LO SCRIGNO DI PROMETEO

COLLANA DI DIDATTICA, DIVULGAZIONE E STORIA DELLA FISICA

Direttore

Ettore GUniversità degli Studi di MilanoPiero Caldirola International Centre for the Promotion of Science

Comitato scientifico

Sigfrido BUniversità degli Studi di Pavia

Giovanni FUniversità degli Studi di Ferrara

Marco Alessandro Luigi GUniversità degli Studi di Milano

LO SCRIGNO DI PROMETEO

COLLANA DI DIDATTICA, DIVULGAZIONE E STORIA DELLA FISICA

La conoscenza completa delle leggi fisiche è la meta più alta a cui possa aspirare unfisico, sia che essa abbia uno scopo puramente utilitario. . . sia che egli vi cerchi lasoddisfazione di un profondo bisogno di sapere e la solida base per la sua intuizionedella natura.

Max P

La Fisica ha come scopo capire il rapporto tra l’uomo e la natura,non solo da un punto di vista scientifico, ma anche filosofico, e hacambiato in modo irreversibile la nostra vita tramite le sue ricadutetecnologiche.La spiegazione e la divulgazione dei concetti che stanno alla sua base,dati quasi per scontati, ma lungi dall’essere noti o compresi da molti,e l’evoluzione delle tecniche sperimentali, che hanno permesso discoprire le leggi che regolano i fenomeni naturali e delle teorie via viaelaborate, sono perciò argomenti di studio e riflessione di rilevanzaprimaria.Questa collana si rivolge a chi abbia desiderio di approfondire o discu-tere questi temi ed è aperta a chi voglia collaborarvi con contributioriginali.

Pubblicazione realizzata grazie ai fondi della Facoltà diScienze Matematiche, Fisiche e Naturali dell’Università di

Roma “La Sapienza”, per la linea di ricerca Laboratoriomultimediale di Storia, Epistemologia e Didattica della

Fisica, e del Centro di Ateneo per la Ricerca sullaFormazione e sull’Innovazione Didattica (CARFID)

dell’Università di Roma “La Sapienza”.

Michelangelo De MariaMaria Grazia Ianniello

Storia e didattica della fisica

Strumenti per insegnare

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I edizione: dicembre

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Indice

SEZIONE I

Per un Laboratorio di Storia, Epistemologia e Didattica della Fisica 9 M. De Maria, M. G. Ianniello

Premessa 9 1. Gli anni Sessanta e le riforme dei curricola scientifici 10 2. Snow e il gap tra le due culture: un problema superato? 13 3. Il metodo storico nell’insegnamento della scienza: 15

dai case studies al PPC 4. A favore o contro il metodo storico: un dibattito irrisolto 19 5. Oltre gli anni Novanta: il revival dei case histories 26 6. Esperienze didattiche e materiali di sostegno al metodo storico 29 6a. Case Histories per tutte le età 29 6b. La ricostruzione di esperimenti storici 32 6c. Manuali, letteratura primaria e secondaria 37 6d. Storia, didattica e comunicazione scientifica 42 7. Conclusioni 45 Bibliografia di riferimento 47

SEZIONE II

La nascita dell’elettromagnetismo classico: 57 un’analisi storico-epistemologica

Strumenti per insegnare: materiali di studio del modulo 57 di “Epistemologia e Storia della Fisica” Michelangelo De Maria

1. Approccio Meccanicistico e Dinamistico alla Scienza 57 1.1 Meccanicismo in fisica matematica 57 1.2 Dinamismo in filosofia e in filosofia della scienza 67 1.3 Unificazione, analogia e modelli meccanici per meccanicisti e dinamisti 79 2. Approccio meccanicistico e dinamicistico in elettrostatica, 84

galvanismo e magnetismo 2.1 I fenomeni elettrici e magnetici prima di Maxwell 84

Indice 6

2.2 Oersted e l’unificazione tra elettricità e magnetismo 93 2.3 Il contributo di Ampère 99 2.4 Faraday e lo sviluppo dell’elettromagnetismo classico 108 Bibliografia 129 Letture 133

SEZIONE IIILa fisica e il contesto: l’evoluzione dei concetti di pressione, 185 temperatura, calore, lavoro, potenza, energia, elettricità e magnetismo Strumenti per insegnare: materiali di studio 185 del modulo di “Strumentazione e Teorie Fisiche” Maria Grazia Ianniello

1. La genesi storica del concetto di pressione atmosferica 193 1.1 La questione del vuoto 1931.2 L’incompatibilità del vuoto nell'universo aristotelico 195 1.3 La fisica pneumatica 197 1.4 La fuga vacui e l’emergere della filosofia sperimentale 197 1.5 Un sifone che non fa l’effetto desiderato 198 1.6 L’esperienza di Torricelli dell’argento vivo 201 1.7 Il dibattito si sposta in Francia: Pascal 202 2. L’evoluzione delle pompe e le principali connessioni 207

con altri settori di ricerca 2.1 Gli esperimenti pneumatici di Guericke 207 2.2 Il contributo di Boyle 210 2.3 L’evoluzione delle pompe 212 Bibliografia e suggerimenti 216 3. Dalla fisica dei sensi alla termometria: temperatura e calore 218 3.1 I “gradi di calore” 218 3.2 I primi termometri e il problema della scala di temperatura 2203.3 Alla ricerca di una temperatura assoluta 224 3.4 La natura del calore 224 3.5 La nascita della calorimetria 226 3.6 Dal calore come sostanza al calore come moto 228

4. Alla radice dei concetti di lavoro, potenza, energia 228 4.1 Apertura alla storia della tecnica 228 4.2 Fonti di potenza motrice e macchinari 229

dal periodo classico al primo Rinascimento

Indice 7

4.3 Rinascimento tecnico e rivoluzione scientifica 231 4.4 Le macchine motrici nel periodo preindustriale e l’avvento del vapore 232 4.5 Il problema del moto perpetuo 233 Bibliografia e suggerimenti 240

5. Macchine reali e macchine ideali 242 5.1 Tradizione vettoriale scalare in meccanica: 242

la definizione dei ‘veri’ parametri del moto 5.2 La meccanica applicata alle macchine e l’emergere dei concetti 245

di lavoro, rendimento, potenza 5.3 Carnot e il rendimento delle “macchine a fuoco” 250 5.4 Tra esperimento e filosofia naturale: 251

correlazione e conversione delle forze naturali 5.5 Gli esperimenti di Joule e di Mayer sull'equivalente del calore 252 5.6 Il principio generale di conservazione dell’energia 253 Bibliografia e suggerimenti 254

6. Elettricità e Magnetismo 255 6.1 La nascita dell’elettricità 256 6.2 La nascita del magnetismo 257 6.3 Le applicazioni dell'elettricità 260 6.4 La sintesi di Maxwell dell'elettromagnetismo ottocentesco 262 6.5 Le applicazioni dell’elettromagnetismo 263 6.6 La verifica sperimentale delle equazioni di Maxwell: Hertz e Righi 269 6.7 1895: l’esperimento di Marconi della collina 271 6.8 Lo sviluppo dei tubi elettronici 273 Bibliografia e suggerimenti 275

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SEZIONE I

Per un Laboratorio di Storia, Epistemologiae Didattica della Fisica

M. De Maria, M. G. Ianniello*

Premessa

Presentiamo di seguito una rassegna sull’uso della storia della scienza nell’insegnamento con l’obiettivo di definire un quadro che orienti i docenti nel difficile compito di scegliere una possibile strate-gia didattica che attiri l’interesse degli studenti e soprattutto contribui-sca a una migliore comprensione della disciplina o, usando il linguag-gio delle teorie costruttiviste, favorisca negli allievi un cambiamento concettuale. Ricordiamo tuttavia che il metodo storico è una delle pos-sibili strade da intraprendere, non la sola e non sempre. Più in genera-le, quando si parla di didattica delle scienze sperimentali, la discussio-ne si polarizza fondamentalmente attorno a due questioni: l’uso del la-boratorio e l’uso della storia. I due approcci hanno per altro subito e-voluzioni simili: enfasi spinta fino agli anni Settanta, critiche serrate negli anni Ottanta, revival e nuova attenzione dagli anni Novanta; in più condividono buona parte degli obiettivi didattici. Rispetto alle due strategie si sono inoltre formati due schieramenti di sostenitori e di de-trattori che hanno finito per radicalizzare la discussione come se una scelta dovesse escludere l’altra, e hanno descritto le due attività estre-mizzandone i tratti. Chi vuole sminuire l’uso del laboratorio tende a sottolineare l’aspetto solo prescrittivo delle attività sperimentali e par-lerà, con riferimento alle famigerate guide di laboratorio, di scienza

* Dipartimento di Fisica, Università di Roma La Sapienza. Gli autori desiderano ringraziare Giovanni Battimelli per i suggerimenti e le osservazioni al testo; Fulvio Medici per il sostegno grafico.

M. De Maria, M. G. Ianniello 10

come libro di ricette, di abilità manuali (hands–on) preferite alle abili-tà intellettuali (brains–on), ecc. mentre chi vuole svalutare il metodo storico parlerà di storia per aneddoti, di storia come semplice contorno accattivante per far digerire meglio le durezze della disciplina. Noi ri-teniamo entrambi gli approcci irrinunciabili nella pratica didattica e spetta all’insegnante scegliere l’uno o l’altro, o anche una combina-zione dei due, per esempio nella ricostruzione di esperimenti storici. Nel seguito esporremo le motivazioni favorevoli o contrarie al metodo storico allo scopo di focalizzarne pregi e difetti, per mettere in guardia i docenti sia verso un uso troppo spinto della storia sia verso il rischio di un insegnamento disancorato da qualsiasi contestualizzazione stori-ca. Per formazione e professione degli autori, la maggior parte della presentazione, pur essendo valida per le altre scienze sperimentali, fa riferimento alla fisica. I molti cenni alla situazione statunitense inoltre non denunciano alcun tipo di subalternità culturale. Va dato comunque atto ai colleghi americani di avere fatto da apripista rispetto a molte questioni, se non altro perché per progettare, realizzare e sperimentare curriculi d’insegnamento è necessario avere fondi. Quando è stato possibile abbiamo tuttavia integrato le informazioni citando esperien-ze nazionali. Le proposte che presentiamo sono svariate, dai case hi-stories alle più recenti esperienze ‘medializzate’, molte generalizzabili e adattabili anche alla nostra scuola. Il suggerimento che diamo è di affrontare con attenzione il panorama complessivo e di operare con e-clettismo le proprie scelte usando la storia come e dove serve.

1. Gli anni Sessanta e le riforme dei curricola scientifici

A partire dagli anni Sessanta negli Stati Uniti si verificò uno sforzo così imponente di alfabetizzazione scientifica da far designare in se-guito quel periodo come The golden Age of Science Education (Kyle, 1991). C’era stato l’ “effetto Sputnik” che nel 1957 aveva improvvi-samente allarmato e spinto le varie istituzioni governative statunitensi a porsi il problema urgente di promuovere l’insegnamento della scien-za per non perdere la competizione con l’Unione Sovietica. Bisognava dunque investire sulle giovani generazioni nello sforzo comune di as-sicurare al paese i futuri quadri in grado di sostenere le nuove sfide

Per un Laboratorio di Storia, Epistemologia e Didattica della Fisica 11

tecnologiche che solo l’impresa scientifica poteva raccogliere. Nel gi-ro di pochi anni vennero avviati decine di progetti di riforma currico-lare nelle scienze (Shulman e Tamir, 1971) con un impiego di risorse finanziarie e umane mai verificatosi nel mondo occidentale moderno. Questo imponente movimento di riforma, messo in moto dall’urgenza di recuperare il ritardo nell’istruzione scientifica, partì dall’alto, dalle commissioni governative per investire le università e, in cascata, le scuole di ogni ordine e grado nel tentativo comune di trovare il modo più efficiente e coinvolgente per insegnare la fisica, la chimica, la bio-logia. Le commissioni di esperti disciplinari furono presto affiancate dai pedagogisti e dagli esperti dei settori dell’epistemologia e della storiografia della scienza, con un movimento trasversale che portò a una vera e propria rivoluzione culturale che si manifestò nella revisio-ne critica dei modi di insegnare, di percepire la scienza e la sua evolu-zione, con consonanze e comunanze di intenti impressionanti (Ianniel-lo, Tarsitani, 1983). Un tratto comune a questi movimenti di riforma fu la reazione a cliché giudicati vecchi, conservatori, statici, puramen-te deduttivi, in grado solo di fornire conoscenze preselezionate secon-do criteri di economia e di razionalità che poco avevano a che fare con la pratica scientifica.

Nell’ambito della ricerca educativa, queste istanze di rinnovamento si risolsero in una contrapposizione netta con l’insegnamento tradizio-nale a favore di un insegnamento attivo, incentrato sullo studente, sul metodo e sul linguaggio anziché sui contenuti, sul “metodo della sco-perta” (Bruner, 1961), sulla ricerca fluida (Schwab, 1962, 1964), sulle attività sperimentali condotte dagli allievi che si confrontano con un do-cente che, primus inter pares, guida e coordina senza tuttavia imporre ricette precostituite e schemi interpretativi a senso unico. Insieme ai me-todi tradizionali di fare didattica vennero messi sotto accusa anche i manuali giudicati atemporali, di impianto ipotetico–deduttivo e con una preferenza verso la catena causale ipotesi–conseguenze–verifica–appli-cazioni, in grado di riflettere una immagine della scienza “che non è ve-rosimilmente più adeguata a rappresentare l’attività di chi li ha prodotti di quanto non lo sia l’immagine e la cultura di una nazione ricavata da un opuscolo turistico” (Kuhn, 1962; tr. it. 1969, p. 19).

Nell’ambito della epistemologia e della storiografia scientifica venne avanzato con prepotenza un nuovo modo di interpretare i mec-

M. De Maria, M. G. Ianniello 12

canismi di crescita della scienza, enfatizzandone l’aspetto fluido, di ricerca aperta a una molteplicità di metodi, il relativismo e la realtà dinamica della conoscenza. L’approccio positivista di stampo ottocen-tesco venne duramente criticato e messa in discussione l’esistenza di leggi e principi indiscutibili, di prove sperimentali conclusive e univo-che, di esperimenti “cruciali”, di dati osservativi obiettivi e neutri (Hanson, 1958). Fu rivendicato, al contrario, alla scienza il fatto di procedere per tentativi ed errori e di essere un processo fluido di ricer-ca raramente definitivo. Furono emblematiche le posizioni propagan-date, tra gli altri, da T. Kuhn con il suo libro La struttura delle rivolu-zioni scientifiche (Kuhn, 1962), in cui si affermava che ogni periodo storico ha la sua “scienza normale” che per crisi, rivoluzioni e fasi di “scienza straordinaria” muta profondamente l’immagine della scienza.

In questo clima di rinnovamento vennero individuate due grandi stra-tegie didattiche: l’uso diffuso del laboratorio e l’uso della storia. Nacque-ro così per le high school1 in particolare per la fisica, da un lato, il PSSC2,un corso progettato da J. Zacharias del Mit, fortemente innovativo, che proponeva per la prima volta un laboratorio dove a lavorare sono gli al-lievi; dall’altro, l’Harvard Project Physics (HPP)3, a orientamento stori-

1 L’ordinamento scolastico statunitense è suddiviso in “gradi” a partire dal Kindergar-ten. Si distingue in K grade 1-8 equivalente complessivamente alle nostre scuole elementa-re e media. Si può poi diversificare da stato a stato con varie denominazioni. Le junior schools corrispondono ai gradi 7-9; tra queste, le scuole technical, trade o vocational,triennali, sono simili ai primi anni dei nostri istituti tecnici e professionali. A livello superio-re le senior high schools comprendono i 4 gradi successivi 9-12; in questa fascia scolare le high schools equivalgono grosso modo ai nostri licei; sono distinte in due bienni, il primo, uguale per tutti, di cultura generale; il secondo, a indirizzo più specialistico e con corsi op-zionali. I College e le università corrispondono alla nostra formazione universitaria.

2 PSSC (Physical Science Study Committee): il comitato si costituisce nel 1957; ven-gono quindi formate le classi pilota e avviati il collaudo e la revisione del corso con ini-zio nel 1960. La prima edizione italiana è del 1963 con varie riedizioni pubblicate da Za-nichelli; per il mercato italiano il progetto si componeva di un libro di testo (rivisitato negli anni con diverse articolazioni del testo), una guida di laboratorio per lo studente, una guida per l’insegnante, kit sperimentali, film didattici, test di profitto, monografie scientifiche; i kit sperimentali sono oggi distribuiti da La Nuova Didattica s.r.l., Milano.

3 PPC (Project Physics Course), noto anche come Harvard Project Physics, ini-zia la sperimentazione intorno al 1964; nel mercato italiano viene pubblicato da Za-nichelli e prevede 6 unità didattiche: Il moto, Moto nei cieli, Il trionfo della mecca-nica, La luce e l’elettromagnetismo, I modelli dell’atomo, Il nucleo.