto, se non avviene il recupero del sale, gli alunni restano ancorati al pensiero magico della scomparsa, dell’annullamento, associato al gioco di prestigio. Questo modo fantastico di ragionare , oltre ad essere legato all’età  e attraente di per sé (la speranza che una bacchetta magica  possa cambiare le cose non ci abbandona mai), ha radici nella storia del pensiero chimico. Gli scritti degli alchimisti  infatti hanno come argomento la comparsa e la scomparsa, la creazione e la rivelazione. Inoltre nell’alchimia non c’è l’idea di trasformazione chimica ma quella di trasmutazione. Il ragionamento che molti ragazzi fanno è di tipo “alchemico” anche dopo aver verificato che la sostanza che si ottiene è diversa da quella di partenza, proprio nel senso che concettualizzano la trasformazione come trasmutazione. Vengo quindi al secondo punto per spiegarmi meglio:  alcuni alunni scrivono: “il carbonato di calcio è diventato cloruro di calcio”: Chiedendo chiarimenti sul significato di questa affermazione risulta evidente che  non è stato  compreso il  fatto che anche l’acido cloridrico si è trasformato. Il fatto che il cloruro di calcio contiene parte dell’acido cloridrico, è difficile da immaginare a questo stadio, considerando anche che il nome del composto è un’etichetta, non dà  la storia della sostanza che si scioglie in acqua..  Sembra  che l’idea che hanno questi ragazzi sia che il carbonato di calcio si trasforma in cloruro di calcio grazie alla presenza dell’acido cloridrico che perde sì la sua aggressività ma non diventa “altro”. Gli alunni dicono: “l’acido cloridrico consuma il carbonato di calcio”. Il consumarsi del carbonato viene accompagnato dalla perdita di aggressività dell’acido (“perde la potenza” dicono), ma questo non significa  perdita d’identità. In una visione animistica delle cose, l’acido è come un pugile che ha combattuto: è sfinito, ha esaurito le sue forze, è stanco ma ancora un pugile, non qualcosa di diverso.Torniamo all’Alchimia per comprendere le modalità di funzionamento del pensiero dei nostri alunni in questa circostanza. Scopo fondamentale degli alchimisti era la produzione della Pietra Filosofale, conosciuta  anche come Elisir o Tintura per trasmutazione del metallo vile in oro (7). La trasmutazione è trasformazione di una sostanza in qualcosa di “altro” provocata da un “agente” non da un “reagente”, non una trasformazione che provoca un cambiamento reciproco. Per evitare che gli alunni restino ancorati alla concezione primitiva di trasmutazione si deve porre l’accento sul fatto che, ad esempio  nella formazione del “sale”,  la soda caustica e l’acido cloridrico quando si neutralizzano perdono entrambe l’aggressività, si trasformano in cloruro di sodio che possiamo recuperare per evaporazione della parte liquida. Quest’ultima non è aggressiva , è come l’acqua. Deve essere evidenziato quindi che le sostanze di partenza devono essere almeno due e che entrambe si trasformano.Ritengo che  la definizione operativa di acido, base e sale, realizzabile con questo percorso, svolto con attenzione, ponendo l’accento sui punti chiave che sono stati evidenziati, costituisca la base per un’acquisizione “adulta” e quindi formalizzata di questi concetti. Mi sembra illuminante quanto scritto da Dewey a proposito della necessità di dare concretezza alle parole, di associare all’idea un fatto, in modo da ridurre  la “vaghezza” dei concetti o delle idee.“Le parole possono isolare e conservare un significato solo allorché esso è stato in precedenza implicato nei nostri contatti diretti con le cose. Tentare di dare un significato tramite la parola soltanto, senza una qualsiasi relazione con la cosa, significa privare la parola di ogni significazione intellegibile…….Inoltre vi è la tendenza ad ammettere che ovunque vi sia una definita parola o forma linguistica, vi sia anche un’idea definita; mentre in realtà sia gli adulti che i fanciulli possono adoperare  formule verbalmente precise, avendo solo la più vaga e confusa idea di ciò che esse significano. E’ più proficua la genuina ignoranza perché è facilmente accompagnata da umiltà, curiosità ed apertura mentale; mentre l’abilità a ripetere frasi fatte, termini convenzionali, proposizoni familiari crea la presunzione del sapere e spalma la mente di una vernice impenetrabile alle nuove idee”(8). 4 ACIDI, BASI  E SALI  E LA CHIMICA DEL ‘700: riflessioni per un possibile sviluppo didattico. Il concetto di acido come sostanza fenomenale capace di portare in soluzione sostanze insolubili in acqua, era già stato elaborato nel Medioevo e giunto così fino a Lavoisier. La prima fase del processo alchemico  stesso consisteva nel sottoporre la “Materia Prima”, generalmente di origine metallica, a distruzione con il fuoco o con qualche apposito preparato di natura acida (7).  Nel 1600 era già acquisita la generalizzazione importantissima che gli acidi e le basi sono più semplici dei sali. Si tentò anche di dare una spiegazione meccanicistica del fenomeno della neutralizzazione. Lemery ad esempio immaginava che le particelle degli acidi fossero a punta e quelle delle basi porose; la neutralizzazione consisteva quindi nella penetrazione degli acidi, come spilli, nelle particelle basiche porose. Questa spiegazione che oggi consideriamo ingenua e che ci fa sorridere ha importanza anche perché è un tentativo di dare una spiegazione microscopica dei fenomeni macroscopici  è questo è molto moderno. Per Lavoisier la gerarchia composizionale degli acidi, basi e sali era quanto c’era da salvare dell’opera dei suoi predecessori. Il grande scienziato ottenne anche  acidi studiando il ruolo dell’aria nella combustione, elaborò una propria teoria della loro composizione, considerandoli  portatori di un principio comune responsabile dell’acidità (9).Gli studi sugli acidi contribuirono  operativamente  alla formulazione del concetto di elemento chimico. Nella combustione del fosforo, questo brucia perché assorbe “aria” e si trasforma in acido, quindi gli acidi sono composti rispetto ai principi di partenza e sono quindi questi ultimi “gli elementi”. La ricostruzione di questa parte dell’opera di Lavoisier  è sviluppabile nel biennio della scuola media superiore (10) dopo la definizione operativa di acido e base e crediamo sia di fondamentale importanza per   la conoscenza della chimica classica.Pensiamo quindi che la definizione operativa  di acido, base e sale, costituisca la base per costruire significati sempre più generali di questi concetti come quelli contenuti nelle teorie di Lavoisier  e Arrhenius.  Nel triennio della scuola media superiore sarà possibile introdurre le definizioni di Lewis e Broensted.      Bibliografia  1)      E. Aquilini, F. Carasso. C. Duranti, M.V. Massidda, F. Olmi, Proposta di sviluppo del curricolo chimico segmento del biennio secondario superiore di fine obbligo, CnS- La Chimica nella scuola, XXII , (2000), 2, 58. 2)      F.Olmi , C. Fiorentini, M.V. Massidda, P. Riani, Per la definizione di un curriculum di Educazione Scientifica generale e, in particolare, di Chimica,     – In corso di pubblicazione-,  Firenze,   La Nuova Italia. 3)      P.Mirone ,Considerazioni sul concetto di reazione chimica, CnS- La Chimica nella scuola,  XX, (1998), 2,  49. 4)      C.Fiorentini, “La Prima Chimica”, Franco Angeli, Milano,1990, p.117-135. 5)      C.Fiorentini, La correttezza scientifica: conoscenza di termini o conoscenza concettuale. Un esempio: gli acidi, Insegnare,1999,2, 62. 6)      M. Bontempelli, “La conoscenza del bene e del male”, Editrice C.R.T, Pistoia, 1998, p.116-117. 7)      C. Gilchrist, “ L’Alchimia una scienza segreta”, Xenia, Milano,1993, p.7-12. 8)      J. Dewey  ,“Come pensiamo”, La Nuova Italia, Firenze, 1994, p.333. 9)      A.Lavoisier, “Considerations générales sur la nature des acides, in Oevres de Lavoisier, Tome II, Imprimerie Imperiale, Paris, 1862, p.259. 10)  C.Fiorentini “Dispense di Chimica per la Scuola Media Superiore”, disponibili presso il CIDI di Firenze.

Rossana Nencini   *

   Da  anni  assieme ad un gruppo di colleghi  e di esperti  sono impegnata in attività di ricerca didattica sull’insegnamento delle scienze nella scuola elementare, con particolare riferimento al settore fisico –chimico. L’obiettivo è quello di  progettare percorsi formativi all’interno dei quali ciascun bambino riesca,  attraverso una sua personale attività di ricerca,  a  costruire conoscenze stabili, trasferibili, riutilizzabili.

   La sperimentazione in classe dei percorsi didattici, unita alla sistematica attività di riflessione e discussione con i colleghi sulle risposte degli alunni , mi hanno permesso di comprendere non solo la complessità della ricerca/sperimentazione svolta dagli insegnanti ma, anche, la difficoltà che la maggior parte dei bambini incontra nella comprensione di concetti scientifici considerati banali e ridotti ad una trattazione di poche righe e qualche immagine nei libri di testo in uso nella scuola elementare .

   La complessità dell’apprendimento può, tuttavia, diventare passione per la scoperta e curiosità concreta verso le nuove conoscenze  se l’azione didattica  è  attenta alla scelta dei contenuti: pochi , significativi e sempre adeguati ai livelli cognitivi degli alunni, rigorosa nella metodologica e condotta da insegnanti consapevoli della complessità dell’apprendere e dell’elevato spessore del proprio ruolo. La consapevolezza della complessità determina nel docente una totale modifica  nelle modalità di relazione con il gruppo classe nelle sue singolarità: non c’è più lo stupore per la non avvenuta comprensione di un concetto più volte spiegato e la conseguente valutazione dell’inadeguatezza di quell’alunno verso l’apprendimento scolastico; l’attenzione dell’insegnante si sposta automaticamente dall’alunno alla proposta didattica a lui rivolta ed è nella proposta che si ricerca l’inadeguatezza. Non  c’è più la sottolineatura dell’ennesimo errore  del solito alunno con la classica frase: “ Ma……allora!!!……ancora non ci siamo?….. proprio non riesci a capire!!!……” con le ovvie conseguenze sull’autostima personale del bambino a cui queste parole vengono rivolte, ma c’è concentrazione da parte dell’insegnante nei confronti dell’errore, che deve essere esplicitato, discusso, compreso, per diventare fonte preziosa di conoscenza per tutti.

Fare scienze nella scuola elementare con l’obiettivo di permettere a ciascun alunno di arrivare a possedere il concetto operativo dei fenomeni studiati , significa prendere le distanze sia dalle metodologie di tipo trasmissivo basate sulla ripetizione per lo più menemonica  delle pagine del sussidiario, sia dall’esperienza fine a se stessa basata sulla presentazione di qualche esperimento per lo più a carattere esplicativo di argomenti già letti nel sussidiario, spiegati dall’insegnante e  passivamente ripetuti dai ragazzi.

    L’educazione scientifica nella scuola elementare obbliga alla scelta di una metodologia costruttivista che pone gli alunni di fronte all’osservazione di esperienze opportunamente progettate e relative a  semplici fenomeni con cui i bambini sono quotidianamente a contatto.La traduzione in linguaggio tramite narrazione  individuale di quanto osservato attribuisce significato all’osservazione e permette ad ogni  alunno di esprimere con le parole quanto percepito . La successiva discussione con i compagni  arricchisce la riflessione individuale superandone i limiti e le scorrettezze.

    Se il riferimento al concreto  e la scelta dei contenuti sono elementi indispensabili per apprendere, è, però, il linguaggio che determina la costruzione del significato. Risulta, infatti, fondamentale l’attenzione alle “parole” usate dai bambini nei loro scritti e nei loro interventi, “parole”che se si riferiscono a esperienze, cioè, immagini ed azioni concretamente osservate assumono un significato condiviso che, insieme, può essere ulteriormente esplicitato e pienamente compreso. Rispettando il tempo necessario ad ogni alunno per inserirsi in modo attivo in questo percorso e accogliendo i prodotti individuali di tutti come preziosi contributi allo sviluppo della conoscenza, si realizza in classe quel  laboratorio della mente dove le difficoltà diventano curiosità e motivazione, dove l’errore non valuta ma arricchisce, dove ogni alunno impara, lentamente, ad esprimere i propri pensieri e ragionamenti accorgendosi, talvolta con meraviglia, di riuscire a dare un contributo, costruttivo.

   Niente è scontato nel percorso proposto ai bambini per la costruzione operativa dei concetti. Non è scontata la capacità di osservare, nei particolari significativi, le diverse esperienze proposte, è da acquisire la capacità di descriverle con chiarezza e puntualità logico temporale, è da costruire la capacità di  evidenziare differenze e somiglianze fra esperienze diverse, è da stimolare la volontà di  esprimere il proprio pensiero di fronte ai compagni, è da acquisire la capacità di definire in forma linguisticamente chiara e corretta concetti appresi quali quelli  di sostanza solubile, vapore acqueo, volume, ecc. Si tratta di un percorso lento, graduale, progettato nei dettagli, che invita costantemente i bambini a riflettere, a mettersi in gioco personalmente in base a consegne puntuali e precise dell’insegnante.

   E’ affascinante per gli alunni di terza elementare osservare che lo zucchero e il sale si sciolgono nella piccola quantità di acqua distillata versata nel becker  mentre altre sostanze come la farina, la sabbia , l’olio, si comportano diversamente, ma è assai  complesso per ciascuno di loro confrontare il diverso comportamento  in acqua delle varie sostanze. Si deve saper osservare il comportamento della sostanza e i  possibili cambiamenti  dell’acqua, si deve riuscire a  evidenziare somiglianze e differenze fra il comportamento delle diverse sostanze ed operare un confronto che permetta di raggruppare le sostanze che in acqua si comportano in modo simile.. E anche quando è chiaro, per tutti,  quali sono le sostanze che si comportano in modo simile è necessario chiedere ai bambini di esplicitare il perché, scrivendolo con le parole individualmente e per scritto. “Lo zucchero, il sale, e il solfato di rame li ho messi insieme perché fanno diventare l’acqua trasparente e limpida e poi spariscono” scrive uno dei miei alunni. Trasparente e limpida, il significato di queste due parole usate con molta disinvoltura non è assolutamente chiaro e obbliga ad una riflessione sul senso e sulle differenze. Molti alunni riferendosi, invece, al comportamento della sostanza  hanno usato la seguente espressione: “ La sostanza si è sciolta” ma, che cosa significa sciogliersi? È fondamentale riflettere su questa parola, per molti alunni sciogliersi significa sparire lasciando nell’acqua solo il sapore, significa che la sostanza nell’acqua non c’è più, semplicemente perché non si vede più. Ecco perché è opportuno porre loro la domanda “Che fine hanno fatto, secondo te,il sale, lo zucchero e il solfato di rame?” Scrivi…………L’interrogativo dell’insegnante fa da stimolo ad una ulteriore riflessione per  capire ciò che percettivamente i bambini non riescono a vedere e tiene attiva la curiosità , l’interesse, invita  a pensare, da protagonisti, ad una possibile risposta  ipotizzando una  soluzione per risolvere il problema. L’esperienza del recupero del soluto tramite  riscaldamento di piccole quantità  di diverse soluzioni con il profumo dello zucchero che si diffonde nell’aula e i granelli di sale e solfato di rame che schizzano dalla capsula sul tavolo di lavoro, sarà un’esperienza così emozionante che difficilmente i bambini dimenticheranno.

   L’attenzione alle parole usate dai bambini nei loro scritti e nei loro interventi orali, rileva con chiarezza che spesso l’uso di termini anche specifici non conserva nessun significato ma è frutto di vuota memorizzazione. In quarta elementare in seguito all’esperienza di ebollizione di una piccola quantità di acqua distillata, è stato chiesto ai bambini di rispondere al seguente quesito:” Che cos’è , secondo te, quel fumo bianco che esce dal becker?” Negli scritti individuali molti alunni hanno risposto che quel “fumo” era vapore acqueo, ma alla richiesta dell’insegnante di esplicitare ulteriormente che cosa intendevano con il termine vapore acqueo, nessun bambino ha risposto con chiarezza “è acqua”, per alcuni era calore, per altri aria …….per molti un termine che non si sapeva spiegare. La comprensione di  cos’è  il “fumo” bianco che vediamo uscire quando l’acqua è in ebollizione, è il frutto di un percorso didattico che ha come esperienza di riferimento la distillazione dell’acqua, esperienza indispensabile ma, assai complessa, se non opportunamente studiata dal punto di vista didattico. Non è assolutamente banale comprendere che durante la distillazione si verifica una trasformazione dell’acqua e che non si realizza nessun travaso. E’ necessario soffermarsi sulle singole fasi dell’esperienza, descriverle, discuterle per  offrire ai bambini l’opportunità di ragionare e di capire; solo a questo punto è opportuno introdurre il termine vapore acqueo o acqua vapore perché l’esperienza e la riflessione su di essa hanno dato significato alle parole.

 Nel distillatore, inoltre, i bambini osservano con stupore che, nonostante vi sia ebollizione dell’acqua non c’è “fumo”. Nella narrazione dell’esperienza di una bambina si legge: “……..e in questa esperienza, stranamente, non ho visto il “fumo”………..ma forse c’era!!!!!”. E’ importante raccogliere e socializzare lo stupore dei bambini che rappresenta uno stimolo  per l’approfondimento della conoscenza e porre loro un nuovo interrogativo: “Nel distillatore, durante l’ebollizione il “fumo” non si vede, nel becker durante l’ebollizione il “fumo” si vede; sai dire perché? Scrivi………..”.  Di nuovo ogni alunno, individualmente, è stimolato a riconsiderare l’esperienza osservata e ad esprimere il proprio punto di vista dando forma linguistica ai propri pensieri che verranno  comunicati  ai compagni e discussi insieme. Accanto alle produzioni linguistiche scritte dai singoli alunni, siano esse narrazioni di esperienze o risposte a puntuali richieste dell’insegnante, assume valore la discussione collettiva cioè il parlare insieme per risolvere un problema, si  leggono ai compagni le proprie riflessioni scritte e si ascoltano le loro osservazioni, le loro considerazioni, i loro rilievi. La discussione collettiva intesa in questi termini, oltre ad essere un momento di grande arricchimento delle scoperte individuali, crea fra gli alunni una forte interazione linguistica che contribuisce a  chiarire il significato delle parole e i concetti che esprimono. Durante la discussione i bambini possono chiedere ai compagni di spiegare il senso di alcuni termini usati, possono riferirsi, per esemplificare, ad esperienze comuni, possono unire cioè all’informazione linguistica informazioni visive che aiutano a comprendere. Il confronto delle idee, inoltre, crea la consapevolezza di quanto sia indispensabile il contributo degli altri nella costruzione del sapere e predispone a relazioni emozionali e affettive improntate alla collaborazione e al rispetto. E sono proprio  il rispetto verso le potenzialità intellettive individuali e il riconoscimento del diritto di ognuno ad apprendere in modo significativo e consapevole che danno particolare valore a questo progetto didattico di insegnamento delle scienze nella scuola elementare.

Bibliografia:

– L. Barsantini, C. Fiorentini, L’insegnamento scientifico verso un curricolo vertcale. Volume primo. I fenomeni chimic-fisici, L’Aquila, IRRSAE Abruzzo, 2001.

– A. Martinucci, R. Nencini, Gli oggetti e le loro proprietà, Insegnare, n. 11/12, 1999, pp. 57-60.

* Membro del gruppo di ricerca e sperimentazione didattica in educazione scientifica del CIDI di Firenze

Carlo FIORENTINI,  CIDI – Firenze

                               Ezio ROLETTO, Gruppo di Didattica della Chimica – Università di Torino

1 – GLI AMBITI DELLA CHIMICA

Il sapere chimico fa riferimento  essenzialmente a quattro ambiti: l’ambito dei fenomeni, l’ambito delle leggi macroscopiche, quello dei modelli microscopici ed infine quello del linguaggio chimico. La nostra proposta pedagogico-didattica di insegnamento della chimica nella scuola preuniversitaria considera l’ambito del linguaggio chimico trasversale ai primi tre ai quali attribuisce un ordine di tipo psicologico:

1)      fenomeni chimici (concetti categoriali);

2)      leggi e teorie macroscopiche (livello o registro fenomenologico);     4)  linguaggio chimico.

3)      teorie e modelli microscopici (livello o registro esplicativo).

È nostra convinzione che nella scuola di base si dovrebbe affrontare  il primo aspetto all’interno di una generale impostazione fenomenologica-operativa dell’educazione scientifica [1]; nel biennio della scuola secondaria superiore dovrebbe essere possibile affrontare i concetti e le teorie della chimica classica; nel triennio, in stretta connessione con l’acquisizione delle necessarie conoscenze fisiche, i modelli e le teorie microscopiche della chimica del Novecento. Siamo ovviamente consapevoli che le relazioni tra i tre ambiti sono molto più complesse e che, ad esempio, molti fenomeni sono diventati tali in connessione all’invenzione di ipotesi che fanno riferimento o alla chimica classica o alla chimica del Novecento. Conseguentemente, i fenomeni da affrontare con un’impostazione fenomenologica-operativa non potranno essere individuati casualmente, si cadrebbe in questo modo nell’induttivismo più cieco, ma soltanto attraverso una riflessione di tipo storico-epistemologico. Questa necessaria precisazione sulla non linearità delle connessioni tra i primi tre ambiti del sapere chimico nulla toglie al fatto che sia opportuno “sapere che…(X è così)” prima di “sapere come mai…(X è così)” per cui i tre ambiti non possono essere sovrapposti in modo casuale, né è pensabile eliminare i primi due, riducendo l’insegnamento della chimica alle teorie ed ai modelli esplicativi del XX secolo ed al linguaggio chimico.

Comprendiamo le motivazioni socio-culturali di questa scelta: la chimica, come d’altra parte tutte le discipline scientifiche, ha una collocazione marginale nel curricolo ed un ruolo essenzialmente informativo più che formativo: dovrebbe fornire in un lasso di tempo limitato, generalmente alcune ore alla settimana nell’arco di due anni, nozioni sull’enciclopedia delle conoscenze chimiche oggi accreditate. Se tale scelta poteva avere un senso in una scuola elitaria e selettiva, da alcuni decenni le ricerche sui risultati di questa impostazione dell’insegnamento hanno mostrato la drammaticità della situazione, sia in relazione alla capacità di stimolare interessi e motivazioni sia dal punto di vista dei risultati cognitivi. Infatti, soprattutto in conseguenza dell’insegnamento ricevuto, la grande maggioranza degli studenti considerano la chimica come una materia incomprensibile, astrusa, senza significato [2].

Ciò è comprensibile, dal momento che la chimica contemporanea è il regno della più raffinata astrazione e formalizzazione. La chimica del Novecento ha realizzato il sogno riduzionista sette-ottocentesco di assumere finalmente una forma simile a quella della fisica, di ricondurre quella disciplina contaminata per lungo tempo dall’empiria, dalle qualità secondarie dei materiali e delle sostanze alla dignità scientifica della fisica, con i suoi eleganti formalismi e con il suo potente apparato matematico. La chimica del Novecento è finalmente diventata una disciplina caratterizzata da un’organizzazione deduttiva che ha il suo punto di partenza, i suoi assiomi, in un insieme di concetti che appartengono al registro teorico/modellistico, in quanto si riferiscono agli atomi e alle molecole, grazie ai quali è in grado di fornire spiegazioni di una molteplicità di fenomeni chimici che erano stati scoperti nel periodo della chimica classica.

Ma tutto ciò può avere significato per una persona soltanto se questa ha, da una parte, una grande padronanza delle teorie e dei linguaggi della fisica – che costituiscono prerequisiti dei concetti più strettamente chimici – e dall’altra, una conoscenza significativa delle problematiche fenomenologiche e teoriche di carattere macroscopico che si vogliono interpretare e spiegare con i modelli microscopici. Un qualsiasi manuale che si rispetti – qualcuno potrebbe obiettare – ricostruisce in alcuni capitoli l’insieme delle teorie e dei concetti fisici sulla struttura dell’atomo che sono poi necessari per la chimica. Questi capitoli costituiscono, a nostro parere, una manifestazione esemplare della totale inconsapevolezza pedagogica di questi manuali: in essi, infatti, la proposta didattica di iniziazione alla chimica, in modo indifferenziato per studenti sia del biennio che del triennio, si concretizza in una bignamizzazione di un corpo complesso di conoscenze fisiche. Tale operazione potrebbe eventualmente avere un senso soltanto in un manuale universitario nel quale si schematizzano, in alcune centinaia di pagine, le conoscenze fisiche che si suppone che lo studente abbia già acquisito nella scuola secondaria superiore o in specifici corsi o moduli universitari di fisica.

La chimica del Novecento presuppone uno studente che possieda basi significative in tutti i campi della fisica, dalla meccanica alla termodinamica, dall’elettromagnetismo alla fisica quantistica; presuppone, cioè, uno studente che abbia nel corso di molti anni costruito conoscenze solide su teorie e concetti molto complessi e pieni di ostacoli epistemologici. Prendiamo un esempio, apparentemente tra i più banali per come è affrontato nei manuali: il passaggio dal modello atomico di Thomson a quello di Bohr. La storiellina che viene raccontata è più o meno di questo tipo: l’ipotesi di Thomson venne immediatamente criticata perché, alla luce delle leggi dell’elettromagnetismo, un oggetto carico, che si muove di moto circolare, perde costantemente energia, e conseguentemente l’elettrone non potrebbe rimanere nella sua orbita ma cadrebbe sul nucleo. Bohr, alcuni anni dopo, superò queste contraddizioni ipotizzando che le leggi della fisica classica non si applicassero all’infinitamente piccolo, all’atomo, e postulò conseguentemente i principi della meccanica quantistica: 1) quando un atomo non perde né acquista energia, l’elettrone si trova in un orbita definita, 2) un elettrone non può occupare tutte le zone dello spazio, ma può transitare  solo in alcune orbite, emettendo o acquistando una precisa quantità di energia. Questa è una delle storielline che si possono memorizzare più facilmente, ma che significato può avere per chi, e a maggior ragione per uno studente di 15-16 anni, non abbia conoscenze significative di fisica? Purtroppo, tali conoscenze fisiche mancano a tutti gli studenti della scuola secondaria superiore, con l’eccezione di quelli del liceo scientifico e degli indirizzi sperimentali dove la fisica viene affrontata nell’arco di tre o più anni. Generalmente, però, anche in questi casi più felici, la chimica viene insegnata al terzo o al quarto anno, quando lo sviluppo delle conoscenze fisiche è, se va bene, a metà del cammino. Tuttavia queste conoscenze fisiche non sarebbero ancora sufficienti per dare significato ai concetti chimici ed al linguaggio chimico del Novecento, in assenza di una significativa conoscenza, da parte degli studenti, di alcune importanti classi di sostanze e trasformazioni chimiche nonché delle leggi macroscopiche fondamentali.

Il linguaggio chimico costituisce una della grandi conquiste intellettuali dell’umanità. In tutti i libri di chimica, scritti nelle varie lingue della Terra, vi è una parte comune a tutti, universale, quella che si riferisce ai nomi simbolici delle sostanze (formule chimiche) e quella che schematizza le trasformazioni chimiche (le equazioni chimiche). Si tratta, indubbiamente, di un linguaggio convenzionale, ma non nello stesso senso del linguaggio ordinario. Infatti è un linguaggio in grado di fornire informazioni qualitative e quantitative sulla composizione molecolare delle sostanze e sulle trasformazioni chimiche. Però è pedagogicamente assurdo pensare di dare significato al linguaggio chimico con un insegnamento che, fin dall’inizio, si sviluppi solo attraverso nomi, formule ed equazioni. Si tratta di conoscenze molto sofisticate che possono avere significato solo se gli studenti hanno avuto, nell’arco di molti anni, a partire dalla scuola elementare fino al biennio, una lunga dimestichezza con sostanze, trasformazioni chimiche nonché con le leggi macroscopiche della chimica classica.

Per esempio, nell’evoluzione della chimica, il bilanciamento delle reazioni di ossido-riduzione ha rappresentato una grande conquista intellettuale e costituisce da molto tempo uno strumento fondamentale nell’analisi quantitativa delle sostanze ossidanti e riducenti. Tale bilanciamento fa riferimento ad almeno tre diversi modelli esplicativi di queste reazioni, ma di questo non vi è traccia nell’insegnamento. Bilanciare una reazione redox costituisce, generalmente, un’attività da settimana enigmistica che rappresenta un incubo per gli studenti, fin quando non abbiano memorizzato le regole del gioco e non si siano sufficientemente addestrati ad applicarle.

Il prototipo dell’insegnamento usuale della chimica è l’insegnamento grammaticale come poteva essere praticato cinquanta anni fa, insegnamento che era basato sull’illusione che l’acquisizione e la padronanza del linguaggio potesse avvenire soltanto attraverso lo studio di principi, regole e definizioni. Da tempo si è mostrato che la via grammaticalista alla comprensione e alla padronanza linguistica è pedagogicamente assurda per cui, a maggior ragione, dovrebbe apparire chiaramente l’assurdità di un tale approccio per le conoscenze chimiche. Queste infatti sono, come tutte le conoscenze scientifiche, generalmente molto più complesse, sul piano psicologico, del linguaggio comune, dal momento che spesso risultano essere, dal punto di vista epistemologico, in discontinuità con la razionalità della vita quotidiana.

2 –  FENOMENOLOGIA CHIMICA E EDUCAZIONE ALLE SCIENZE NELLA SCUOLA DI BASE

Le problematiche chimiche sono strettamente interrelate alla storia dell’umanità. L’invenzione o la scoperta di nuove tecniche ha portato spesso all’affinamento di fondamentali conoscenze fenomenologiche di tipo chimico. E’ sufficiente ricordare nell’antichità il perfezionamento delle tecniche della combustione e la possibilità di ricavare materiali artificiali così importanti nell’evoluzione della civiltà umana, quali i metalli, i leganti, i materiali laterizi, ecc.; il fuoco è stato per tempi immemorabili il principale strumento utilizzato dall’uomo per realizzare trasformazioni chimiche. Durante il Medioevo furono scoperte delle sostanze, gli acidi minerali, che, grazie alla loro capacità aggressiva (erano, cioè capaci di “sciogliere” solidi insolubili in acqua),  permisero lo sviluppo di un nuovo campo di fenomeni chimici.

A metà del Settecento la chimica era da tempo caratterizzata da un rigoglioso sviluppo quantitativo: le sostanze naturali ed artificiali conosciute aumentavano costantemente e diventava sempre più problematico classificarle, anche a causa dei limiti intrinseci al linguaggio chimico allora utilizzato che attribuiva i nomi alle sostanze sulla base di svariati criteri casuali, quali il loro colore, sapore, utilizzo, luogo di provenienza, nome dello scopritore, ecc. Inoltre, nella prima metà del Settecento, come d’altra parte era successo nei secoli precedenti, vennero elaborate molteplici teorie che si proponevano di fornire spiegazioni e di individuare connessioni e  regolarità in questo mare buio di fenomeni empirici; ma il successivo sviluppo scientifico della chimica  mostrò che i principi fondamentali delle trasformazioni chimiche potevano essere rintracciati con un approccio sostanzialmente opposto a quello allora prevalente, con un’impostazione cioè di tipo quantitativo.

“Ma che grande scoperta” potrebbe dire il riduzionista di turno: “l’approccio quantitativo è ciò che caratterizza il pensiero scientifico”. Ora, a parte la discutibilità di un’affermazione generale di questo tipo, essa è comunque facile a dirsi, ma tutt’altro che facile a farsi. Anche per la chimica il passaggio alla maturità si realizzò con la sua matematizzazione, con l’individuazione di principi quantitativi; ma prima delle geniali scoperte di Lavoisier quale era la situazione? Tutti i grandi chimici del Settecento si erano convinti che la forza della chimica risiedesse nella sua metodologia specifica, di tipo sperimentale e qualitativo e non nell’utilizzo di metodologie fisiche, cioè quantitative. Erano stati, infatti, effettuati molti tentativi di conferire alla chimica un assetto quantitativo simile a quello della meccanica newtoniana, con l’introduzione, ad esempio del principio delle affinità chimiche mutuato dal principio della gravitazione universale [3]. Tuttavia, tutte queste concezioni banalmente riduzioniste non avevano minimamente contribuito allo sviluppo della chimica.

Fino a Lavoisier, le trasformazioni chimiche erano state osservate e studiate nelle loro regolarità di tipo qualitativo e già questo aveva costituito un’impresa titanica. Non è un caso che la chimica sia stata associata fino ad alcuni secoli fa con la magia; in un certo senso, le trasformazioni chimiche sono delle magie: sono, infatti, quei fenomeni in cui, da determinate sostanze, se ne ottengono altre che non hanno nessuna proprietà in comune con quelle iniziali. Lo sviluppo della chimica, nella cosìddetta fase prescientifica,  rappresenta un fenomeno prodigioso; durante il Seicento ed il Settecento si riuscì ad individuare, a partire dal caos della materia indistinta presente nella vita quotidiana, un numero immenso di materiali e di sostanze naturali od artificiali, e successivamente classi di sostanze e relazioni tra esse. E non è che non fossero state osservate anche regolarità quantitative da parte degli artigiani quando utilizzavano determinate trasformazioni chimiche per fabbricare materiali o sostanze utili per i vari scopi.

La situazione psicologica del non esperto di fronte al mondo dei materiali, delle sostanze e delle trasformazioni non è molto diversa da quella dello scienziato o dell’artigiano di quattro-cinque secoli fa. Se si vuole costruire conoscenze che siano in consonanza con le strutture cognitive dello studente e con il suo mondo percettivo, occorre dedicare gli anni della scuola di base a realizzare questo passaggio graduale dalla materia indistinta della percezione quotidiana all’individuazione di alcuni materiali, di alcune sostanze e di alcune classi di sostanze. [4,5]

3 – LE LEGGI MACROSCOPICHE DELLA CHIMICA

Perché le leggi macroscopiche della chimica, e più in generale la chimica classica,  devono costituire la parte principale dell’insegnamento della chimica nell’area comune della scuola secondaria superiore? Innanzitutto, perché costituiscono conoscenze fondamentali della chimica. L’oblio, negli ultimi decenni, di questo aspetto costituisce una delle manifestazioni più eclatanti del pensiero riduzionista. In secondo luogo, perché realizzano un passaggio graduale (che permette di comprendere il significato dei concetti) dalle concezioni di senso comune agli aspetti più formalizzati della chimica. Questa seconda risposta è determinante sul piano pedagogico-didattico. L’importanza disciplinare di determinate problematiche costituisce, infatti, una condizione necessaria, ma tutt’altro che sufficiente, per il loro inserimento nel curricolo.

A differenza dei concetti categoriali di tipo fenomenologico, i concetti e le leggi macroscopiche della chimica non sono, tuttavia, in continuità con il senso comune: molti di esse sono in stretto rapporto con osservazioni e sperimentazioni che è possibile (che è didatticamente indispensabile) effettuare, ma non si tratta di conoscenze ottenute con un processo di astrazione empirica; sono, invece, il frutto di atti creativi di grandi scienziati che hanno saputo inventare “oggetti mentali” e ipotesi che andavano molto oltre i dati dell’osservazione. Di conseguenza, i concetti e le leggi fondamentali della chimica non possono essere insegnati con l’impostazione fenomenologica-operativa proposta per la scuola di base. Si cadrebbe in questo modo nell’impostazione angusta dell’attivismo e dello sperimentalismo ingenuo. Le osservazioni sperimentali non possono più, di per sé, costituire il fondamento della concettualizzazione. La loro funzione è ora radicalmente diversa: continuano ad essere necessarie per l’ampliamento del riferimento empirico e quindi della conoscenza di sostanze e trasformazioni; sono, inoltre, indispensabili per offrire agli allievi l’opportunità di esplicitare le proprie concezioni nei confronti di fenomenologie che storicamente hanno svolto un ruolo determinante nella creazione di concetti e leggi fondamentali.

Nuovi concetti o nuove leggi hanno permesso di risolvere problemi teorici e/o sperimentali, hanno costituito la risposta a contraddizioni esistenti nelle teorie precedenti, sono state in grado di individuare regolarità impreviste, di fornire spiegazioni e di prevedere nuovi fenomeni. Tutti questi aspetti contribuiscono a costituire il significato dei concetti, significato che non risiede nella loro definizione formale, acontestuale, tranne che per gli specialisti che sono in grado di dominare cognitivamente l’organizzazione assiomatica di una disciplina. Affinché lo studente possa comprendere concetti e leggi della chimica classica è quindi necessario ricostruire il contesto problematico, teorico e sperimentale, in cui essi sono stati ipotizzati e poi definiti formalmente.

Alla comprensione deve accompagnarsi la formalizzazione che, a questo punto, diventa un atto fondamentale. Già nella scuola di base l’importanza delle osservazioni sperimentali risiede nel fatto che costituiscono la base della concettualizzazione di fenomenologie elementari, cioè della formalizzazione possibile a questo livello di scolarità. A maggior ragione, nella scuola secondaria superiore, la formalizzazione non può che avere un’importanza centrale, in relazione, ovviamente, ai quei concetti fondamentali della chimica di cui è stato possibile comprendere il significato problematico e contestuale. La nostra critica radicale non è quindi rivolta alle definizioni, al linguaggio rigoroso ed alla necessità didattica di esercizi di addestramento, ma ad un insegnamento che, invece di considerare questi come punti di arrivo, si fonda solo su di essi, presumendo che lo studente possa comprenderli in quanto gli vengono presentati con una serie di frasi connesse logicamente all’interno dell’organizzazione deduttiva della chimica.

4 – RIFLESSIONI SU ALCUNI CONCETTI FONDAMENTALI DELLA CHIMICA

Come è stato sottolineato, la chimica è una disciplina che “presenta difficoltà intrinseche di apprendimento, riconducibili a tre punti nodali: la chimica non è intuitiva, la chimica fa uso di due livelli di descrizione della realtà, le molecole non stanno ferme”[6]. Che la chimica non sia intuitiva lo si comprende immediatamente se si pensa che alla sua base sta il concetto di sostanza che è tutt’altro che intuitivo, anche se tale viene comunemente ritenuto probabilmente perché fa parte del linguaggio comune. Tuttavia questo aspetto, lungi dal facilitarne la comprensione, la rende molto più ardua. Molti termini scientifici sono anche termini della vita quotidiana, ma con significati che sono, di norma, completamente diversi. Ciò costituisce un ostacolo epistemologico ulteriore alla comprensione di molti concetti scientifici, ostacolo che non è stato colto minimamente dall’insegnamento tradizionale, che addirittura considera la conoscenza dei termini spontanei come embrione del concetto scientifico che dovrebbe essere solo rifinito.

4.1 – Il concetto di sostanza

Molteplici ricerche hanno da tempo messo in evidenza che non si tratta di un concetto semplice, tanto è vero che viene frainteso anche da parte di studenti universitari frequentanti corsi di chimica [7, 8].  Il concetto scientifico di sostanza non coincide per nulla con il concetto di senso comune. Sostanza è un termine utilizzato nella vita quotidiana per indicare in modo indifferenziato (irriflessivo) il sostrato materiale di qualsiasi cosa, come sinonimo di materia o di materiale.

Se si consultasse un dizionario, per esempio il Devoto Oli, si troverebbe questa definizione di sostanza: composizione materiale individuata da particolari qualità o proprietà: sostanze liquide, solide, gassose; sostanze alimentari, medicinali, sostanze velenose. In chimica, materia, composto o miscela di composti…la parte nutritiva di un alimento: carne che ha poca sostanza”. [8]

La definizione scientifica di sostanza è, invece, di questo tipo: sostanza è una porzione di materia caratterizzata da specifiche proprietà macroscopiche ed operative. Nel Gillespie si trova la seguente definizione: se un materiale è una sostanza e non una miscela di sostanze, noi spesso lo chiamiamo sostanza pura. [9]

Tuttavia queste definizioni sono tutt’altro che perspicue: anche il concetto scientifico di sostanza

è un concetto complesso che può essere didatticamente costruito gradatamente, nell’arco della scuola di base; si tratta infatti di un concetto strettamente intrecciato a quello di miscela e di materiale. Se logicamente sembrerebbe precederli, psicologicamente dovrebbe, invece, seguirli. In alcuni casi, comunque, la distinzione ed una prima costruzione di significati è abbastanza semplice; in altri, ci si trova di fronte ad un ostacolo epistemologico: le leghe ed i vetri, ad esempio, sono sostanze o miscele?

Nella scuola elementare è necessario indubbiamente condurre per un lungo tempo l’attività sui materiali e solo successivamente, in casi particolarmente semplici, iniziare a rendersi conto  che i materiali sono costituiti di porzioni di materia diverse, che vi sono miscele eterogenee, soluzioni, sostanze. Nella realtà, nell’ambiente, per il bambino vi sono cose, oggetti, animali, piante: ai materiali si deve arrivare riflettendo su dati percettivi ricavati dall’osservazione e dalla manipolazione degli oggetti; all’inizio i materiali probabilmente verranno indicati come una caratteristica dell’oggetto; successivamente i bambini potranno individuarli come ciò di cui gli oggetti sono fatti; sarà così possibile passare dalle caratteristiche degli oggetti alle proprietà dei materiali. Per i bambini, è in genere molto agevole riconoscere i materiali più comuni, ma è più difficile individuarne alcune loro proprietà caratterizzanti (definienti). Verso i nove – dieci anni, ossia nell’attuale secondo ciclo della scuola elementare, sarà quindi necessario iniziare a proporre alcune fenomenologie che, da una parte, abbiano significato di per sé, e che, dall’altra, consentano di individuare proprietà empiriche che permettono di distinguere alcuni materiali.

Una sostanza è una porzione di materia (un corpo) caratterizzata da specifiche proprietà fisiche e chimiche. Questo concetto deve essere costruito, come abbiamo già detto, nel corso di nove- dieci anni, ma deve essere definito solo nella fase terminale, durante la quale si tirano le fila delle attività e delle conoscenze già consolidate negli anni precedenti. Durante il secondo ciclo della scuola elementare e nella scuola media si dovrebbero incontrare più esempi di sostanze, cioè di porzioni di materia caratterizzate da specifiche proprietà fisiche e chimiche. Ad esempio, due fenomenologie fondamentali che a nostro parere vanno affrontate già nel secondo ciclo della scuola elementare sono le soluzioni acquose e l’ebollizione-evaporazione dell’acqua. Per concettualizzarle, seppur ad un primo livello, sono necessari molti mesi di attività perché ad esse sono connesse molte problematiche di cui va costruita la rete concettuale.

L’oggetto principale di queste attività è l’acqua, che da sostanza del senso comune inizia a diventare sostanza nel significato scientifico. L’acqua della vita quotidiana appare come una sostanza, eventualmente con l’aggettivo pura, volendo così significare che è l’aggiunta di altre sostanze che la rende sgradevole. Le attività precedentemente indicate permettono di comprendere che l’acqua usuale non è una sostanza ma una soluzione, e che la bontà dell’acqua dipende dalle sostanze in essa sciolte. L’acqua chimicamente pura la si può ottenere distillando l’acqua, togliendo, cioè, all’acqua le sostanze che naturalmente vi sono disciolte. In generale, mentre l’acqua naturale è una soluzione, l’acqua sostanza è un artefatto umano. È l’acqua distillata che va usata per preparare le soluzioni acquose, per non avere interferenze fra il soluto le sostanze già disciolte nell’acqua. È di nuovo l’acqua distillata che bolle ad una ben determinata temperatura.

Sono in particolare le proprietà fisiche, quali le temperature di ebollizione e/o di fusione, il peso specifico, la solubilità, ecc. quelle che permettono più facilmente di caratterizzare le sostanze, così come, d’altra parte, sono le trasformazioni fisiche connesse (passaggi di stato e solubilizzazione) le fenomenologie di base su cui concentrare l’attività nella scuola elementare. Nella scuola media, si può gradualmente evidenziare la distinzione tra trasformazioni fisiche e chimiche, tra le trasformazioni caratterizzate da conservazione e non conservazione della sostanza [10]. Le trasformazioni chimiche sono adatte a livello fenomenologico più che a distinguere sostanze, a caratterizzare e riconoscere gruppi di materiali o di sostanze che hanno proprietà comuni. Si possono così definire, tra la fine della scuola media e l’inizio del biennio, dei raggruppamenti che hanno chimicamente grande rilevanza, quali quello dei combustibili, dei metalli, degli acidi, delle sostanza basiche e dei sali.

4.2 – Il concetto di composto

Quanti tipi di sostanze esistono per i chimici? Questi parlano di sostanze semplici e sostanze composte, chiamate più semplicemente composti. Questo è un ampliamento del concetto di sostanza che comporta un notevole salto nel livello di complessità psicologica. Nel paragrafo precedente abbiamo mostrato la non immediatezza del concetto di sostanza: esso, infatti, è così inestricabilmente connesso a quello di materiale, miscela e soluzione che può essere chiaramente compreso, e quindi acquisito, soltanto all’interno di attività che si distendano per tutta la scuola di base. Con i concetti di sostanza semplice e composta ci troviamo, invece, completamente su un altro piano: essi sono infatti formali e non categoriali, sono frutto di processi di astrazione su idee e non su oggetti o fenomeni.  

Ma quante storie! potrebbe affermare qualche chimico esperto. I concetti di sostanza semplice e composta sono autoevidenti; da una parte, vi sono sostanze non più decomponibili, quali l’ossigeno, il cloro, il ferro, ecc.; dall’altra ve ne sono molte altre che sono costituite di quelle, come è possibile constatare effettuando determinate trasformazioni ( e qui vengono mostrati alcuni esempi). Ma lo studente che ha memorizzato queste informazioni categoriche, ha forse acquisito strumenti cognitivi che lo mettano in condizioni di riferirle a fenomenologie chimiche per lui familiari?

I composti hanno una determinata composizione, ma si parla di composizione anche per le miscele ed in particolare per le soluzioni. Quali differenze ci sono tra “composto” e “miscela” o “soluzione”? Che cosa è una sostanza semplice? Che cosa è una sostanza composta? Proviamo a prendere in considerazione l’ultimo interrogativo e vediamo quale definizione si troverebbe consultando un dizionario. Nel Devoto Oli  troviamo quanto segue:

Composto – In chimica qualsiasi sostanza, di composizione fissa e definita, risultante dalla combinazione di due o più elementi chimici, le cui rispettive proprietà non vi sono riconoscibili. 

Se proviamo a cercare in un dizionario specialistico [11], troviamo questa definizione:

Composto –  Sostanza formata dalla combinazione di elementi chimici in proporzioni fisse. La formazione di un composto comporta una reazione chimica: in altre parole si verifica un cambiamento nella configurazione degli elettroni esterni degli atomi. Al contrario delle miscele, i composti non possono essere separati con mezzi fisici.

Queste due definizioni sono sostanzialmente incomprensibili da chi non possieda già significative conoscenze chimiche. La maggior parte dei termini presenti non sono termini del linguaggio comune quotidiano, già conosciuti o comunque comprensibili per definizione; sono termini scientifici che possono avere significato solo nel contesto della comprensione delle teorie che essi contribuiscono a formalizzare. Inoltre, molti dei termini presenti in queste definizioni corrispondono a concetti psicologicamente complessi che hanno rappresentato e continuano a rappresentare ostacoli epistemologici. I dizionari, ancor meno quelli specialistici, non servono per  comprendere i concetti scientifici. Quali concezioni hanno gli studenti di “sostanza”, “elemento”, “composizione fissa e definita”, “combinazione di elementi chimici”, “proprietà non più riconoscibili”? Sarebbe interessante verificarlo con studenti che hanno terminato un corso di chimica di base da un paio di anni.

Tutti i termini precedenti designano concetti raffinati che possono essere compresi soltanto all’interno di percorsi che vadano in profondità e non con attività superficiali e banalmente definitorie come generalmente fanno i manuali. Inoltre, molte volte gli estensori di tali volumi, avendo probabilmente qualche illuminazione sull’incomprensibilità del materiale proposto, cercano esemplificazioni, metafore ed analogie con cose familiari riuscendo, spesso, a realizzare l’opposto di ciò che si proponevano. Infatti tali esemplificazioni ed analogie si rivelano o delle  banalizzazioni insignificanti o addirittura dei fraintendimenti dei concetti. Vediamo un esempio ripreso da un manuale, molto adottato alcuni anni fa, a proposito della Legge delle proporzioni multiple. Dopo aver presentato la legge in una decina di righe, viene sviluppata la seguente analogia, con lo scopo di rendere la legge più comprensibile: “Una ricetta di cucina mostra le proporzioni relative degli ingredienti proprio come una equazione chimica bilanciata mostra che le sostanze si combinano secondo rapporto fissi”. [12]

Se è già difficile per uno studente comprendere il concetto di composto, è evidente che una trattazione di questo tipo riesce non solo a confondergli le idee ma lo porta a concezioni decisamente errate. Dal punto di vista fenomenologico, che è quello meno lontano dalle concezioni di senso comune, la distinzione tra miscele e composti è epistemologicamente fondamentale. Nella vita quotidiana si utilizza il termine “composizione” anche per le miscele eterogenee e quelle omogenee, come le soluzioni, per le quali il termine scientificamente più appropriato sarebbe concentrazione, e la differenza fenomenologica fondamentale è che mentre i composti hanno composizione fissa e definita, le miscele hanno composizione variabile e indefinita.

Sul piano didattico, l’importanza della legge di Proust non risiede essenzialmente nel fatto che permette di mantenere vivo il ricordo di un personaggio importante per lo sviluppo della chimica, [13] quanto nel completare il concetto di sostanza composta con l’introduzione di una proprietà, la composizione definita – carica di teoria e tutt’altro che percettiva – che permise di stabilire se un materiale era una sostanza composta o un miscuglio solido. Si tratta di una caratteristica fondante dei composti, nonostante l’apparenza spesso mostri l’opposto. Nella realtà, molti composti sembrano avere composizione variabile, al pari delle miscele e delle soluzioni: ad esempio, le leghe ed i vetri che cosa sono? Questi hanno composizione variabile. Il concetto contemporaneo di composto è alquanto complesso e si deve a Lavoisier, il padre della chimica come scienza, la sua fondazione qualitativa. Furono poi necessari circa 30 anni per la sua compiuta definizione formale, per la sua caratterizzazione quantitativa. E ciò non perché Lavoisier non disponesse della composizione quantitativa di molti composti, ma per il fatto che mentre alcuni manifestavano una composizione fissa, altri sembravano averla variabile.

È famosa la controversia tra Proust e Berthollet. Il secondo rimproverava al primo la generalizzazione, il sostenere cioè che “tutti” i composti, e non soltanto “molti”, avessero composizione fissa e definita. Però la genialità dell’intuizione di Proust sta nell’aver appunto affermato che “tutti i composti hanno composizione fissa e definita”. Come tutte le grandi ipotesi scientifiche, quella di Proust, quando venne pubblicamente formulata nel 1800, era tutt’altro che confermata; vi erano anzi molti fatti sperimentali che sembravano confutarla. La legge di Proust dopo alcuni anni venne assunta come una delle leggi fondamentali della chimica.

Ma in che cosa consiste l’importanza di una legge? Vediamo alcuni aspetti. Innanzitutto, una legge è importante perché afferma l’esistenza di una determinata regolarità: la legge di Proust definiva in modo rigoroso i composti e forniva un criterio per individuarli. In secondo luogo, perché spesso la nuova regolarità solleva altri interrogativi: nel caso della legge in oggetto, molti chimici iniziarono a chiedersi perché dalla combinazione degli elementi tra loro si ottenevano generalmente pochi composti (2, 3, 4) e per di più con composizione fissa. La risposta a questi interrogativi sarebbe venuta pochi anni dopo con la teoria atomistica di Dalton che avrebbe poi conferito alla chimica, nell’arco di alcuni decenni, capacità esplicative e predittive inimmaginabili. In terzo luogo, perché una legge rende possibile la ricerca scientifica. Come direbbe Khun: i paradigmi rendono possibile la scienza normale [14]; dopo Proust, la determinazione della composizione quantitativa dei composti diventò un’attività centrale della chimica. Inoltre, tutti gli sviluppi teorici successivi furono possibili perché, nell’arco di pochi decenni, il perfezionamento o l’invenzione di nuovi strumenti per l’analisi quantitativa dei composti raggiunsero un tale sviluppo da permettere la determinazione accurata delle composizioni. Tutto ciò fu possibile grazie alla convinzione che le sostanze hanno composizione costante e che quindi, ad esempio, risultati più o meno diversi delle analisi dipendano non da una variabilità nella composizione delle sostanze, ma soltanto dall’incertezza dei dati sperimentali. Tale convinzione fornì anche un criterio operativo: quando i risultati di poche analisi (2-3) presentavano una dispersione contenuta entro margini di errore accettabili, la ricerca terminava e la composizione veniva semplicemente ricavata effettuando la media dei valori sperimentali.

4.3 – Il concetto di elemento

È stata concepita da molti secoli l’idea che la natura sia semplice e che la molteplicità delle sostanze esistenti sia riconducibile a poche sostanze elementari. Ma quest’idea è stata fino a due secoli fa soltanto un’idea metafisica, perché non vi erano ancora i presupposti concettuali e metodologici per potere individuare quali sostanze fossero effettivamente elementari. La teoria più antica era quella dei quattro elementi, ma nel corso dei secoli altre sostanze hanno avuto l’onore di assurgere al rango di materia prima. Tuttavia, ancora  nella seconda metà del Settecento, la maggior parte degli scienziati continuava a considerare elementi l’aria, la terra, il fuoco e l’acqua, come d’altra parte sembravano generalmente confermare dati percettivi e fenomenologici. E Lavoisier stesso fu in grado di proporre la nuova teoria degli elementi chimici solo dopo che ebbe dimostrato sperimentalmente che terra, aria, acqua e fuoco non lo erano. L’ostacolo maggiore fu rappresentato dall’acqua: nonostante l’idrogeno fosse stato individuato, da molti anni, come quel gas infiammabile che si ottiene, ad esempio, facendo interagire alcuni metalli con determinati acidi, e nonostante fosse già stata realizzata la sintesi tra idrogeno e ossigeno, l’acqua continuava ad essere percepita come un elemento.

Ecco cosa scrisse Lavoisier nel suo Trattato  di Chimica: Se, con il nome di elementi, intendiamo designare le molecole semplici e indivisibili che costituiscono i corpi, è probabile che non le conosciamo. Se, al contrario, associamo al nome di elementi o principi dei corpi l’idea del termine ultimo al quale perviene l’analisi, allora sono elementi tutte le sostanze che non abbiamo ancora potuto decomporre in alcun modo. [15]

Lavoisier diede dunque una definizione operativa di elemento, considerando tale ogni sostanza non ulteriormente scomponibile in sostanze più semplici. Nel contesto della chimica fenomenologica o macroscopica di Lavoisier, il termine elemento aveva il significato di sostanza semplice che non ha più nell’ambito della chimica microscopica  o interpretativa, dove sta ad indicare un determinato “tipo di atomo”. Infatti si parla di configurazione elettronica, affinità elettronica, elettronegatività, numeri di ossidazione degli elementi ed è chiaro che, con tali espressioni, non ci si riferisce alle sostanze semplici.

Se si consultasse un dizionario che cosa si troverebbe? Nel Devoto Oli troviamo la seguente definizione:

Elemento – Sostanza semplice, pura, che prima della scoperta della radioattività si riteneva non suscettibile di decomposizione con metodi chimici e fisici; secondo gli antichi: il fuoco, l’aria, l’acqua e la terra erano i quattro elementi costitutivi del mondo fisico… nella chimica odierna, sostanza pura in cui gli atomi costituenti hanno eguale il numero e la disposizione degli elettroni.  

Questa definizione è un esempio illuminante di come possano essere mescolati i due livelli di descrizione del mondo di cui si avvale la chimica: quello macroscopico, delle sostanze e quello microscopico, degli atomi. Questo avviene perché in entrambi si continua ad usare lo stesso termine  – elemento – ma con significati profondamente diversi. Soltanto chi possiede conoscenze significative di chimica è in grado di comprendere, in base al contesto, quale significato assuma il termine elemento; ma per gli studenti l’ambiguità che lo accompagna ha sempre gravi conseguenze, in quanto è la causa dell’instaurarsi di concezioni difformi che rendono più problematico l’apprendimento della chimica.

Inoltre si può arrivare a conclusioni assurde, come mostrano queste citazioni ricavate da un libro di testo di chimica:

·         Una miscela è costituita da due o più sostanze che possono essere separate mediante procedimenti fisici.

·         Una sostanza pura è definita come un corpo omogeneo, ogni porzione del quale possiede  specifiche proprietà fisiche e chimiche.

·         Si chiamano elementi le sostanze pure che non possono essere ulteriormente decomposte con procedimenti chimici.

·         Molti elementi consistono di miscele di isotopi

Come può un elemento essere contemporaneamente una sostanza pura ed una miscela? Il fatto è che una sostanza pura che non può essere ulteriormente decomposta con procedimenti chimici non è un elemento, ma è costituita da un unico elemento. Quando si prende la sostanza semplice mercurio e la si fa reagire con la sostanza semplice ossigeno, si ottiene un composto chiamato ossido di mercurio. Si dice allora che quest’ultimo è formato dall’elemento mercurio e dall’elemento ossigeno e non che contiene la sostanza semplice mercurio e la sostanza semplice ossigeno, perché le proprietà di queste ultime sono completamente scomparse. Ciò che cade sotto la nostra percezione sono le sostanze semplici ed i composti che otteniamo da queste. Gli elementi non sono oggetto della nostra percezione in quanto si tratta di entità, in un certo qual modo, teoriche per cui il concetto di elemento può essere costruito solo nell’ambito dei modelli e delle teorie microscopiche. 

Tutte queste riflessioni costituiscono il fondamento della mappa concettuale della figura 1.

                                                           /fig. 1/

5 – I GAS

 I gas rappresentano lo stato della materia più complesso psicologicamente, ma più significativo per la comprensione del pensiero chimico. Una traccia della sua significatività è rimasta nella trattazione manualistica, perché generalmente ai gas viene dato uno spazio molto più ampio rispetto ai solidi e ai liquidi. Ma la trattazione usuale è insignificante rispetto alla comprensione della chimica. Le proprietà fisiche dei gas sono diventate un capitolo del manuale di chimica che tratta un argomento specifico, non connesso al resto. Non si capisce più perché va affrontato anche all’interno della chimica, visto che viene sviluppato negli stessi termini nel manuale di fisica.

Ma quale maggiore complessità psicologica! Un chimico esperto potrebbe affermare che i gas costituiscono lo stato più semplice della materia; la teoria cinetica dei gas ci dice che i gas sono costituiti da particelle piccolissime che si muovono all’infinito senza attirarsi tra loro. Quale splendida semplicità ci offrono i gas rispetto a tutte quelle interazioni che si verificano, invece, nei liquidi e nei solidi!

Abbiamo affermato che lo stato gassoso è quello più complesso psicologicamente, non riferendoci ovviamente alla sua trattazione specialistica, ma alla sua prima individuazione  nella scuola di base come un modo di presentarsi della materia. È infatti molto diffusa tra gli allievi l’idea che i gas non abbiano peso, ossia non siano costituiti di materia, costruita a partire da una falsa evidenza e cioè dall’osservazione che i palloncini gonfiati con un gas tendono a sfuggire verso l’alto. La maggior parte degli allievi della scuola elementare pensano, sulla base di questi dati percettivi, che quanto maggiore è la quantità di gas immessa in un palloncino, tanto minore è il suo peso.  Riteniamo che mentre la concettualizzazione fenomenologica dei liquidi e dei solidi potrebbe avvenire alla fine della scuola elementare, quella dei gas possa realizzarsi soltanto nel secondo o terzo anno della scuola media. Ciò non significa che precedentemente non si possano effettuare esperimenti nei quali siano coinvolti dei gas, come aria, vapore acqueo, ecc.  Ma è cosa ben diversa concettualizzare lo stato gassoso, comprendere, cioè, alcune caratteristiche distintive di questo stato della materia che possano permettere di definirlo. La definizione di per sé non ha, per lo studente, nessun significato.

Un passo ulteriore per comprendere le proprietà dei gas sono gli esperimenti che fanno riferimento alle scoperte di Torricelli e di Boyle. Qui ci troviamo di fronte, di nuovo, ad un salto concettuale che può essere affrontato soltanto nel biennio della scuola secondaria superiore. Infatti tutti i concetti implicati, da quello di pressione a quello di elasticità dell’aria fino al rapporto di proporzionalità inversa tra volume e pressione, rappresentano degli ostacoli epistemologici: dalla paura aristotelica del vuoto, si passa ad una relazione quantitativa tra due grandezze dell’aria.

La fondamentale importanza dei gas per il pensiero chimico ha inizio a questo punto. Come per l’umanità, anche per lo studente l’acqua e l’aria hanno un ruolo particolare, rappresentano il prototipo rispettivamente dei liquidi e dei gas, con, tuttavia, una differenza fondamentale: mentre altri liquidi sono presenti nella vita quotidiana, gli altri gas non sono oggetto di percezione. In realtà, lo studente assimila precocemente alcuni nomi di gas, quali ossigeno, azoto, anidride carbonica, metano, ecc., ma queste sono solo parole cui non corrisponde nessun concetto: il concetto spontaneo di gas è un non concetto in quanto non vi è associato, neppure per il prototipo, nessuna caratteristica distintiva. Le proprietà dell’aria connesse ai nomi di Torricelli e Boyle sono tutt’altro che autoevidenti. Basta ricordare che Galileo stesso, nonostante avesse affrontato il problema, continuò a ragionare in termini di paura del vuoto.

La comprensione di queste proprietà dell’aria costituisce il prerequisito per costruire la generalizzazione dello stato gassoso, per potere comprendere ed osservare altre arie (altri gas). Inizialmente furono chiamate arie, volendo con ciò intendere che erano fisicamente simili all’aria ma chimicamente diverse. Vi è una rilevante asimmetria: mentre lo stato solido e liquido sono sempre stati percepiti dall’umanità, lo stato gassoso ha iniziato ad esistere solo recentemente, a partire dagli inizi del Settecento. Fenomeni ed esperimenti nei quali erano implicati gas erano conosciuti dall’antichità, ma i gas sfuggivano all’osservazione, alla percezione diretta. Le scoperte di Torricelli e Boyle furono possibili grazie all’invenzione di particolari dispositivi che permettevano di “vedere” l’aria, e di poterla osservare in modo talmente accurato da poterne misurare alcune proprietà. Lo strumento fondamentale è ovviamente quello di Torricelli che permette di racchiudere l’aria e di conoscerne la pressione semplicemente misurando un dislivello.

Lo strumento di Torricelli diventerà un secolo dopo, per tutto il Settecento, lo strumento fondamentale della chimica, l’equivalente per la chimica di ciò che fu il microscopio per la biologia e il cannocchiale per l’astronomia. Venne chiamato bagno pneumatico, ed in genere si utilizzava acqua al posto del mercurio.  Rispetto agli altri due strumenti citati è particolarmente banale, e probabilmente come dispositivo in sé era già conosciuto da molto tempo, ma diventò uno strumento scientifico significativo solo dopo che Torricelli l’ebbe usato per confermare le sue ipotesi; assurse poi al ruolo di “microscopio” della chimica, soltanto dopo che Hales iniziò ad utilizzarlo in modo insolito, per raccogliere le arie che si producevano in seguito a trasformazioni chimiche.

Utilizzato in questo modo, il bagno pneumatico permise, nell’arco di cinquanta anni, di iniziare a popolare di alcuni individui lo stato gassoso. Black scoprì un’aria più pesante dell’aria atmosferica ed incapace di mantenere la combustione e la respirazione. La ottenne dalla decomposizione del calcare o più semplicemente dalla reazione tra un acido e calcare; non era altro che diossido di carbonio (anidride carbonica). Black la chiamò aria fissa, volendo così intendere quell’aria contenuta nel calcare; venne chiamata anidride carbonica ottanta anni dopo, quando si capì che era un composto acido di carbonio ed ossigeno.  Alcuni anni dopo le ipotesi di Black, si scoprì che da un altro tipo di reazioni note da secoli, quelle tra acidi e metalli non nobili, si otteneva un’aria infiammabile, molto più leggera dell’aria, che venne successivamente chiamata idrogeno, quando ci si rese conto che era uno dei due componenti dell’acqua.

Il bagno pneumatico permise, da una parte, di scoprire il terzo stato di aggregazione della materia, quello gassoso, e dall’altra, di sviluppare la chimica delle arie. Di ventò, cioè, possibile osservare in modo completamente nuovo innumerevoli trasformazioni chimiche, note da secoli o millenni,  quali, ad esempio, la calcinazione del calcare. Questa è stata fin dall’antichità una reazione particolarmente importante, perché permetteva di ottenere la calce, un legante utilizzato nelle costruzioni. Si sapeva che occorreva riscaldare il calcare in modo energico, in apposite fornaci, e che la resa era circa del 50 % in peso. Solo verso la metà del Settecento si comprese  che questa trasformazione consiste nella decomposizione del carbonato di calcio in calce ed anidride carbonica:

carbonato di calcio    ¾¾¾¾¾¾®    calce + aria fissa (anidride carbonica)

Mentre prima essa veniva semplicemente descritta in questi termini:

carbonato di calcio   ¾¾¾¾¾¾®     calce

L’apparenza coincideva con la realtà. La consistente diminuzione di peso non rappresentava un problema. Vi erano molte altre trasformazioni chimiche di questo tipo; ve ne erano poi altre in cui il peso sembrava aumentare. Ne era stata quindi tratta la conseguenza di annoverare il peso tra le altre proprietà delle sostanze e di considerare le trasformazioni chimiche come quelle magie in cui da certe sostanze se ne ottenevano altre con proprietà completamente diverse, compreso il peso.

La conservazione del peso è un concetto complesso anche sul piano psicologico, come è stato messo in evidenza dalle ricerche piagetiane. Queste hanno infatti mostrato il divario  esistente nella comprensione, da parte dei bambini, della conservazione del peso, in semplici trasformazioni di forma. Nei classici esperimenti di riduzione di palle di plastilina alla forma di una schiacciatina o di un salame, si constata una sfasatura di circa due anni tra l’acquisizione della conservazione della sostanza e quella del peso ( e di altri due anni con quella del volume) [16]. Di complessità psicologica superiore è il problema della conservazione nel caso di trasformazioni fisiche, dove spesso il comportamento del volume non è più solidale con quello della sostanza e del peso. Infine, ci troviamo di fronte ad un vero ostacolo epistemologico nel caso delle trasformazioni chimiche nelle quali è proprio la sostanza che non si conserva.

6 – IL SIGNIFICATO DEGLI STRUMENTI SCIENTIFICI NELL’APPRENDIMENTO

Parlando della scienza moderna si sottolinea giustamente il ruolo fondamentale degli strumenti scientifici: essi hanno permesso infatti di osservare la natura in un modo molto più efficace, facendo vedere cose inimmaginabili alla percezione diretta. Gli esempi ai quali si ricorre sono sempre quelli del microscopio e del cannocchiale; tuttavia se si analizza lo sviluppo di una qualsiasi disciplina scientifica, ed in particolare della chimica e della fisica, si osserva costantemente uno sviluppo parallelo di nuovi concetti e di nuovi strumenti. La più ovvia caratteristica del sapere scientifico è che può essere applicato, che grazie ad esso nuove cose diventano possibili: questo nuovo campo viene di solito indicato con il termine “tecnologia”. Quindi la scienza include la tecnologia, tanto è vero che sta imponendosi il termine tecnoscienzaper indicare quell’insieme di pratiche sociali che portano alla produzione del sapere scientifico. Si può effettivamente comprendere, come afferma Geymonat, il nesso inscindibile di teoria e tecnica: da una parte, sono gli strumenti che permettono di conferire realtà alle più ingegnose congetture scientifiche, dall’altra sono le teorie e le ipotesi che spesso guidano l’invenzione ed il perfezionamento degli strumenti. [17]

Nel caso della chimica, il rapporto tra scienza e tecnica è molto stretto e questo imporrebbe di usare il laboratorio in modo significativo dal punto di vista cognitivo: vale a dire soprattutto per mettere alla prova congetture e previsioni formulate dagli studenti nel corso dello studio di questa disciplina. Purtroppo le cose non stanno così: il laboratorio è raramente utilizzato, e quando è impiegato sistematicamente, come avviene negli istituti tecnici e professionali, quasi sempre si riduce essenzialmente all’addestramento a determinate tecniche di analisi. Vi è una totale separazione tra i due campi della teoria e della pratica: da una parte, le conoscenze chimiche, la teoria; dall’altra, la pratica, la tecnica intesa come attività di routine, standardizzata.

In un insegnamento centrato sulla comprensione, teorie e concetti, tecniche e strumenti devono essere, invece, riaggregati, perché il significato si realizza circolarmente dagli uni agli altri. In questo modo, anche nell’apprendimento gli strumenti scientifici possono svolgere il ruolo cognitivo che loro compete, quello di strumenti indispensabili per la costruzione e comprensione di molti concetti scientifici. Già Bacone aveva compreso la fondamentale importanza cognitiva degli strumenti: “Non la sola mano, o l’intelletto in sé possono sussistere; tutto si compie mediante gli strumenti e i mezzi ausiliari”. Vygotskij e Bruner hanno ripreso tutto ciò nella prospettiva della loro psicologia culturale e sociale. [18]

7 – I  CONCETTI FONDAMENTALI DELLA CHIMICA  

Durante il Settecento nasce lo stato gassoso che si popola man mano di gas aventi la caratteristica di essere chimicamente attivi. Questo concetto costituisce un’altra rottura epistemologica, perché il prototipo dei gas, l’aria, era nel Sei-Settecento concepito come chimicamente non attivo. La chimica delle arie rappresentò la condizione necessaria, seppur non sufficiente, della scoperta geniale dei principi della chimica, avvenuta negli ultimi decenni del Settecento per opera di Lavoisier.

Anche a bambini di sette-otto anni si insegna che l’aria è costituita di ossigeno ed azoto. Inoltre, precocemente viene loro insegnato che dalla combustione e dalla respirazione si produce anidride carbonica ed acqua, e che per fortuna esiste nelle piante la fotosintesi clorofilliana che utilizza la scarto della combustione, l’anidride carbonica,  per produrre ciò che permette loro di vivere e di svilupparsi. Questi sono indubbiamente fenomeni di grandissima rilevanza, ed è una preoccupazione educativa condivisibile quella che essi siano conosciuti da tutti gli studenti. Quindi, a maggior ragione, essi non devono essere trattati come barzellette: non sono, infatti, fenomeni che possano essere direttamente osservati; ma possono essere compresi soltanto all’interno di quadri teorici troppo complessi per la scuola di base.

Provate con studenti di quattordici-quindici anni, ed anche con studenti di diciotto-diciannove anni, iscritti nelle varie facoltà universitarie, a verificare, effettuando esperimenti di combustione, che cosa pensano che succeda. Molteplici ricerche hanno evidenziato l’inconsistenza dell’insegnamento scientifico formale prematuro e la persistenza di concezioni prelavoisieriane: le combustioni sarebbero quelle trasformazioni in cui certi materiali, consumandosi, producono luce e/o calore. Le combustioni avverrebbero quindi con sparizione di materia e con consistente diminuzione di peso. Anche in questo caso, l’apparenza viene presa come realtà; essa è infatti un’apparenza percettiva solida, consistente, reale, e comunque più convincente delle chiacchere nozionistiche scolastiche. [19]

Anche qui ci troviamo di fronte ad un significativo ostacolo epistemologico, legato probabilmente alla concezione fortemente radicata della natura non materiale dei corpi aeriformi, che non può essere aggirato con il solito approccio astratto, definitorio, frettoloso; può essere risolto con un salto nella comprensione, se viene affrontato nel biennio ( e non prima) mettendo in relazione le concezioni spontanee degli studenti con il contesto problematico che ha permesso il passaggio dalle concezioni prescientifiche a quelle attualmente accreditate. Vi è un anno, il 1772, che viene indicato come spartiacque tra la chimica prescientifica e quella scientifica: in quell’anno Lavoisier formulò l’idea che durante la combustione si ha la combinazione con l’aria. Sentiamo le sue parole: “Sono circa otto giorni che ho scoperto che lo zolfo, bruciando, invece di perdere peso, al contrario ne acquista (…) Questo aumento di peso deriva da una quantità prodigiosa di aria che si fissa durante la combustione (…) Questa scoperta m’ha fatto pensare che ciò che osservavo nella combustione dello zolfo e del fosforo avrebbe potuto aver luogo con tutte le sostanze che acquistano peso con la combustione e la calcinazione”.

Nei quindici anni successivi, Lavoisier si dedicò ad un programma di ricerca finalizzato alla conferma ed all’approfondimento di queste ipotesi, avendo egli fin dall’inizio intuito la loro portata rivoluzionaria. Il chimico francese, reinterpretando completamente, alla luce della sua ipotesi, le scoperte sperimentali di molti altri chimici (quali Priestley), elaborò i principi basilari della scienza chimica, tra i quali occupa un posto di grande rilievo il Principio di conservazione del peso. Lavoisier aveva intuito che doveva operare  in recipienti ermeticamente chiusi, che impedissero il passaggio dell’aria. Operare in questo modo era completamente innaturale, anche per il rischio di esplosione nel riscaldamento ad alte temperature di recipienti di vetro chiusi. Vediamo le considerazioni di Lavoisier: “Ecco il ragionamento che ho fatto a me stesso: se l’aumento di peso dei metalli calcinati nei recipienti chiusi è dovuto, come pensava Boyle, all’addizione delle sostanze della fiamma e del fuoco che penetrano attraverso i pori del vetro e che si combinano con il metallo, ne consegue che: se dopo aver introdotto una quantità conosciuta di metallo in un recipiente di vetro, ed averlo chiuso ermeticamente, se ne determina esattamente il peso; se si procede poi alla calcinazione per mezzo del fuoco dei carboni, come ha fatto Boyle; ed infine se si ripesa lo stesso recipiente dopo la calcinazione prima di aprirlo, il suo peso deve trovarsi aumentato di tutta la quantità della sostanza del fuoco che si è introdotta durante la calcinazione. Se, al contrario, mi sono detto ancora, l’aumento di peso della calce metallica non è dovuta alla sostanza del fuoco né di alcuna sostanza esterna, ma alla fissazione di una porzione di aria contenuta nel volume del recipiente, il recipiente non dovrà essere più pesante dopo la calcinazione di prima, dovrà solamente trovarsi in parte vuoto di aria, e non è che al momento in cui la porzione di aria mancante sarà entrata che l’aumento di peso del recipiente dovrà aver luogo”.

È con esperimenti di questo tipo, condotti in recipienti chiusi, che Lavoisier fu in grado di            iniziare a confermare due principi basilari della chimica:

1)               il principio della conservazione del peso nelle trasformazioni chimiche;

2)               la combustione e la calcinazione dei metalli sono due fenomeni che avvengono con combinazione con l’aria.

Dopo queste scoperte, il peso, che fino ad allora era stato considerato una proprietà della materia di scarsa rilevanza teorica per la chimica, diventò la variabile più importante della scienza chimica e la bilancia divenne lo strumento fondamentale.

Anche per la chimica, come già era avvenuto nel secolo precedente per la fisica, il superamento della fase prescientifica si realizzò con l’individuazione di concetti quantitativi, sulla base di un principio quantitativo, il principio di conservazione del peso. Anche per la chimica, la matematizzazione costituì il passaggio decisivo, ma fu una matematizzazione deludente per chi era ormai abituato ai sublimi vertici matematici cui era pervenuta la fisica con la meccanica razionale. Questa disciplina aveva, infatti, raggiunto una tale perfezione da essere considerata fino ad Enstein  la vera descrizione del mondo. Aveva conseguentemente assunto il ruolo di modello della razionalità scientifica, rispetto al quale giudicare le altre scienze. Il riduzionismo imperante non ha permesso per molto tempo di cogliere la sublime semplicità del inguaggio matematico della chimica classica, costituito essenzialmente dalle quattro operazioni e dalle proporzioni, e che ha, a nostro parere, implicazioni pedagogiche di grande rilevanza.

La chimica, come è usualmente insegnata, ossia facendo riferimento a teorie e modelli microscopici, è troppo complessa, ed esige dall’allievo il possesso di solide basi di tipo fisico. Di conseguenza, se il ruolo formativo della chimica coincidesse con le teorie chimiche del Novecento, nella disputa che dura da decenni tra chimici e fisici sullo spazio da attribuire all’una e all’altra nella scuola secondaria superiore, non ci potrebbero essere dubbi (a parte le richieste di tipo corporativo): alla fisica andrebbe assegnata una collocazione centrale, mentre alla chimica verrebbe attribuito un ruolo di secondo piano, relegandolo negli anni terminali della scuola secondaria superiore.

Se invece si attribuisce il giusto valore, epistemologico e culturale, alla chimica macroscopica, la situazione risulta radicalmente diversa. Si giustifica allora l’insegnamento della chimica nei primi anni della scuola secondaria superiore, in quanto i formalismi matematici necessari per comprendere le leggi classiche della chimica sono di un livello più che elementare rispetto a quelli della fisica. Infatti, la matematizzazione delle leggi classiche della chimica è sostanzialmente riconducibile, come si è detto, alle quattro operazioni ed alle proporzioni.

 A parere di Lavoisier, la teoria più importante ereditata dai chimici delle generazioni precedenti era la gerarchia composizionale esistente tra sali, acidi e basi

SALI

ACIDI                                          BASI

Conseguenza immediata della scoperta del 1772, che Lavoisier fu in grado di confermare negli anni successivi, fu il completamento di questo schema composizionale con l’aggiunta dei metalli e dei metalloidi:

SALI

ACIDI                                          BASI

                                     METALLOIDI                                     METALLI

I metalli e altre sostanze, quali lo zolfo, il fosforo ed il carbonio risultarono più semplici degli acidi, delle basi e dei sali. Anche quasi tutti i metalli non si trovano in natura sotto forma di sostanze semplici. Essi hanno svolto un ruolo importante nella vita degli uomini fin dall’antichità,  cioè fin da quando fu inventata la tecnica che permetteva di ricavarli in fornaci potenti, a partire da minerali opportuni e carbone. I metalli erano il risultato della combinazione di determinati minerali e carbone; apparentemente risultavano meno semplici dei minerali da cui erano ricavati. Però, con la teoria dell’ossigeno, Lavoisier  fu in grado di mostrare il contrario, mettendo in evidenza, ad esempio, che le calci metalliche erano composti di metallo ed ossigeno.

Trascorsero, tuttavia, circa altri dieci anni prima che essi assurgessero al ruolo di sostanze semplici. Lavoisier dovette, infatti, sia cercare di confermare il più possibile che essi non fossero ulteriormente decomponibili, sia, come abbiamo già detto, fare i conti con la teoria dei quattro elementi. Soltanto nel 1787 formulò l’ipotesi, allora rivoluzionaria, di elemento chimico come sostanza semplice. Da idea metafisica quale era per Aristotele ed i suoi epigoni, Il concetto di elemento chimico, inteso come sostanza semplice, diventava un concetto operativo: doveva essere considerato elemento ciò che resisteva all’analisi chimica, e, in principio, non avrebbe potuto mai esserci la certezza che si fosse individuata la tecnica di analisi sufficiente. Benché egli pensasse che non si trattasse di sostanze semplici, Lavoisier introdusse nella sua Tavola degli elementi chimici anche alcune sostanze (calci metalliche) che sarebbero poi state decomposte successivamente.

Il concetto di sostanza, quelli collegati di sostanza semplice e composta e il concetto di elemento non sono concetti autoevidenti, naturali, che possano essere assunti nell’insegnamento come assiomi. Sono concetti che devono essere costruiti a partire dalle conoscenze di senso comune degli studenti, connesse a fenomenologie chimiche elementari. È necessario un lungo percorso nella scuola di base e nel biennio, con un’impostazione prima di tipo fenomenologico e  operativo, poi di carattere problematico e contestuale. Nella scuola di base si può arrivare fino al concetto empirico di sostanza, che va poi ulteriormente approfondito; la distinzione, invece, tra sostanza semplice e composta va costruita nel biennio, perché con questi concetti si realizza un salto di tipo epistemologico: non sono, infatti, concetti di tipo categoriale, ma di tipo formale, elaborati con processi mentali relativi non ad oggetti, ma ad idee, e quindi la loro comprensione non è legata né a esperimenti ingenui, né a definizioni. Infine si potrà costruire il concetto di elemento nell’ambito dei modelli esplicativi che fanno riferimento alla teoria atomica.

I concetti di sostanza semplice e composta sono strettamente interrelati ad altri concetti chimici fondamentali, quali quelli di bagno pneumatico, gas, sistema chimico chiuso, principio di conservazione del peso, ruolo dell’ossigeno, e gerarchia composizionale del mondo inorganico. Si tratta di concetti che possono essere compresi soltanto se si ricostruisce la rete delle relazioni che li connette a tutti questi altri concetti. Questi ultimi si incontrano prima o poi anche nell’insegnamento usuale della chimica, ma in modo atomistico e acontestuale. Invece la comprensione degli uni e degli altri è solidale, e risiede nelle relazioni che li connettono. Un concetto potrà poi acquisire per lo studente un significato di carattere generale, ma questo è un punto d’arrivo e non di partenza: quest’ultimo sta sempre nell’elaborazione del concetto in situazioni specifiche, caratterizzate da contesti specifici.

BIBLIOGRAFIA

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Didascalia della figura

Figura 1 – Una mappa concettuale di alcuni concetti fondamentali della chimica

(Daniela Basosi & Lucia Lachina)*

  Siamo convinte che le scienze naturali abbiano, nell’ambito dell’apprendimento culturale, un valore formativo insostituibile.

Questo valore è rappresentato indubbiamente dai vari contenuti presenti in un campo di conoscenze vastissimo, come quello delle scienze naturali, che spazia dalla fisica alla chimica, alle scienze della vita ecc..

L’aspetto formativo più importante è, però, rappresentato dal fatto che l’avvicinarsi a questi temi, presuppone un metodo di lavoro che privilegia l’osservazione, la concettualizzazione, il definire criteri  di

categorizzazione ed inoltre sviluppa l’apprendimento e l’utilizzazione di un lessico specifico del settore che amplia e valorizza il linguaggio dei ragazzi.

Un altro aspetto importante, per il linguaggio, nasce dal fatto che l’allievo acquista capacita di “narrare” i fatti naturali aumentando così le sue “potenzialità espositive”.     

  1) riflessioni e riferimenti psicopedagogici

Per essere veramente coinvolgente, l’azione didattica deve avere come punto di partenza una esperienza comune, condivisibile da tutti gli allievi, che deve essere anche semplice sul piano operativo e concettuale.

Poiché i ragazzi a cui ci si rivolge hanno un’età compresa fra gli undici e i quattordici anni, non ci si può limitare a far osservare e capire il fenomeno. Questo metodo di lavoro presuppone una capacità di astrazione che ancora non è presente in ragazzi di quell’età, perciò occorre che gli alunni partecipino anche “fisicamente” all’attività cognitiva.

Per ottenere questo obiettivo l’osservare deve essere accompagnato dal raccontare e dalla descrizione individuale di ciò che si è visto e capito: è momento essenziale di riflessione.

Successivamente si arriva a collettivizzare, attraverso il confronto e la discussione, la narrazione e così si ottiene il risultato  di far “crescere” i concetti.

È importante che queste fasi siano non solo svolte verbalmente ma che si faccia ricorso anche alla parola scritta (e al disegno ogniqualvolta sia possibile); la produzione di testi sia individuali che collettivi permetterà agli allievi un’ulteriore riflessione sul lavoro svolto e darà un contributo fondamentale alla concettualizzazione dell’appreso

* Gruppo di ricerca e sperimentazione didattica per l’educazione scientifica del CIDI di Firenze

  Il modo di procedere che così si applica è  modo sistematico, caratterizzato da una sequenza logica di momenti:

  ·        momento informativo:                                    i ragazzi danno e raccolgono informazioni tratte       

                                                                              dall’esperienza diretta

·        momento della classificazione:                       gli allievi fanno ordine e stabiliscono categorie

                                                                              distintive per le informazioni acquisite

·        momento del confronto e dell’elaborazione:   gli allievi ricostruiscono e raccontano

·        momento della collazione:                               attraverso l’uso di materiali e strumenti gli allievi

                                                                               aggiungono nuove  informazioni alle preesistenti.

  2) quadro di riferimento

L’insegnamento della biologia nella scuola media spesso si riduce ad una arida descrizione di sistemi e apparati, allo studio mnemonico di strutture anatomiche, alla descrizione di fenomeni chimici e fisici che vengono “imparati“ come una sequenza di eventi riproposti, magari anche con termini e linguaggio appropriati, in modo impersonale. L’allievo non colloca questi eventi nella realtà quotidiana, per lui sono “fatti” descritti dal libro, eventi (quasi delle leggende)misteriosi ed incomprensibili, che non interagiscono con le sue conoscenze e che rimangono lettera morta; l’allievo li legge, li memorizza, li ripete al suo attento pubblico (………..l’insegnante) e tutto finisce lì.

Sono pochissime le esperienze che partono da osservazioni concrete e troppi gli argomenti affrontati nel periodo ( tre anni) della scuola media.

Di un tale insegnamento non rimane granché nel ragazzo, alla fine del percorso scolastico  prevalgono le credenze spontanee e nell’allievo non si è costruita una vera cultura scientifica di base.

La cultura scientifica è speso da noi confusa con una conoscenza tecnicistica dei problemi, una cosa da “esperti” del settore, talvolta vista anche come sapere di secondo piano. Molte persone cosiddette  di “cultura” dimostrano un’ignoranza totale per i fenomeni naturali, e quel che è peggio è che di questa “ignoranza” se ne fanno quasi un vanto perché si sa, la cultura vera è altrove, nella letteratura, nell’arte, nella musica!

Occorre scegliere pochi contenuti significativi e su questi lavorare ponendo estrema attenzione alla metodologia.

  Dare valore formativo alla biologia nella scuola di base significa

·        assumere il mondo dei viventi e l’ambiente come “luogo” privilegiato di lavoro

·        costruire una visione dinamica del mondo dei viventi

·        osservare e descrivere per classificare, cogliere analogie e differenze, passare dal contesto descrittivo-classificatorio all’analisi dei processi e fenomeni.

  3) le verifiche

Altro aspetto fondamentale è l’organizzazione delle verifiche. Perché una verifica sia veramente formativa deve tenere conto non solo delle nuove conoscenze acquisite dall’alunno, ma deve aiutarlo a riflettere sul percorso fatto, a valutare le strategie messe in atto, a fare proposte e progetti.

  4) i tempi   

Il fattore “tempo” assume in questa ottica un duplice significato:

·        “dare tempo” a ciascun alunno di far crescere concetti e conoscenze nel rispetto del ritmo d’apprendimento di ognuno per realizzare un insegnamento individualizzato (meglio dire, secondo noi, individualizzante) nello spirito dei programmi ministeriali

·        “darsi tempo”, cioè scandire bene le fasi del lavoro. Progettare “piani di lavoro” non rigidi e parcellizzati in mille obiettivi e sotto-obiettivi, ma flessibili all’interno, ben chiari per quanto riguarda gli obiettivi disciplinari, i contenuti e i concetti che intendiamo come fondamentali per il raggiungimento di una vera “educazione scientifica”.  Occorre liberarsi dall’idea che per raggiungere buoni livelli di “cultura” è necessario prendere in esame un “considerevole numero” di argomenti e trasmettere moltissime “nozioni”.

  5) l’ambito disciplinare di lavoro

Privilegiare gli esseri viventi e l’ambiente naturale come territorio di lavoro perché ricco di stimoli e materiali e facilitatore del collegamento con le conoscenze preesistenti. Ricercare sempre il passaggio dal contesto descrittivo- classificatorio all’analisi dei processi.