Insegnare scienze in “laboratorio”

dedicati alla didattica nella scuola di base: sito web http://www.iapht.unito.it/giocattoli“weblog” http://pergioco.splinder.it

come

perché

che cosa

Esempi

Giuseppina RinaudoDipartimento di FisicaUniversità di Torinoe-mail: rinaudo@ph.unito.it

Serravalle, 25 febbraio 2003

perché all’allievo interessa :•capire come funzionano le cose •spiegare perché funzionano in un certo modo

•mettere in relazione le diverse conoscenze

.

perché: motivazioni

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

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

addestrativi•fare, manipolare, misurare; •usare strumenti di misura;•registrare le misure, rappresentarle graficamente, tenere un quaderno di laboratorio

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

conoscenza e memoriapensiero divergente•osservare, scoprire, indagare•formulare “ipotesi”•sulla base della propria conoscenza e memoria

pensiero convergentepensiero critico•dare “forma” alle idee: identificare e separare variabili, misurare, correlare, analizzare•confrontare con le proprie conoscenze

la fionda

partire sempre da oggetti concreti ...

come: la metodolo

gia

• il laboratorio “attrezzato” misura, analisi

dei dati, formalizzazione a posteriori,

addestramento; potenzia il “pensiero convergente”

e il “pensiero critico”

come: strutture e ambienti

• 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.

• 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”

come: strutture e ambienti

• 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)

Esempi di attività di laboratoriorelativi a grandezze di livello base

misurare volumi per immersion

e

lo “spirometro” per misurare il volume

dell’aria nei polmoni

misurare il volume dell’aria

bilanciare per

misurare la massa

lo “gnomone origami” per misurare la lunghezza delle

ombre

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 . . . .

passi distanza tempo percorsa impiegato

camminata 10 passi 6,25 m 7 s

corsa 5 passi-corsa 6,25 m 3 s

Tipici valori in una camminata

Velocità: quanti passi in un secondo?

rappresentati graficamente …..

s

m

5

10

5

camminatacorsa

posizione-tempo

volendo “modellizzare” …..

posizione-tempo

s

m

5

10

5

camminatacorsa5

4

3

2

1

10

98

76

5

4

3

21

passi

… 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

… dall’oggetto al concetto

Fdito-elastico

Fmano-bastoncino

Fbastoncino-mano

Felastico-dito

Fbastoncino-elastico

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

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

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

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

L’energia è una grandezza fisica “costruita” teoricamente perché utile ed economica

esempi dalla meccanica

la giostra a gravità:

trasformare

trasferire

immagazzinare

esempi dalla meccanica

la catapulta:

trasformare

trasferire

immagazzinare

esempi dalla meccanica

il bottone sempre in moto:

trasformare

trasferire

immagazzinare

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

scaldare la sabbia:

trasformare

trasferire

esempi su temperatura e calore

… 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

diavolettodi Cartesio

la siringa e la pressione atmosferica

zampilli

bottigliettecomunicanti