Leonardo Barsantini

Gruppo di ricerca e sperimentazione didattica in educazione scientifica del CIDI di Firenze

Se riflettiamo su alcuni risultati riportati in letteratura[1] circa le conoscenze acquisite dagli studenti in fisica, non possiamo che constatare, malgrado la buona volontà di alcuni docenti, il fallimento di tanti sforzi.

Le cause del fallimento sono chiare leggendo le stesse ricerche sulle concezioni delle studenti: 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.

I libri di testo in questo senso esemplificano perfettamente una visione della didattica tradizionale presentandosi più che come percorsi adeguati allo studente, come manuali di tipo enciclopedico, costruiti sulla organizzazione del trattato universitario. Il materiale è strutturato in modo forse ineccepibile per chi, essendo già in grado di pensare autonomamente, vuole ricavare informazioni o nozioni, ma discutibile per chi deve imparare. Mi è capitato di osservare che la presentazione del principio d’inerzia riportata in un manuale universitario, di scuola superiore e di scuola media, percorre le stesse tappe e giunge agli stessi risultati con la sola differenza che ciò che viene trattato in quattro pagine nel manuale universitario, si riduce a due in quello della superiore e a una pagina in quello della scuola media!

D’altra parte anche l’immagine tradizionale della scienza gioca un ruolo rilevante nella costruzione dell’interazione docente – studente. Ritenere che si possa partire dalla semplice osservazione per costruire teorie, che le scoperte scientifiche si susseguano con continuità ampliando le conoscenze precedenti, che sia sempre opportuno parlare di oggettività e verità, significa possedere una visione ingenua della scienza che non può che incidere negativamente anche nell’insegnamento scolastico – dico anche nella scuola, perché in realtà incide negativamente anche nella nostra società dove molti sono portati a ritenere la scienza come una costruzione dogmatica spesso da rifiutare per rivolgersi a “rituali” alternativi. 

            Quindi è necessario lavorare su argomenti opportuni e su tempi adeguati, tenendo in considerazioni le preconcezioni degli studenti, facendo in modo che ci sia vicinanza fra ciò che si insegna e ciò che lo studente sa, affinché lo studente possa acquisire “un nuovo modo di guardare il mondo”. Si tenga conto, come dice Darwin[2], che è tanto difficile non farsi un’opinione qualunque, come è difficile formarsi un giusto giudizio.

            La riflessione portata avanti negli anni all’interno del gruppo di ricerca e sperimentazione didattica del CIDI di Firenze, ha delineato un curricolo per la fisica da insegnare nei primi dieci anni di scuola (elementare, media e biennio superiore). Si possono così tracciare tre percorsi relativi ai seguenti concetti fondamentali da acquisire:

1.      forza e massa

2.      velocità e accelerazione

3.      temperatura, calore ed energia.

I 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 di base (biennio della superiore incluso). Questo significa che, ad esempio, chi affronta le forze nella scuola media, non deve preoccuparsi di analizzare tutte le leggi di Newton, la legge di gravitazione universale, le forze di interazione elettrica, la legge di Hooke, i vettori e quant’altro, ma piuttosto di approfondire alcuni aspetti fondamentali alla costruzione del concetto di forza che poi saranno ripresi e ampliati negli anni successivi.

Nell’immagine “ingenua” di scienza si è talvolta portati a vedere la scoperta di un fenomeno come un momento definitivo, di arrivo; in realtà, a parer mio, le cose stanno ben diversamente: la scoperta è il punto di partenza per organizzare e sviluppare la conoscenza. Quindi anche nella 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.  

Qualcuno, leggendo le indicazioni precedenti relative ai percorsi da sviluppare in circa dieci anni di scuola potrebbe avere avuto l’impressione che, pur trattandosi di argomenti fondamentali, siano assenti molti degli temi classici riportati nei libri di testo. Questa impressione è corretta. Si badi bene, alcuni argomenti non riportati possono essere recuperati anche in connessione con altri ambiti, ad esempio semplici considerazione di ottica si possono trovare all’interno di un percorso, sempre sviluppato dai colleghi del gruppo di ricerca e sperimentazione didattica, sui cinque sensi; oppure semplici considerazioni sui fenomeni magnetici ed elettrici possono essere svolte ampliando il concetto di forza. In ogni caso i concetti da privilegiare e ai quali dedicare tutto il tempo necessario sono quelli elencati in precedenza. Una scelta di questo tipo può sembrare riduttiva, ma in realtà è realistica. Dalle indagini sulle concezioni degli studenti, citate in precedenza, emerge con grande evidenza che a seguito di un insegnamento “tradizionale” non solo permangono poche nozioni nella testa degli studenti, ma i loro modi di ragionare molto spesso sono di tipo prescientifico.

Al contrario, ritengo che lavorare su un gruppo di argomenti ben definito per tempi adeguati consenta allo studente di costruire la propria conoscenza e non di imparare a memoria alcune nozioni al solo scopo di affrontare i compiti scolastici. Si tratta quindi di permettere allo studente 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 dei concetti.

Vediamo più in dettaglio lo sviluppo di uno dei percorsi, quello relativo alla forza e alla massa[3], tenendo comunque conto che questi sono fra loro strettamente legati sì da formare una sorta di rete concettuale.

I) Concetti da acquisire: FORZA e MASSA

SCUOLA ELEMENTARE

Identificazione e descrizione degli oggetti

Classificazione di oggetti in base a una o due proprietà

I primi confronti

Il peso

Concetto spontaneo di più pesante

Ordinamento non metrico secondo il peso

Si introduce un primo strumento di misura:

progettazione e realizzazione di una bilancia a bracci uguali

Introduzione al concetto di equilibrio:

se i bracci della bilancia sono in orizzontale

i due pesi sono uguali

Non necessariamente corpi più grandi pesano di più

Confronto con le bilance impiegate nella vita quotidiana:

1.       bilance che confrontano due oggetti

2.       bilance che forniscono un numero

Unità campione

Scelta del campione

kg_p, multipli e sottomultipli

Precisione della misura:

sensibilità e portata della bilancia

Liquidi e solidi

Distinzione liquidi solidi

Orizzontale e verticale:

livella e filo a piombo

Volume e capacità.

Come misurare una certa quantità d’acqua?

1.       pesandola

2.       misurando lo spazio occupato

Volume di un liquido

Unità campione

Scelta del campione

litro, multipli e sottomultipli

m³, multipli e sottomultipli

Intersoggettività delle unità campione

Volume di un solido per immersione in un liquido

Precisione della misura

            Nella scuola elementare, tenendo conto anche dei tempi a disposizione, non è ragionevole pensare di poter fare di più. Si potrebbe obiettare che ci sono altri argomenti che possono essere sviluppati, ad esempio visto che si introducono i liquidi e i solidi, perché non fare anche i gas e magari anche la pressione atmosferica. Ma i gas non sono sullo stesso piano concettuale dei liquidi e dei solidi, per non parlare poi della pressione atmosferica. Per convincersene basta analizzare il percorso storico che da Galileo e Baliani porta a Boyle. Come dice lo storico Dijksterhuis[4], se è vero che a un cero punto ci si libera dell’horror vacui è anche vero che questo sarà rimpiazzato dalle tante teorie sull’etere. E infatti per molti studenti il vuoto è un “pieno” d’aria, di polvere, di germi.

            Lo studio del peso, al contrario, permette di porre le basi per un primo affinamento di una conoscenza comune fra i bambini attraverso semplici ordinamenti non metrici, la costruzione di strumenti di misura , l’uso di unità di misura condivise.

Il percorso prosegue poi con la distinzione fra liquidi e solidi e con l’introduzione delle definizione operative di orizzontale e verticale per mezzo di livella e filo a piombo – queste rappresentano un’importante scoperta per tutti quei bambini che disegnano le case perpendicolari alle colline.

Ma i corpi più grandi possono pesare meno di corpi più piccoli e viceversa, ecco che allora si rende necessario introdurre il volume. Presentare il volume non significa rifarsi, generalizzando, alle misurazioni di lunghezza e di superficie semplicemente lavorando sulle unità di misura, ma al contrario, prestare grande attenzione alla costruzione di un nuovo concetto con un approccio operativo.

SCUOLA MEDIA

Forza

Concetto spontaneo di più forte

Deformazione:

la forza determina una deformazione

Rappresentazione vettoriale delle forze

Peso come caso particolare di forza

Bilancia a bracci uguali

Campioni di forza – peso

Dinamometro:

non con tutti i corpi che si deformano

si può costruire un dinamometro

Equilibrio

Peso specifico

Distinzione fra “pesante” e

“avere maggior peso”

Peso specifico dei liquidi

Peso specifico dei solidi

regolari

Peso specifico dei solidi

irregolari

Il galleggiamento

Un’applicazione dei concetti acquisiti allo studio del galleggiamento:

forza, peso specifico, equilibrio

Principio di Archimede

Baricentro

La misurazione in fisica:

scarto percentuale fra due misure.

Errore di sensibilità,

errore sistematico,

errori casuali.

Media delle misure ottenute

Il lavoro svolto nella scuola elementare apre la strada all’introduzione del concetto di forza. Qui la difficoltà maggiore sta nel portare gli studenti da una concezione di senso comune che vede nella forza una sorta di sforzo fisico, a una concezione più raffinata. Il percorso sul peso, e quindi la conseguente generalizzazione di questa grandezza all’insieme delle forze, rappresenta un indispensabile punto di partenza per questo ulteriore approfondimento. Lo sviluppo del concetto di forza non deve far pensare alle leggi della dinamica, questo rappresenterà un passaggio successivo, per adesso è più importante questo lavoro di “ripulitura” del concetto di forza dalle tante scorie dell’esperienza quotidiana per arrivare a una definizione operativa condivisa dagli studenti.

I lavori precedenti sul peso e sul volume, la necessità di definire una grandezza che riporti il peso all’unità di volume per fare un confronto fra corpi diversi, introducono in modo consequenziale il percorso sul peso specifico. Qui l’errore più grosso potrebbe essere quello di fornire una relazione per il calcolo della grandezza e questo, in genere, è proprio ciò che preferiscono gli studenti. Anche in questo caso si tratta invece di costruire una grandezza utile e di significato chiaro: la comprensione del significato di un rapporto rappresenta un ostacolo non banale come mette in evidenza anche Arons[5].

Per concludere, lo studio del galleggiamento può essere considerato un momento di recupero e di sviluppo, verso un nuovo ambito, di quanto è stato fatto puntualizzando e approfondendo i concetti introdotti. La necessità di acquisire ed elaborare dei dati introduce anche a una riflessione sui dati acquisiti e sulla “precisione” relativa. Contrariamente a quanto accade in molti libri di testo, dove si sviluppano elementi di teoria degli errori in un capitolo iniziale, le considerazioni sugli errori di misura vengono qui introdotte in modo naturale per affrontare un problema concreto.

BIENNIO SCUOLA SUPERIORE

 

Forza

Forza e dinamometro

Forza e attrito:

quali sono le forze in gioco?

Cosa accade se diminuisce l’attrito?

Forza e movimento

Semplici ipotesi possibili:

1.       F = m Dv

2.       F = m Dv/ Dt

3.       F = m Dv/ Ds

Caduta dei corpi

Le esperienze di Galileo

Semplici ipotesi sul moto:

1.       v = a t

2.       v = a s

Accelerazione e suo significato fisico

Massa

Proporzionalità fra la forza e l’accelerazione

Significato fisico della costante di proporzionalità:

massa

Distinzione peso – massa

Unità di misura della forza e della massa

Densità

Forze e equilibrio

Nel biennio della scuola superiore si può portare il concetto di forza anche in ambito dinamico e introdurre il concetto di massa. Questo è un lavoro estremamente complesso e non è più sufficiente rifarsi a semplici esperienze di laboratorio per costruire i concetti, qui il ruolo svolto dalle ipotesi diventerà insostituibile, non sarà più possibile un approccio che partendo dall’esperienza permetta di ipotizzare e generalizzare conclusioni. Si tratta al contrario di sviluppare un’indagine appropriata per la costruzione dei concetti utili, anche con l’aiuto della riflessione storica, sui tanti ostacoli che si sono frapposti allo sviluppo della conoscenza.

Grande è il rischio di ridurre tutta la costruzione della conoscenza a una sorta di addestramento su definizioni e calcolo di relazioni. Ciò ha come conseguenza, come diceva Galileo, di sviluppare una scienza dei soli nomi.

Lo sviluppo di questi percorsi mette in evidenza la necessità di una elevata professionalità da parte dei docenti nel mediare fra disciplina e studenti e ritengo che, per quanto aiuti e suggerimenti possano provenire da esperti pedagogisti, storici, epistemologi o specialisti della disciplina, questa professionalità appartenga soltanto il docente.

Si tratta in definitiva di lavorare affinché lo studente sia in grado di porsi problemi e di elaborarli autonomamente con pensiero critico. Ma non è tutto. Si tratta anche di fornire, agli studenti più grandi, una prospettiva storica dello sviluppo dei concetti scientifici, non nel senso di corredare i percorsi con note storiche, ma di riflettere sulle difficoltà e sulle scelte fatte dagli scienziati del passato. Non quindi la storia degli eventi, ma la storia dei processi. Questo non significa che la storia della scienza deve sostituire la scienza stessa, ma che la storia della scienza è, per il docente, uno degli elementi che contribuiscono alla costruzione dei percorsi, per lo studente un elemento per costruire la propria conoscenza.

E’ anche importante sottolineare il fatto che gli argomenti proposti non solo sono rilevanti per lo sviluppo di una cultura scientifica, ma rappresentano anche alcuni dei concetti fondamentali che hanno costituito le basi della scienza moderna dando origine a quella che da molti è chiamata la rivoluzione scientifica del XVII secolo.

Si deve quindi passare da una visione della scienza, comune a tanti studenti e adulti, come insieme di regole da dimenticare al più presto, a quella di una grande struttura architettonica in continua evoluzione, in cui convivono il presente e il passato e che ci permette di abitare e comprendere il mondo che ci circonda. Ma comprendere significa anche rispettare e quindi l’acquisizione di una vera cultura scientifica è anche uno strumento fondamentale, assieme ad altri, per lo sviluppo di una coscienza democratica.

[1] A cura di N. Grimellini Tomasini e G. Segrè, Conoscenze scientifiche: le rappresentazioni mentali degli studenti, La Nuova Italia, 1991

[2] C. Darwin, Diario di un naturalista giramondo

[3] L’ipotesi di curricolo per la scuola elementare e media è stata sviluppata dal prof. Carlo Fiorentini

[4] Citato da P. Rossi in La nascita della scienza moderna in Europa, Editori Laterza, 1997

[5] A. B. Arons, Guida all’insegnamento della fisica, Zanichelli, 1992