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autorizzazione formale.

"Una casa per le rane" Progettazione e costruzione di uno stagno

Ingegneria Geologia

Unità per studenti dai 9 ai 12 anni

2 Il presente documento è stato prodotto in conformità al contratto CE n. 288989

È proprietà dei Partner del progetto ENGINEER e la sua distribuzione o riproduzione non sarà consentita senza la previa autorizzazione formale.

Introduzione "Una casa per le rane" è una delle dieci unità didattiche per la scuola primaria e secondaria di I grado sviluppate per supportare l'apprendimento delle scienze attraverso svariate sfide di progettazione sul tema dell'ingegneria. Le sfide riprendono il modello di apprendimento basato sull’indagine Engineering is Elementary®, ("L’ingegneria è elementare"), sviluppato con successo dal Museo della Scienza di Boston. Ciascuna unità affronta un diverso ambito scientifico e un diverso settore dell’ingegneria, richiede solo materiali economici e ha l’obbiettivo di supportare lo studente nell’esplorazione scientifica e nella progettazione di tipo problem-solving. Le unità sono state sviluppate per incuriosire una grande varietà di studenti e per mettere alla prova gli stereotipi sull'ingegneria e sugli ingegneri, migliorando l’interesse sia degli studenti che delle studentesse verso la scienza, la tecnologia e l'ingegneria. Il nostro approccio pedagogico In ogni unità le attività sono organizzate seguendo le 5 fasi del processo di progettazione ingegneristico: formula domande, immagina, pianifica, realizza e migliora. Prestare attenzione a queste 5 fasi aiuta gli insegnanti a formulare domande, e gli studenti a stimolare la propria creatività rimanendo liberi di sviluppare le proprie abilità di problem-solving, testare le possibili alternative, interpretare i risultati e valutare le soluzioni. I compiti e le sfide sono stati progettati per poter avere molteplici soluzioni e per evitare le "risposte giuste". In particolare, gli ideatori delle unità, hanno cercato di evitare situazioni che enfatizzassero la competizione, che può scoraggiare alcuni studenti, cercando però di mantenere viva la motivazione a voler risolvere un problema. Un obiettivo importante in tutte le unità è quello di massimizzare le opportunità di lavorare in gruppo per favorire gli studenti nell’apprendere lavorando insieme e nel comunicare efficacemente le proprie idee. Mentre esaminano un nuovo problema, è fondamentale per gli studenti discutere le proprie idee, individuare le conoscenze necessarie, condividere i risultati ottenuti, progettare le soluzioni e quindi migliorarle. Come sono organizzate le unità Ogni unità inizia con una lezione generale preparatoria, comune a tutte le dieci: la lezione 0. Gli insegnanti che scelgono di utilizzare più di un’unità dovranno cominciare con questa lezione la prima volta e con la lezione 1 nelle unità successive. La Lezione 1 introduce un contesto narrativo o un problema che prepara a quello che avviene in seguito: la lezione 2 che è incentrata sull'esplorazione dell’ambito scientifico che gli studenti devono approfondire per risolvere il problema. Nella Lezione 3 gli studenti progettano e realizzano la soluzione proposta. Infine la Lezione 4 dà agli studenti l'opportunità di valutare, presentare e discutere quello che hanno fatto. Ciascuna unità è comunque unica, alcune sono più impegnative in termini di comprensione scientifica, e quindi il tempo richiesto per ciascuna può variare. Nella presentazione di ogni unità sono riportati i tempi indicativi e le età di riferimento degli studenti. Le unità sono progettate per essere flessibili e gli insegnanti possono scegliere quali attività preferiscono svolgere; le unità offrono inoltre la possibilità agli insegnanti di differenziare le attività in modo da dare spazio a un’ampia gamma di abilità.



Assistenza per gli insegnanti Ciascuna unità è stata scritta per fornire un appropriato supporto scientifico, tecnico e pedagogico a insegnanti con diversi livelli di esperienza e competenza. Ogni lezione fornisce suggerimenti e consigli per favorire l’apprendimento basato sull'indagine, l'organizzazione e la preparazione della classe. Le attività scientifiche e di costruzione sono illustrate con fotografie. Le note di pedagogia scientifica in Appendice spiegano e discutono la scienza trattata nell'unità e come facilitare la comprensione dei concetti fondamentali per studenti di quella fascia d'età. Le schede didattiche forniscono anche le risposte e possono essere fotocopiate.



Indice

Introduzione ............................................................................................................................................................ 2

Presentazione dell'unità ......................................................................................................................................... 6

Risorse ..................................................................................................................................................................... 7

Lezione 0 – Progettare una busta ......................................................................................................................... 10

0.1 Introduzione - 10 minuti - attività in piccoli gruppi e discussione con l'intera classe ........................... 11 0.2 Attività 1 - Che cosa è una busta? - 5 minuti, in piccoli gruppi ............................................................ 11 0.3 Attività 2 - Abbinare le buste agli oggetti - 15 minuti - piccoli gruppi e discussione in classe ............... 12 0.4 Attività di approfondimento - facoltativa - 10-30 minuti - in piccoli gruppi ......................................... 12 0.5 Conclusione - 10 minuti - discussione con l'intera classe .................................................................... 13 0.6 Risultati dell'apprendimento - per valutazione opzionale................................................................... 14

Lezione 1 – Qual è il problema ingegneristico? .................................................................................................... 15

1.1 Attività introduttiva - Leo e lo stagno - discussione in classe - 30 minuti ............................................ 16 1.2 Che cosa è uno stagno - osservazione e discussione - 40 minuti ......................................................... 16 1.3 Fase introduttiva della lezione e presentazione del processo di progettazione ingegneristico - 5 minuti ........................................................................................................................................................ 16 1.4 Un buco pieno d’acqua - esperimento, lavoro di gruppo - 70 minuti .................................................. 17 1.5 Raccogliamo la terra - esperimento, lavoro di gruppo - 20 minuti ...................................................... 17 1.6 Mischiare terreno e acqua - esperimento, lavoro di gruppo - 20 minuti ............................................. 17 1.7 Conclusione - plenaria - 20 minuti ..................................................................................................... 18

Lezione 2 – Cosa dobbiamo sapere? ..................................................................................................................... 19

2.1 Attività introduttiva - Da cosa è composto il terreno? - esperimento, lavoro di gruppo - 30 minuti..... 20 2.2 L’acqua incontra le componenti del terreno - esperimento, lavoro di gruppo - 60 minuti ................... 21 2.3 L’acqua incontra i materiali - esperimento, lavoro di gruppo - 90 minuti ............................................ 21 2.4 Un fondo impermeabile - esperimento, lavoro di gruppo - 100 minuti ............................................... 23 2.5 Conclusione - plenaria - 30 minuti ..................................................................................................... 24

Lezione 3 – Costruiamo! ........................................................................................................................................ 25

3.1 Attività introduttiva - progettare lo stagno - lavoro di gruppo - 30 minuti .......................................... 26 3.2 Il modellino di stagno - esperimento, lavoro di gruppo - 40 minuti .................................................... 26 3.3 Conclusione - plenaria - 20 minuti ..................................................................................................... 27

Lezione 4 – Come ci siamo riusciti? L’obiettivo della sfida è stato raggiunto? .................................................... 28

4.1 Attività introduttiva - Come valutare i modellini di stagno - lavoro di gruppo, plenaria - 10 minuti ..... 29 4.2 Valutare il proprio modellino di stagno - lavoro di gruppo, plenaria - 50 minuti ................................. 29 4.3 Progettare uno stagno vero - lavoro di gruppo, plenaria - 40 minuti .................................................. 29 4.4 Conclusione - plenaria - 30 minuti ..................................................................................................... 30

Appendice ............................................................................................................................................................. 31

La storia per il contesto: Leo e lo stagno .................................................................................................................. 31 Processo di progettazione ingegneristico ................................................................................................................. 33 Schede didattiche e schede delle risposte ................................................................................................................ 34



Scheda didattica 1 Lezione 0 - Ingegneria? ................................................................................................. 35 Scheda didattica 1 Lezione 0 - Ingegneria? - Note pedagogiche per l'insegnante ......................................... 36 Scheda didattica 1 Lezione 1 - Come è fatto uno stagno (1) ...................................................................... 37 Scheda didattica 1 Lezione 1 - Come è fatto uno stagno (2) ........................................................................ 38 Scheda didattica 1 Lezione 1 - Come è fatto uno stagno (3) ........................................................................ 39 Scheda didattica 2 Lezione 1 - Mischiare terreno e acqua ........................................................................... 40 Scheda didattica 1 Lezione 2 - L’acqua incontra le componenti del terreno ................................................. 41 Scheda didattica 2 Lezione 2 - L’acqua incontra i materiali.......................................................................... 42 Scheda didattica 3 Lezione 2 - Un fondo impermeabile ............................................................................... 43 Scheda didattica 1 Lezione 3 - Il modellino di stagno .................................................................................. 44 Scheda didattica 1 Lezione 4 - Lo stagno..................................................................................................... 45 Scheda didattica 2 Lezione 4 - Immaginare come costruire uno stagno ....................................................... 46

Appendice Lezione 2 - Costruire la cella ................................................................................................................... 47 Note scientifiche per gli insegnanti sul terreno e sul flusso dell’acqua attraverso i materiali. ...................................... 48 Alcune idee dei bambini sulla scienza del suolo e movimenti dell’acqua..................................................................... 51 Partner ........................................................................................................................................................................53



Presentazione dell'unità Durata: 12 ore e 30 minuti + durata Lezione 0 Gruppo target: studenti di 9, 10 e 11 anni Descrizione: Un grosso centro commerciale sta per essere costruito in un parcoproprio in prossimità dello stagno, la casa di rane e altri piccoli animali. Per salvare le rane, perchè non proviamo a costruiree uno stagno nel giardino della scuola? A partire da questa situazione l’insegnante introduce il problema ingegneristico. Lo scopo di questa unità è progettare e realizzare un modello di stagno. Alla fine del lavoro gli studenti proveranno a immaginare come si potrebbe realizzarne uno vero. Gli studenti devono individuare le principali caratteristiche di uno stagno. Suddivisi in gruppi, esplorano con attività sperimentali la composizione del suolo e come si comportano materiali differenti quando vengono bagnati, quindi scelgono il materiale, con la giusta impermeabilità, necessario per realizzare il fondo dello stagno. In questo lavoro, attraversano le fasi tipiche del processo di progettazione ingegneristico: formula domande, immagina, progetta/ pianifica, realizza, migliora (ask, imagine, plan, create, improve). Per svolgere questa unità è importante avere a disposizione un giardino o nella scuola o nelle sue vicinanze dove poter scavare e prelevare un pochino di terreno. Ambito scientifico: questa unità fa riferimento all’ambito scientifico della geologia e la scienza dei materiali. Settore ingegneristico: questa unità introduce agli studenti il settore dell'ingegneria geotecnica. Obiettivi: in questa unità gli studenti impareranno • che il suolo è composto da materiali granulari (ghiaia, sabbia, limo, argilla…), presenti in proporzioni sempre

diverse; • che cos’è la permeabilità, soprattutto quella del suolo e delle sue componenti; • a mettere in pratica il processo di progettazione ingegneristico per risolvere un problema geotecnico e a fare

ampi collegamenti con la scienza e l’ingegneria; • l’importanza dei fattori ambientali per una buona progettazione ingegneristica.

Le lezioni in questa unità: La lezione generale preparatoria mira a far comprendere quanto l’ingegneria sia fondamentale nella vita di tutti i giorni, anche se non sempre è evidente. La lezione 1 introduce il problema ingegneristico, il suo contesto e il processo di progettazione ingegneristico. Con la lezione 2 si entra nella fase "formula domande" del processo di progettazione ingegneristico, che porta allo studio della composizione del terreno, della permeabilità di alcuni suoi componenti e di materiali comuni. Nella lezione 3 gli studenti sono coinvolti in modo attivo nell’applicazione del processo di progettazione ingegneristico per risolvere il problema, ovvero progettare e costruire un modellino di stagno. La lezione 4 è il momento di valutare i modellini di stagno realizzati dagli studenti e proporre eventuali miglioramenti. Gli studenti dovranno dimostrare di aver soddisfatto tutti i requisiti stabiliti: discuteranno dei miglioramenti che avranno apportato e rifletteranno di come potrebbero essere organizzate le attività per realizzare un vero e proprio stagno.



Risorse Elenco di tutti i materiali e le quantità necessarie per 30 studenti (6 gruppi di 5 studenti ciascuno). Materiale Quantità

totale Lezione 0

Lezione 1

Lezione 2

Lezione 3

Lezione 4

Secchio

6 6 6

Paletta

6 6 6

Bottiglia di plastica trasparente non colorata da 1,5 – 2 litri

24 12 24

Metro

o

6 6 6

Forbici

6 6

Garza

6 6

Elastico 18 18 Ghiaia

3 kg 3 kg

Sabbia

6 kg 6 kg

Argilla in polvere (si vende nei grandi negozi di cancelleria)

5 kg 5 kg



Terreno prelevato da un giardino o da un campo (non comprato)

6 sacchi x x x

Contenitore per acqua

6 6

Piatti di plastica usa e getta

30 30

Bicchieri di plastica trasparenti usa e getta

30 30

Carta Spugna 12 12 Borsa di plastica 6 6 Tessuto / stoffa 6 6 Lettiera per gatti

1 confezione

1 confezione

Farina 3 kg 3 kg

Pannolini

12 6



Placche di plastica trasparenti, 25x25 cm, dello spessore di 2 o 4 mm (si possono trovare nei portaritratti, ma attenzione che siano di plastica e non di vetro)

12 12

Bastoni di legno a sezione quadrata, 2x2x25 cm

6 6

Bastoni di legno a sezione quadrata, 2x2x23 cm

12 12

Nastro adesivo isolante

3 3

Vaso di fiori (diametro circa 20 cm)

6 6

Sacchetto per la spazzatura, più grande del vaso di fiori

6 6



Lezione 0 – Progettare una busta Che cos’è l'ingegneria? Durata: potete scegliere quanto tempo dedicare a questa lezione in base al livello di esperienza degli studenti. L'introduzione, le attività principali e le conclusioni richiederanno fino a 40 minuti; per eventuali attività di approfondimento saranno necessari altri 10-30 minuti. Obiettivi: in questa unità gli studenti impareranno che • gli ingegneri progettano soluzioni ai problemi utilizzando una serie di tecnologie diverse; • le tecnologie da impiegare per risolvere un determinato problema dipendono dal contesto e dai materiali

disponibili; • gli oggetti costruiti sono stati progettati per risolvere problemi; • gli ingegneri possono essere sia uomini che donne. Risorse (per 30 studenti) ð 8 blocchetti di post-it ð 8 set di almeno 5 tipi diversi di buste ð 8 set di almeno 5 oggetti diversi

ð 8 set di confezioni/imballi (per le attività di approfondimento opzionali)

ð Cartoncino, carta, colla, forbici (per le attività di approfondimento opzionali)

Preparazione • Raggruppate una serie di buste e confezioni

diversi • Stampate copie della Scheda Didattica 1 • Raccogliete le immagini per l'attività

introduttiva

Metodo di lavoro • Piccoli gruppi • Discussione con l'intera classe

Contesto e background Questa lezione è comune a tutte le unità ed è volta a incoraggiare gli studenti a riflettere su cosa sia la tecnologia e a superare gli stereotipi sugli ingegneri (in particolare quelli di genere) e sull’ingegneria. Il suo scopo è stimolare la consapevolezza che gli oggetti costruiti sono stati progettati per un particolare scopo e che la tecnologia in senso lato riguarda qualsiasi oggetto, sistema o processo che è stato progettato e modificato per risolvere un certo problema o soddisfare una necessità particolare. Gli studenti hanno la possibilità di riflettere su questo concetto discutendo insieme su quale problema si propone di risolvere un determinato oggetto tecnologico (nel caso specifico, una busta). In questa lezione gli studenti discuteranno della varietà di tecnologie che vengono utilizzate per progettare una busta per un uso specifico. Altro obiettivo di questa lezione è quello di evitare giudizi di valore in merito a tecnologie più avanzate, o "high tech", rispetto a quelle meno avanzate, o "low tech", e incoraggiare gli studenti a rendersi conto che quello che conta è che una certa tecnologia sia appropriata a un particolare contesto: la gamma dei materiali disponibili determinerà il tipo di tecnologia che l’ingegnere utilizza per risolvere un determinato problema.

Il presente documento è stato prodotto in conformità al contratto CE n. 288989 È proprietà dei Partner del progetto ENGINEER e la sua distribuzione o riproduzione non sarà consentita senza la previa

autorizzazione formale.

0.1 Introduzione- 10 minuti - attività in piccoli gruppi e discussione con l'intera classe Dividete la classe in gruppi di 4 studenti ciascuno e date ad ogni gruppo un blocchetto di post-it. Chiedete ai gruppi di discutere tutti gli aspetti che associano ai termini "ingegneria" e "tecnologia". Assicuratevi che, durante la discussione, ciascun membro dei vari gruppi contribuisca scrivendo almeno un'idea sul post-it. Invitate tutti i gruppi ad attaccare i post-it su un cartellone e a spiegare brevemente le loro scelte al resto della classe. Conservate la lista di idee per una revisione al termine della lezione.

Assistenza ulteriore per la discussione Questa parte della lezione può essere ampliata mostrando agli studenti immagini di esempi stereotipici e insoliti di ingegneria, e chiedendo loro poi di raggruppare le immagini a seconda che le associno o no all’ingegneria. Per quest’attività potete utilizzare la Scheda Didattica 1 oppure potete disporre le immagini su un tavolo, in modo da farle vedere a tutta la classe. Fate lavorare gli studenti a coppie e fategli decidere quali immagini pensano che siano associate all'ingegneria e quali no, facendogli motivare la loro decisione. A questo punto ogni coppia di studenti deve confrontarsi con un’altra coppia e discutere di eventuali differenze o punti in comune delle proprie idee. Potete usare queste idee come punto di partenza per una discussione con l’intera classe; è necessario incoraggiare gli studenti ad ampliare il loro modo di pensare in merito a cosa sia l’ingegneria e quali possano essere i soggetti coinvolti.

0.2 Attività 1 - Che cos’è una busta? - 5 minuti, in piccoli gruppi Organizzate gli studenti in piccoli gruppi per discutere su cosa sia una busta e quali sono i suoi aspetti costitutivi. Per facilitare la discussione, presentate una serie di esempi di buste che servono a coprire e/o proteggere oggetti o materiali per un determinato scopo (vedi immagini).

Una parte importante di quest’attività è quella di incoraggiare gli studenti a rendersi conto che vi sono numerose interpretazioni del concetto di busta. Nelle immagini sono presenti alcuni esempi che possono mettere in discussione l'idea di "busta": essi comprendono interpretazioni più ampie su cosa sia effettivamente una busta, in altre parole qualcosa che "ospita", "protegge", "tiene fermo", "copre", "nasconde" o persino "rivela" una serie di oggetti diversi.



0.3 Attività 2 - Abbinare le buste agli oggetti - 15 minuti - piccoli gruppi e discussione in classe Dividete la classe in gruppi di 4 studenti ciascuno e date loro una serie di buste e oggetti che potrebbero essere inseriti nelle buste. Chiedete agli studenti di scegliere quali sono le buste più adatte agli oggetti e di spiegare il perché.

Gli oggetti in questione possono essere un paio di occhiali, un certificato, una fotografia che non deve essere piegata, un gioiello fragile, un DVD, una serie di documenti riservati, un paio di forbici. La gamma di oggetti e di buste può variare in base al contesto e alle disponibilità.

Le domande seguenti possono essere utili per guidare la discussione: ─ In quale materiale è realizzata la busta? ─ Quali elementi di fissaggio e chiusura sono utilizzati nella busta? ─ Per quale serie o quali tipi di oggetti si potrebbe utilizzare la busta? ─ Con quali altri materiali potrebbe essere fabbricata? Ciascun gruppo riferirà poi le proprie idee alla classe.

A questo punto potete scegliere di guidare la discussione e di illustrare le varie tecnologie utilizzate per la realizzazione ogni tipo di busta, compresi i tipi di strutture, i fissaggi e le chiusure utilizzate (per es. fissaggi riutilizzabili o permanenti, aree rinforzate, materiali interni ed esterni, sigilli degli spigoli). Questa è un'attività di valutazione attraverso cui ci si può riallacciare al processo di progettazione ingegneristico: la discussione potrebbe comprendere una riflessione riguardo al processo in cui sono coinvolti gli ingegneri quando creano un oggetto destinato a risolvere un problema particolare.

0.4 Attività di approfondimento - facoltativa - 10-30 minuti - in piccoli gruppi

1. Date agli studenti una serie di buste e chiedete loro di valutarne la progettazione in termini di adeguatezza allo scopo (vedi figura). Si potrebbe fare un confronto tra le varie buste in base ai tipi di fissaggi e di rinforzi utilizzati e in base ai tipi di materiali utilizzati (per es. l'imbottitura a bolle d'aria, l’assorbenza, la robustezza, o la resistenza allo strappo). Si potrebbe integrare quest’attività esaminando diversi tipi di confezioni/imballi in relazione alla presenza di alette e in quale modo esse vengono utilizzate per ridurre (o eliminare del tutto) la presenza di sostanze adesive nel processo di produzione. Nelle 3 immagini seguenti si vedono esempi di confezioni senza adesivi: la loro realizzazione prevede quindi l’utilizzo di un solo materiale dato che come elementi di fissaggio vengono usati tagli e pieghe.



2. Organizzate gli studenti in piccoli gruppi per progettare e/o realizzare una busta adatta a contenere un particolare oggetto. I componenti dei vari gruppi dovranno attingere alle loro conoscenze in materia di materiali e processi produttivi per realizzare esempi di progetti alternativi. I progetti possono essere valutati in seguito discutendone con l’intera classe.

0.5 Conclusione - 10 minuti - discussione con l'intera classe

Attraverso una discussione con tutta la classe, riprendete i post-it utilizzati in precedenza (e, se è il caso, i raggruppamenti di immagini abbinate o meno al concetto di ingegneria) e analizzate insieme agli studenti in che modo sono eventualmente cambiate le loro convinzioni iniziali. Chiedete loro quindi di riflettere su quale sia il ruolo dell’ingegnere e cosa sia la tecnologia. ─ Fate notare agli studenti che la maggior parte degli oggetti che utilizziamo è realizzata

per adempiere a uno scopo ben preciso e che gli ingegneri utilizzano una serie di abilità diverse per trovare soluzioni ai problemi.

─ Ciò comporta la necessità di riflettere sulle soluzioni per risolvere determinati problemi: alcune funzionano, altre hanno meno successo; il processo di progettazione ingegneristico comprende la fase di valutazione e di miglioramento.

─ Ciò che veramente conta non è che la tecnologia sia "low tech" o high tech", quanto che sia appropriata – gli ingegneri devono prendere in considerazione il loro contesto e le loro risorse.

─ Vi sono molti settori ingegneristici e molti tipi di persone differenti, provenienti da tutto il mondo, tanto uomini quanto donne possono essere ingegneri.



Si possono individuare svariate definizioni per i termini "ingegnere" e "tecnologia"; questi termini sono spesso utilizzati in modo interscambiabile: l’ingegneria può essere considerata come l'utilizzo della tecnologia per la risoluzione di problemi. Parlando del rapporto tra ingegneria, scienza e tecnologia, si incoraggiano gli studenti a riflettere su come gli ingegneri, nel processo di realizzazione degli oggetti per trovare soluzioni a determinati problemi, utilizzino una serie di tecnologie (compresi fissaggi e rinforzi, tipi di materiali e componenti diversi), e saperi scientifici diversi. Questa è un’opportunità per iniziare una discussione su come e da chi sono fatti gli oggetti, e quali sono gli aspetti coinvolti nel processo di ricerca di soluzioni di problemi.

0.6 Risultati dell'apprendimento - per valutazione opzionale

Al termine di questa lezione gli studenti dovrebbero essere in grado di: ─ Riconoscere come vengono utilizzati in modi diversi un'ampia gamma di sistemi,

meccanismi, strutture, fissaggi e chiusure nella realizzazione di manufatti per risolvere problemi.

─ Comprendere che la tecnologia appropriata dipende spesso dal contesto e dai materiali disponibili.

─ Riconoscere che gli ingegneri si avvalgono di svariate abilità per individuare le soluzioni ai problemi.

─ Riconoscere che ci sono diversi tipi di persone con interessi e capacità differenti possono diventare ingegneri.



Lezione 1 – Qual è il problema ingegneristico? Alla scoperta della sfida

Durata: 200 minuti Obiettivi: in questa lezione gli studenti impareranno • a identificare le caratteristiche principali di uno stagno, in particolare dimensioni e profondità; • a organizzare le proprie osservazioni. Risorse (per 30 studenti: 6 gruppi di 5 studenti ciascuno) ð 3 secchi ð 6 palette ð 12 bottiglie di plastica da 1,5-2 l

Preparazione • Stampate le immagini della Scheda Didattica

1.1 per ogni gruppo o preparate un video proiettore per mostrarle alla classe

• Portate alcuni secchielli di terra presi dal giardino e chiedete agli studenti di fare lo stesso

• alla fine dell’attività 1.3 i ragazzi potrebbero avere le scarpe inzaccherate, rientrando in

classe potrebbero scivolare – potreste chiedere di portare un paio di scarpe di ricambio

Metodo di lavoro • Lavoro di gruppo • Discussione in classe

.

Idee base per questa Lezione • Possiamo provare a risolvere un problema usando la tecnologia Contesto e background In questa unità vengono introdotti la sfida, il suo contesto e il processo di progettazione. Gli studenti devono considerare quali sono le conoscenze necessarie per affrontare la sfida.



1.1 Attività introduttiva - Leo e lo stagno - discussione in classe - 30 minuti Cominciate la lezione presentando gli obiettivi e leggendo la storia "Leo e lo stagno" (in Appendice); infine conducete una piccola discussione in classe. La domanda chiave da porre agli studenti è "Quali pensate possano essere le sfide da affrontare per costruire uno stagno?". A questo punto trascrivete (ad es. su una lavagna) le risposte degli studenti, che potrebbero includere argomenti quali la posizione e le problematiche ambientali; bisogna però cercare di sottolineare che la vera sfida è rappresentata dalla capacità dello stagno di trattenere l’acqua.

1.2 Che cos’è uno stagno - osservazione e discussione - 40 minuti Domandate agli studenti se sanno cosa sia e come si formi uno stagno, e invitateli a osservare le immagini collegate a quest’argomento (Scheda Didattica 1 Lezione 1), in modo che possano mettere a confronto le loro conoscenze e le loro osservazioni. A questo punto chiedete agli studenti quali altri tipi di bacini idrici conoscono e di confrontarli con uno stagno, facendo attenzione a sottolineare la differenza tra i bacini naturali (stagni e laghi) e quelli costruiti dagli ingegneri (cisterne, piscine e laghi ornamentali). Bisogna considerare che spesso questi ultimi vengono costruiti in modo da renderli il più simili possibile a quelli naturali quindi è facile confondersi. Trascrivete tutte le osservazioni degli studenti su un poster. Quando si costruisce uno stagno, bisogna tenere presente che:

• uno stagno è uno specchio d’acqua stagnante, ferma; • è relativamente ridotto e poco profondo (solitamente fino ai 3 m); • affinché si formi e si mantenga, uno stagno necessita di rifornimento d’acqua: può

trattarsi di acqua di sorgente (da fonti sotterranee), acque superficiali (fiumi o canali affluenti) o acqua piovana;

• è necessario che il fondo sia sufficientemente impermeabile per assicurare una durata permanente del bacino idrico;

• l’ambiente fisico è composto da fango, sabbia e pietre sul fondo; le sponde offrono un supporto ideale per la crescita rigogliosa della vegetazione;

• il livello dell’acqua varia a seconda della stagione: è al minimo durante il periodo di siccità mentre è al massimo nel periodo di piogge abbondanti.

1.3 Fase introduttiva della lezione e presentazione del processo di progettazione ingegneristico

- 5 minuti Introducete il processo di progettazione ingegneristico e chiedete agli studenti di identificare in quale fase del progetto si trovano quando progettano lo stagno (la risposta sarà: fase “formula domande” e “immagina”). Spiegate che per progettare con successo uno stagno è necessario capire bene come si mischiano tra loro acqua e terreno; questo argomento sarà oggetto della lezione successiva. Suddividete gli studenti in gruppi, avendo cura che ogni gruppo sia composto in maniera eterogenea, sia per quanto riguarda i generi che le abilità dei singoli.



1.4 Un buco pieno d’acqua - esperimento, lavoro di gruppo - 70 minuti Portate gli studenti nel giardino della scuola o in un parco. Chiedete a ogni gruppo di scavare un buco nel terreno, di riempirlo d’acqua e di osservare cosa succede. Prima dell’attività patica chiedete agli studenti di fare delle previsioni compilando la scheda didattica 2, una volta terminato l’esperimento chiedete di scrivere le loro osservazioni utilizzando la stessa scheda.

1.5 Raccogliamo la terra - esperimento, lavoro di gruppo - 20 minuti Chiedete ai ragazzi di raccogliere della terra (o dal giardino della scuola o in un parco).Suggeritegli di prenderla a circa 30cm dalla superficie. Se è possibile, chiedete di prelevare i campioni di terra a 3 profondità diverse: 10cm, 30cm, 60cm, per osservare se ci sono delle differenze. Portate voi stessi alcuni esempi di terreno. In questo modo gli studenti confronteranno svariati campioni di terra prelevata da luoghi differenti e si accorgeranno delle diverse composizioni: spiegate quanto sia importante conoscere le proprietà geologiche del terreno in qualunque tipo di progetto ingegneristico che ha a che fare con i movimenti della Terra: prima di costruire una casa o un canale, i geologi studiano le proprietà del suolo prelevandone campioni a diverse profondità con la tecnica del carotaggio o scavando una buca. La tecnica del carotaggio viene utilizzata anche per prelevare campioni di ghiaccio, ad esempio in Antartide; finora l’estrazione più profonda è stata effettuata presso la base antartica russa di Vostok ad una profondità di 3623 metri. RICORDATE: gli studenti utilizzeranno la terra anche nella lezione 2 e dovrà essere asciutta. Questa lezione offre l’opportunità di raccoglierla con qualche giorno d’anticipo, così da lasciargli il tempo di asciugare. Se avete bisogno di accelerare il processo di asciugatura, potete distribuire la terra su fogli di giornale, formando uno strato piuttosto sottile. Alla fine di tutte le attività gli studenti riporteranno la terra dove l’hanno prelevata, riempiendo i buchi scavati nel suolo.

1.6 Mischiare terreno e acqua - esperimento, lavoro di gruppo - 20 minuti Adesso è il momento di ricordare agli studenti l’ultima osservazione di Leo: "Ma il terreno è terreno e basta!". Davvero la terra è un materiale unico e uniforme? È tutto così semplice? Chiedete agli studenti cosa pensano che avvenga quando l’acqua si mischia con il terreno e distribuite la scheda didattica 3, lezione 1: gli studenti possono scrivere le loro risposte direttamente sulla scheda o su un post-it da attaccare su un poster visibile a tutti; è anche possibile usare le domande come spunto per una discussione, prima all’interno di ogni singolo gruppo e poi tutti insieme. Per formulare una previsione gli studenti dovranno seguire le domande riportate nella scheda. La scheda verrà completata nel corso della lezione successiva.



Descrivete agli studenti cosa devono fare: fate riempire loro una bottiglia con il terreno lasciandoli liberi di scegliere fin dove riempirla (a 3 cm a partire dal fondo? 7 cm? quasi a metà?). Dovranno poi riempire la bottiglia con acqua e chiuderla con il tappo. Chiedete loro di agitare delicatamente la bottiglia per mischiare l’acqua con il suolo e domandate: "Cosa pensate che succeda ora nella bottiglia?". A questo punto sistemate tutte le bottiglie sopra un tavolo e osservatele per un po’ di tempo. È importante che le bottiglie siano sistemate in fila una accanto all’altra, e che non vengano toccate. Fate pulire e sistemare gli strumenti che sono stati utilizzati e i tavoli sui quali avete lavorato.

1.7 Conclusione - plenaria - 20 minuti Durante la discussione gli studenti dovrebbero cominciare a lavorare seguendo il processo di progettazione: cosa hanno bisogno di sapere per superare la sfida e trovare una buona soluzione al problema? Ripetete insieme agli studenti le caratteristiche principali di uno stagno. Uno stagno non è solo una grande buca nel terreno piena d’acqua! L’acqua infatti non deve essere assorbita immediatamente dal suolo! Domandate agli studenti cosa pensano sia importante per creare uno stagno. Naturalmente alcuni studenti potrebbero rispondere che le piante sono importanti oppure gli animali che lo abitano ma è importante sottolineare che l’elemento fondamentale è il rivestimento impermeabile del fondo e la sua efficacia.



Lezione 2 – Cosa dobbiamo sapere? Scopriamo la composizione del terreno e la permeabilità dei materiali Durata: 310 minuti Obiettivi: in questa lezione gli studenti impareranno a • osservare e riconoscere le diverse componenti del suolo e il loro grado di permeabilità; • identificare i materiali naturali e artificiali che sono totalmente o quasi totalmente impermeabili; • cominciare ad applicare le loro conoscenze scientifiche alla progettazione dello stagno. Risorse (per 30 studenti: 6 gruppi di 5) ð 3 secchielli di terreno raccolto nel giardino della

scuola e/o in un altro giardino o campo ð 24 bottiglie di plastica da 1,5 - 2 litri, trasparenti

e chiare, munite di tappo ð 3 kg di ghiaia ð 6 kg di sabbia ð 3 kg di argilla in polvere ð 1 confezione di lettiera per gatti ð 6 spugne ð carta o cartone ð tessuto/stoffa ð 3 sacchetti di plastica ð 3 kg di farina ð 6 pannolini

ð altri materiali da esaminare ð 12 lastre di plastica trasparenti, 25x25 cm, dello

spessore di 2 o 4 mm ð 6 bastoni di legno a sezione quadrata, 2x2x25 cm ð 12 bastoni di legno a sezione quadrata,, 2x2x23

cm ð nastro adesivo isolante tipo “americano” ð 6 righelli ð 6 paia di forbici ð 6 garze ð 6 cucchiai ð 18 elastici in gomma ð 6 contenitori per l’acqua, come una caraffa o un

cilindro graduato

Preparazione • Qualche giorno prima dell’esperimento chiedete

agli studenti di portare bottiglie di plastica vuote (trasparenti, da 1,5 / 2 litri) e del materiale che pensano possa rallentare il passaggio dell’acqua.

• Tenete a portata di mano stracci e asciugamani di carta per asciugare gli strumenti utilizzati: lavorerete con l’acqua!

Metodo di lavoro • Sperimentale. • In gruppi. • Discussione con l’intera classe.

Idee chiave di questa lezione • Per mantenere la stabilità in un sistema dinamico (come uno stagno) ci deve essere equilibrio tra “entrata”

e “uscita”. • La velocità del flusso di un liquido (in questo caso acqua) attraverso un materiale, è anche detta

permeabilità del materiale stesso. • I materiali (compresi i solidi e le componenti del suolo) hanno diversi gradi di permeabilità

Contesto e background La fase "formula domande" del processo di progettazione ingegneristico porterà a un’indagine sulle proprietà e la composizione del terreno. Gli studenti faranno degli esperimenti grazie ai quali scopriranno il grado di permeabilità di diversi materiali e le caratteristiche necessarie per costruire uno stagno.



2.1 Attività introduttiva - Da cosa è composto il terreno? - esperimento, lavoro di gruppo - 30 minuti

"Ripensiamo alle bottiglie preparate durante la scorsa lezione" (attività 1.5) "Cosa è successo?". Subito dopo aver agitato la bottiglia si vede l’acqua sporca, poi si inizia a vedere come i granelli di terreno si depositano sul fondo. Dopo qualche minuto cominciano a depositarsi i grani più piccoli, ma l’acqua risulta ancora torbida: i granelli piccolissimi sono ancora in sospensione mischiati con l’acqua. Dopo qualche ora anche questi granelli piccolissimi si depositano sul fondo e l’acqua torna trasparente. Forse rimarrà qualcosa che galleggia, ma si tratta di materiale vegetale.

I diversi materiali che compongono il terreno si separano sul fondo della bottiglia disponendosi in strati diversi a seconda dello spessore dei granelli: quelli più grandi sono ghiaia e sabbia (anche se è improbabile che ci sia ghiaia nel suolo prelevato da un giardino, soprattutto nello strato più superficiale), mentre quelli più piccoli sono limo e argilla. Campioni di suolo prelevati da posti diversi possono avere diverse proporzioni di questi tre componenti (si può misurare l’altezza dei vari strati). A questo punto si può procedere all’osservazione diretta. Distribuite campioni di terreno asciutto ai vari gruppi, e chiedete agli studenti di guardate attentamente il campione e di dire che cosa vedono. Osservando bene (se avete una lente d’ingrandimento è molto meglio) vedranno che il terreno è composto da minuscoli sassolini, granelli e una specie di polverina. Anche la polvere è composta da granelli, che però sono davvero piccolissimi; probabilmente si vedranno infine pezzettini di materiale vegetale. Gli studenti ora devono compilare la Scheda Didattica 3, Lezione 1, scrivendo le risposte direttamente sulle fotocopie o su un post-it da attaccare a un poster visibile a tutti; si potrebbero anche usare le



domande come guida per una discussione comune, prima all’interno del gruppo e poi con tutta la classe. Alla fine dell’osservazione ogni gruppo dovrebbe essere in grado riconoscere che anche i terreni prelevati da posti diversi hanno caratteristiche comuni:

− sono formati da diverse componenti; − le varie componenti formano diversi strati dopo che sono state mescolate con

l’acqua; − questi strati compaiono sempre nello stesso ordine; − i diversi materiali sono presenti in diverse quantità (e alcuni non sono sempre

presenti).

2.2 L’acqua incontra le componenti del terreno - esperimento, lavoro di gruppo - 60 minuti Abbiamo concluso la lezione 1 affermando che uno stagno è un po’ più complesso di una semplice buca piena d’acqua, e abbiamo osservato come il terreno non è composto da un singolo materiale. Come si comportano le diverse componenti del terreno quando entrano a contatto con l’acqua? Cominciate spiegando che ghiaia, sabbia e argilla sono tre tra le componenti principali del terreno, invitate gli studenti a versare dell’acqua attraverso gli strati di questi tre materiali e a osservare con quanta velocità l’acqua li attraversa per stabilire quale dei tre è più impermeabile (vedi scheda didattica 1, lezione 2).

Osserveranno che l’acqua scorre velocemente attraverso la ghiaia, meno velocemente attraverso la sabbia e molto più lentamente attraverso l’argilla, che è praticamente impermeabile (infatti il fondo delle risaie è costituito da argilla). Chiedete agli studenti di riordinare gli strumenti e i materiali che hanno utilizzato e di pulire i tavoli.

2.3 L’acqua incontra i materiali - esperimento, lavoro di gruppo - 90 minuti

Ora gli studenti dovranno sperimentare la velocità con la quale l’acqua attraversa altri materiali che si possono trovare facilmente a casa. Chiedete agli studenti di portare da casa i materiali che vorrebbero esaminare. Distribuite a ogni gruppo un materiale diverso, scelto tra carta o cartone, spugna, sacchetti di plastica, tessuto, lettiera per gatti, farina, pannolini e altri materiali a scelta portati da



casa. Fate attenzione di distribuire tutti i materiali disponibili fra i gruppi, in modo che alla fine dell’attività possano essere esaminate una grande quantità di osservazioni diverse. Prima di cominciare chiedete agli studenti di fare una previsione: “Quanto, secondo voi, sono permeabili i materiali che avete ricevuto?”. A questo punto dovranno versare dell’acqua sui loro materiali e osservare quello che accade; le istruzioni per questo esperimento e per registrarne i risultati si trovano nella scheda didattica 3 lezione 2. Una volta terminato l’esperimento, gli studenti potranno discutere i loro risultati con tutta la classe e compilare, insieme a voi, una lista dei materiali più impermeabili. Questa liste verrà attaccata a un poster. Chiedete agli studenti di riordinare gli strumenti e i materiali che hanno utilizzato e di pulire i tavoli. Fate notare che le spugne assorbono acqua; quindi sono utili oppure no, per impedire il passaggio dell’acqua? Non molto, visto che a un certo punto l’acqua scorre via dalla spugna. Chiedete agli studenti di immaginare in che modo l’acqua scorre attraverso i materiali: l’acqua si muove attraverso piccoli canali irregolari fatti di pori, cavità, o altre discontinuità presenti in materiali come la carta e la spugna; in alcuni materiali porosi invece, dove le cavità non sono connesse l’una con l’altra, l’acqua non può scorrere via; nelle materie granulari l’acqua scorre attraverso gli spazi vuoti tra una particella e l’altra.

Questo fenomeno si chiama percolazione; il flusso dell’acqua viene rallentato dalla compattezza del terriccio o dell’argilla, che riduce l’ampiezza degli spazi vuoti tra le particelle. Alcuni materiali sono impermeabili. Per esempio: la plastica, l’argilla, la sabbia magica e il tessuto con cui sono fabbricati gli ombrelli. La lettiera per gatti è un buon impedimento per il flusso d’acqua: è fatta con un tipo di argilla chiamata bentonite, un materiale utilizzato anche per impermeabilizzare le fondamenta degli edifici. Per saperne di più visitate la pagina: http://it.wikipedia.org/wiki/Bentonite. Anche la farina è impermeabile, ma se non viene buttata subito dopo essere stata utilizzata vi accorgerete che comincia a produrre un cattivo odore. La farina è un materiale organico,

http://it.wikipedia.org/wiki/Bentonite



viene "mangiato" dai microrganismi; il cattivo odore è la conseguenza del loro processo digestivo. Per la discussione durante la Lezione 3 potete dire che nonostante la farina sia impermeabile, non è una buona idea utilizzarla per isolare il fondo di uno stagno: il terreno è pieno di microrganismi che saranno ben felici di fare merenda con la farina! Col tempo lo strato di farina si trasformerebbe diminuendo in spessore e impermeabilità. I pannolini assorbono acqua grazie a dei piccoli granuli di uno speciale materiale super assorbente fatto di un polimero chiamato sodio poliacrilato: le molecole di questo polimero attraggono e catturano le molecole d’acqua e i suoi granuli aumentano di volume mentre la assorbono.

2.4 Un fondo impermeabile - esperimento, lavoro di gruppo - 100 minuti

Uno stagno deve essere costantemente pieno d’acqua: chiedete ai ragazzi di immaginare come si potrebbe rendere il suolo del giardino più impermeabile, suggerendo di aggiungere uno strato di un materiale più resistente all’acqua (scheda didattica 3, lezione 2). Per quest’attività dovrete costruire sei particolari contenitori (uno per gruppo), che prendono il nome di "celle": le istruzioni si trovano in appendice. Se però avete tempo e ritenete che gli studenti possano costruirsele da soli, fate fare a loro. In questo caso dovreste mostrargli il procedimento di costruzione passo dopo passo, per assicurarvi che sia tutto chiaro.

Ogni gruppo riempie circa un terzo della cella con del terreno asciutto, versa uno strato del materiale impermeabilizzante da testare e poi finisce di riempire la cella con altro terreno. Scava poi una piccola buca (senza arrivare al materiale impermeabile) e la riempie d’acqua, rabboccando lentamente il livello non appena l’acqua viene assorbita. Cosa succede? Quanto tempo ci vuole perché la cavità si svuoti? La cella è come se fosse la sezione di uno stagno: gli studenti osserveranno che l’acqua non soltanto scorre verso il basso ma anche lateralmente, e che quindi aggiungere uno strato di materiale impermeabile può cambiare il modo in cui l’acqua scorre attraverso il fondo.



È importante che i gruppi facciano esperimenti su casi differenti, ad esempio, ogni gruppo dovrebbe scegliere un materiale diverso; se più gruppi scelgono lo stesso materiale, dovrebbero fare strati di diverso spessore. Alla fine dell’attività gli studenti condivideranno e confronteranno le loro osservazioni così da avere più risultati. Anche i tecnici che costruiscono il centro commerciale nella storia di Leo incontrano dei problemi in materia di impermeabilità ma vogliono fare in modo che l’acqua non penetri all’interno della cavità delle fondamenta. Chiedete agli studenti di riordinare gli strumenti e i materiali che hanno utilizzato e di pulire i tavoli.

2.5 Conclusione - plenaria - 30 minuti Chiedete agli studenti quali sono le scoperte che hanno raggiunto che possono tornare utili nella costruzione di uno stagno; durante la discussione sottolineate che è necessario mantenere il livello dell’acqua più o meno costante: in altri termini, c’è bisogno di mantenere un equilibrio tra l’acqua in entrata e quella in uscita. Per arrivare a questo equilibrio è necessario ridurre le infiltrazioni d’acqua e compensare le perdite (non si può evitare totalmente la perdita d’acqua, perché uno stagno non è come una palude: è normale che ci sia ricambio d’acqua, che viene persa anche per via dell’evaporazione). Riprendete con gli studenti le fasi del processo di progettazione ingegneristico e chiedete loro in quale fase si trovano (inizio della fase “pianifica”).



Lezione 3 – Costruiamo! Progettazione e costruzione del modellino di stagno Durata: 90 minuti Obiettivi: in questa lezione gli studenti impareranno che

• il ciclo di progettazione ingegneristico è un modello importante per affrontare problemi di tipo

ingegneristico; • la comprensione scientifica delle caratteristiche di permeabilità del suolo è molto importante nella

costruzione di uno stagno; • formulare una previsione e verificarla sono passaggi fondamentali per un risultato ingegneristico ottimale. Risorse (per 30 studenti: 6 gruppi di 5 studenti) ð 6 vasi di fiori (diametro circa 20 cm) ð 6 sacchetti per la spazzatura più grandi dei

vasi di fiori ð 3 secchielli di terreno ð 6 palette

ð materiale per impermeabilizzare lo sfondo

dello stagno ð acqua ð 6 contenitori per versare l’acqua ð asciugamani in carta o stracci

Preparazione • Tenete a portata di mano stracci e

asciugamani per asciugare gli strumenti utilizzati: state lavorando con l’acqua!

Metodi di lavoro • Sperimentale • In gruppi • Discussione con l’intera classe

Idee chiave di questa lezione • I modellini aiutano a comprendere la realtà e a risolvere i problemi

Contesto e background In questa lezione gli studenti attraverseranno le fasi "immagina" e "pianifica" del processo di progettazione ingegneristico. Queste fasi sono propedeutiche alla costruzione del modellino di stagno in scala.



3.1 Attività introduttiva - progettare lo stagno - lavoro di gruppo - 30 minuti È il momento di tornare alla sfida: costruire uno stagno! − Da dove incominciamo? − A cosa dobbiamo fare attenzione? Ricordate agli studenti le fasi del processo di progettazione ingegneristico: finora si sono posti delle domande su come costruire uno stagno e hanno immaginato di costruirne uno; ora è il momento di realizzarne uno in scala, ma prima devono progettarlo. Gli studenti hanno scoperto come l’acqua scorre attraverso il terreno e come si possono modificare le caratteristiche del suolo per migliorarne l’impermeabilità: ora possono realizzare il loro modellino di stagno. Per prima cosa devono costruire il fondo: possono fare un disegno che raffiguri tutte le caratteristiche dello stagno che hanno in mente (vedi figura sotto come esempio).

Disegnare è un passo fondamentale nel lavoro ingegneristico: secondo alcuni studiosi è stato Leonardo Da Vinci (1452-1519) il primo a realizzare dei moderni disegni tecnici.

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3.2 Il modellino di stagno - esperimento, lavoro di gruppo - 40 minuti Spesso gli ingegneri realizzano un modello in miniatura del loro progetto prima di costruire l’opera vera e propria. In questo modo possono testare il progetto e apportare eventuali migliorie. Gli studenti devono costruire un modellino di stagno utilizzando un vaso di fiori, del terreno, e il materiale che hanno ritenuto migliore per impermeabilizzare il fondo (scheda didattica 1, lezione 3). Gli studenti devono riempire quasi completamente il vaso di fiori con il terreno e scavare una buca; ogni gruppo deve ricoprire il fondo della buca con il materiale scelto nel corso della lezione 2 e poi aggiungere ancora uno strato di terreno infine dare la forma allo stagno.



Ogni gruppo deve riempire la buca con l’acqua e verificare come il livello varia col passare del tempo. Quando hanno finito, chiedete agli studenti di riordinare gli strumenti e i materiali che hanno utilizzato e di pulire i tavoli. Gli studenti possono controllare nuovamente il livello dell’acqua prima di andare a casa e, se decidono che è necessario aggiungerne altra, devono misurare la quantità di acqua che hanno dovuto aggiungere per riempire la buca. Il giorno dopo possono fare un ultimo controllo.

3.3 Conclusione - plenaria - 20 minuti

I gruppi devono presentare il proprio modellino di stagno agli altri, disegnandolo su un foglio grande e descrivendone le caratteristiche principali. Possono spiegare come hanno deciso di impermeabilizzare il fondo dello stagno e perché; durante la discussione fate notare quale, fra le soluzioni realizzate, sia la più ecologica: ad esempio l’argilla sarà decisamente migliore di un foglio di plastica. Conservate in un luogo sicuro i modellini di stagno per utilizzarli nel corso della lezione successiva.



Lezione 4 – Come ci siamo riusciti? La sfida è stata superata? Durata: 150 minuti Obiettivi: in questa lezione gli studenti impareranno a • sviluppare criteri di valutazione (in questo caso la conservazione dell’acqua) per valutare il successo dei

loro progetti ingegneristici; • affrontare i problemi che implica la realizzazione in scala di un progetto; • considerare l’importanza dei fattori ambientali. Risorse (per 30 studenti: 6 gruppi di 5 studenti) ð 6 metri

Preparazione • Chiedete in anticipo agli studenti se qualcuno

dei loro genitori lavora nell’ambito degli scavi edilizi o in un campo simile: costui può essere invitato in classe per parlare dei macchinari che vengono utilizzati e di come viene svolto il lavoro.

Metodi di lavoro • Discussione in gruppo • Discussione con l’intera classe

Idee chiave di questa lezione • E' bene provare a immaginare in maniera più precisa possibile come sarà un determinato scenario, pur

sapendo che si potrebbero verificare eventi imprevisti

Contesto e background Nel corso di questa lezione gli studenti valutano i modellini di stagno che hanno costruito e potranno suggerire eventuali migliorie da apportare; immagineranno inoltre come costruire un vero stagno nel giardino della scuola.



4.1 Attività introduttiva - Come valutare i modellini di stagno - lavoro di gruppo, plenaria - 10 minuti

Gli studenti hanno preparato i modellini di stagno: ora devono illustrare quale metodo può essere seguito per stabilire quale sia il progetto migliore. Prima discuteranno all’interno dei gruppi e poi con tutta la classe. Possono prendere in considerazione la conservazione dell’acqua, il tipo e la quantità di materiale utilizzato. Sulla base della discussione precedente gli studenti analizzano, prima in gruppo e poi con l’intera classe, come hanno funzionato i loro modellini: se qualcuno non ha funzionato correttamente, devono domandarsi cosa è andato storto e cosa fare per migliorarlo. Raccogliete la lista di tutte le migliorie proposte e trascrivetele alla lavagna.

4.2 Valutare il proprio modellino di stagno - lavoro di gruppo, plenaria - 50 minuti Partendo dalla discussione precedente gli studenti devono valutare il loro modellino di stagno, prima all’interno del proprio gruppo e poi confrontandosi con tutta la classe. Devono prendere in esame gli eventuali difetti dei loro modelli e immaginare come potrebbero migliorarli. Mentre gli studenti esprimono le loro considerazioni, prendete nota di quello che dicono su un poster.

4.3 Progettare uno stagno vero - lavoro di gruppo, plenaria - 40 minuti È il momento di progettare un vero e proprio stagno. Ecco le domande chiave: I materiali e le caratteristiche del modellino possono essere applicati in maniera uguale anche allo stagno vero o sarà necessario apportare qualche modifica? Il posizionamento dello stagno è importante? Perché? Per esempio: quando si sceglie dove scavare è importante scegliere un posto in cui il terreno non sia troppo asciutto e dove l’evaporazione sarà minore (non deve essere troppo esposto alla luce diretta del sole); Bisogno pensare a un sistema per aggiungere altra acqua, oltre a quella piovana? Uno stagno non può asciugarsi, quindi il progetto migliore tra quelli realizzati sarà quello in cui l’acqua si è conservata per almeno un giorno, senza che sia stato necessario aggiungerne altra (o dove ne è stata aggiunta pochissima). Quanto è grande lo stagno? Cambiarne le dimensioni comporterà nuove sfide dal punto di vista scientifico e ingegneristico? Solitamente i bambini non hanno un’idea chiara del concetto di lunghezza, quindi per loro è difficile orientarsi rispetto alle dimensioni dello stagno "vero". Potete quindi aiutarli chiedendo loro se lo immaginano più grande, uguale o più piccolo rispetto alla loro aula, e quanto lo immaginano profondo rispetto alle pareti. Per aiutarli, date ad ogni gruppo un metro che gli servirà ad avere un’idea più precisa delle dimensioni dello stagno, magari prendendo le misure dell’aula come termine di paragone. Quali caratteristiche ambientali volete includere nel progetto? Pensate a Leo e alle rane: in che modo si vuole favorire lo sviluppo dell’habitat di rane e altri animali? Chiedete agli studenti di completare la scheda didattica 1, lezione 4: possono scrivere le risposte direttamente nella scheda o su dei post-it da attaccare a un poster visibile a tutti; è anche possibile usare le domande come spunto per una discussione prima all’interno di ogni singolo gruppo e poi tutti insieme. A questo punto gli studenti spiegano alla classe i loro



progetti per poterli valutare tutti insieme; successivamente tornano a lavorare in gruppo per apportare eventuali modifiche ai singoli progetti alla luce della discussione. Infine dovranno presentare i risultati in un poster da attaccare alla parete.

4.4 Conclusione - plenaria - 50 minuti

Chiedete agli studenti di immaginare come possa essere organizzato il lavoro per la realizzazione di uno stagno. Devono prendere in esame le differenze fra il modellino e lo stagno reale. Alla fine riprendete l’intera unità. Ecco le domande chiave: − Come avete utilizzato il processo di progettazione ingegneristico? − Quali conoscenze scientifiche avete appreso e poi applicato nella progettazione e nella realizzazione dello stagno? − È stato divertente? − Cosa avete imparato del lavoro di gruppo?



Appendice La storia per creare il contesto: Leo e lo stagno Finalmente l’anno scolastico volgeva al termine. Leo era stato bravo e quindi aveva a disposizione tanto tempo libero: decise allora di andare al parco vicino a casa dove di solito giocava con gli amici, e dove alcune volte l’insegnante di scienze portava lui e i suoi compagni per fare lezione. Passeggiando lungo la sponda dello stagno gli tornava in mente tutto quello che aveva imparato insieme ai suoi amici su rane, tritoni, libellule, salamandre e zanzare. Avevano osservato il ciclo vitale di alcuni di questi animali scoprendo come convivono nell’ambiente comune dello stagno, come lottano per la sopravvivenza e quali piante vivono insieme a loro. Per questo lui e i suoi amici erano molto affezionati a quel posto. Mentre rifletteva su tutte queste cose, notò uno strano gruppo di persone: avevano dei macchinari strani, dall’aspetto misterioso, parlavano tra di loro guardando su un foglio molto grande che tenevano in mano e che sembrava una mappa. Alcuni erano intenti a scavare delle buche nel terreno con una trivella e a osservare, utilizzando dei piccoli telescopi fissati su un treppiedi, quello che avevano trovato. "Cosa stanno facendo?" si chiese Leo. Andò verso di loro cercando di non farsi notare troppo e cercando di capire di cosa stavano parlando; notò che tutti indossavano una maglia con la scritta: GEOTEKN. "Qui ... " – disse un uomo che sembrava a capo dell’intero gruppo, indicando verso lo stagno – "...costruiamo l’entrata del centro commerciale, per poi estenderlo verso la zona del bosco". "Dobbiamo conoscere la composizione degli strati del terreno al di sotto dello stagno e di quello che c’è nel bosco per vedere che tipo di fondamenta dobbiamo progettare", aggiunse. Per Leo fu come uno shock: un centro commerciale al posto dello stagno e del bosco?! ….. ma, ma è impossibile!! Corse a casa. Doveva assolutamente dire a qualcuno quello che aveva appena scoperto. Leo si stese sul suo letto, fissando il soffitto in attesa che i suoi genitori tornassero dal lavoro. "Come farò senza lo stagno e senza il parco?" – continuava a chiedersi. Fu travolto da un sentimento di rabbia e tristezza: dove avrebbe giocato con i suoi amici? Dove sarebbero andati tutti gli animaletti dello stagno? Quando finalmente i suoi genitori tornarono a casa, Leo corse loro incontro e convocò immediatamente una riunione di famiglia, come era consuetudine in caso di problemi da risolvere o



quando c’erano decisioni importanti da prendere. I suoi genitori, un po’ sorpresi dell’urgenza della sua richiesta non osarono obiettare e si sedettero, nonostante fossero stanchi dopo una lunga giornata di lavoro. "Che cosa è successo Leo?", chiesero. Leo gli raccontò tutto: "Non voglio perdere quel posto, cosa posso fare per fermare i lavori?". Era così emozionato nel fare questa richiesta, che i genitori si scambiarono uno sguardo di disperazione: non sapevano come fare per alleviargli l’inevitabile delusione che lo attendeva. Come spesso accade, la notte porta consiglio, perciò la mattina dopo Leo si presentò a colazione pieno di entusiasmo per un’idea che gli era venuta durante la notte: "Mamma, convincerò l’insegnante a ricreare lo stagno nel giardino della scuola, così possiamo portarci alcuni degli animaletti che lo abitano e li salveremo!". Era talmente entusiasta che non aspettò nemmeno la risposta della mamma: la salutò e corse a scuola per parlare coi compagni e presentare la sua idea all’insegnante. L’idea di Leo si trasformò presto in un vero progetto grazie all’aiuto dell’insegnante e di alcuni genitori: fu necessaria l’approvazione di numerosi responsabili scolastici ma alla fine tutti diedero il consenso e in autunno Leo cominciò a pianificare la costruzione dello stagno. Ma come si comincia a costruire uno stagno? Cosa dobbiamo tenere presente? È sufficiente scavare una buca e riempirla d’acqua per ricreare uno stagno? I lavori nel parco erano già incominciati ed erano arrivati tanti bulldozer per scavare in un’area vicina allo stagno. Uno dei tecnici si accorse della presenza di Leo, sempre più frequente in quell’area; così decise di domandargli come mai fosse tanto interessato al loro lavoro. Leo gli parlò del suo progetto e gli rivolse alcune domande che gli frullavano nella testa. Il tecnico rispose a tutto e gli disse che era importantissimo costruire delle pareti resistenti all’acqua, perché nel terreno sopra il quale sarebbe stato costruito il centro commerciale si trovava molta acqua (ovvio, c’era uno stagno!). Gli ingegneri dovevano impedire che l’acqua si infiltrasse all’interno dell’edificio, e per questo stavano utilizzando un particolare tipo di cemento e applicando degli strati di un materiale impermeabile alle pareti (in alcuni casi utilizzavano anche degli spessi fogli di gomma molto resistente). Gli disse anche che stavano usando delle pompe per aspirare l’acqua che si infiltrava. Leo rifletté su come tutte queste informazioni potessero rivelarsi utili per il progetto dello stagno: pensò quindi che anche loro avrebbero dovuto scavare una buca! Improvvisamente si ricordò del primo giorno che vide gli ingegneri all’opera mentre parlavano dell’importanza della composizione del terreno. "Ma il terreno è terreno e basta!" pensò tra sé e sé ....



Processo di progettazione ingegneristico



Schede didattiche e schede delle risposte



Scheda didattica 1 Lezione 0 - Ingegneria?



Scheda didattica 1 Lezione 0 - Ingegneria? - Note pedagogiche per l'insegnante

Le immagini riportate nella Scheda Didattica servono a favorire la discussione tra gli studenti su cosa sia l'ingegneria, cosa facciano gli ingegneri e chi potrebbe essere coinvolto nei vari settori dell'ingegneria.

Le immagini del ragno e della lumaca presentano alcuni spunti interessanti: gli studenti potrebbero infatti riconoscere che il ragno, tessendo la sua ragnatela, svolga un vero e proprio lavoro ingegneristico, e da questo si può arrivare ad altri esempi di applicazioni "ingegneristiche" del mondo animale (ad esempio il castoro che costruisce una diga). È interessante sottolineare che è opinione comune pensare che l'ingegneria si riferisca solo agli oggetti costruiti, invece possiamo imparare tanto anche dallo studio della natura e dell'ambiente: per esempio, il materiale che utilizzano i ragni per tessere le ragnatele è stato copiato dall’uomo per realizzare un materiale molto resistente - il Kevlar - che possiede molte qualità utili. Allo stesso modo la lumaca ha sviluppato una strategia utile per spostarsi sopra le superfici ruvide e proteggere dai danni il proprio corpo molle; sarebbe quindi interessante domandarsi se questo accorgimento potrebbe risultare utile per risolvere qualche problema nel mondo umano (come ad esempio è successo col Velcro, che è stato inventato prendendo spunto dalle proprietà dei fiori di bardana).

Anche i giocattoli possono essere considerati dei manufatti ingegneristici, dato che non sono altro che l’insieme di diversi meccanismi; tuttavia è interessante domandarsi di quali materiali potrebbero essere fatti e chi effettivamente li costruisce. Questi interrogativi potrebbero generare una discussione sulla parità dei generi (molti studenti della classe potrebbero infatti pensare che i designer di giocattoli per bambini siano uomini).

Allo stesso modo potrebbe esserci il pregiudizio che i capi d'abbigliamento realizzati a maglia e i cibi pronti siano fatti solo da donne e che non siano invece prodotti dell'ingegneria.

Alcune immagini di sculture e opere d'arte potrebbero essere percepite come non ingegneristiche e prive di un reale scopo pratico. Ciò solleverà la questione sui collegamenti tra l'ingegneria e l'arte e se sussista o meno la necessità che ci sia uno scopo pratico per definire ingegneristici degli oggetti costruiti.

Le immagini sono finalizzate a stimolare il coinvolgimento e il dialogo sull'ingegneria; ciò potrebbe portare a una discussione su tutto ciò che è legato al concetto di ingegneria, e a questo punto potreste decidere di presentare il processo di progettazione ingegneristico.



Scheda didattica 1 Lezione 1 - Come è fattouno stagno (1) Nome: Data:

Stagno di Lura (Italia)

Stagno di Contovello (Italia)

Palude del Circeo (Italia)



Scheda didattica 1 Lezione 1 - Come è fatto uno stagno (2)

Lago del Basso Flumendosa

(Italia)

Lago d’Iseo (Italia)

Lago San Cristobal (Colorado-USA)



Scheda didattica 1 Lezione 1 - Come è fatto uno stagno (3)

Diga di Dahuk (Iraq)

Che differenze ci sono tra uno stagno, un lago e una palude?

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Cosa potrebbero avere in comune stagni e fiumi?

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La diga è una riserva d’acqua? Ha qualcosa in comune con uno stagno?

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Quali pensate siano le caratteristiche principali di uno stagno? Elencatele.

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Scheda didattica 2 Lezione 1 - Mischiare terreno e acqua Nome: Data: Ricordate l’ultima affermazione di Leo: “Ma il terreno è terreno e basta!”. Davvero il terreno è un unico materiale? È così semplice? Di cosa avete bisogno? • terreno raccolto dal giardino della scuola e/o da un altro giardino o campo • bottiglia di plastica da 1,5 l, trasparente e chiara munita di tappo • cucchiaio e foglio di carta • righello Al lavoro! 1. Mettete il terreno nella bottiglia e segnare il livello: ...... cm 2. Riempite d’acqua la bottiglia 3. Chiudete bene la bottiglia con il tappo 4. Agitate la bottiglia (fate dissolvere bene eventuali grumi di terra) e mettetela su un

tavolo. Scrivete quello che pensate succederà. .................................................................................................................................

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5. Osservate quello che succede all’interno della bottiglia immediatamente dopo averla agitata, dopo 5 minuti, dopo 30 minuti e dopo 2 ore (ancora meglio, il giorno dopo). .................................................................................................................................

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6. Riuscite a dare una spiegazione a quello che avete osservato?

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Scheda didattica 1 Lezione 2 - L’acqua incontra i componenti del terreno Nome: Data: Di cosa avete bisogno? • 3 bottiglie di plastica da 1,5l – 2l trasparenti e chiare • forbici • garza • 3 elastici di gomma • ghiaia • sabbia • argilla in polvere • acqua • contenitore per l’acqua

Al lavoro! 1. Tagliate in due pezzi la bottiglia, a metà della sua altezza. 2. Coprite l’imboccatura della bottiglia con una garza e fissatela al collo della bottiglia con

un elastico: capovolgendo questa metà di bottiglia otterrete un imbuto.

3. Inserite l’imbuto dentro l’altra metà della bottiglia, che raccoglierà l’acqua che scorre

attraverso l’imbuto…poi sovrapponetene un secondo e un terzo.

4. Mettete la ghiaia nel primo imbuto, la sabbia nel secondo e l’argilla in polvere nel terzo,

allo stesso livello. 5. Versate lentamente l’acqua negli imbuti: osservate come scorre nel contenitore in basso.



Scheda didattica 2 Lezione 2 - L’acqua incontra i materiali Nome: Data: Di cosa avete bisogno? • alcuni piatti e bicchieri usa e getta trasparenti • gli imbuti (con la garza) e le bottiglie tagliate a metà

realizzati nell’attività precedente • carta o cartone, due diverse spugne,

borsa di plastica, tessuto, lettiera per gatti, farina, un pannolino, ....................., .....................,

• acqua • un contenitore per l’acqua (una caraffa o un cilindro graduato)

Al lavoro! 1. Mettete il materiale che avete scelto all’interno dell’imbuto oppure coprite l’imboccatura

del bicchiere con il materiale che avete scelto. 2. Versate lentamente l’acqua. Quali materiali sembrano essere più impermeabili?

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Vi aspettavate questi risultati?

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3. Se fate l’esperimento con materiale granulare o polveroso? Confrontate quello che accade quando il materiale è soffice e quando invece è compatto.

4. Mettete i materiali che hanno assorbito l’acqua - come ad esempio le spugne - su un piatto asciutto: l’acqua rimane all’interno del materiale? ................................................................................................................................... ...................................................................................................................................



Scheda didattica 3 Lezione 2 - Un fondo impermeabile Nome: Data: Di cosa avete bisogno? • una cella (vedi Scheda didattica 5 Lezione 2) • terreno asciutto • materiali da usare come strato intermedio : lettiera per gatti, ....................., .....................,

..........................., ................... • acqua • un contenitore per versare l’acqua o una siringa (senza ago) • plastilina

Al lavoro! 1. Riempite la cella con il terreno asciutto fino a un terzo dell’altezza. 2. Formate un secondo strato usando il materiale che volete testare. 3. Finite di riempire la cella con dell’altro terreno. 4. Tenete la cella in verticale usando la plastilina per fissarla al tavolo. 5. Scavate una piccola buca in superficie (fate attenzione a non arrivare fino allo strato di

materiale da testare). 6. Versate l’acqua molto lentamente nella buca finché non si riempie: ripetete l’operazione

non appena l’acqua viene assorbita. Cosa succede? Quanto tempo ci vuole? ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ...........................................................................................................................................



Scheda didattica 1 Lezione 3 - Il modellino di stagno Nome: Data: Di cosa avete bisogno? • 1 vaso di fiori (diametro circa 20 cm) • 1 sacchetto per la spazzatura, più grande del vaso di fiori • acqua • mezzo secchiello di terreno • una paletta • materiale per impermeabilizzare il fondo • (asciugamani di carta o stracci) Al lavoro!

1. Scegliete dove mettere il modellino, aprite e stendete il sacchetto per la spazzatura e metteteci sopra il vaso di fiori (così l’acqua non si spande sul tavolo se il modellino non funziona bene).

2. Riempite quasi completamente il vaso di fiori con il terreno. 3. Scavate una buca (senza raggiungere il fondo del vaso). 4. Ricoprite la superficie della buca con il materiale impermeabile che avete scelto;

prendete nota dello spessore dello strato. 5. Ricoprite il materiale impermeabile con uno strato di terreno e date la forma allo

stagno. 6. Riempite d’acqua lo stagno: prendete nota della quantità d’acqua necessaria. 7. Dopo 1 ora controllate il livello dell’acqua e verificate se c’è dell’acqua sul sacchetto di

plastica alla base.



Scheda didattica 1 Lezione 4 - Lo stagno Nome: Data: Al lavoro! 1. Decidete la posizione dello stagno: dove scaverete per costruirlo? Perché?

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2. Lunghezza: ..........................

ampiezza: .......................... profondità: .......................... spessore dello strato impermeabile: ..........................

3. Pensate che sarà necessario aggiungere acqua a intervalli più o meno regolari? Come?

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Scheda didattica 2 Lezione 4 - Immaginare come costruire uno stagno Nome: Data: Al lavoro! 1. Quali caratteristiche del modellino devono essere modificate?

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2. Elencate le fasi necessari per costruire lo stagno: …........................................................................................................................................

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3. Quali strumenti e macchinari pensiate che possano essere usati?

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4. Quale pensate sarà la parte più difficile della realizzazione?

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Appendice Lezione 2 - Costruire la cella Di cosa avete bisogno? • 2 placche di plastica trasparenti 25x25 cm, dello spessore di 2 o 4 mm (si possono trovare nei

portaritratti, ma attenzione che siano di plastica e non di vetro) • 1 bastone di legno a sezione quadrata, 2x2x25 cm • 2 bastoni di legno a sezione quadrata, 2x2x23 cm • nastro isolante • forbici

Al lavoro!



Note scientifiche per gli insegnanti sul terreno e sul flusso dell’acqua attraverso i materiali.

Concetti scientifici chiave utilizzati nella Lezione 2

Il terreno: • il terreno è un insieme di diverse componenti; • quando viene mischiato con acqua, osservando come si deposita sul fondo, si può notare che le varie

componenti formano diversi strati; • gli strati compaiono sempre nello stesso ordine: sul fondo si deposita il materiale più pesante, seguito da

quelli con i grani man mano più piccoli e le particelle più piccole rimangono in sospensione in acqua; • si possono trovare tracce di materiale vegetale che galleggia; • diverse componenti sono presenti in diverse quantità; • le tre componenti principali del terreno sono ghiaia, sabbia e argilla; • i granelli più grandi sono ghiaia e sabbia, mentre quelli più piccoli sono limo e argilla; • campioni di terreno prelevati da posti diversi possono avere diverse proporzioni di queste componenti; • l’acqua non scorre attraverso i diversi materiali nello stesso modo; • l’acqua scorre velocemente attraverso la ghiaia, meno velocemente attraverso la sabbia e molto

lentamente attraverso l’argilla. Gli stagni: • uno stagno è un sistema dinamico in cui l’acqua entra ed esce; • per mantenere la stabilità in uno stagno ci deve essere equilibrio tra entrata e uscita; • l’acqua deve essere aggiunta costantemente e le perdite devono essere mantenute al minimo; • la velocità del flusso dell’acqua che attraversa i materiali che ricoprono il fondo dello stagno è un fattore

critico per il mantenimento dell’equilibrio. Sul flusso dell’acqua attraverso i materiali: • la velocità del flusso di un liquido (in questo caso d’acqua) attraverso un materiale è chiamata permeabilità; • i materiali (inclusi solidi, componenti del terreno e materiali artificiali) hanno gradi diversi di permeabilità; • alcuni materiali come la plastica e l’argilla sono totalmente o quasi totalmente impermeabili; • nei materiali porosi (come la carta o la spugna), l’acqua penetra attraverso i piccoli canali irregolari

costituiti da pori e cavità e altre discontinuità presenti nel materiale; • nei materiali granulari (come sabbia e ghiaia) l’acqua penetra attraverso gli spazi vuoti tra un granello e

l’altro; • il passaggio di un liquido (in questo caso acqua) attraverso materiali porosi prende il nome di percolazione; • in alcuni materiali porosi le cavità non sono connesse l’una con l’altra quindi l’acqua non riesce a filtrare • il livello di compattezza del suolo o dell’argilla riduce l’ampiezza degli spazi vuoti tra i vari granelli e rallenta

il flusso dell’acqua. Ingegneria geotecnica L’ingegneria geotecnica è una branca dell’ingegneria civile. Si concentra sullo studio dei materiali e si occupa delle costruzioni al di sopra o al di sotto della superficie terrestre (come l’attività mineraria o quella edilizia). Il compito dell’ingegnere geotecnico è quello di indagare le condizioni del terreno al di sotto della superficie, i materiali che compongono il terreno presente in una determinata area e assicurarsi che tali condizioni siano compatibili con i requisiti di un dato progetto. Questo comporta un’indagine sul campo dove è necessario considerare i principi della meccanica del suolo e delle rocce. Oltre alle proprietà fisiche e meccaniche dei materiali, sarà necessario valutare gli eventuali rischi nei confronti di persone o cose e rispetto all’ambiente (valutare la possibilità che si verifichino eventi naturali come frane, terremoti, doline, liquefazione delle sabbie o smottamenti). Bisogna esaminare le proprietà del suolo e dello strato di roccia sottostante, la distribuzione delle faglie e come queste interagiscono tra di loro e con l’opera da realizzare. I risultati di queste indagine vengono utilizzati per progettare fondamenta appropriate alla costruzione da realizzare: potranno essere più o meno profonde e necessitare di strutture di supporto quali dighe in terra e muri di sostegno. Si dovranno svolgere lavori quali terrapieni, tunnel, argini e provvedere allo stoccaggio di materiali pericolosi.



Cosa è uno stagno? Uno stagno è uno specchio d’acqua stagnante, naturale o artificiale, relativamente piccolo e poco profondo. Non vi è una vera e propria definizione tecnica di stagno, in genere è determinante che la luce riesca a penetrare sino al fondo in ogni punto (se l’acqua non è fangosa), deve essere poco profondo in modo da permettere alle piante di radicarsi sul fondo e non deve esserci stratificazione termica o moto ondoso lungo le sue sponde. Una profondità ridotta (fino a circa 3 m) è il fattore distintivo tra stagno e lago. Laghi e stagni devono la loro formazione ad attività glaciali, vulcaniche o tettoniche, che lasciano delle depressioni isolate sulla superficie terrestre che successivamente si riempiono d’acqua. Gli stagni possono formarsi nelle piane alluvionali all’interno degli ecosistemi fluviali o possono essere creati da animali, come i castori. A differenza delle paludi, gli stagni non si formano in seguito all’allagamento di bassopiani ad opera di fiumi o del mare: affinché uno stagno si formi e si mantenga è necessario un rifornimento costante d’acqua (acqua di sorgente, da fonti sotterranee, acqua di superficie, da fiumi o canali affluenti, o di acqua piovana). Il livello d’acqua varia a seconda della stagione: è al minimo durante il periodo di siccità ed è al massimo nel periodo di piogge abbondanti. Uno stagno può formarsi solo se il materiale che riveste il fondo è adatto per impedire all’acqua di scorrere via, assicurando così un contenuto d’acqua permanente. L’ambiente fisico del lago è composto da fango, sabbia e pietre sul fondo; le sue sponde offrono stabilità e supporto alla crescita della vegetazione: nonostante le dimensioni relativamente ridotte, gli stagni possono ospitare ecosistemi ricchissimi di biodiversità. Questa sfida invita gli studenti a valutare l’efficacia dei materiali (inclusa quella del terreno) che potrebbero essere utilizzati nella progettazione di uno stagno. Gli ingegneri geotecnici conducono un’indagine sulle proprietà fisiche e chimiche dei materiali proposti, valutano il loro comportamento a contatto col terreno e il modo in cui potrebbero influenzare il comportamento del terreno. L’intero processo inizia con un’analisi approfondita dei campioni di suolo prelevati dal sito. Di cosa è fatto il terreno? Il terreno è il prodotto di processi fisici, chimici e organici che si sono verificati in archi di tempo molto estesi (1000 anni o più). Durante questi processi le rocce si sono disintegrate per azione degli agenti atmosferici. Gli agenti atmosferici, come ad esempio l’erosione operata dal vento, dall’acqua o dal ghiaccio e l’escursione termica, riducono la roccia in pezzi più piccoli, lasciandone però inalterata la composizione. L’effetto chimico degli agenti atmosferici invece, non solo disintegra le rocce ma ne cambia la composizione: in seguito a questo tipo di processo il materiale duro può diventare soffice. Potrebbero verificarsi delle reazioni chimiche tra i minerali che compongono la roccia e l’ossigeno o l’anidride carbonica contenuti nell’atmosfera, o potrebbe accadere che i batteri presenti nel suolo trasformino le radici delle piante creando altri componenti del terreno. Lo stato del suolo - la sua composizione e la sua stratificazione - è il risultato delle diverse fasi della sua storia: formazione (processi disintegrativi) trasporto (ghiacciai, precipitazioni, fiumi, inondazioni) e deposizione (sedimentazione, infiltrazione). Se si scava in profondità per ottenere una sezione del terreno (detta "orizzonte pedologico"), si vedranno una serie di strati o orizzonti. Per informazioni più approfondite in materia di orizzonti pedologici visitate: http://passel.unl.edu/pages/informationmodule.php?idinformationmodule=1130447025&topicorder=4 Se si osserva il suolo più attentamente con l’aiuto di una lente d’ingrandimento si vede che è composto da diversi granelli, e gli interstizi tra i vari granelli sono pieni di aria, acqua o entrambe. Per i geologi e gli ingegneri geotecnici la dimensione dei granelli è molto importante per comprendere le proprietà del suolo, che viene classificato secondo questa scala:

Frammenti di roccia (diametro d> 200 mm) Ghiaia (2 ≤ d ≤ 200 mm) Sabbia (0,06 ≤ d ≤ 2 mm) Limo (0,002 ≤ d ≤ 0,06 mm) Argilla (d ≤ 0,002 mm).

La diversa concentrazione di queste componenti determina le proprietà fisiche del terreno (come la sua capacità di trattenere l’acqua o di essere attraversato da essa). L’acqua attraversa i suoli sabbiosi molto velocemente, perché sono ben drenati e areati e si asciugano facilmente (quindi non vanno bene per la

http://passel.unl.edu/pages/informationmodule.php?idinformationmodule=1130447025&topicorder=4



costruire uno stagno). I terreni con alta concentrazione di argilla invece hanno un’alta capacità di conservare l’acqua e tendono a saturarsi (ideali per trattenere l’acqua). Si può verificare facilmente la grana di un terreno con un semplice test: prendete un piccolo campione da poco sotto la superficie (quanto basta per formare una pallina di 2,5 cm di diametro); con un po’ d’acqua inumidite il campione fino a quando diventa abbastanza appiccicoso da attaccarsi alle dita. Adesso stringete delicatamente la pallina di terra inumidita tra le mani: se il terreno è sabbioso o di sabbia argillosa (a grana grossa) la pallina si romperà con una leggera pressione; se il suolo è sabbioso o di limo argilloso (a grana media) la pallina cambierà forma molto facilmente ma rimarrà intatta; se invece è difficile rompere o deformare la pallina, allora si tratta di terreno argilloso (a grana fine). Nel corso della Lezione 2 gli studenti indagano la composizione del suolo e ne considerano l’importanza per la costruzione dello stagno: per evitare eccessive perdite d’acqua i terreni ideali sono quelli argillosi e di argilla limosa per le loro proprietà di drenaggio lento. Le sabbie a grana grossa o i terreni misti sabbia e ghiaia invece, lasciano passare l’acqua molto in fretta e perciò non sono adatti. Come l’acqua passa attraverso i materiali Il terreno funge da spugna assorbendo e trattenendo l’acqua. Il movimento dell’acqua attraverso il suolo è detto infiltrazione ; in particolare, quello verso il basso è detto percolazione; gli spazi tra i granelli del terreno permettono all’acqua di infiltrarsi e di percolare: il suolo funge quindi da serbatoio per l’acqua. La permeabilità è la capacità di un materiale di far passare un liquido (in questo caso l’acqua) attraverso di sé. Nella Lezione 2, ricercando terreni adatti per realizzare il fondo di uno stagno, gli studenti sperimentano come l’acqua passa attraverso una serie di materiali diversi (ad esempio ghiaia, sabbia e argilla). Vengono a conoscenza del concetto di permeabilità come misura della capacità di un materiale di trasmettere fluidi (in questo caso acqua) e riflettono sulla natura dei materiali porosi osservando come l’acqua defluisce attraverso i canaletti irregolari costituiti da pori, cavità e altri elementi di discontinuità all’interno di alcuni materiali (quali la carta o la spugna), o attraverso gli interstizi presenti tra un granello e l’altro delle componenti del terreno. Il flusso d’acqua viene rallentato dalla compattezza del suolo o da materiali come l’argilla che riduce la larghezza degli spazi tra un granello e l’altro. L’infiltrazione è molto bassa (quasi pari a zero) in caso di suoli argillosi o molto compatti mentre diventa considerevole nel caso di suoli sabbiosi: può procedere ad un ritmo di 20cm all’ora. Gli studenti hanno l’opportunità di osservare anche materiali porosi dove peò le cavità non comunicano l’una con l’altra e quindi l’acqua non riesce a filtrare. Le Lezioni 2.3 e 2.4 permettono di indagare la permeabilità delle componenti del terreno e di altri materiali al fine di individuare quelli più adatti alla realizzazione di uno stagno.



Alcune idee dei bambini sulla scienza del suolo e movimenti dell’acqua Le convinzioni che i bambini hanno sul mondo della natura derivano dalle loro esperienze quotidiane, che possono non rappresentare il punto di vista riconosciuto dalla scienza, ma che provengono da ragionamenti di buon senso basati sull'osservazione e sull'interazione. Offrire ai bambini l’opportunità di mettere in discussione il loro modo di pensare mediante proponendogli un'attività pratica, modificherà in maniera più efficace le loro convinzioni piuttosto che impartendo una serie di nozioni teoriche, ciò non di meno comporta un importante e arduo compito pedagogico. È molto impegnativo per gli studenti di tutti i livelli e di tutte le età accettare idee nuove riguardo un particolare fenomeno, specialmente quando queste sembrano contraddire ragionamenti di buon senso. Nonostante la ricerca ci abbia fornito un’idea più chiara di ciò che probabilmente pensano i bambini in materia di alcuni settori scientifici, resta il fatto che spesso hanno difficoltà ad articolare il loro pensiero; per questo bisogna essere molto cauti a formulare delle ipotesi sul loro modo di ragionare. Proprio per questo è fondamentale offrire ai bambini l’opportunità di mettere in discussione il loro modo di pensare attraverso l’attività pratica. È probabile che i bambini abbiano esperienze limitate riguardo le scienze della terra e il linguaggio utilizzato in questo ambito. L’insegnante dovrebbe essere consapevole del fatto che le idee dei bambini riguardo a termini quali "roccia" o "suolo/terreno" potrebbero discostarsi anche molto dal loro significato scientifico. Allen (1), per esempio, rileva come la definizione scientifica di roccia sia "qualunque materiale naturale che sia il prodotto di processi geologici e sia un aggregato di due o più minerali". Alcuni bambini però affermano che le "rocce" sono troppo grandi per essere lanciate, mentre le "pietre" possono prese in mano e tirate. Qualcuno dice che le rocce sano solo frastagliate mentre per altri possono essere anche rotonde (1). Anche le idee riguardo al suolo potrebbero essere confuse. Uno dei luoghi comuni - sbagliati - è che il terreno è semplicemente "lo sporco" o "qualunque cosa si trovi a terra" (vedi (2) per una visione d’insieme sulla ricerca). In alcuni casi gli studenti distinguono il terreno dallo "sporco" perché riconoscono che "il terreno ha anche qualità positive", dato che vi crescono le piante, e pensano che si possano giudicare le qualità positive del terreno a seconda di come esso appaia alla vista o al tatto. Se invece non riescono a formulare un giudizio, riconoscono che potrebbe farlo invece un "esperto". Di solito gli studenti riconoscono l’importanza del terreno per la crescita delle piante (1) e per il fatto che costituisce l’habitat di alcuni animali come i vermi (i vermi mangiano il terreno). Sono però meno consapevoli della biodiversità del suolo e del ruolo degli organismi viventi che lo abitano. Alcuni bambini hanno qualche idea su come si decompongono i microrganismi all’interno del terreno, e che questo può collegarsi con la formazione di fossili (3). Mentre alcuni vedono il suolo come un’entità uniforme in natura, altri pensano sia un insieme di pezzettini di diverse forme e colori (3): sono molto influenzati dallo strato superficiale che sono abituati a vedere, e forse hanno difficoltà a riconoscere altri terreni come tali, in quanto spesso si concentrano sui "pezzettini marrone scuro" e non considerano come parte integrante del terreno i materiali in decomposizione più visibili o i pezzi di roccia più grandi. Probabilmente questi "pezzettini" non vengono associati al concetto di roccia (la roccia è dura mentre il terreno è morbido): la roccia viene spesso riconosciuta solo quando è visibile ed esposta, e gli studenti sembrano non rendersi conto che ci sono strati di roccia anche sotto la superficie (3); pensano che la roccia sia "dura" e immutabile e fanno fatica a capire le sue interazioni con il terreno (3). Alcune idee in merito alla formazione del terreno (3):

• ha a che fare con i depositi dei fiumi; • è sempre esistito; • è relativamente "giovane", perché si forma in pochi anni; • è vecchio quanto il nostro pianeta.

La Lezione 2 può essere d’aiuto per ampliare le conoscenze che gli studenti hanno in materia di suolo attraverso la sperimentazione, l’osservazione e la ricerca. I concetti chiave da sviluppare hanno a che fare con



la composizione del suolo; gli studenti sono invitati a stabilire dei collegamenti tra il terreno e le rocce e a parlare di come il terreno si possa essere formato in lunghi periodi. Nella Lezione 2 si analizzano inoltre gli interstizi tra le particelle del terreno e la funzione che hanno nel permettere all’acqua di passare attraverso il materiale. Gli studenti potrebbero non sapere che ci sono degli spazi vuoti tra le particelle di terreno e potrebbero avere difficoltà a capire che tali spazi contengono acqua e aria. Potrebbero aver visto degli animaletti muoversi sulla superficie del terreno (specialmente in seguito a pesanti piogge) e aver dedotto che questi hanno bisogno di emergere per respirare (3). Allen (1) suggerisce un modo molto utile per far capire che il terreno non è una massa solida: invita i bambini a mettere un po’ di terra in un portauovo e fare una previsione su quanta acqua ci stia prima che trabocchi. Saranno sorpresi dal vedere quanta ne possono aggiungere: questo esperimento li aiuterà a capire come l’acqua occupa gli spazi tra le particelle del terreno. "Ricreare" il terreno usando palline o biglie di diverse dimensioni può aiutarli a visualizzare gli spazi tra le particelle e capire meglio com’è fatto il terreno; usare lenti o altri strumenti d’ingrandimento facilita l’osservazione: confrontando le particelle dei diversi tipi di suolo gli studenti possono cominciare scoprire che il terreno è costituito da diverse componenti e che tipi di terreno differenti possono influire sulla crescita delle piante e il drenaggio degli stagni. Sperimentare con l’attività pratica come l’acqua scorre (o non scorre) attraverso una serie di materiali di uso comune, aiuta gli studenti, non solo a scegliere il materiale più appropriato per il fondo dello stagno, ma anche ad approfondire le loro conoscenze in materia di infiltrazione e permeabilità. Riferimenti (1) Allen, M. ( 2010) Misconceptions in Primary Science. Open University Press: Berkshire, Inghilterra. (2) Driver, R., Squires, A., Rushworth, P. & Wood-Robinson, V.(1994) Making Sense of Secondary Science. Routledge : Londra. (3) Nuffield Primary Science: Teachers’ Guides (Ages 7-12): Rocks, Soils and Weather (1995) HarperCollins Publishers: Londra.



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