Oggetti, materiali e fenomeni chimico-fisici

Scuola dell'infanzia (1)

L'acqua e la terra
Le basi per un'educazione scientifica si pongono già nella scuola dell'infanzia. Prime osservazioni su acqua e terra forniscono ai bambini l'opportunità di superare la barriera della conoscenza abitudinaria e di acquisire consapevolezza. Si va alla ricerca e si classificano le terre attraverso una simbologia che indichi il colore e la granulosità. I bambini operano una scelta fra gli stimoli che ricevono, costruendo criteri interpretativi con un atteggiamento rivolto alla ricerca. La simbologia, anche con bambini così piccoli, permette di muoversi nell'ambito di una prima astrazione. Conosciuti gli oggetti si passa allo studio della loro interazione mescolando l'acqua con la terra. La terra e l'acqua possono creare un terreno fertile per la semina, dalla quale si genereranno nuove possibilità di sviluppo del sistema.

Le fasi di lavoro, con bambini così piccoli, devono prevedere un'esplorazione libera seguita da un'esplorazione guidata, quindi una rielaborazione individuale attraverso l'uso di schede, disegni, costruzioni o anche attività di movimento, e infine una discussione di gruppo che abbia come fine la costruzione di parole, frasi o addirittura simboli che definiscano ciò che si è osservato. L'attività deve essere comunque finalizzata, non ci si può fermare alla prima fase dell'esplorazione libera seguita da una generica discussione di gruppo.

Scuola elementare (2)

Le soluzioni
Attraverso esperimenti di solubilizzazione in acqua e di recupero delle sostanze, si arriva alla definizione operativa di soluzione. Si lavora su una trasformazione fisica che è frutto dell'interazione fra vari solidi e l'acqua, ma anche dell'acqua con altri liquidi. Non si tratta di mettere dello zucchero in acqua e di mescolare, ma di studiare il comportamento dell'acqua, osservabile sperimentalmente, che "scioglie" lo zucchero o il sale, ma non la sabbia o il marmo. Il fatto che il termine sciogliere sia conosciuto dai bambini può far ritenere che sia presente anche il concetto, ma le cose stanno diversamente. Il percorso sulle soluzioni deve servire a realizzare confronti con strumenti sofisticati per i bambini, quali quello della tabella a doppia entrata che evidenzia il comportamento delle singole sostanze per distinguere quelle solubili in acqua dalle altre. Si dovrà poi comprendere che nel caso della solubilizzazione si realizza una stabilità del sistema, che le sostanze iniziali non sono sparite lasciando il solo sapore, come si sente spesso dire per il sale e lo zucchero, e che possono essere nuovamente separate e recuperate. Infine i bambini possono fare le prime ipotesi sulla struttura particellare della materia.

Il peso
"Pesa più un chilo di paglia o un chilo di ferro?". Questa è una domanda che circolava, e circola ancora fra i bambini, ma non è una domanda così banale come può sembrare in un primo momento. Il peso, a un primo livello, può essere considerato una grandezza fisica che si misura con la bilancia. La gente comune è pur sempre cosciente della necessità di determinare il peso con la bilancia, ma associa al peso tutta una serie di attributi estranei quali la solidità del corpo, la durezza, la capacità di fare danno in un urto: nessuno ha, infatti, il minimo dubbio nel ritenere che sia meglio ricevere su un piede un chilo di paglia piuttosto che un chilo di ferro. Se le cose stanno così è allora opportuno investigare cosa si nasconde dietro il termine peso per dare avvio alla formazione del concetto.

Lo studio deve partire dalla necessità di realizzare ordinamenti non metrici che non possono soddisfare tutte le necessità di confronto, per passare alle misurazioni con la bilancia a bracci uguali. Anche nella misurazione si opera un confronto assegnando ad alcuni oggetti il valore di campioni di misura. La bilancia è uno strumento che svela il proprio funzionamento anche ai bambini e nuovi modelli possono essere progettati e costruiti in classe. Ben diverso è un lavoro sui pesi che dà per scontato il concetto, ancora una volta per l'identificazione del termine quotidiano col termine scientifico, passando subito a lavorare sulle scale di misura, sui multipli e sui sottomultipli.

L'evaporazione e l'ebollizione dell'acqua
Evaporazione e ebollizione possono essere già stati incontrati dai bambini in precedenti esperienze a casa; nel percorso sulle soluzioni l'evaporazione o l'ebollizione possono aver consentito il recupero delle sostanze sciolte in acqua. Ad ogni modo è importante permettere agli alunni di concentrare la loro attenzione sulla trasformazione dell'acqua sia nel caso dell'evaporazione che in quello dell'ebollizione. Il percorso offre ampie possibilità di riflessione che devono essere opportunamente sfruttate dando libertà ai bambini di penetrare in un mondo di nuove possibilità. E' evidente, in questo caso, che l'esperienza sull'ebollizione condotta dall'insegnante, magari ripetuta, è sufficiente, ma si deve comunque favorire lo sviluppo di una cultura della sicurezza, non come pensa qualcuno, evitando tutte le esperienze che prevedono, ad esempio, il riscaldamento dell'acqua, ma costruendo un atteggiamento di prudenza e di responsabilità e permettendo agli studenti di acquisire le informazioni necessarie a valutare i pericoli. L'educazione alla sicurezza non si sviluppa proclamando una generica raccomandazione a stare attenti, ma riflettendo sui pericoli potenziali e individuando procedure di comportamento alle quali tutti, insegnante compreso, devono attenersi.

Gli elementi da prendere in considerazione in questo percorso sono il riscaldamento dell'acqua, l'ebollizione e le bolle che si formano, "il fumo", la distillazione dell'acqua, il vapore acqueo. Le domande che si devono porre non sono banali: "Che cosa sono le bolle?", "Che cos'è il fumo?". Il termometro è uno strumento di misura utile per comprendere questi nuovi fenomeni e i dati si comprendono meglio se si riportano in grafico. Lo studio non deve rimanere confinato ai fenomeni che si sperimentano in classe e si può estendere alle acque minerali anche attraverso la lettura delle etichette, ponendo cosi le prime basi per una educazione al consumo consapevole e al ciclo dell'acqua per favorire la riflessione, che è anche di carattere ecologico, su un sistema più ampio e dal quale dipendiamo. Un'educazione a carattere ecologico non può essere sostenuta soltanto da un indefinito amore per la natura, ma da precise conoscenze che ci permettono di comprendere e valutare.

E' importante sottolineare che con gli elementi acquisiti nel percorso si può cercare di comprendere alcuni aspetti dell'ambiente che ci circonda e lo studio della componente "aerea" della materia non nasce da un'esigenza classificatoria ma da un'indagine reale: c'è una distanza abissale fra un percorso di questo tipo e l'affermare che l'acqua bolle a 100°C.

Liquidi e solidi
E' adesso venuto il momento di ripensare al mondo dei liquidi e dei solidi per comprenderne alcune proprietà fondamentali in base alle differenze e alle somiglianze. La conoscenza attuale ci presenta quotidianamente tutta una serie di nuovi materiali impensabili fino a pochi anni fa, ma forse è bene non lasciarsi tentare da materiali esotici la cui investigazione prevede un bagaglio culturale molto specifico. E' vero che i bambini possono presentare loro stessi situazioni problematiche alle quali non sempre si può fornire una risposta, ma questo non significa non considerare le loro esigenze, ma costruire un atteggiamento corretto che è in grado di comprendere su quali problemi possiamo avviare un processo di indagine. Non è detto che le domande poste oggi non avranno mai una risposta, ma non deve essere neppure detto che ad ogni domanda segue invariabilmente la risposta. Comprendere i limiti della propria conoscenza significa avere una buona conoscenza del proprio sapere. Se non è il caso di divagare nel mondo dei nuovi materiali è però questo il momento di aprire un nuovo capitolo di indagine che è collegato con lo studio delle polveri.

Non è il caso di lasciare troppo affrettatamente il mondo dei liquidi e dei solidi perché sfruttando le loro proprietà si possono definire operativamente l'orizzontale e la verticale attraverso la costruzione di una livella e del filo a piombo.

La fusione e la solidificazione
Ancora delle trasformazioni connesse con un cambiamento di stato. L'acqua è acqua, ma interagendo con l'ambiente esterno si può trasformare, e lo stesso comportamento mostrano il burro, la cera o lo stagno. Si deve far comprendere che si assegnano dei nomi, oltre che agli oggetti, ai processi, ad esempio la fusione e la solidificazione, e si può anche caratterizzare la trasformazione dell'oggetto definendola reversibile se invertendo il processo si torna al punto di partenza: ciò che è solido può diventare liquido e viceversa. Il linguaggio si arricchisce di nuovi termini tecnici che sono ancorati allo studio sperimentale e non a una figura presentata su un manuale con frecce che collegano tre riquadri che contengono i termini solido, liquido e gas: questa descrizione deve essere il punto di arrivo e non di partenza.

Il volume
Associata alla grandezza fisica peso c'è la grandezza volume utilizzata spesso nella misura dei liquidi. Anche in questo caso valgono alcune delle considerazioni sviluppate a proposito del peso, il concetto di volume si deve costruire operativamente, e non dal confronto fra i multipli e i sottomultipli delle unità di misura. Sarebbe errato pensare che partendo dalle misure di lunghezza in metri, il volume o la superficie seguano spontaneamente lavorando sui metri cubi o sui metri quadri. Si devono anche fornire degli ordini di grandezza. Collegato con il peso e il volume c'è il capitolo, da non trascurare come mostrano gli studi di Piaget, della conservazione a seguito di una variazione di forma o di un travaso delle due grandezze. Infine si può studiare cosa accade al volume e al peso con il riscaldamento della sostanza per comprendere cosa si conserva e cosa varia.

Scuola media

Le forze
Il concetto di peso realizzato nella scuola elementare è un buon punto di partenza che può essere adesso ulteriormente raffinato introducendo un insieme più generale, quello delle forze, che include anche il peso. La forza da cui partire non è però quella astratta dei principi della dinamica, ma quella facilmente collegabile a uno strumento di misura grazie alle deformazioni che determina nei corpi. E' evidente in questo caso la connessione col dinamometro e con la legge di Hooke. Le esperienze degli studenti devono servire per analizzare i comportamenti degli oggetti sottoposti a quello che inizialmente può essere definito come un generico fare forza, per comprendere come sia possibile, sfruttando alcuni corpi elastici come le molle, costruire una definizione operativa di forza svincolata dal fare forza, dallo sforzo e dall'azione dei soli esseri animati, contrariamente a quanto ritengono alcuni studenti anche nella scuola superiore.

Il dinamometro non deve nascere dalle istruzioni di assemblaggio riportate in qualche manuale, ma dalla necessità di mettersi d'accordo su cosa si intende per forza e dallo studio delle proprietà di certi materiali. Si possono introdurre strumenti sofisticati di descrizione delle leggi quali i vettori e si apre il nuovo mondo della descrizione dei fenomeni per mezzo delle leggi.

Il peso specifico
Note le grandezze di base peso e volume, se ne può definire una nuova come nel caso del peso specifico. Il problema nasce dalla necessità di caratterizzare i materiali. Un piccolo oggetto di ferro può pesare più di un grande pezzo di polistirolo. Il ferro ha quindi una pesantezza che lo caratterizza rispetto al polistirolo, ma non possiamo dire che pesa più del polistirolo, perché questo non sarà sempre vero. E' quindi necessario costruire una nuova descrizione del ferro, e degli altri materiali, che sia in grado di spiegare la pesantezza specifica di un dato materiale. Si tratta di ridare ordine a una serie di espressioni che coinvolgono i termini pesante, leggero, pesantezza, aver maggior peso, in un'operazione che è contemporaneamente concettuale e linguistica. La determinazione del peso specifico comporterà anche problemi operativi, come nel caso dei solidi irregolari, per i quali sarà necessario stabilire una procedura per misurarne il volume.

Col peso specifico si potranno confrontare materiali diversi tenendo conto sia della grandezza peso sia della grandezza volume, ma non si tratta soltanto di realizzare dei rapporti, ma di comprendere il significato del rapporto da un punto di vista fisico. La conoscenza essenziale non sta nel ricordare quanto vale il peso specifico del ferro (che comunque può essere ricavato dalle tabelle), ma nell'aver compreso che il peso specifico riporta il peso dell'oggetto all'unità di volume. In questa prospettiva possono avere senso domande che interrogano lo studente su quale significato può avere la grandezza inversa (volume fratto peso), per generalizzare la comprensione di grandezze definite da un rapporto quali, ad esempio, la velocità o l'accelerazione.

Il galleggiamento
Affondamento e galleggiamento sono due situazioni che determinano un nuovo equilibrio e che è necessario investigare in termini di una conoscenza che deve far parte del bagaglio culturale dello studente. Non si tratta di enunciare una regola e di citare il nome di Archimede, ma di rimettere in gioco molto di quanto è stato appreso fin qui in una sorta di verifica finale: peso, volume, determinazione del volume di solidi irregolari, peso specifico, forze, dinamometro. Si attua un'indagine, che, come affermavano Einstein e Infeld, deve vedere lo studente-ricercatore nei panni sia di chi commette il delitto, sia di chi lo risolve. Si deve procedere all'analisi dell'interazione fra solidi e acqua per comprendere come mai alcuni corpi vanno a fondo e altri galleggiano, costruendo situazioni sperimentali che potranno portare informazioni all'indagine. Lo studente deve consolidare la visione sistemica che ingloba gli oggetti, le loro interazioni e le loro evoluzioni, per approfondire poi lo studio dei fatti che si basano sul principio di Archimede.

In questo itinerario il galleggiamento viene proposto al termine della scuola media proprio per la sua importanza di percorso terminale, l'idea di enunciare ai bambini anticipatamente il principio di Archimede è poco sensata se prima non sono presenti tutte quelle conoscenze che la sorreggono, a meno di non ricadere nella logica tradizionale. A scuola si dispone di un numero di ore abbastanza limitato per l'insegnamento delle scienze, circa due la settimana, è quindi opportuno metterle a frutto nel modo migliore possibile.

Temperatura e calore
Temperatura e calore sono due concetti molto complessi che in qualche modo si sono intersecati con i temi precedenti. Comprendere la distinzione è quasi al limite delle possibilità di molti studenti della scuola dell'obbligo, e oltre, anche per le difficoltà sperimentali e la confusione terminologica. Qui si potrebbe cercare, con un'operazione che si stacca dall'impostazione fenomenologica e operativa adeguata fino al termine della scuola media, di mettere le basi per il lavoro successivo, nella scuola superiore, creando concetti con una più alta astrazione non sempre ancorata alla sperimentazione. Se pensiamo alla temperatura come a una grandezza che caratterizza lo stato di un sistema e al calore come a una grandezza di interazione fra sistemi si può allora puntualizzare la differenza fra grandezze intensive e grandezze estensive: mescolando due uguali quantità d'acqua una a 50°C e l'altra a 30°C non si ottiene né acqua a 60°C, né acqua a 20°C, come pensano alcuni studenti che pure mescolano tutte le mattine latte e caffè. Piuttosto che esprimersi in termini di calore si deve far acquisire l'abitudine a esprimersi in termini di trasferimento di calore.

Il compito non è facile e può essere rimandato alla scuola superiore, lasciando alla scuola media il compito di investigare e di dare un fondamento più teorico, in funzione della dilatazione dei liquidi, al funzionamento del termometro.

Le soluzioni
Nella logica di percorsi conclusivi quali quello sul galleggiamento e l'affondamento si può pensare di recuperare anche il lavoro sulle soluzioni, dal quale siamo partiti nella scuola elementare, puntualizzando alcuni aspetti significativi quale il ruolo che ha il mescolare o il riscaldare sulla velocità di solubilizzazione. Questa riflessione può servire a rinforzare le ipotesi particellari che potevano essere state formulate nel primo percorso sulle soluzioni.

(1) P. Conti, S. Mucci, A. Profeti, S. Valentini, Dalla terra invisibile alla terra come ambiente di vita, Naturalmente n° 1, Febbraio 2001.
(2) Indicazioni riprese dal volume a cura di L. Barsantini, C. Fiorentini, L'insegnamento delle scienze verso un curricolo verticale. Vol. I, IRRSAE Abruzzo, 2001. Nel volume sono sviluppati in dettaglio i percorsi indicati.

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