Insegnare scienze
in “laboratorio”
perché
come
Giuseppina Rinaudo
Dipartimento di Fisica
Università di Torino
e-mail: [email protected]
che cosa
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
perché: motivazioni
perché all’allievo interessa :
• capire come 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)
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
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
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”
come: la
metodologia
partire sempre da
oggetti concreti ...
la fionda
conoscenza e memoria
pensiero divergente
•osservare, scoprire, indagare
•formulare “ipotesi”
•sulla base della propria
conoscenza e memoria
pensiero convergente
pensiero critico
•dare “forma” alle idee:
identificare e separare
variabili, misurare,
correlare, analizzare
•confrontare con le proprie
conoscenze
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.
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, ….)
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
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
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)
misurare
volumi per
immersione
Esempi di attività di laboratorio
relativi a grandezze di livello base
misurare
il volume
dell’aria
lo “spirometro” per
misurare il volume
dell’aria nei polmoni
lo “gnomone origami”
per misurare la
lunghezza delle ombre
bilanciare
per
misurare
la massa
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
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 . . . .
Tipici valori in una camminata
passi
distanza
percorsa
tempo
impiegato
camminata
10 passi
6,25 m
7s
corsa
5 passi-corsa 6,25 m
3s
Velocità: quanti passi in un secondo?
rappresentati graficamente …..
m
10
posizione-tempo
corsa
camminata
5
s
5
volendo “modellizzare” …..
m
10
posizione-tempo
corsa
camminata
5
5
10
4
passi
3
5
2
6
8
9
7
4
3
1
1
2
s
5
… 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
Fdito-elastico
Fbastoncino-elastico
Felastico-dito
… dall’oggetto al concetto
Fbastoncino-mano
Fmano-bastoncino
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
… ma non è solo questione di forza
prima
dopo
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 ..
energia
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
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
esempi dalla meccanica
la giostra a gravità:
trasformare
trasferire
immagazzinare
esempi dalla meccanica
la catapulta:
trasformare
trasferire
immagazzinare
esempi dalla meccanica
il bottone
moto:
sempre
trasformare
trasferire
immagazzinare
in
esempi dalla meccanica
il barattolo che torna
indietro:
trasformare
trasferire
immagazzinare
esempi dalla meccanica
la motocicletta:
trasformare
trasferire
immagazzinare
esempi dalla meccanica
il razzo sulla bottiglia:
trasformare
trasferire
esempi dalla meccanica dei fluidi
i vasi comunicanti:
trasformare
trasferire
immagazzinare
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
esempi su temperatura e calore
la giostra con le candele:
trasformare
trasferire
immagazzinare
esempi su temperatura e calore
scaldare la sabbia:
trasformare
trasferire
… 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
… 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
.
… ancora sul concetto di pressione
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!
… energia e 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
… 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!
… giocare con la pressione
bottigliette
comunicanti
zampilli
diavoletto
di Cartesio
la siringa e la pressione
atmosferica