ITIS GALILEO FERRARIS – NAPOLI
Corso formazione per il
piano
I
nsegnare
S
cienze
S
perimentali
Luce,Colore,Visione
Tutor: Luigi Capuozzo
Docente di Fisica nell’Itis G. Ferraris di Napoli
Segretario della sezione A.I.F. Associazione per
l’Insegnamento della Fisica di Napoli 2
Napoli 10 maggio 2007
Luce,Colore,Visione
Quello presentato è uno stereogramma: è possibile osservare l’immagine in 3D e ciò
consente di vedere al di là della rappresentazione ripetuta di elementi decorativi del
disegno, una molla elicoidale che si staglia nello spazio.
Porto questo stereogramma come metafora del passaggio che si deve compiere nel
processo di insegnamento–apprendimento per conseguire risultati più accettabili.
Probabilmente per questo non servono nuovi contenuti o metodi ma si tratta di guardare
a ciò che si ha con prospettive nuove ed unificanti, in maniera analoga alla
tridimensionalità nascosta nello stereogramma che si rende visibile quando si guarda ad
esso con lo sguardo fisso non sugli elementi particolari che costituiscono il disegno ma
in un punto che sta oltre il piano del foglio o, al limite, più vicino.
Che si debba cambiare ce lo dicono diversi fattori:
• le indagini internazionali OCSE-PISA che, misurando il grado di apprendimento
dscientifico dei giovani nella fascia di età adolescenziale, collocano l’Italia nelle ultime
dposizioni della graduatoria;
• il numero sempre più basso di immatricolati nelle facoltà universitarie scientifiche (in
dparticolare Chimica, Fisica e Matematica);
• gli atteggiamenti di disinteresse degli allievi verso le proposte didattiche, sempre più
ddiffusi;
• la mancanza di studio e di applicazione anche da parte degli allievi più interessati;
Il piano I.S.S.
Per fronteggiare queste emergenze il MIUR, Ministero dell’Istruzione, dell’ Università e
della Ricerca, ha avviato il progetto Lauree Scientifiche, destinato in particolare al triennio
delle scuole medie secondarie, ed il piano I.S.S. Insegnare Scienze Sperimentali,
destinato sostanzialmente alle scuole primarie, alla scuola media ed al biennio della
scuola media secondaria.
Punti cardini del piano ISS che si trova attualmente nel suo primo anno di attività, a livello
sperimentale, appaiono i seguenti:
• sviluppo di curricoli verticali;
• centralità del laboratorio nella didattica scientifica;
• utilizzo di una metodologia di ricerca –azione.
Scuola
primaria
Scuola
media
primaria
Scuola
media
secondaria
(biennio)
Murales di F. Pignataro a Via Cervi Napoli
Lo sviluppo di curricoli verticali implica che l’insegnamento scientifico nei diversi ordini di
scuola (primaria e scuola media primaria e secondaria) persegua obiettivi identici per un
apprendimento scientifico completo: essi cioè devono differire solo per grado non per
completezza. Naturalmente ciò richiede il passaggio ad una didattica di laboratorio: gli
obiettivi da perseguire sono così quelli del metodo scientifico sperimentale.
OSSERVARE
CLASSIFICARE
MISURARE
RAPPRESENTARE
DATI
(tabelle e grafici)
INTERPRETARE
Il momento sperimentale, la produzione di exhibit o di simulazioni devono costituire i
momenti iniziali del processo di insegnamento affinché l’allievo familiarizzi con l’ambito
fenomenico affrontato e risulti quindi in posizione centrale nel processo di apprendimento.
Naturalmente questa procedura è laboriosa e richiede grandi risorse di tempo.
E il programma?
Io credo che l’acquisizione del metodo sperimentale e la
capacità di relazionare utilizzando un linguaggio scientifico
adeguato sia un obiettivo ambizioso e più che valido per la
prima formazione scientifica: credo che si debba
conseguire
•la completezza del metodo (quello sperimentale);
•non la completezza del programma!
D’altra parte ci si dovrebbe interrogare su che cosa
determini un programma: esso è l’articolazione dei
contenuti di una disciplina fondata sulle sue esigenze
logico – formali piuttosto che su quelle della formazione
dell’allievo.
Il programma è il prodotto di una visione riduzionista della
scienza, fondata su modelli astratti ed ideali e perde di vista
la complessità globale dei fenomeni.
La filosofia greca (da cui nasce la nostra scienza) ha esordi di tipo olistico: esiste una
radice unica del mondo? Quale? L’atomo per Democrito, l’acqua per Talete, l’aria per
Anassimene ……… il quark per la fisica moderna.
Per conseguire questa riduzione del complesso a semplice la scienza analizza il tutto, lo
classifica in ambiti fenomenici sempre più specifici e particolari, a cui applica astrazioni e
strumenti logici formali, traendone modelli interpretativi. Il complesso di teorie prodotto da
questo millenario lavoro di ricerca costituisce la nostra attuale risposta alle domande
originarie.
Lo sviluppo della conoscenza scientifica avviene quindi mediante l’individuazione di
sistemi sempre più particolari (che si estendono nel microcosmo e macrocosmo) che
vengono idealizzati e formalizzati attraverso modelli, spesso matematici; questo processo
è noto come riduzionismo e si contrappone, naturalmente, alla complessità del reale.
Perché ad esempio lo studio della Fisica inizia con la Meccanica?
Non possiamo rispondere che si rispetta un’evoluzione storica, perché se è pur vero che
la prima formulazione scientifica moderna è proprio la Meccanica di Newton è altrettanto
vero che lo stesso Newton scrive un’opera di Ottica altrettanto completa e che l’Ottica
frequentemente non è neppure accennata nei programmi. E allora?
Non esiste una didattica efficace ed efficiente in senso assoluto ma essa deve adeguarsi
al clima storico e sociale nel quale si svolge. Nel contesto attuale alla didattica direttiva, in
cui i docenti sono essenzialmente mediatori del sapere scientifico, deve sostituirsi una
didattica orientativa, in cui i docenti sono catalizzatori dell’apprendimento facendone
comprendere valore e limiti.
Il metodo di ricerca-azione, che appare congeniale alla didattica di laboratorio come da noi
intesa, implica lo sviluppo di una didattica per problemi, finalizzata alla realizzazione di un
obiettivo.
SITUAZIONI
STIMOLO
DEFINIZIONE
DELLE RISORSE,
DEI TEMPI,
DEI METODI.
SCELTA
DELL’OBIETTIVO.
SVILUPPO
DELLE
ATTIVITÀ.
PROGETTAZIONE
DELLE
ATTIVITÀ.
CONTROLLO
DELLE
ATTIVITÀ
CONCLUSIONE
VALUTAZIONE
DEI
RISULTATI
Luce,Colore,Visione
Per creare situazioni che stimolano la curiosità e l’apprendimento, sono molto utili, per ogni
ordine di scuola, le illusioni ottiche. Alcuni esempi:
La figura colorata in grigio ha un’unica tonalità; quando
essa è disposta su uno sfondo per metà bianco e per
metà nero, il grigio assume tonalità differenti perché il
cervello tende a considera più chiaro ciò che è sullo
sfondo scuro e viceversa.
Il rettangolo superiore ci appare più
grande perché il cervello relativizza le
dimensioni in relazione agli oggetti dello
sfondo.
Le linee parallele ci appaiono divergere o convergere a
causa dei diversi orientamenti dei segmenti obliqui
Lo stesso spigolo sembra ora rientrare verso l’interno ora sporgere in
avanti. Il cervello nell’assegnare tridimensionalità alla figura risulta
incerto sulla profondità spaziale e alterna le differenti configurazioni.
I segmenti rossi hanno tutti la stessa lunghezza; la diversità è
solo apparente e dipende dalla scenografia: le frecce capovolte
nel primo caso; le rette convergenti verso il fondo della figura
nel secondo e terzo caso.
La figura C sembra avere un’altezza minore di A mentre esse
sono uguali: questo perché C è più vicino alla figura B di
quanto non sia A e quest’ultima, d’altra parte, è situata su uno
sfondo che tende a farla apparire più alta.
B
A
C
Domanda: Considerando la punta dei becchi, quali galline sono più distanti?
Verificare la risposta data in termini di percezione individuale, mediante una
misurazione (passaggio dalla percezione alla misurazione).
Il cervello tende a considerare più lontani i becchi delle galline disposte
frontalmente a causa della maggiore distanza dei loro corpi. In
entrambi i casi, però, i becchi si trovano alla stessa distanza.
La testa di questi cavalli sembra muoversi quando l’osservatore passeggia davanti
a loro: l’effetto è determinato dalle superfici di diversa pendenza che formano la
testa dei cavalli. Il cervello in relazione alla posizione di osservazione considera
rientranze o sporgenze gli spigoli che separano le superfici di diversa pendenza e
ciò determina l’illusione del movimento delle teste dei cavalli
Molti altri esempi potrebbero essere fatti. È possibile rafforzare l’efficacia di
questa fase introduttiva proponendo agli allievi la riproduzione degli effetti
mediante collage, disegni, exhibit, prodotti multimediali ecc.
Si può ora definire l’obiettivo per lo sviluppo dell’azione didattica. Un esempio: la
rifrazione.
Si possono proporre semplici esperienze iniziali:
Perché il
spezzato?
bastone appare
Perché versando acqua nel
bicchiere la moneta, prima
nascosta dal nastro isolante,
appare allo sguardo?
Perché l’astina rossa non è
visibile quando il sughero
galleggia sull’ acqua?
Molti altri esempi potrebbero essere fatti. È possibile rafforzare l’efficacia di
questa fase introduttiva proponendo agli allievi la riproduzione degli effetti
mediante collage, disegni, exhibit, prodotti multimediali ecc.
Si può ora definire l’obiettivo per lo sviluppo dell’azione didattica. Un esempio: la
rifrazione.
Si possono proporre semplici esperienze iniziali:
Perché il
spezzato?
bastone appare
fiigura 1
Perché versando acqua nel
bicchiere la moneta, prima
nascosta dal nastro isolante,
appare allo sguardo?
fiigura 2
Perché l’astina rossa non è
visibile quando il sughero
galleggia sull’ acqua?
fiigura 3
Il fenomeno della rifrazione consiste nella deviazione che subisce un raggio di
luce quando attraversa la superficie di separazione di due corpi trasparenti aventi
differente densità (comunemente aria-acqua, aria-vetro, acqua-vetro…..). Il
raggio di luce rifratto, cioè il raggio di luce che ha attraversato la superficie di
separazione tra il mezzo meno denso e quello più denso, si avvicina alla normale
alla superficie di separazione dei due mezzi, formando con essa un angolo, che
indichiamo con r e che chiamiamo angolo di rifrazione, minore dell’angolo formato
dal raggio incidente con la normale alla superficie di separazione nello stesso
punto, angolo che chiamiamo di incidenza ed indichiamo con i.
La rifrazione è regolata dalla legge di
Snell:
ˆ
n
normale alla superficie
di separazione nel
punto di incidenza
raggio di luce incidente
seni
 n12
ˆ
senr
in cui n12 è l’indice di rifrazione del mezzo
2 rispetto al mezzo 1. La relazione di Snell
si può scrivere anche intermini d velocità
della luce nei due mezzi:
i
sen î v 2

 n12
senr̂ v1
r
raggio di luce rifratto
Questa relazione vale per un raggio di
luce avente una frequenza definita. La
luce bianca si scompone così nelle sue
componenti fondamentali (esperienza del
prisma di Newton).
Il fenomeno della rifrazione è importante per interpretare numerosi fenomeni fisici
e per le applicazioni tecnologiche che si basano su di essa. Nella seguente
mappa concettuale si tenta di rappresentare questa complessità:
Composizione
dei
colori
fondamentali
Difetti
della vista
Esperienza
con il prima
di Newton
L’arcobaleno
Scomposizione
della luce bianca
Disco di
Newton
La funzione
del cristallino
nell’occhio
Lenti per la
correzione
dei difetti
della vista
RIFRAZIONE
Le illusioni
ottiche
di natura
fisica
Lenti convergenti
e divergenti
La riflessione
totale
Il miraggio
ecc.
Lenti
per l’
ingrandimento
Le lenti
………..
Le fibre ottiche
Le esperienze rappresentate in figura 1 e 2 hanno la loro spiegazione nella rifrazione; quella
di figura 3 invece si spiega con un fenomeno di riflessione totale. Possiamo utilizzare
quest’ultimo esempio per presentare una ipotesi di didattica per problemi.
Quale deve essere l’altezza massima dell’astina posta al di sotto del sughero perché essa
non sia visibile?
È chiaro che si può procedere per tentativi: ma questo richiede tempo; è il motivo per cui il
progresso dell’umanità è avvenuto molto lentamente, per la lunga sequela di prove ed errori.
I modelli scientifici consentono invece di prevedere ed orientare le scelte: ecco perché lo
sviluppo della scienza degli ultimi due secoli ha impresso un ritmo impressionante
all’avanzamento del progresso.
Come possiamo utilizzare la conoscenza scientifica per risolvere il problema posto? L’indice
di rifrazione aria - acqua è pari a 1.33 , quello acqua – aria sarà allora: 1 1.33  0.75 a cui
corrisponde un angolo limite di circa 50°. Detti r il raggio del tappo di sughero ed h l’altezza
dell’astina perché l’astina non sia visibile deve essere evidentemente:
r
h
r  h  sen50   h  0,766
Fissato il raggio del tappo di sughero, risulta così fissata l’altezza massima dell’astina
sottostante e viceversa. La dimensione del contenitore nel quale il tappo sarà posto a
galleggiare non ha invece importanza in questo problema.
Le precedenti considerazioni dovrebbero indurci ad alcune riflessioni:
• Di fronte alla complessità del reale è giusto proporre agli allievi nella fascia iniziale
Ddell’apprendimento scientifico “fette” del sapere fortemente idealizzate e formalizzate e
Dche, proprio per questo risultano astratte e lontane dalla quotidianità?
• O si deve, piuttosto, recuperare, quando possibile, quella complessità ricorrendo ad una
Ddidattica per problemi e per modelli ?
• Non è forse questa didattica più congeniale agli allievi del nostro tempo che vivono in una
Dsocietà nella quale prevalgono immagini, globalità e sinteticità?
Sono domande non risposte: le risposte dovremmo trovarle con uno sforzo comune: infatti il
piano ISS non è un progetto, non delinea rigidamente contenuti e metodologie didattiche
ma vuole stimolare i docenti a trovarle.