28/02/14

1

SENDS

Storia ed Epistemologia per una Nuova Didattica delle Scienze

SENDS Università di Torino - Alberto Regis

PAS 2013-14

DIDATTICA DELLA CHIMICA

Febbraio-marzo 2014

Milano

Obiettivi di apprendimento per la chimica al termine della classe terza

della scuola secondaria di primo grado

Padroneggiare concetti di trasformazione chimica; sperimentare reazioni (non pericolose) anche con prodotti chimici di uso domestico e interpretarle sulla base di modelli semplici di struttura della materia; osservare e descrivere lo svolgersi delle reazioni e i prodotti ottenuti. Realizzare esperienze quali ad esempio: soluzioni in acqua, combustione di una candela, bicarbonato di sodio + aceto INDICAZIONI NAZIONALI per il primo ciclo d’istruzione. MIUR – ROMA, 4 settembre 2012

IL PROGRAMMA DEL CORSO

  Il corso si propone di affrontare alcuni concetti chimici di base e di esemplificarne la trasposizione nel contesto didattico della scuola secondaria di primo grado.

  In particolare ci si concentrerà sul confronto tra trasformazione chimica e trasformazione fisica, introducendo il concetto di sostanza (a livello macroscopico e microscopico) e mostrando come la costruzione di un modello particellare da parte degli allievi e dei concetti di atomo e molecola possa condurre gli allievi stessi a differenziare i due tipi di trasformazione.

28/02/14

2

Quadro teorico - Testi di riferimento

http://www.aracneeditrice.it/aracneweb/index.php/catalogo/9788854824706-detail.html

http://www.erickson.it/Libri/Pagine/Scheda-Libro.aspx?ItemId=37496

Interpretazioni

  Interrogativo 1 – Come si può spiegare la dissoluzione dello zucchero nell’acqua?

  Interrogativo 2 – Come si può spiegare la

scomparsa, dopo un tempo più o meno lungo, dell’acqua da un contenitore aperto?

Chi parla male, pensa male?

  Ho parlato di «scomparsa» dell’acqua da un contenitore aperto. Qualcuno ha qualche osservazione da fare a proposito di quanto ho detto?   l’interrogativo 1 va bene? Sì.   l’interrogativo 2, va bene? No.

  Interrogativo 2 – Come si può spiegare la trasformazione dell’acqua liquida in vapore d’acqua (in gas, in aeriforme)?

  N.B: La distinzione tra vapore e gas è qui completamente fuori luogo.

Trasformazioni fisiche vs trasformazioni chimiche

  Alcuni esempi?

  Che cosa differenzia le une dalle altre?

28/02/14

3

Esempi di trasformazioni

  Ebollizione dell’acqua

  Disincrostazione di una superficie mediante aceto o limone

  Dissoluzione del sale in acqua

  Separazione di cristalli da una soluzione satura di sale

  Fusione del burro in una padella

  Cottura di un cibo

  Formazione della ruggine sugli oggetti di ferro

  Evaporazione dell’acqua in un bicchiere

  Combustione del gas domestico

  Combustione della carta

  Dilatazione di un oggetto metallico per riscaldamento

Una classificazione accettabile?

TRASFORMAZIONI FISICHE

TRASFORMAZIONI CHIMICHE

•  Ebollizione dell’acqua •  Dissoluzione del sale in

acqua •  Fusione del burro in

una padella •  Evaporazione

dell’acqua in un bicchiere

•  Separazione di cristalli da una soluzione satura di sale

•  Cottura di un cibo •  Formazione della

ruggine sugli oggetti di ferro

•  Disincrostazione di una superficie mediante aceto o limone

•  Combustione del gas domestico

Trasformazioni fisiche vs trasformazioni chimiche

  Analisi delle risposte   A quali concetti facciamo ricorso per

rispondere alla domanda?

Una definizione

  Trasformazione fisica: processo nel quale una o più sostanze conservano la propria identità

  Trasformazione chimica: processo nel quale le sostanze interagiscono, dando luogo a nuove sostanze.

28/02/14

4

CONCETTI

  SOSTANZA

  IDENTITÀ DELLA SOSTANZA

  VARIABILITÀ E INVARIANZA

SOSTANZA

  Come definirla?   In che modo questo termine viene usato dagli

allievi?   È facilmente definibile/riconoscibile a livello

macroscopico?   Come distinguere una miscela omogenea da

una sostanza?

Sono sostanze?

  Latte   Zucchero   Vino   Acqua   Sapone   Sale da cucina   Detersivo per piatti   Burro   Aria

  Miscela acqua/alcol   Una soluzione di zucchero in

acqua   Una miscela di zucchero e sale

finemente dispersi   Aceto   Coca cola   Un farmaco (nella sua

formulazione completa, non il solo principio attivo)

L’aspetto macroscopico può essere ingannevole, se associo a priori l’idea di omogeneità al concetto di sostanza/corpo puro.

Omogeneità vs purezza

  Miscela di acqua e ghiaccio: 1 sola sostanza, ma il sistema è eterogeneo

  Soluzione di sale da cucina in acqua: 2 sostanze, ma il sistema è omogeneo

  Oggetto in ottone (lega): 2 sostanze (soluzione solida di Zn e Cu), ma il sistema è omogeneo

Sistema omogeneo ≠ corpo puro

28/02/14

5

SOSTANZA

Il termine sostanza è spesso usato in modo improprio, ma chimicamente ha un significato preciso. È preferibile usare il termine corpo puro (perché più adatto a veicolare l’idea di corpo costituito da un unico componente).

Cosa dicono i libri di testo a proposito del concetto di sostanza?

Per differenziare le trasformazioni chimiche e fisiche occorre dapprima costruire il concetto di

sostanza (corpo puro) !

Livello macro Livello micro

Devo passare attraverso le proprietà

del corpo

Devo passare attraverso un modello di

struttura microscopica della materia, delle proprietà delle

particelle

SOSTANZA

  Una definizione di sostanza a livello macroscopico richiede il ricorso a proprietà quali: punto fusione, punto ebollizione, densità, ecc.

  Gli allievi non possiedono questi punti di riferimento e non possiedono in modo spontaneo il concetto di sostanza.

  Per costruirlo, è più vantaggioso passare dal livello macro al micro e rifarsi alla natura discontinua della materia.

Il dualismo macro/micro è strumento essenziale per l’interpretazione dei fenomeni chimici,

ma è anche un ostacolo cognitivo.

Proposta didattica: una sequenza da sviluppare su tre anni

I fase: proprietà dei corpi e loro trasformazioni a livello macroscopico

II fase: elaborazione del concetto di stato fisico; passaggio al livello microscopico, costruzione di un modello particellare della materia

III fase: elaborazione del concetto di sostanza a livello microscopico, sulla base del modello affinato

IV fase: elaborazione del concetto di trasformazione fisica mediante il modello appena sviluppato

V fase: analisi delle trasformazioni chimiche e confronto con il modello

VI fase: affinamento del modello attraverso la differenziazione di atomi e molecole ed elaborazione del concetto di trasformazione chimica mediante il nuovo modello

28/02/14

6

Obiettivo del percorso didattico

Pervenire a differenziare i due tipi di trasformazione (fisica e chimica) attraverso la costruzione di un modello (particellare) e di alcuni concetti fondanti a livello microscopico (atomo, molecola) e macroscopico (sostanza, stato fisico di un corpo).

La situazione

Di cosa si preoccupano, in genere, gli insegnanti di chimica della scuola secondaria e i docenti universitari?

Di fornire informazioni nozionistiche: la chimica è una disciplina impossibile da capire, costituita da una serie mostruosa di nozioni astruse da imparare a memoria. (Gianni Fochi)

La situazione

Domina la logica della restituzione.

Le informazioni sono accumulate in memoria ma non sono assimilate, ossia integrate nella struttura cognitiva degli studenti.

Conseguenza: apprendimenti superficiali, mnemonici, non significativi.

Il futuro

Gli insegnanti dovrebbero preoccuparsi che gli studenti comprendano ciò che studiano.

Comprendere: integrare nuove conoscenze nella struttura cognitiva modificandola e ristrutturandola con processi di assimilazione e accomodamento.

Dalla logica della restituzione

alla logica della comprensione In che modo?

28/02/14

7

Il modello didattico

Adottando un modo di insegnare la chimica che esalta la relazione dinamica fra conoscenze scientifiche e processi cognitivi.

Lo studente è considerato un ricercatore inesperto che apprende la chimica ricostruendo il sapere chimico.

Idea di fondo: studente che apprende in condizione analoga a quella di ricercatore che produce sapere scientifico.

Ricercatore/studente

In fase di apprendimento, modo di lavorare del lo studente analogo a quel lo del ricercatore.

Interrogativo: in che modo lavora uno scienziato?

Quali sono le caratteristiche essenziali del modo di lavorare degli scienziati?

I tratti caratteristici del lavoro degli scienziati

1.  Mettere in discussione l’idea di metodo scientifico

2.  Ruolo delle conoscenze teoriche 3.  Immaginazione e inventiva 4.  Il carattere sociale del lavoro degli scienziati

1- Una convinzione diffusa

Il modo di lavorare degli scienziati consiste nell’applicare il “metodo scientifico”. Sei tappe: osservazione, ipotesi, esperimento, risultati, interpretazione, conclusione. Applicandolo meccanicamente, lo scienziato sarebbe in grado di passare dall’evento empirico, ossia dal fatto, alla teoria, ossia alla spiegazione del fatto. Insegnanti di scienze e autori dei libri di testo condividono questa concezione empirista, positivista e induttivista del “modo di lavorare degli scienziati”.

28/02/14

8

1 - Una convinzione inadeguata

Da quasi un secolo gli epistemologi sono concordi nel ritenerla ingenua e semplicistica. La convinzione che la scienza proceda dall’osservazione alla teoria è così diffusa e così radicata che il negarla suscita incredulità … Tuttavia, l’idea che sia possibile partire unicamente da osservazioni, senza che intervenga niente di simile a una teoria, è davvero assurda …

Karl Popper

 

1 - Una convinzione inadeguata

I filosofi della scienza non sono riusciti a delineare i tratti salienti di un metodo scientifico che fornisca una formula o delle ricette sul modo di elaborare saperi scientifici. Non esiste un’entità che sia il metodo scientifico.

Lewis Wolpert Il metodo scientifico codificato nelle tappe che vanno dall’osservazione alla teoria è straordinariamente ridicolo. Nessuna persona che abbia un minimo di dimestichezza con la ricerca scientifica troverebbe sensato uno schema simile.

Giorgio Israel

Epistemologi contemporanei

I saperi scientifici non sono l’esito di un metodo eterno e universale, ma di modi di operare svariati, non vincolati da regole rigide, mutabili secondo le circostanze (problemi, discipline), ossia di una strategia dell’indagine scientifica caratterizzata da quattro momenti chiave:

  Individuare un problema.   Rappresentare il sistema studiato mediante un

modello.   Avanzare una congettura, un’ipotesi di soluzione

del problema.   Sottoporre a verifica sperimentale l’ipotesi per

valutare l’adeguatezza del modello.

2 - Ruolo della teoria

Secondo il metodo scientifico: la teoria è l’esito di un processo che parte da osservazione neutra, senza idee preconcette, di fatti empirici. Secondo epistemologi contemporanei: la teoria è presente fin dall ’ inizio dell ’ indagine scientifica; è in base alle conoscenze teoriche di cui dispone che lo scienziato si pone un problema e può individuare il modello mediante il quale tradurlo in termini scientifici.

28/02/14

9

2 - Fatto e interpretazione

Non esiste fatto significativo dal punto di vista scientifico che non sia collegato con una teoria. Lo scienziato: oltre i fatti. Sui fatti si pone interrogativi e problemi, interpretando i fatti mediante le teorie. «I fatti ricevono il loro significato proprio dalle idee secondo le quali vengono interpretati […] La conoscenza del fatto non è mai l’incontro bruto d i cert i dat i sensib i l i , bensì i l collegamento di più dati in un certo ordine dominato da un’idea»

Federigo Enriques

3 - Scoprire o inventare?

Secondo la concezione positivista, empirista e induttivista del metodo scientifico, la verità sta nell’oggetto. Gli scienziati scoprono i «segreti della natura» e le «leggi della natura».

Nella scienza non c’è posto per le opinioni personali, l’immaginazione e l’inventiva.

Secondo epistemologi contemporanei: La scienza è un’attività nella quale fantasia e inventiva giocano un ruolo importante.

I principi della natura (le leggi naturali) che sarebbero scoperti dagli scienziati in effetti sono soltanto leggi del nostro stesso pensiero.

Federigo Enriques

3 - Scienza e immaginazione

Stranamente molti pensano che nella scienza non ci sia posto per la fantasia. È una fantasia di tipo speciale, diversa da quella dell’artista.

Si tira a indovinare … Tirare a indovinare? Un modo ben poco scientifico di procedere, una vera scemenza. E invece no. È che in realtà non v’è nulla di cui lo scienziato possa essere sicuro in partenza. Egli può solo tirare a indovinare: sarebbe poco scientifico non farlo.

Richard Feynman

4 - Gruppi di ricerca

Il lavoro degli scienziati: sociale, cooperativo, collettivo. La ricerca scientifica: si svolge nelle strutture istituzionalizzate. Il lavoro degli scienziati: è orientato dalle linee di ricerca stabilite e dal lavoro dei gruppi ai quali appartengono. L’indagine completamente autonoma viene praticamente eliminata.

28/02/14

10

Un modello didattico d’apprendimento

Ricercatori in didattica: per mettere in atto

insegnamento efficace della chimica, fare

r i f e r i m e n t o a u n m o d e l l o d i d a t t i c o

dell’apprendimento che postula una stretta

relazione fra strategia dell’apprendimento e

strategia dell’indagine scientifica.

Problema e situazione problema

Strategia dell’indagine scientifica La produzione del sapere inizia con il problema.

Strategia dell’apprendimento L’acquisizione di nuove conoscenze inizia con la

situazione problema che deve essere risolta da studenti aiutati e guidati nel ragionamento da interrogativi formulati dall’insegnante.

Affrontare problemi

In che modo allievo protagonista?

Ponendolo di fronte a situazioni-problema, a

interrogativi problematici che lo obbligano ad

attivare le proprie conoscenze e a farle

interagire, da una parte, con quelle dei

compagni e dell’insegnante, dall’altra, con fatti

empirici, ossia con la realtà sperimentale.

Situazioni-problema

Cosa comporta adottare un approccio per situazioni-problema?   Scegliere situazioni-problema adeguate alle capacità

cognitive degli allievi, ossia né troppo facile né troppo difficili, in modo da impegnarli nella riflessione.

  Tenere sempre presente la necessità costante di ampliare le competenze linguistiche degli allievi; solo attraverso lo sviluppo dei linguaggi (verbale, iconico, ecc.) possono crescere le conoscenze.

  Abituare gli allievi ad ascoltare e ad ascoltarsi, ossia dare ampio spazio alla discussione fra pari; l’insegnante agisce da moderatore e animatore della discussione.

  Accogliere l’errore come componente utile e necessario dell’apprendimento.

28/02/14

11

Teoria e struttura cognitiva

Strategia dell’indagine scientifica Per affrontare problema, gli scienziati ricorrono

a modelli teorici di cui dispongono o ne inventano di nuovi.

Strategia dell’apprendimento Per affrontare situazione problema lo studente

ricorre alla struttura cognitiva di cui già dispone, ossia alle sue concezioni iniziali.

La struttura cognitiva degli allievi

L’importanza della struttura cognitiva è messa in rilievo da Ausubel:

«Se dovessi riassumere la psicologia dell’educazione in un unico principio, affermerei quanto segue: il fattore che maggiormente influisce sull’apprendimento è quanto già conosce colui che apprende; mettete in evidenza queste conoscenze e regolate su di esse il vostro insegnamento». Ausubel D., Educazione e processi cognitivi, Milano, Angeli, 1978

Apprendimento attivo

L’apprendimento è un processo di integrazione di nuovi saperi nel sistema di pensiero. Quindi apprendimento è un processo di riorganizzazione della struttura cognitiva nel quale si mettono alla prova nuovi modi i pensare. «Si apprende sempre contro le conoscenze anteriori, distruggendo conoscenze mal fatte».

Gaston Bachelard

Comprensione e immaginazione

Il modello didattico d’apprendimento permette di attivare intelligenza creativa degli studenti che è il fondamento della comprensione.

Per capire la scienza (chimica, biologia, fisica, ecc.) si deve lavorare di immaginazione. Può sembrare un’enormità che, per capire la realtà, si debba lavorare di immaginazione; ma è così.

Carlo Bernardini , La prima lezione di fisica. Laterza, 2007

28/02/14

12

Lavoro collettivo degli allievi

Strategia dell’indagine scientifica

Gli scienziati lavorano in gruppi di ricerca. Il processo di produzione del sapere scientifico: un’attività sociale, collettiva nella quale è abituale il conflitto sociocognitivo interpersonale fra idee diverse.

Strategia dell’apprendimento

Il conflitto sociocognitivo può essere realizzato in classe: si propone una situazione problema, si lascia libero campo alla discussione fra pari.

Dare agli studenti l’opportunità di esporre e sostenere le proprie idee sia in piccoli gruppi sia nel gruppo classe.

“L’insegnamento migliore è quello che si realizza … nella situazione in cui lo studente discute le idee, riflette sulle cose, e ne parla. Di regola, non si impara molto stando seduti in un’aula ad ascoltare qualcuno.”

Richard Feynman

Logica della comprensione

Il modello didattico d’apprendimento permette di attivare intelligenza creativa ponendo gli studenti di fronte a situazioni problema che li costringono a riflettere, ad attivare strategie di ragionamento per fornire r isposte che contribuiscono a produrre nuovo sapere.

Domina la logica della comprensione.

Comprensione: capacità di usare conoscenze per fare luce su problemi nuovi o imprevisti.

Un modello di riferimento

Esiste un parallelismo fra:

  Teorie scientifiche e loro evoluzione.

  Struttura cognitiva degli studenti e sua evoluzione.

Il modello didattico d’apprendimento integra apporti epistemologici, storici, psicopedagogici e didattici che dovrebbero fare parte della formazione di ogni insegnante.

Dovrebbe costituire il quadro di riferimento: 1.  Degli insegnanti della scuola secondaria per

organizzare l’insegnamento delle scienze. 2.  Dei docenti universitari per strutturare i corsi di

formazione primaria degli insegnanti.

28/02/14

13

L P

M

interazione con la realtà

confronti di idee (allievo-allievo) (allievo-insegnante)

Contenuto da apprendere

(sapere codificato)

contenuto da apprendere integrabile

Struttura mentale iniziale Sito

attivo

struttura mentale in ristrutturazione

J W

Y

J W

Y

D

C A

B

E

MODELLO ALLOSTERICO DI APPRENDIMENTO

J’ W’ Y’

J’ D

C A

E

B

W’ Y’ L

P

M Sito attivo

struttura mentale in ristrutturazione

J W

Y

MODELLO ALLOSTERICO DI APPRENDIMENTO

J’ D

C A

E

B

W’ Y’ L

P

M

D J

Y

B

A W C

E

struttura mentale ristrutturata

Sito attivo

Sito attivo

Proposta didattica: una sequenza da sviluppare su tre anni

I fase: proprietà dei corpi e loro trasformazioni a livello macroscopico

II fase: elaborazione del concetto di stato fisico; passaggio al livello microscopico, costruzione di un modello particellare della materia

III fase: elaborazione del concetto di sostanza a livello microscopico, sulla base del modello affinato

IV fase: elaborazione del concetto di trasformazione fisica mediante il modello appena sviluppato

V fase: analisi delle trasformazioni chimiche e confronto con il modello

VI fase: affinamento del modello attraverso la differenziazione di atomi e molecole ed elaborazione del concetto di trasformazione chimica mediante il nuovo modello

SENDS

Storia ed Epistemologia per una Nuova Didattica delle Scienze