Insegnare scienze in “laboratorio”

1. Insegnare scienze in “laboratorio” perché come che cosa Giuseppina Rinaudo Dipartimento di Fisica Università di Torino e-mail: rinaudo@ph.unito.it Esempi dedicati alla didattica nella scuola di base: sito web http://www.iapht.unito.it/giocattoli “weblog” http://pergioco.splinder.it Serravalle, 25 febbraio 2003

2. perché: motivazioni • perché all’allievo interessa : • capirecome funzionano le cose • spiegare perché funzionano in un certo modo • mettere in relazione le diverse conoscenze • . • perché la fisica è una scienza sperimentale: • Oggetto ==> mondo esterno • “Postulati” ==> su base induttiva, per tentativi ed errori • Riscontro ==> confronto teoria-dati sperimentali • Struttura ==> logico-formale (leggi, modelli, teorie)

3. perché: finalità • formative • nei riguardi dei concetti: • - indagare e scoprire leggi e relazioni nei fenomeni; • - l’oggetto reale aiuta la formazione del concetto astratto • nei riguardi delle competenze: • - capacità di formulare ipotesi, esprimerle, padroneggiare il linguaggio; • - apprendere l’arte della sperimentazione: capacità di selezionare i “fatti buoni”, sui quali impostare l’attività, da quelli non interessanti

4. perché: obiettivi • addestrativi • fare, manipolare, misurare; • usare strumenti di misura; • registrare le misure, rappresentarle graficamente, tenere un quaderno di laboratorio • comportamentali • lavorare in gruppo, eventualmente con ruolo di leader • rispettare le consegne • impegnarsi a eseguire l’esperimento in modo attivo e con coinvolgimento personale • condividere e confrontare i risultati • accettare le “regole del gioco” e capirne l’importanza

5. come: la metodologia • che cosa dicono i modelli di sviluppo dell’intelligenza: • le quattro “fasi” del modello di Guilford • conoscenza e memoria • pensiero “divergente” • pensiero “convergente” • pensiero “critico” un esempio: “la fionda”

6. conoscenza e memoria • pensiero divergente • osservare, scoprire, indagare • formulare “ipotesi” • sulla base della propria conoscenza e memoria come: la metodologia partire sempre da oggetti concreti ... • pensiero convergente • pensiero critico • dare “forma” alle idee: identificare e separare variabili, misurare, correlare, analizzare • confrontare con le proprie conoscenze la fionda

7. come: strutture e ambienti • il laboratorio “attrezzato” misura, analisi dei dati, formalizzazione a posteriori, addestramento; potenzia il “pensiero convergente” e il “pensiero critico” • il laboratorio con cose di vita quotidiana conoscenza e memoria di cose ben note e che si è abituati a descrivere con il linguaggio quotidiano; sviluppa il “pensiero critico” e il passaggio dal linguaggio quotidiano a quello scientifico.

8. come: strutture e ambienti • il laboratorio “di scoperta” esperimenti stimolanti e curiosi, che trascinano a trovare spiegazioni, chiarendo così, a livello qualitativo, i concetti fisici coinvolti; potenziano il “pensiero divergente” • il “kit fai da te” raccolta personale di strumenti o attrezzi di intervento per prove fuori laboratorio, a casa o in classe, soddisfare curiosità personali (forbici da laboratorio, coltello con cacciavite, scotch, metro a nastro, righello, calibro ventesimale, goniometro, contasecondi, bilancia da cucina, bilancia pesapersone, tester, termometro, lente di ingrandimento, ….)

9. che cosa: costruire i concetti • il concetto relativo a una grandezza fisica è un “oggetto del pensiero” • viene “costruito” perché utile ed economico per descrivere in modo sintetico •  una proprietà importante di oggetti o di fenomeni •  una relazione significativa fra grandezze fisiche • la costruzione stabile di un concetto astratto passa attraverso oggetti concreti • vedere con gli occhi per vedere con la mente • ci sono diversi livelli di astrazione per arrivare al concetto

10. livello base: • la grandezza fisica descrive una proprietà di oggetti o fenomeni direttamente accessibile attraverso i sensi: esempio il volume •  esistono oggetti “piccoli” e oggetti “grossi”, dal confronto fra queste caratteristiche si arriva al concetto astratto di volume •  dal confronto si passa all’ordinamento (dal più piccolo al più grande) e poi alla misura con i suoi tre passaggi: • . definire l’unità di misura • . riportare l’unità di misura sul volume da misurare • . esprimere la misura come • numero • incertezza (intervallo di validità del numero) • unità di misura

11. Esempi di concetti relativi a grandezze di livello base • la lunghezza ==> unità di misura il metro(m) • la superficie ==> unità di misura il metro quadrato(m2) • il volume ==> unità di misura il metro cubo(m3) • la massa ==> unità di misura il chilogrammo(kg) • il tempo ==> unità di misura il secondo(s)

12. Esempi di attività di laboratorio relativi a grandezze di livello base misurare volumi per immersione misurare il volume dell’aria lo “spirometro” per misurare il volume dell’aria nei polmoni bilanciare per misurare la massa lo “gnomone origami” per misurare la lunghezza delle ombre

13. primo livello • la grandezza fisica descrive una proprietà •  indirettamente accessibile attraverso gli effetti ad essa associati: es. • la velocità ==> moto più o meno rapido • la forza ==> mette in moto, deforma, … •  che individua una relazione significativa fra grandezze

14. Un esempio di “primo livello”: il concetto di velocità • Le caratteristiche che rendono la velocità un concetto utile ed economico: • il significato cinematico ==> diagramma orario • il significato dinamico ==> che cosa succede se voglio cambiare la velocità . . . .

15. Tipici valori in una camminata passi distanza tempo percorsa impiegato camminata 10 passi6,25 m7 s corsa 5 passi-corsa 6,25 m 3 s Velocità: quanti passi in un secondo?

16. rappresentati graficamente ….. posizione-tempo

17. volendo “modellizzare” ….. posizione-tempo passi

18. … il concetto di forza • La legge di Newton esprime formalmente un concetto di cui si ha indipendentemente una percezione “diretta”. • Altre caratteristiche che rendono la forza una grandezza fisica utile ed economica: • è l’espressione dell’interazione fra due corpi • per interagire occorre essere in due: chi “applica” la forza e chi la “subisce” (il “nome delle forze”) • la forza si applica in una ben determinata direzione • a ogni forza applicata corrisponde una reazione uguale e contraria (terza legge della dinamica) • la forza si trasmette dentro un solido

19. Fdito-elastico Fbastoncino-elastico Felastico-dito Fbastoncino-mano Fmano-bastoncino … dall’oggetto al concetto • formalizzare in modo iconico • l’interazione fra due corpi • chi “applica” la forza e chi la “subisce” • il “nome delle forze” • la direzione • azione e reazione • la forza che si trasmette

20. … ma non è solo questione di forza il risultato che si vuole ottenere non dipende solo dalla forza che si esercita ma anche dall’allungamento dell’elastico .. .. e allora si “inventa” il concetto di .. prima dopo forza energia

21. livelli superiori di astrazione: la correlazione fra la grandezza fisica e oggetti o fenomeni osservabili o intuibili è ancora più indiretta …  l’energia appartiene a quest’ultimo livello

22. Il concetto di energia L’energia è una grandezza fisica “costruita” teoricamente perché utile ed economica • Le caratteristiche che rendono l’energia un concetto utile ed economico: • ha forme diverse • si può trasformare da una forma all’altra • può essere trasferita da un oggetto all’altro • può essere immagazzinata • passando e trasformandosi l’energia fa cose utili • si conserva • si degrada

23. esempi dalla meccanica la giostra a gravità: • trasformare • trasferire • immagazzinare

24. esempi dalla meccanica la catapulta: • trasformare • trasferire • immagazzinare

25. esempi dalla meccanica il bottone sempre in moto: • trasformare • trasferire • immagazzinare

26. esempi dalla meccanica il barattolo che torna indietro: • trasformare • trasferire • immagazzinare

27. esempi dalla meccanica la motocicletta: • trasformare • trasferire • immagazzinare

28. esempi dalla meccanica il razzo sulla bottiglia: • trasformare • trasferire

29. esempi dalla meccanica dei fluidi i vasi comunicanti: • trasformare • trasferire • immagazzinare

30. l’antico trinomio: temperatura,calore,energia • la temperatura: è una proprietà degli oggetti • il calore: è la “spia” dell’energia in transito • ma di quale tipo di energia? • una energia atipica: l’energia radiante

31. esempi su temperatura e calore la giostra con le candele: • trasformare • trasferire • immagazzinare

32. esempi su temperatura e calore scaldare la sabbia: • trasformare • trasferire

33. … altri casi in cui non è solo questione di forza se si deve applicare una forza su un corpo fatto di granelli come la sabbia, ci si accorge che il risultato che si vuole ottenere dipende anche dalla superficie .. .. e allora si “inventa” il concetto di pressione nei fluidi ciò che si trasmette non è una forza ma una pressione

34. … il concetto di pressione • La pressione è una grandezza fisica utile ed economica perché: • in un fluido, la pressione si trasmette invariata a tutti i punti e in tutte le direzioni fino alle pareti del recipiente (legge di Pascal) • in un gas, se si aumenta la pressione diminuisce il volume(legge di Boyle) • in un fluido, la pressione aumenta con la profondità (legge di Stevino) • un fluido si muove dai punti a pressione maggiore verso quelli a pressione minore • .

35. … ancora sulconcetto dipressione La pressione vista come “densità di energia” Analisi dimensionale della legge dei gas: P V = R T Il prodotto P V ha le dimensioni di una energia,quindi P è una “energia per unità di volume”. Comprimendo l’aria nel palloncino o nella bottiglietta si “pompa dentro” dell’energia!

36. … energiae pressione Che tipo di energia si “pompa dentro” il gas contenuto nel recipiente? - se la compressione è fatta lentamente, in modo che la temperatura non cambi (legge di Boyle) è solo energia meccanica, che ci verrà restituita ancora come energia meccanica quando si lascerà espandere nuovamente l’aria (“la molla che c’è nell’aria”, diceva Boyle!) - se la compressione è rapida, il gas si scalda, la temperatura aumenta, parte dell’energia pompata si trasforma in energia termica dell’aria racchiusa nel recipiente e non ci verrà più restituita come energia meccanica quando si lascerà espandere nuovamente l’aria

37. … pressione e densità di energia • Ripensiamo alle leggi dei fluidi considerando la pressione come una densità di energia: • in un fluido, la pressione si trasmette invariata a tutti i punti e in tutte le direzioni (legge di Pascal): perché la densità di energia tende a essere uniforme! • in un gas, se si aumenta la pressione diminuisce il volume (legge di Boyle): a parità di energia, se il volume diminuisce, la densità di energia deve crescere! • un fluido si muove dai punti a pressione maggiore verso quelli a pressione minore: perché si tende a equilibrare la concentrazione (densità) di energia!

38. … giocare con la pressione bottigliette comunicanti zampilli diavoletto di Cartesio la siringa e la pressione atmosferica