Proposta di curricolo di educazione scientifica
Carlo Fiorentini
Abbiamo già affrontato nel contributo precedente gli aspetti epistemologici e metodologici connessi al curricolo di educazione scientifica per la scuola elementare e media. Abbiamo spiegato in modo dettagliato che cosa intendiamo per impostazione fenomenologica-operativa. Ci proponiamo ora di indicare in modo schematico una concreta ipotesi di curricolo sui fenomeni fisico-chimici – frutto della riflessione e della sperimentazione di molti anni – che si è sviluppata contemporaneamente ed in sinergia al modello metodologico in 5 fasi.
Questa ipotesi è costituita da un percorso per il primo ciclo della scuola elementare, da 7 moduli per il secondo ciclo e da 8 moduli per la scuola media. Mentre la proposta per il primo ciclo ha un carattere di ricorsività e necessita di 6-7 mesi per il suo sviluppo nel corso di due anni scolastici, tutti gli altri percorsi (moduli) durano mediamente 2 mesi e sono in linea di massima sequenziali, per motivazioni di propedeuticità o di adeguatezza cognitiva.
In questa proposta sono presenti molte problematiche tradizionali, ma ne sono assenti molte altre perché riteniamo fondamentale “scegliere” per realizzare apprendimenti significativi; anzi è probabile che i contenuti da noi indicati siano sovrabbondanti. Le fenomenologie proposte costituiscono a nostro parere i “saperi” essenziali realmente praticabili nella scuola di base, “saperi essenziali” in quanto fondamentali per un primo approccio alla chimica e alla fisica, e significativi per lo studente delle varie fasi di questa fascia della scolarità.
Altri “saperi” sono assenti perché sono a nostro parere di livello formale superiore e quindi debbono essere affrontati successivamente. Un aspetto preoccupante di molte proposte didattiche è l’inconsapevolezza epistemologica e psicologica degli autori: in essi vi è spesso una mescolanza casuale di problematiche elementari e di conoscenze specialistiche. Gli esperimenti, infatti, non sono di per sé garanti di un’impostazione adeguata; la maggior parte di essi è significativa solo alla luce di teorie scientifiche che vanno al di là o addirittura contraddicono l’apparenza percettiva.
Nella nostra proposta sono presenti molte fenomenologie usuali nella scuola di base ma con un’impostazione radicalmente di versa da quella tradizionale: anche per i concetti più elementari la sistematicità e la completezza non possono costituire il punto di partenza ma punti di arrivo che possono essere collocati anche alla fine della scuola media o addirittura nella scuola superiore. Prendiamo come esempio gli stati della materia ed i passaggi di stato, che costituiscono nella nostra proposta la problematica chimico-fisica fondamentale della scuola di base. Altre proposte affrontano queste problematiche generalmente in modo sistematico: vengono presentati contemporaneamente un insieme di esperimenti e di considerazioni che dovrebbero permettere di concettualizzare i solidi, i liquidi ed i gas, ed i connessi passaggi di stato. Questi progetti rilevano l’assenza di consapevolezza epistemologica in relazione allo scarto esistente tra la concettualizzazione dello stato gassoso e quella degli stati liquido e solido. Questo non significa che i concetti elementari di liquido e solido siano banali, come è stato evidenziato da varie ricerche sulle concezioni degli studenti anche di scuola media. Non si può continuare a confondere la conoscenza di termini o la conoscenza di senso comune con la conoscenza scientifica.
Noi riteniamo che nel secondo ciclo della scuola elementare possano essere concettualizzati a livello fenomenlogico i liquidi ed i solidi, mentre è opportuno rimandare all’inizio della scuola superiore lo stato gassoso. Il bambino già nella scuola dell’infanzia e nel primo ciclo della scuola elementare manipola oggetti solidi e liquidi ed inizia a riflettere su essi; tuttavia la loro concettualizzazione, pur rimanendo ad un livello soltanto operativo, è cosa ben diversa. Significa acquisire consapevolezza delle caratteristiche distintive fondamentali – e non solo di quelle più evidenti – dei due stati, e conseguentemente avere la capacità di classificare correttamente non solo i materiali più ovvi, ma anche quelli meno caratteristici, quali, ad esempio, i liquidi viscosi e le polveri.
Pensiamo che un’altra problematica fondamentale per il secondo ciclo della scuola elementare sia rappresentata dal percorso didattico sull’evaporazione ed ebollizione dell’acqua. Non si tratta di anticipare la concettualizzazione dello stato gassoso e del passaggio liquido-vapore per tutti i liquidi, ma solo di concettualizzare a livello operativo il passaggio da acqua liquida ad acqua vapore. Questo concetto può apparire ovvio, ma è tutt’altro che banale per un bambino di 9-10 anni comprendere che cos’è il vapore acqueo o identificare due fenomeni così apparentemente diversi come l’evaporazione e l’ebollizione dell’acqua.
I FENOMENI FISICO-CHIMICI
( lo spazio orario ipotizzato è il 50% di quello previsto per le scienze sperimentali)
SCUOLA ELEMENTARE
PRIMO CICLO
1)DAGLI OGGETTI AI MATERIALI
IDENTIFICAZIONE E DESCRIZIONE DEGLI OGGETTI
– inizialmente conversazione libera
– successivamente indirizzata principalmente alle proprietà
– giochi con gli oggetti e le proprietà
CLASSIFICAZIONE DI OGGETTI IN BASE AD UNA O DUE PROPRIETA’
LE PARTI DI UN OGGETTO
I PRIMI CONFRONTI
– più alto di, il più alto di
– più pesanti di, il più pesante di
– più duro di, il più duro di
IDENTIFICAZIONE DI ALCUNI MATERAIALI
– 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, ecc.
– il ferro è uno dei metalli (utilizzo della calamita)
SECONDO CICLO
2)IL FENOMENO DELLA COMBUSTIONE
– effettuazione e descrizione della combustione di alcuni materiali (carta, legno, ecc.)
– somiglianze e differenze
– definizione del fenomeno
– importanza dei combustibili nella vita quotidiana
– un combustibile artificiale: il carbone di legna
– la combustione e l’inquinamento
3) PROPRIETA MACROSCOPICHE ED OPERATIVE. LA SOLUBILITA’
– riconoscimento di 3 sostanze: zucchero, sale, polvere di marmo
– esperimenti di solubilizzazione in acqua
– classificazione delle soluzioni
– definizione operativa delle soluzioni
– distinzione tra significato di senso comune e significato scientifico del termine solubile
– spiegazione particellare del termine solubile
4)IL PESO
– avendo a disposizione diversi oggetti, come si fa a stabilire chi è più pesante?
– costruzione di una bilancia a bracci uguali
– si può stabilire chi pesa di più, o si può anche constatare quanto pesa di più?
– quali oggetti si può usare come unità di misura per il peso?
– unità di misura di peso convenzionali: grammo, chilogrammo, ecc.
– utilizzo di bilance a bracci uguali
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
– 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
– nei liquidi, la superficie libera si dispone orizzontalmente quando li si versa
– se si inchina un bicchiere, come si dispone l’acqua contenuta?
– quale concetto hanno i bambini di orizzontale e verticale?
– come si dispongono gli alberi e le case in montagna?
– definizione operativa di verticale e di 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, ecc.
fusione
– SOLIDO ============ LIQUIDO
solidificazione
8)IL VOLUME E LA CAPACITA’
– quando si travasa dell’acqua da un recipiente ad un altro di forma diversa, la quantità di
di acqua cambia o si conserva?
– con recipienti di forma di versa 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
– il litro, i suoi sottomultipli e multipli
– il cm , il dm , il m e le loro relazioni
– 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
– 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 VELOCITA’
– il movimento
– la velocità
– la costruzione di grafici spazio-tempo
– prove di verifica
– approfondimento: costruzione e interpretazione di grafici
10)LE CLASSI DEGLI ACIDI, DELLE SOSTANZE BASICHE E DEI SALI
– gli acidi hanno la proprietà di sciogliere alcune sostanze alcune sostanze
insolubili in acqua, quali ad esempio il calcare ed alcuni metalli
– la distinzione tra acidi forti ed acidi deboli
– la distinzione tra le modalità di sciogliere degli acidi e dell’acqua
– la distinzione tra trasformazione fisica e chimica
– che cos’è l’effervescenza?
– la scoperta degli acidi minerali
– la produzione dell’acido solforico per decomposizione del vetriolo
– anche le proprietà basiche hanno la proprietà di sciogliere alcune sostane insolubili in acqua
– alcune sostanze basiche
– la produzione del sapone
– la reazione di neutralizzazione tra acido cloridrico e soda
– la distinzione tra acidi e sostanze basiche
– la preparazione di un indicatore mediante estrazione con alcol del colore di fiori
– la cartina indicatrice universale
– la reazione di neutralizzazione tra acido cloridrico e soda
– 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 di forze muscolari per mezzo di estensori
– deformazione di altri oggetti
– le deformazioni a che cosa sono dovute?
– gli effetti delle forze
– bilancia e forze: la forza-peso
– confronto di forze-peso
– misura di forze-peso
12)IL PESO SPECIFICO
– distinzione tra pesante ed avere maggior peso
– determinazione del peso specifico dell’acqua
– determinazione del peso specifico dell’olio
– determinazione del peso specifico solidi regolari
– determinazione del peso specifico di solidi irregolari
– significato del peso specifico
– prove di verifica
13)IL GALLEGGIAMENTO
– equilibrio
– principio di Archimede
– galleggiamento
– approfondimento
– prove di verifica
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 temperature e calore
– la costruzione di un termometro
– termometri non confrontabilie termometri confrontabili
– alcune scale di temperatura
15)PRIMI FENOMENI ELETTRICI
– cosa accade se si strofina una bacchetta di plastica con un panno di lanae
si avvicina la bacchetta ad un piccolo frammento di carta
– cosa accade quando si avvicina una bacchetta di vetro
– esistono due tipi di carica o più di due?
– l’attrazione e la repulsione si esercitano solo tra corpi elettrizzati?
– si può affermare che le cariche si possono spostare nei materiali?
16)PRIMI FENOMENI MAGNETICI
– la realizzazione di una tabella che permetta di distinguere tra materiali
attratti dalla calamita ed altri
– prendendo due calamite ed avvicinandole che cosa si osserva?
– che cosa accade se si avvicina ad una bussola una calamita?
– che cos’è l’ago di una bussola?
– é possibile separare il polo nord di una calamita dal polo sud
in modo da ottenere due poli isolati?
Quello che abbiamo presentato non è altro che uno schema di curricolo. Ciascun percorso dovrebbe essere esplicitato sia in relazione alle valenze epistemologiche e psicopedagogiche che alle specifiche indicazioni didattiche. Ci proponiamo di farlo nel volume conclusivo di questo progetto sul curricolo dell’IRRSAE Toscana. Ci limitiamo per ora ad aggiungere, come esempio, le scelte epistemologiche che stanno alla base di un percorso, quello degli acidi.
CONSIDERAZIONI SUL PERCORSO DEGLI ACIDI
Qual è, in riferimento al concetto di acido il livello di concettualizzazione adeguato agli studenti della scuola media? Essi conoscono probabilmente il termine acido, mentre è probabile che non abbiano nessuna idea, o addirittura non abbiano mai incontrato i termini base e sale, come parole indicanti classi di sostanze. E probabilmente in molti studenti sarà presente, insieme a significati più vaghi o metaforici, anche l’idea che gli acidi siano dei liquidi aggressivi, corrosivi.
Il concetto di acido deve fondarsi, a nostro parere, su questo concetto spontaneo, all’interno di una prospettiva evolutiva del curricolo verticale. Il concetto di acido, come la maggior parte dei concetti scientifici, si è sviluppato nel corso degli ultimi secoli, attingendo significati sempre più generali. E indubbiamente le definizioni di Bronsted o di Lewis hanno un carattere maggiormente esplicativo ed un riferimento più ampio delle precedenti concettualizzazioni di Lavoisier e di Arrhenius. Tuttavia, ciascuna definizione è significativa non di per sé, ma rispetto alla teoria cui si riferisce, ed in determinati contesti teorici e sperimentali i concetti di Lavoisier ed Arrhenius continuano ad essere pertinenti. E’ la teoria di riferimento che da significato alle definizioni.
Ora, in una situazione di primo approccio alle problematiche chimiche, dove gli studenti non possiedono ancora neppure i concetti fondamentali di tipo macroscopico della chimica, nessuna delle quattro precedenti definizioni può avere significato. Lo studente si trova, in un certo senso, nella stessa situazione in cui si trovavano i chimici prima di Lavoisier.
E che cos’erano gli acidi per loro? Delle prodigiose sostanze, mescolate sempre con l’acqua, che erano in grado di portare in soluzione molte sostanze solide insolubili in acqua. Questo era il concetto di acido che era stato elaborato dai chimici a partire dal Medioevo e che nel Settecento era ancora considerato da Lavoisier uno dei pochi concetti teorici ereditati dai predecessori. Vi è una sostanziale coincidenza tra questo concetto e il concetto spontaneo degli studenti. Il primo concetto di acido non può, quindi, essere costruito che partendo da qui, in uno stretto rapporto di continuità con il concetto spontaneo. E’ di fondamentale importanza che il concetto di acido, che poi si svilupperà in fasi successive in una logica di curricolo a spirale, in modo sempre più formalizzato, abbia una base operativa, seppur limitata, strettamente connessa a fenomenologie quotidiane e/o elementari percettivamente.
Tuttavia, all’interno di questa continuità vi deve essere anche discontinuità. Mentre il concetto spontaneo si limita a cogliere il comportamento dissolvente degli acidi, la prima concettualizzazione scientifica deve anche evidenziare la modalità profondamente diversa rispetto all’acqua, al di là dell’apparenza, con cui gli acidi sciolgono. Infatti, mentre nelle soluzioni acquose si realizza soltanto una mescolanza del solido con l’acqua, con gli acidi la solubilizzazione si verifica: 1) quando l’acido è in grado di combinarsi con la sostanza solida, creando così delle sostanze nuove che non hanno nessuna proprietà in comune né con l’acido né con il solido, 2) e quando la nuova sostanza solida, formatasi dalla trasformazione, risulta solubile in acqua. Quindi, mentre nelle solubilizzazioni con acqua le sostanze permangono, nelle solubilizzazioni con acidi le sostanze iniziali si trasformano in altre sostanze. Lo studente inizia così, con esempi particolarmente accessibili, a familiarizzarsi con il cuore della chimica, con il concetto di trasformazione chimica.