Taking Science to School: Learning and Teaching Science in Grades K-8

 

Traduzione di alcune parti sul curricolo di Chimica

 

 a cura di Germaro Bellisola

 

 

 

Avvertenza

La traduzione riguarda alcune parti del rapporto "Taking Science to School: Learning and Teaching Science in Grades K-8" sul percorso di apprendimento delle proprietà della materia nei primi 8 anni della scuola americana, corrispondenti all'incirca ai nostri cinque anni di elementari più tre anni di scuola media.

 

Il senso dello scritto è che già nei primi anni delle elementari è possibile avviare i bambini all'indagine sulle proprietà della materia,a partire dai suoi attributi fondamentali macroscopici, peso e volume. Lavorando su questi elementi, è possibile introdurre la misura e la modellizzazione. La misura, però, non dev'essere presentata in forma di procedura astratta,ma come strumento per arrivare a sostituire le valutazioni di peso e volume fondate su sensazioni percettive con valutazioni oggettive e più affidabili. E la modellizzazione, almeno nella scuola primaria, non deve sfociare nelle classiche rappresentazioni della struttura particellare della materia che troviamo perfino nei libri di testo per la terza elementare (specie relativamente agli stati di aggregazione della materia). Né, tanto meno, sfociare in "disegnini" di molecole con tanto di simboli chimici, che si vedono di frequente perfino per parlare ai bambini della fotosintesi clorofilliana. Le trasformazioni di oggetti e materiali da prendere in considerazione possono e devono - secondo il rapporto americano - riguardare fenomeni macroscopici osservabili, e stare ben lontane da terminologie specialistiche (es. ossidazione, sublimazione, acidità). Vi è un'ampia gamma di trasformazioni che può essere proposta per riflettere sulla natura degli oggetti e dei materiali che li compongono, e sulle proprietà varianti ed invarianti: la triturazione in piccoli pezzi, la modellazione, la dilatazione termica. Anche nel lavoro con i liquidi non si capisce per qual motivo si debba arrivare quasi subito all'acidità (se non addirittura partire da essa) quando esiste una vasta gamma di esperienze ed osservazioni riferibili a proprietà macroscopiche (conservazione del peso, conservazione/non-conservazione del volume) importanti per l'avvio alla struttura particellare della materia. Che dire poi della combustione? (o della "combustione cellulare"?). Che senso ha far applicare a questo fenomeno bambini e ragazzi che ancora non hanno afferrato bene la natura materiale dei gas?

 

Poiché la traduzione è piuttosto grezza, si consiglia di tenere a portata di mano lo scritto originale. Inoltre, chi volesse avvicinarsi allo scritto in maniera ipercritica può subito leggere la parte finale della traduzione, intitolata "Limitazioni".

 

l veri limiti di questo tipo di proposte su un possibile approccio innovativo alle scienze della materia e su un possibile percorso di apprendimento, riguardano - a mio avviso - l'individuazione dei destinatari. Questi discorsi (che per inciso sono espressi in maniera piuttosto pedante) possono essere apprezzati dagli insegnanti che già di per sé sono arrivati a riflettere sull'inefficacia della didattiica trasmissiva (la "retorica delle conclusioni") e già stanno praticando nelle classi strade alternative per insegnare le scienze (insegnamento centrato sull'allievo e non sul programma, tempi distesi, senza puntare sulle conoscenze dichiarative). A costoro le considerazioni dei pedagogisti statunitensi potranno risultare molto utili per raffinare le proprie pratiche didattiche. Ma personalmente dubito che le argomentazioni dei pedagogisti,per quanto basate su ricerche poderosamente documentate, possano convertire la gran massa dei docenti ad una didattica innovativa solo in virtù di una logica inoppugnabile (o presunta tale), perché in Italia gli ostacoli alla pratica didattica innovativa sono di altra natura (modello di istruzione vissuto da studenti, disorganizzazione scolastica, tempi insufficienti, spazi laboratoriali inadeguati, mancanza di modelli didattici concreti, invadenza di modelli didattici astratti, etc..).

 

Per un commento al rapporto "Taking Science to School: Learning and Teaching Science in Grades K-8' si veda l'articolo su Naturalmente .

 

Il rapporto è disponibile all'indirizzo web 

 

Germano Bellisola

 

 

 

Knowledge and Understanding of the Natural World

 (…)

Expanding Understandings of Matter and Its Transformation

 

(pag 101)

 

Si è già parlato di come la concezione prescolare della materia e delle sue trasformazioni cambiano continuamente negli anni nella scuola elementare. Ci limitiamo pertanto ad alcune considerazioni per illustrare la complessità del terreno che gli allievi devono coprire, alcuni dei cambiamenti nella concettualizzazione che avvengono lungo il percorso, e come idee differenti interagiscano l'una con l'altra e con le forme di insegnamento.

 

C'è una vasta letteratura sulle misconcezioni dell'area principalmente riconducibile alla chimica. Sono state documentate concezioni errate riguardanti la combustione, la natura dei gas, la natura particellare della materia e parecchie altre. Un tema di grossa difficoltà è come arrivare a concettualizzare i gas come corpi materiali. Gli allievi tendono a pensare i gas come immateriali ed eterei, appartenenti ad una categoria ontologicamente differente da quella dei solidi e dei liquidi.

 

Un'altra grossa difficoltà è relativa allo sviluppo della concezione macroscopica delle sostanze chimiche (cioè caratterizzate dalle loro proprietà quali i punti di fusione ed ebollizione, la diversità degli spettri, etc.), che permetta loro di identificare le sostanze e delineare i modi in cui le sostanze possono formarsi o scomparire nei cambiamenti chimici. Sebbene i bambini molto piccoli tendano ad identificare i tipi di materiali dalle loro proprietà percepibili, durante le scuole elementari i bambini descrivono in maniera crescente l'identità dei materiali tramite la loro storia trasformazionale (es. la segatura deriva dalla triturazione del legno, così essa dev'essere ancora lo stesso tipo di sostanza con alcune delle sue proprietà). Questo spostamento può portarli alla “iperconservazione del tipo di materiale” - una specie di impegno a pensare che l'identità del materiale sia talmente e generalmente preservata da impedire loro di afferrare l'idea di cambiamento chimico. Per esempio, essi possono vedere i cambiamenti chimici semplicemente in forma di miscuglio tra sostanze le cui identità si mantengono durante il processo. Ancor più, il prestare attenzione alla storia della trasformazione può generare vedute produttive in altri contesti. Per esempio, ciò permette loro di pensare ai materiali in termini di sottostanti costituenti che mantengono alcune proprietà centrali e di spiegare le proprietà degli oggetti grandi in base ai materiali che li compongono. Questo spostamento può risultare per loro molto utile nel costruire una comprensione iniziale della densità quale caratteristica intensiva dei materiali.

In definitiva, tuttavia, per sviluppare una comprensione della teoria atomico-molecolare, gli allievi dovranno riconsiderare la relazione tra le proprietà che caratterizzano le entità ai livelli macro e micro, ed i modi in cui gli assunti sulle entità a livello micro possono essere usati per spiegare i fenomeni osservabili. Per esempio, sebbene alcune proprietà a livello macro siano spiegate in termini di decomposizione (per es. il peso e la massa di un oggetto è una funzione del peso e della massa degli atomi e delle molecole che li compongono), altre proprietà del livello macro sono caratteristiche emergenti spiegate in termini di interazioni tra le entità del livello micro. Per esempio, gli oggetti sono solidi non perché essi abbiano atomi solidi, ma a causa di certi tipi di legami tra atomi e molecole.

Così, un'altra grande area di difficoltà riguarda la correlazione tra i processi e le entità a livello micro e i fenomeni a livello macro (Ben-Zvi, Silberstein, and Mamlok, 1989). Ciò significa che i bambini delle elementari spesso hanno difficoltà a vedere come le entità del livello micro siano correlate a quelle del livello macro, e qualche volta pensano che ogni cosa debba apparire nello stesso modo a tutti i livelli di analisi (Nakhleh and Samarapungavan, 1999).

  

Sfortunatamente, la comprensione della distinzione e dei collegamenti tra i livelli micro e macro è spesso resa oscura dagli approcci d'insegnamento correnti, che non impegnano gli allievi nel pensare a questi argomenti e che non hanno sviluppato sistematicamente negli allievi la comprensione epistemologica della natura di modelli e teorie. Atomi e molecole potrebbero essere stati presentati agli allievi tramite esperimenti concettuali sulla suddivisione dei materiali in piccoli pezzi. Questo approccio induce gli allievi a pensare che atomi e molecole siano null'altro che piccoli pezzetti di materiali che hanno conservato tutte le proprietà macroscopiche. Essi allora possono non riconoscere che gli atomi/molecole sono entità preesistenti con proprietà e caratteristiche peculiari (Pfundt, 1981). Agli studenti la teoria atomico-molecolare può essere insegnata come una “retorica delle conclusioni” o lista di fatti, piuttosto che essere coinvolti in ragionamenti basati sui modelli ed esplorare come spiegare e dare senso ad una grande varietà di fenomeni (Lee et al., 1993, Snir, Smith, and Raz, 2003). Inoltre, questa visione riduttiva della teoria atomico-molecolare come proposta agli allievi (cioè nessuna discussione su atomi e molecole come particelle discrete separate da spazio vuoto o sul ruolo dei legami nel tenere assieme le particelle) è tale che essi non possono comprendere come spiegare i fenomeni macroscopici in termini atomico-molecolari (Nussbaum, 1998).

 

Fortunatamente, gli approcci innovativi all'insegnamento di questi argomenti indicano che gli allievi della scuola media possono impegnarsi in questi argomenti e traggono grandi benefici dagli approcci didattici che li incoraggiano a pensarci (Lee et al., 1993; Meheut and Comat, 1990; Nussbaum, 1998; Snir, Smith, and Raz, 2003; vedi capitolo 8 per una discussione di questi approcci didattici innovativi). Inoltre, è evidente che l'abilità di pensare la materia in termini atomico-molecolari ha un ritorno positivo ed aiuta gli allievi a chiarire la comprensione della natura materiale dei gas, dei cambiamenti di fase, delle sostanze chimiche e delle reazioni chimiche (Lee et al., 1993; Johnson, 1998, 2002).

 

In breve, ci vogliono molti anni per afferrare bene le sottigliezze degli esatti costituenti della materia e di come essi si combinano in tutti i modi per formare le unità più grandi che costituiscono quanto si può osservare macroscopicamente. Provando ad immaginare queste relazioni, gli allievi commettono sicuramente una gran quantità di errori nel concepire la natura della materia e le sue trasformazioni. Ma al di là di questi errori, tuttavia, vi sono alcune vedute più accurate sui differenti tipi di materia, un qualche senso di conservazione, ed alcune proprietà verosimili da utilizzare per l'identificazione delle sostanze.

...

 

Da cap 8 (pag 213) Learning Progression (...)

INITIAL WORK IN LEARNING PROGRESSION (pag 222)

 

(…)

 Nel caso della teoria atomico-molecolare, sebbene le esatte nozioni di atomo, molecola, sostanza chimica, trasformazione chimica e fisica siano idee emergenti complesse, anche i bambini che iniziano la scuola sanno distinguere tra oggetti e materiali di cui gli oggetti sono fatti, sono in grado di elaborare le loro conoscenze delle proprietà di oggetti e materiali, ed in tal modo possiedono risorse per cominciare a spiegare perché gli oggetti hanno le loro proprietà e per cominciare a delineare alcune varianze ed invarianze negli oggetti e nei materiali che subiscono trasformazioni (per es., divisione in pezzettini, cambiamenti di forma).

(...)

 

 

A LEARNING PROGRESSION FOR THE ATOMIC-MOLECULAR THEORY OF MATTER (pag 226)

(…)

Grades K-2 [prima e seconda elementare]

 

Sviluppare una comprensione di materiali e misure

 

 La progressione di apprendimento sviluppata da Smith et al (2004) individua alcune idee (concetti, risorse, abilità) che i bambini hanno all'inizio della scuola elementare, tali da abilitarli a cominciare la loro esplorazione di tre questioni fondamentali. La progressione di apprendimento è descritta in parte nella forma di risposte progressivamente più sofisticate che i bambini possono dare a queste domande (la tavola riassuntiva nell'appendice “A” descrive la progressione di apprendimento in questi termini):

 

1. Di che cosa sono fatti gli oggetti e come si possono spiegare le loro proprietà?

 

2. Cosa cambia e cosa non cambia quando gli oggetti vengono trasformati?

 

3. Come possiamo saperlo?

 

Per iniziare, anche i bambini in età prescolare sono in grado di distinguere descrizioni tra il livello degli oggetti e il livello dei materiali, ed hanno già imparato parole per denotare le cose ad entrambi i livelli: tipi di oggetti (es. barca, macchina, letto, palla, aquilone) e tipi di materiali (es. acqua, latte, plastilina, legno, plastica). I bambini hanno anche un ricco vocabolario per descrivere le cose basato su impressioni di senso comune - per esempio la dimensione (grande/piccolo), il peso (pesante/leggero), la consistenza (morbido/duro, ruvido/liscio), il colore (azzurro/rosso), la forma (rotondo/quadrato), il gusto (dolce/salato), l'olfatto – ed hanno alcune idee iniziali di quali proprietà siano caratteristiche degli oggetti o dei materiali. Essi non solo sanno parlare in maniera scorrevole (il che permette loro di usare il linguaggio per formare ed esprimere idee in forma simbolica), ma sanno anche contare, disegnare, costruire o inventare cose (il che amplia le loro risorse per simbolizzare le cose). In tal modo essi possono usare le loro idee per avviare una varietà di pratiche, compreso fare domande, descrivere e rappresentare le loro osservazioni, identificare e classificare le cose, costruire argomenti, e proporre spiegazioni. (…)

 

pag 228

 

Quindi, il traguardo complessivo al livello K-2 [seconda elementare] è ottenere che i bambini chiariscano, estendano, sistematizzino, e anche comincino a problematizzare la loro comprensione di materiali comuni e di importanti quantità fisiche (specie il peso e la misura dell'estensione nello spazio). Gli sviluppatori di curricoli devono tenere bene in mente che i bambini sono pronti per affrontare questo tipo di conclusioni, e nello stesso tempo sono ancora concettualmente in difficoltà con questi. Essi devono rendersi conto che il punto centrale, perché gli allievi facciano progressi con questi argomenti, non è presentare loro nuovi fatti o nuove esperienze, bensì introdurli agli strumenti culturali ed alle pratiche che li abilitano ad estendere e ristrutturare la propria comprensione.

 

Un traguardo specifico è estendere la conoscenza dei bambini sui materiali ed aiutarli a creare una nozione più ricca di tipo di materiale quale nesso causale denso: cioè, rendersi conto che gli oggetti sono costituiti di materiali ed hanno determinate proprietà perché sono fatti di quel materiale. Per esempio, ai bambini si possono presentare oggetti costituiti da una varietà di materiali (oppure contenitori con una varietà di liquidi differenti).

Si può chiedere loro di organizzare, descrivere e classificare gli oggetti in base al tipo di materiali di cui pensano siano costituiti, e di giustificare la loro classificazione. Si può richiedere loro di descrivere le proprietà degli oggetti e di confrontarli in base alle proprietà, usando nuovi strumenti per organizzare le loro descrizioni, come diagrammi di Venn e tabelle di attributi/valori.

 

Inoltre, essi possono riflettere su come gli oggetti si comportano in situazioni che implicano di considerare i materiali che li costituiscono. Per esempio, confrontare le proprietà di due recipienti (uno di plastica e l'altro di vetro) e riflettere su come reagiscono alla caduta per terra e perché. Oppure potrebbero confrontare le proprietà di due palle (una di metallo e l'altra di gomma) e riflettere su come reagiscono cadendo per terra, e perché. Si possono proporre loro i nomi comuni di certi materiali e chiedere come chiamerebbero qualcosa che fosse fatto con quel materiale. Essi possono prevedere come le proprietà osservabili delle cose potrebbero cambiare o non cambiare se un oggetto cambia forma, o viene suddiviso in piccoli pezzi, o riscaldato fino a fondere, e se pensano che continuerebbe ad essere costituito dallo stesso tipo di materiale. Possono effettuare quelle trasformazioni e registrare ed interpretare quanto avviene. Per esempio, potrebbero fondere un coniglietto di cioccolato e chiedere come è cambiato. Si può anche chiedere se pensano sia ancora cioccolato, se sia ancora la stessa quantità di materia, se abbia lo stesso peso, e produrre argomenti su come esprimerlo.

 

Nel corso di queste attività, essi non solo impareranno come formare classificazioni sensate, per effettuare semplici indagini e rappresentare e registrare dati in maniera utile, ma approfondiranno la comprensione dei materiali. Essi impareranno che non tutte le proprietà dei grossi pezzi si mantengono quando si tagliano in pezzettini, e che ci sono almeno due maniere di provare a tracciare l'identità dei materiali al passare del tempo – per continuità storica (cioè procedendo dalla provenienza del materiale, o da cos'era fatto, come nel caso della segatura) oppure considerando le sue proprietà osservabili. All'inizio i bambini dovrebbero essere più orientati ad utilizzare le proprietà di senso comune piuttosto che la storia del materiale. Il tracciamento storico è importante (specie durante la scomposizione, come la triturazione in pezzi più piccoli) perché aiuta a costruire una idea esplicita di un materiale in termini di un sottostante costituente. Impegnando i bambini in riflessioni su cosa succede ai materiali con la scomposizione, essi arrivano ad identificare i materiali non solo dalle loro caratteristiche percettive comuni, ma quali costituenti che possono mantenere la propria identità (e determinate proprietà) anche quando diventano piccoli quanto si vuole. Essi cominciano anche a rendersi conto che non tutte le proprietà a grande scala dei materiali si mantengono nel corso di quella scomposizione (cioè, salta fuori qualcosa quando c'è abbastanza materia o in determinate condizioni).

 

Un altro traguardo (correlato) individuato per questa fase è quello di estendere le descrizioni dei bambini al di là delle percezioni di senso comune – specie per importanti grandezze fisiche come peso e volume – impegnandoli nel problema di costruire misure per una certa varietà di quantità, così che essi possano sviluppare una esplicita teoria della misura a sostegno della pratica della misura. La misura è una importante pratica scientifica che contrasta con la pratica quotidiana e si sviluppa nella direzione di ricavare dati che possano essere descritti in maniera precisa obiettivamente riproducibile (o verificabile) e resi adatti alla rappresentazione e alla manipolazione matematica. Ciò aiuta molto anche a trovare modelli di leggi nei dati – modelli che sarebbero del tutto oscurati se ci si fida sulle impressioni di senso comune. Anche molti aspetti della logica sottostante la misura non sono ovvi in partenza agli allievi e possono venire nascosti insegnando loro semplicemente come usare procedure standard di misura o strumenti già esistenti. Così, imparare a misurare dovrebbe implicare molto più che lo sviluppare competenza procedurale; dovrebbe anche riguardare lo sviluppo di una comprensione concettuale della misura (Lehrer, Jenkins, and Osana, 1998).

 

Anche i piccolissimi e i bambini dell'età prescolare danno giudizi su quanto grande o pesante sia qualcosa, ma questi giudizi sono basati sulle loro impressioni di senso comune, e non informati da esplicite procedure di misura. Inoltre, sebbene queste impressioni di senso comune siano utili nella vita di tutti i giorni, esse forniscono una base limitata per la pratica scientifica. Per esempio, il peso percepito è influenzato da una moltitudine di variabili fisiche e per questo non è una misura molto precisa, affidabile o valida del peso oggettivo degli oggetti. Per queste ragioni, gli scienziati hanno sviluppato una vasta tipologia di strumenti di misura che permettono loro di misurare importanti variabili fisiche. Queste misure li mettono anche in grado di trattare potenzialmente con entità fuori dalla scala di accessibilità delle impressioni di senso comune – verso il molto grande o il molto piccolo.

 

Come già detto, escogitare strumenti di misura e immaginarsi come usarli o applicare idee matematiche ad alcuni concetti fisici non è per niente un compito banale per gli allievi, per molte ragioni. Primo, è necessario individuare una situazione fisica corrispondente alle variabili fisiche in gioco, per esempio, le scale delle bilance riguardano il peso, e l'alcool nei termometri riguarda la temperatura. Secondo, è necessario creare una unità di dimensione prefissata per quella quantità tale da poter “coprire” lo spazio della misura, e allora si può contare. Terzo, è necessario considerare come trattare le unità frazionarie.

Nel caso in cui non esista un indicatore diretto della quantità considerata, è necessario derivare una unità dalla combinazione matematica di altre unità. Così, alcune misurazioni sono più semplici da escogitare di altre e potrebbero essere fondamentali nel senso che si usano per derivarne delle altre. Esse possono essere utili punti d'avvio per considerare i risultati basilari che si presentano nella misura (cioè, la costruzione di una teoria della misura che possa informare la comprensione dei vari aspetti che emergono nella costruzione di misure).

 

Tutte queste possibilità si verificano nella progressione di apprendimento sulla materia e costringono alla sequenza prospettata. Analogamente, la medesima progressione di apprendimento costruisce sulla ricerca di Lehrer, Schauble e i loro colleghi, che hanno indagato le sequenze di istruzione per costruire la comprensione della misura di importanti quantità fisiche. Nel loro lavoro, l'apprendimento delle misure di lunghezza e area fornisce una base importante che aiuta i bambini nella successiva costruzione delle misure di peso e volume. I loro studi nelle classi (replicati molte volte in classi diverse) hanno dimostrato che non solo i bambini K-2 sono capaci di inventare misure di partenza per la lunghezza e l'area (es, vedi Lehrer, Jenkins and Osana, 1998), ma anche che facendolo essi si aprono all'impegno sugli argomenti epistemologici fondamentali della misura (comprensione del punto 0, ripartizione in parti uguali, unità frazionarie, necessità di coprire lo spazio della misura, etc.). Questi sono argomenti che anche ragazzi molto più grandi spesso non riescono a comprendere se viene insegnato loro solamente l'uso dei sistemi di misura sviluppati da altri. Inoltre, I bambini che hanno sviluppato queste comprensioni epistemologiche della misura sono capaci di costruire su queste comprensioni quando incontrano i problemi più difficili di misurare peso e volume (Lehrer, Jaslow and Curtis,2003). Per queste ragioni (e altre), impegnare i bambini K-2 con questi argomenti epistemologici diviene un punto centrale della progressione d'apprendimento proposta.

 

Poiché la misura di peso e volume è più complessa, gli allievi non dovrebbero applicarsi alla misura di quelle quantità (sul piano quantitativo) fino a quando non sono state poste le basi appropriate. Tuttavia, un problema che i bambini K-2 sono pronti ad affrontare riguarda l'immaginarsi che le scale delle bilance hanno a che fare col peso (e non con la dimensione degli oggetti, col loro numero, col tipo di materiale di cui sono fatti), sebbene il compito non sia per niente banale per bambini di questa età (Metz, 1993). L'attività con questa problematica li abilita ad avere due maniere di valutare: il peso percepito (usando le loro mani) ed il confronto tra pesi (usando le bilance a piatti). Ciò permette anche ai bambini di affrontare una importante conclusione epistemologica: qual è la misura più affidabile e valida (quantitativamente) del peso di due oggetti, le loro mani o la scala della bilancia? Essi posso esplorare tale problema in una varietà di modi: per esempio, effettuare ripetute comparazioni degli stessi oggetti in condizioni differenti per vedere se danno lo stesso esito (per es., dopo aver sollevato un oggetto pesante), o considerando casi in cui le loro valutazioni del peso percepito non corrispondono alle indicazioni della scala della bilancia a causa della illusione dimensione/peso, etc. Discutendo ed applicandosi su questi argomenti, essi possono valutare e condividere più in profondità le misure della bilancia a piatti e cominciare a ristrutturare la loro comprensione del peso come grandezza fisica oggettivamente definita (invece che valutata soggettivamente). (Essi possono considerare questi stessi argomenti anche per lunghezza ed area – per esempio le illusioni ottiche di Muller-Lyer).

 

Come tutto ciò differisce dalla pratica corrente.

 

Durante gli anni K-2, nella maggior parte delle classi di scuola elementare degli Stati Uniti ci si aspetta che per le scienze poco o nulla possa essere realizzato, essendo l'attenzione concentrata essenzialmente sullo sviluppo della alfabetizzazione e del far di conto. La maggior parte delle attività di scienze sono brevi (una lezione) invece che essere unità coerenti. C'è un frequente saltare da argomento ad argomento invece che una costruzione coerente. Di fatto, lo spostarsi tra vari argomenti può generare confusione negli allievi. Per esempio, gli allievi dovrebbero effettuare una attività sull'identificazione dei materiali un certo giorno; un altro giorno essi dovrebbero identificare o descrivere solidi, liquidi e gas – tutto come parte della loro unità sulla materia. Ciò è potenzialmente confondente per gli allievi a quest'età, perché mancando un concetto chiaro di materia (o forme di materia), essi possono erroneamente pensare che solidi, liquidi e gas sono tipi di materiali. I fenomeni – come l'affondare o il galleggiare o l'evaporare – sono spesso selezionati più per il loro valore di sorprendere o attirare l'attenzione, invece che pensati sulla base di quanto gli allievi comprenderanno concettualmente esplorandoli. Di fatto, agli allievi vengono spesso proposti fenomeni che non possono in alcun modo afferrare a questa età. Infine, gli allievi vengono semplicemente introdotti alle procedure standard di misurazione, senza impegnarli nel provare a comprendere la logica sottostante a quelle procedure.

 

Al contrario, la progressione di apprendimento proposta delinea una serie di traguardi concettuali che possono essere indagati in un modo più sostenuto e mutuamente rinforzante, basato su una interpretazione di principio della ricerca sulle interpretazioni di materia e materiali da parte dei bambini. In particolare, notiamo che la ricerca ci consente di identificare fenomeni ed argomenti per la discussione che aiuteranno gli allievi a progredire relativamente a ciascuno dei primi tre aspetti della competenza scientifica:

 

• Comprendere ed usare spiegazioni scientifiche del mondo naturale. I bambini possono imparare a fare la critica distinzione tra oggetti e materiali di cui gli oggetti sono fatti. Essi possono cominciare usando le proprietà osservabili per descrivere i materiali e le trasformazioni nei materiali, e considerare quali proprietà degli oggetti possono dipendere (ed in tal modo spiegarle) dal tipo di materiali che li costituiscono.

 

• Generare e valutare prove scientifiche e spiegazioni. I bambini possono cominciare il processo di costruzione di abilità di misura e comprendere che sarà essenziale sviluppare concetti scientifici sul tipo di materiale e su determinate proprietà come massa, volume e densità. Essi possono attivamente indagare proprietà dei materiali e trasformazioni nei materiali e cominciare a capire che alcune trasformazioni (es. la triturazione in piccoli pezzi, la fusione) portano a cambiamenti in alcune proprietà percettibili dei materiali senza cambiare fondalmentalmente l'identità del materiale o la sua quantità.

 

• Comprendere come si costruisce la conoscenza personale e quella scientifica. I bambini possono sviluppare importanti comprensioni epistemologiche sulla misura e sulle trasformazioni dei materiali. Essi possono considerare come misure affidabili possono essere generate e le circostanze nelle quali le misure sono più utili o attendibili delle impressioni personali. Essi possono anche considerare i modi in cui la storia e l'osservazione sono usate per comprendere le trasformazioni che distruggono gli oggetti (es. la rottura, la suddivisione, la fusione) ma possono lasciare intatti i materiali di cui gli oggetti sono fatti.

 

In tal modo gli aspetti della competenza scientifica possono essere usati assieme alla ricerca per individuare attività serie che possono abilitare gli allievi K-2 a porre un fondamento, specie nella loro precoce attività di misura e nell'esplorazione dei materiali, che continuerà ad avere ricadute nei gradi successivi. Il progetto dell'approccio alla misura, che enfatizza la modellizzazione e la comprensione epistemologica invece che i semplici calcoli, ha implicazioni anche nel progetto della prima istruzione matematica. L'approccio enfatizza l'importanza di sviluppare importanti concetti specifici in certe aree e idee epistemologiche fondanti quali basi su cui costruire nei gradi scolastici successivi.

Grades 3-5 [terza, quarta, quinta elementare]

 

 

Sviluppare un' esplicita comprensione macroscopica della materia

 

Il lavoro nei gradi K-2 per elaborare la comprensione di bambini di specifici materiali li prepara a progredire verso un livello di astrazione e sviluppare un' iniziale comprensione macroscopica della materia nella successiva fascia d'età. Gli allievi ora possono, non solo prendere in considerazione le proprietà salienti che distinguono differenti tipi di materiali, ma porsi anche la domanda se ci siano alcune proprietà comuni a tutti i materiali. In questa maniera, essi possono essere condotti (con pratiche istruttive rilevanti) ad articolare un concetto generale di materia che inizialmente era implicito nella loro nozione di tipo di materiale. Nel fare questo, un nuovo nesso causale – la materia - viene sviluppato man mano che gli allievi arrivano ad afferrare che oggetti fatti di materiali differenti “hanno peso ed occupano spazio perché sono fatti di qualcosa (pezzi di sostanza) che continuano ad esistere, occupano spazio e hanno peso nel corso di un'ampia varietà di trasformazioni”. Alcune idee centrali importanti da sviluppare in questa fascia d'età includono la comprensione che:

• gli oggetti sono fatti di materia che occupa spazio ed ha peso;

• solidi, liquidi ed aeriformi sono forme di materia che condividono queste proprietà generali;

• ci possono essere particelle di materia invisibili (cioè troppo piccole da vedere ad occhio nudo);

• la materia continua da esistere quando spezzettata in pezzi troppo piccoli per essere visibili;

• la quantità di materia ed il peso sono conservati durante varie trasformazioni, incluse la fusione, il congelamento, e la dissoluzione.

 

Ricerche hanno dimostrato che gli alunni della scuola elementare iniziano a sviluppare una nozione intuitiva (astratta) che negli oggetti c'è “una quantità di sostanza” che può restare costante durante cambiamenti di aspetto. Per esempio, nei loro classici studi sulla conservazione, replicati molte volte anche da altri, Piaget e Inhelder (1974) versarono del liquido da un contenitore basso e largo in uno alto e sottile e domandarono ai bambini se c'era la stessa quantità di liquido in entrambi o se uno ne conteneva di più. Nello stesso modo, essi presero una palla di argilla e la rotolarono a forma di sottile salsiccia oppure la suddivisero in numerosi pezzetti più piccoli e domandarono se c'era la stessa quantità di argilla nella palla, nella salsiccia, e nella serie di pezzettini. Essi trovarono che i piccoli allievi delle elementari stavano sviluppando l'idea che la quantità di sostanza restava la medesima nonostante i grandi cambiamenti nell'aspetto, cambiamenti che tipicamente portavano invece i bambini di età prescolare a negare che la quantità rimanesse la stessa.

In questa maniera essi dimostrarono che i bambini della scuola elementare erano significativamente capaci non solo di riflettere sulle particolari qualità (o caratteristiche) di un materiale, ma anche sulla sua quantità intrinseca.

 

Contestualmente, la ricerca evidenzia che la nozione infantile di “quantità di sostanza” è ancora molto rudimentale, non essendo ancora fondata su una nozione di materia articolata chiaramente, cioè strettamente correlata con le loro nozioni di occupazione spaziale e dotate di peso nemmeno chiaramente (esplicitamente) afferrato come una quantità additiva di per sé (Carey, 1991; Smith, Solomon, and Carey, 2005; Smith, Carey, and Wiser, 1985). Così, per esempio, i bambini sovente giudicano che alcuni oggetti materiali (come un pezzo di polistirolo espanso, un piccolo pezzetto di argilla) non pesino per nulla, una difficoltà che in parecchi studenti persiste anche negli anni della scuola media. In aggiunta, essi spesso valutano che quando un oggetto viene ripetutamente suddiviso in pezzi più piccoli (così sottili da non essere più visibili) la materia stessa è scomparsa. Altre evidenze che l'avere un peso non è un criterio nelle loro concezioni della materia discendono dall'analisi delle istanze che essi giudicano essere fatte di materia oltre che dalla loro definizione esplicita di materia. Infatti, i bambini delle elementari spesso omettono di includere nella materia alcune istanze chiaramente dotate di peso (per es. liquidi o entità biologiche come un fiore, un cane, la carne) oltre che includervi - invece –entità che sono associate con la materia ma non sono materia (per es. il fuoco, l'elettricità). Consistenti con le loro classificazioni non canoniche, le loro definizioni esplicite di materia tralasciano di identificare l'occupazione di spazio e l'avere peso (massa) quali criteri per essere materia. Invece, essi semplicemente forniscono una lista di esempi, focalizzando le proprietà percettibili di senso comune (è qualcosa che si può vedere, sentire, o toccare) o qualche effetto fisico, o senza specificare dicono che è qualcosa che si può usare o con cui si possono fare delle cose (Carey, 1991; Stavy, 1991).

 

Queste difficoltà si sostengono a vicenda. Una parte del problema riguarda la concezione dei bambini sul peso. Se al limite i bambini si basano sul percepire oggetti per determinare differenze di peso – perciò il nucleo del loro concetto di peso è il peso percepito, invece che essere una quantità oggettiva misurabile – non è ovvio che tutti gli oggetti materiali hanno un peso o che il peso stesso è una quantità additiva. Infatti, molti oggetti leggeri vengono percepiti come se non pesassero per niente. In aggiunta, le valutazioni del peso percepito sono influenzate da differenze di peso assoluto e anche da differenze di pressione sulla mano (un piccolo oggetto di materiale denso può essere percepito come più pesante di un oggetto grande fatto di materiale meno denso), annebbiando ulteriormente la loro comprensione del peso quale quantità estensiva. Parte del problema può derivare dalle limitazioni nelle loro concezioni della materia stessa. Quando al limite estremo essa viene definita solo in termini di esempi particolari limitati, o in termini di proprietà di porzioni a larga scala, invece che quale costituente che ha un'esistenza continuativa, occupa spazio ed ha peso pur decomposta, i bambini non possono concettualizzare “quantità di materia” come una quantità additiva intrinseca. Inoltre, senza conoscere che tutta la materia ha peso, essi non hanno modo di misurare con precisione la quantità di materia o dire se la quantità di materia è veramente cambiata durante qualche trasformazione (per es. quando un cubetto di ghiaccio fonde, o un cubetto di zucchero si dissolve in acqua).

 

La precedente analisi, tuttavia, suggerisce che queste difficoltà non sono per niente insuperabili per gli scolari delle elementari. Invece, essa chiarisce le giuste pratiche alla loro portata che li aiuteranno a ristrutturare le loro concezioni di peso e occupazione spaziale in termini di quantità oggettive misurabili e permetteranno loro di costruire una buona concezione macroscopica della materia in questa fase. Essa inoltre chiarisce perché costruire tale comprensione sia veramente fondamentale, perché apre nuove strade per delineare l'esistenza della materia nel corso del tempo e di trasformazioni varie. Data l'importanza di queste comprensioni per ulteriori investigazioni scientifiche, oltre all'evidenza che gli scolari delle elementari sono effettivamente capaci di svilupparle con una istruzione appropriata, risulta critico farne un traguardo per curricoli in questa fase.

 

Un insieme di pratiche  che  sosterrà la loro riconcettualizzazione del peso   e dell'occupazione di spazio è imparare a misurare peso e volume, specie se il bambino affronta l'apprendimento   della          misura   come una forma di modellizzazione e se esplicitamente confronta conclusioni-chiave epistemologiche. Vale a dire, agli studenti non si insegna la misura come un complesso di procedure scorporate (es. avendo detto loro che il volume di un cubo rettangolare è lunghezza x larghezza x altezza, o che il peso di un oggetto è una lettura numerica da una scala). Invece, gli studenti sono coinvolti nella costruzione attiva di modelli matematici di queste quantità come grandezze additive, ed essi devono pensare mediante problemi di identificazione di un'unità rilevante, riutilizzare quella unità, coprire lo spazio di misura, etc. Come discusso in precedenza, il lavoro iniziale dei bambini K-2 – imparare sui materiali, imparare a misurare lunghezza e area, imparare che le scale delle bilance possono misurare il peso – li prepara ad affrontare questo passo successivo.        La ricerca di Lehrer, Jaslow, e Curtis (2003) ha documentato che con questo tipo di istruzione nei primi gradi, anche al terzo grado possono sviluppare una robusta comprensione della misura di peso e volume. Significativamente, i ricercatori trovano che i bambini usano molte delle idee esplicite sulla misura dai loro precoci lavori su lunghezza e area (es. idee sulla necessità di identificare una unità prefissata, ripartizione equivalente, e unità frazionaria, oltre che la costruzione di strutture bi-dimensionali) nelle loro nuove investigazioni. Essi notano che sebbene i bambini debbano ancora lavorare con questi (ed altri) argomenti per le nuove quantità in questione, essi sono più veloci di quando operavano con le quantità iniziali. Pertanto, essi ipotizzano un trasferimento di significati che consente al bambino di essere più svelto nel lavoro con i nuovi problemi, non di scansare i problemi stessi. (Per esempio, nella costruzione di una misura di volume, gli studenti devono confrontarsi col nuovo problema di immaginare una disposizione tri-dimensionale. Il lavoro con forme multiple di rappresentazione e il coordinamento tra queste differenti rappresentazione è cruciale in questo processo).

 

Con lo sviluppo di questi strumenti, i bambini possono usarli per approfondire la loro esplorazione delle caratteristiche della materia e delle misure. Per esempio, possono usare una scala per misurare il peso di un oggetto (es. una pallina d'argilla), e quindi di può chiedere loro quanto peserebbe l'oggetto se avesse dimensioni metà o un quarto.

 

Potrebbero quindi effettuare ricerche per mettere alla prova le loro previsioni. Facendole, gruppi diversi di bambini devono misurare il peso della palla ed il suo volume parecchie volte (per assicurarsi di averla ridotta a dimensioni metà o un quarto). Nel procedimento, dovranno decidere come trattare la variabilità nei loro dati e combattere con l'idea di errore di misura. Si può anche chiedere di estrapolare ad un pezzetto molto più piccolo, - diciamo un pezzo con dimensioni 1/100. Se il pezzo iniziale pesava 1 grammo, quanto peserebbe un pezzo grande 1/100? Se la scala non ha misurato peso andando verso il basso, significa che il peso è completamente nullo? Come potrebbero approfondire?

 

Questo tipo di esperimenti pensati permettono agli allievi di usare il ragionamento matematico ed argomenti concettuali per passare da ciò che essi conoscono a ciò che essi pensano dovrebbe valere. Per esempio, essi potrebbero arguire che finché c'è una qualche quantità di sostanza essa deve pesare qualcosa, anche se si tratta di una cifra molto piccola; non si può prendere una sequenza di niente ed ottenere qualcosa. In questa maniera, essi possono aggiungere delle caratteristiche alla loro rappresentazione concettuale in conseguenza di inferenze invece che attraverso l'osservazione diretta. Ciò permette loro anche di confrontare importanti conclusioni sulla precisione delle misure. Dopo che gli allievi hanno avuto una possibilità di discutere queste conclusioni, si potrebbe sfidarli a pensare un modo di costruire scale più sensibili.

I bambini possono anche usare una modellizzazione esplicita per correlare le nozioni di volume e peso e costruire una distinta nozione di densità andando dietro alla domanda del perché oggetti fatti di materiali differenti pesano quel che pesano. In questo caso, essi possono operare con famiglie di oggetti di varie dimensioni fatti di materiali differenti. C'è una varietà di modi per far procedere con successo l'istruzione.

 

Lehrer et al. (2001) hanno ottenuto da allievi del quinto grado la costruzione di rappresentazioni grafiche di pesi e volumi misurati di oggetti fatti di differenti materiali, l'interpolazione della linea “più adatta”, e l'interpretazione della pendenza della linea: queste ricerche costruiscono su ricerche matematiche precedenti nelle quali gli allievi ricercavano somiglianze di forme in famiglie di rettangoli di differenti proporzioni e ne avevano tracciato modelli grafici. Smith e colleghi (1992, 1997) hanno coinvolto gli allievi nella costruzione di modelli visuali di materiali punti-per-scatola, sperimentando analogie visuali con potenziale quantitativo.

 

In ogni approccio è centrale impegnare gli allievi con un ragionamento basato sui modelli. Per esempio, gli studenti costruiscono rappresentazioni (visuali o grafiche) che mostrano la relazione tra due quantità, derivano nuove implicazioni da queste rappresentazioni, e le valutano alla luce di nuovi dati. Significativamente, Lehrer et al. (2001) hanno trovato che la nozione di densità stessa, notoriamente una nozione difficile anche per allievi molto più grandi, diviene accessibile agli allievi del quinto grado elementare quando pensata in questa maniera.

 

Difatti, il loro lavoro ha documentato sofisticati ragionamenti basati su modelli in una varietà di campi (per es. modelli di crescita delle piante, il lavoro di un gomito) tra gli allievi dal terzo al quinto grado elementare che avevano sperimentato in precedenza la modellizzazione (Lehrer e Schauble, 2000). In ciascuno di questi casi, gli allievi non usano semplicemente i modelli per descrivere alcune caratteristiche osservate (approccio adottato molto spesso da bambini più piccoli), ma per investigare fenomeni e ricavarne nuove inferenze. Si noti anche che dalla discriminazione del peso dalla densità, gli allievi arricchiscono la loro comprensione delle proprietà distintive dei materiali, oltre a rinforzare la loro abilità di spiegare il peso di un oggetto quale funzione integrata del suo volume e della densità.

 

Da ultimo, gli allievi possono anche investigare più precisamente se il peso di oggetti cambia o resta lo stesso quando si fonde, si congela, e si dissolve. Si può chiedere loro di produrre da queste ricerche argomenti per vedere se pensano che sia stata aggiunta o sottratta materia durante queste trasformazioni. Essi possono applicarsi ad ulteriori esplorazioni e progettare ricerche per determinare se l'aria è materia (per es. pesando un pallone prima e dopo averlo pompato). Essi possono usare la loro emergente comprensione della materia per identificare e classificare una varietà di entità in termini di materia o non materia.

 

Come tutto ciò contrasta con la pratica corrente

 

Troppo spesso i curricoli vanno di corsa a parlare agli allievi di atomi e molecole nei gradi elementari prima che abbiano assimilato una sana comprensione macroscopica della materia. In aggiunta, i curricoli spesso non riconoscono che è necessaria una ristrutturazione concettuale per costruire questa comprensione macroscopica della materia – essi assumono che sia ovvia o sia già assimilata – e quindi non utilizzano pratiche di insegnamento che la costruiscano più verosimilmente della ristrutturazione che avverrà. Per esempio, quasi totalmente assente dalle scienze scolastiche è un qualsiasi sistematico uso della modellizzazione o delle attività di costruzione di modelli che chiedano agli allievi di usare nuovi strumenti di rappresentazione (inclusi rilevanti strumenti matematici e la comprensione) per avanzare previsioni da sottoporre a verifica mediante osservazioni, e più volte rimesse a punto.

 

Invece, la maggior parte degli insegnanti semplicemente presenta le nuove idee di scienze in forma dichiarativa – come definizioni che dovrebbero essere memorizzate e imparate – ed insegnano le misure come una serie di semplici procedure. Così, essi insegnano che solidi, liquidi e gas sono materia, senza considerare se gli allievi abbiano una nozione di materia che permette loro di dare un senso a questo raggruppamento. Essi insegnano alcune procedure per effettuare misure di peso e di volume, senza considerare se i bambini abbiano una comprensione concettuale di cosa stanno facendo quando misurano o idee alternative su peso e volume che necessitano di essere ristrutturate. Essi si spostano da una serie all'altra di argomenti, non profondamente connessi uno con l'altro (pensando che ciò possa sostenere l'interesse), invece che seguire argomenti o ricerche che si rinforzano mutuamente.

 

Al contrario, la progressione di apprendimento proposta indica le strade che i bambini possono percorrere per sviluppare la conoscenza concettuale e procedurale che li renderà capaci di ragionare in maniera flessibile sulla materia. La ricerca sull'apprendimento dei bambini è utilizzata per suggerire progressioni logiche che interconnettono i primi tre aspetti della competenza scientifica:

 

• Comprendere ed usare spiegazioni scientifiche del mondo naturale. I bambini possono costruire sulla comprensione dei materiali per sviluppare una concezione generale della materia, riconoscendo peso e volume come proprietà-chiave comuni a tutti i materiali, e la densità come caratteristica distintiva del tipo di materiale. Per farlo devono sviluppare concezioni più solide del peso e del volume, fondate su misure invece che su impressioni sensoriali, e devono riconoscere queste caratteristiche come essenziali per la definizione di materia. Essi devono anche ragionare in termini di principi sulle trasformazioni dei materiali e per quantità di materiali troppo piccole per poterne misurare direttamente le proprietà. Una volta considerati questi problemi, essi possono fornire spiegazioni più profonde di perché gli oggetti pesano (in termini di densità del tipo di materiale e volume del materiale). Essi stanno anche configurando il lavoro di base per descrivere la materia nei cambiamenti fisici e chimici e per una solida comprensione della teoria atomico-molecolare.

 

• Inventare e valutare prove scientifiche e spiegazioni.I bambini possono impegnarsi in misure di peso e volume non meramente in termini procedurali, ma come vie per modellizzare attivamente la materia e le sue proprietà. Nel momento in cui essi usano le misure di peso e volume per confrontare oggetti e materiali correlati e descrivere materiali mediante trasformazioni del tipo suddivisione e fusione, essi sviluppano sia abilità di misura più perfezionate, sia una solida comprensione della materia e delle sue proprietà fondata su evidenze.

  

• Comprendere come sono costruite la conoscenza personale e la conoscenza scientifica. Una caratteristica-chiave delle attività suggerite in questa progressione di apprendimento è che esse impegnano gli studenti a sviluppare argomentazioni scientifiche dalle evidenze. Il loro sviluppo della comprensione non è basato né sull'autorità del docente e dei testi, né su esperienza personale non meditata. Invece, essi si impegnano in una sistematica raccolta di dati e principi di ragionamento per costruire nuove comprensioni della materia e dei fondamenti della conoscenza scientifica.

 

Così gli aspetti di competenza scientifica possono essere usati, assieme alla ricerca, per sviluppare capacità di comprensione nei gradi più alti delle elementari, in allievi che hanno costruito sul proprio apprendimento nei gradi K-2 e tale da configurare i fondamenti del ragionamento sulla materia con l'uso dei modelli atomico-molecolari nella scuola media.

 

 

Grades 6-8 [prima, seconda e terza media]

 

Sviluppare una prima comprensione della teoria atomico-molecolare

 

La comprensione macroscopica della materia nei bambini (ora cresciuta in una serie ben articolata di quantità misurabili) fornisce la struttura da cui essi possono avanzare domande di spiegazioni ancor più profonde e, in risposta a queste domande, costruire un altro livello di spiegazioni (cioè in termini di atomi e molecole). Per esempio, quali sono la natura della materia e le sue proprietà ad una scala molto piccola? Esiste qualche insieme fondamentale di materiali di cui sono composti altri materiali? Come si possono spiegare le proprietà macroscopicamente osservabili di materiali ed oggetti nei termini assunti? Queste domande più profonde sorgono come incastri che richiedono ulteriori spiegazioni solo se gli allievi hanno una ricca, assimilata e chiara comprensione macroscopica della materia, su cui costruire (Snir, Smith, e Raz, 2003). Ma data tale comprensione macroscopica e l'esperienza pregressa col ragionamento basato sui modelli, gli allievi sono pronti ad affrontare la sfida di investigare, descrivere e spiegare una serie di nuovi fenomeni, oltre che rispiegare e comprendere più approfonditamente quelli a loro già familiari. In aggiunta, equipaggiati con le nuove vedute fornite dalla conoscenza dell'esistenza di atomi e molecole, essi possono distinguere concettualmente tra elementi (sostanze composte da un solo tipo di atomi) e composti (sostanze composte da un insieme di atomi differenti tra loro legati in molecole). Essi possono anche cominciare ad immaginare più possibilità da prendere necessariamente in considerazione per descrivere l'identità dei materiali allo scorrere del tempo, inclusa la possibilità di cambiamento chimico.

 

Una serie di fenomeni imbarazzanti da spiegare per gli allievi è come il volume di qualche cosa possa cambiare in situazioni ove si conserva la massa o il peso. Ovviamente, anche per descrivere tali situazioni gli allievi devono non solo discriminare chiaramente le quantità di peso e volume, ma avere anche il modo di misurarli accuratamente per essere sicuri che uno sia cambiato e l'altro no. In aggiunta, per essere imbarazzati a questo “stato dell'arte”, gli allievi devono avere sviluppato alcune aspettative chiare sui materiali e su come dovrebbero comportarsi. Queste sono esattamente il tipo di aspettative che hanno sviluppato nel gradi 3-5 [terza, quarta, quinta elementare], imparando a misurare peso e volume e arrivando a comprendere che la materia ha peso e occupa spazio.

 

C'è un gran numero di situazioni nelle quali questo basilare modello di dati (cambiamento di volume ma conservazione del peso) può essere prontamente osservato dagli allievi. Alcune riguardano i solidi, altre i liquidi, altre i gas, altre ancora riguardano un cambiamento di stato. Nel corso dell'insegnamento gli allievi dovrebbero essere esposti a tutte queste situazioni. Per cominciare, tuttavia, consideriamo un fenomeno che la ricerca ha dimostrato essere particolarmente “intrigante” ed imbarazzante per gli allievi della scuola media, e come esso possa essere utilizzato per avviare una discussione sulla questione se la materia sia fondalmentalmente particellare o continua (Snir, Smith, e Raz,

2003).

 

Il fenomeno consiste nel miscelare due volumi uguali di acqua ed alcool, entrambi liquidi incolori. Se si mescola un dato volume di acqua (diciamo 50 ml) con un dato volume di alcool (anche questo 50 ml), la miscela risultante acqua/alcool ha un volume di soli 96 ml all'incirca, non di 100 ml come gli allievi si aspetterebbero. Essi immediatamente sospettano che un po' di liquido sia andato perduto versandolo. Per escludere questa possibilità, si può dimostrare che non c'è stata perdita di materiale: il peso della miscela è uguale al peso delle due parti componenti. In aggiunta, per consentire agli allievi di studiare più completamente la miscelazione, i due liquidi possono venir colorati (con differenti coloranti alimentari) in maniera che gli studenti possano vedere più chiaramente cosa succede quando essi si mescolano. Come appena detto, essi possono registrare dati che mostrano che il peso complessivo del sistema è stato conservato, ma non il suo volume. Essi possono anche vedere che se l'acqua colorata (azzurra) è mescolata con alcool colorato (rosso), i due liquidi si rimescolano, diventando un liquido di colore violaceo. Con questa semplice dimostrazione si può arrivare ad un certo numero di domande provocanti: 

• Come possono mescolarsi due liquidi (continui)?

• Perché il volume della miscela è minore della somma dei volumi dei due componenti?

• Perché il peso della miscela è uguale alla somma dei pesi delle sue parti?

Gli studenti sono molto interessati (e sorpresi) da questa dimostrazione, e cercando una possibile spiegazione si può chiedere loro: a cosa potrebbe assomigliare la materia a scala molto piccola (così piccola da non essere direttamente osservabile), per rendere conto di come vanno le cose? Gli allievi possono considerare un certo numero di modelli alternativi, basati su assunti differenti su come potrebbe essere la materia a questa scala piccolissima. Per esempio: dovrebbe essere continua in qualunque modo si vada verso il molto piccolo (cioè, niente spazi o rotture)? Dovrebbero esserci particelle discrete ma strettamente impacchettate (cioè senza spazi tra le particelle)? Dovrebbero esserci particelle discrete di diverse dimensioni e distanziate? Per ciascuna alternativa essi possono quindi elaborare le conseguenze di quelli assunti – che cosa si dovrebbe prevedere succeda in questa situazione – per ciascuna serie di assunti. Essi possono quindi considerare quanto ciascuna delle alternative immaginate possa ben spiegare effettivamente i tre fatti principali.

 

Si noti che, anche per affrontare questi argomenti, gli allievi devono essere capaci di immaginare che se la materia fosse ripetutamente suddivisa a metà fino a che si arrivasse ad un pezzetto troppo piccolo da vedere, dovrebbe esistere ancora della materia, vale a dire che essa non scompare semplicemente perché non è più visibile. La ricerca ha dimostrato che quando gli allievi passano dal pensare la materia in termini di proprietà percepibili di senso comune (qualcosa che si può vedere, sentire o toccare) al definirla come un costituente che occupa spazio ed ha peso, essi si sentono più a proprio agio nel fare questa assunzione. In questo modo, la struttura che essi vanno sviluppando nei gradi 3-5 li prepara a teorizzare a questo livello. Inoltre, essi devono affrontare il ragionamento basato sul modello “ipotetico-deduttivo”: essi devono congetturare (e rappresentare) a cosa assomigli la materia ad un livello che non possono vedere, facendo inferenze su cosa consegua da assunti differenti, e valutare la congettura fondata sulla adattabilità ad un modello di risultati. Significativamente, due ricerche su piccola scala hanno dimostrato che gli allievi della scuola media sono capaci (entusiasticamente) di discutere quegli argomenti, specie quando differenti modelli (per alcuni fenomeni imbarazzanti) sono implementati in un computer ed essi sono messi nella posizione di giudicare quali modelli possono rendere conto dei fatti (Snir, Smith and Raz, 2003). Quindi, questo approccio porta gli allievi che avevano una buona comprensione macroscopica della materia a vedere il modello a particelle discrete distanziate come la miglior spiegazione tra altre (es. modelli continui e modelli a particelle strettamente impacchettate). Inoltre, la discussione in classe ha permesso agli allievi di costruire una importante regola-base per valutare più esplicitamente i modelli: i modelli sono stati valutati sulla base della loro consistenza con una intera struttura di risultati e la loro capacità di spiegare come si ottengono i risultati stessi, piuttosto che sulla base di una corrispondenza con l'apparenza superficiale. In questo modo, le discussioni di queste simulazioni sono state usate per aiutarli a costruire un' importante comprensione metacognitiva di un modello di spiegazione.

 

La descrizione e la spiegazione del comportamento dell'aria e di altri gas – per esempio, la comprensione che (macroscopicamente) essi si comprimono e si espandono, e la ricerca di sottostanti spiegazioni (più microscopiche) di come ciò avviene – fornisce un'altra fertile base per apprezzare il potere esplicativo dell'assunzione che la materia è fondalmentalmente particellare invece che continua (Lee et al., 1993; Nussbaum, 1998). Ovviamente, queste indagini si sorreggono sulle idee emergenti degli allievi circa la natura della materia solamente se essi comprendono che i gas sono materiali, il che viene raccomandato, dalla progressione d'apprendimento proposta, come avvio di indagine per gli studenti della precedente fascia d'età. Nello stesso tempo, arrivare a comprendere il comportamento dei gas in termini particellari dovrebbe aiutare a consolidare negli allievi la comprensione che i gas sono materia, e renderli capaci di visualizzare il loro (non visto) comportamento. In altre parole, lo sviluppo delle concezioni macroscopica e atomico-molecolare può risultare mutuamente rinforzante. Sostegno diretto per questo assunto è provenuto da studi su larga scala di insegnamento a studenti del sesto grado [prima media] delle zone urbane, studi che hanno confrontato l'efficacia di due unità di curricolo. Una unità era centrata più esclusivamente sull'insegnare gli elementi centrali della teoria atomico-molecolare, senza correggere le misconcezioni degli allievi sulla materia a livello macroscopico. L'altra includeva un insegnamento più diretto dei concetti rilevanti macroscopici e microscopici e aveva parlato molto più completamente di come le proprietà di invisibili molecole sono associate con le proprietà di sostanze osservabili e cambiamenti fisici. Questa seconda unità ha portato a cambiamenti molto maggiori nella comprensione dei fenomeni sia a livello macroscopico sia a livello molecolare (Lee et al. 1993).

 

Inoltre, come dimostrano le estese ricerche di Nussbaum e colleghi su studenti del settimo ed ottavo grado [seconda e terza media], tale tipo di istruzione è particolarmente efficace se gli studenti sono coinvolti in discussioni di classe su idee essenziali (metafisiche), teorie alternative e più vasti argomenti epistemologici (Nussbaum, 1998). Per esempio, come potrebbe esistere il vuoto? Perché la materia non sarebbe automaticamente risucchiata negli spazi vuoti? Se ci sono particelle discrete distanziate, che cosa le tiene assieme? Come si muovono le particelle e come interagiscono (cioè, obbediscono alle leggi della causalità meccanica)? Tali discussioni fanno sì che gli esperimenti in classe diventino più significativi ed informativi per gli studenti. Inoltre, sono usati esperimenti mentali per aiutare gli studenti a controbattere le descrizioni a livello particellare macro e micro. Per esempio, si è chiesto agli studenti di immaginare che un folletto (ancor più piccolo della più piccola particella di materia) abbia conficcato un ago in una particella d'acqua o di gas.

L'acqua colerebbe fuori? Ed il gas scoppierebbe fuori facendo un rumore sibilante? In questo modo essi possono mettere in contrasto il comportamento di una particella individuale d'acqua (o di gas) e di un fluido macroscopico. Una sequenza di attività (comprendente discussioni, analogie, esperimenti ed esperimenti mentali) è utilizzata per condurre gli allievi a spiegare la compressibilità dell'aria in termini di un modello a vuoto e particelle. Un'altra sequenza è progettata per aiutarli a spiegare l'elasticità dell'aria in termini di movimento continuo e casuale di particelle. Questo modello a sua volta li aiuta a comprendere la pressione dell'aria e la diffusione gassosa. Così, per costruire la comprensione della teoria atomico-molecolare risulta centrale impegnare gli studenti in cicli di costruzione di modelli mentre si sta sviluppando il loro apprezzamento delle più profonde implicazioni metafisiche ed epistemologiche della teoria atomico-molecolare. Uno studio in verticale su tre anni ha dimostrato l'efficacia molto maggiore di questo approccio curricolare nell'aiutare gli allievi ad interiorizzare ed usare la teoria atomico-molecolare, rispetto alla didattica più tradizionale (Margel, Eylon, and Scherzo, 2006).

 

Altri fenomeni usati per avviare la discussione sulla natura particellare della materia con gli allievi delle scuole medie riguardano le differenti proprietà di solidi, liquidi e gas (Drive et al., 1995; Lee et al., 1993); l'espansione termica di solidi, liquidi e gas (Snir, Smith, and Raz, 2003; Lee et al. 1993); cambiamenti di stato (Lee et al., 1993); la dissoluzione (Lee et al., 1993); la trasmissione degli odori (Nussbaum, 1998); e perché i materiali non possono (chimicamente) combinarsi in qualunque proporzione (Snir, Smith, and Raz, 2003). Basata sulle scoperte di queste ricerche, la progressione d'apprendimento propone che durante questa fascia d'età gli studenti possano essere significativamente introdotti ai seguenti assiomi centrali della teoria atomico-molecolare:

(a) Esistenza di particelle discrete nello spazio (atomi)

(b) Ci sono spazi vuoti tra gli atomi (idea di vuoto)

(c) Ciascun atomo occupa spazio, ha massa, ed è in costante movimento

(d) Esistenza di oltre 100 differenti tipi di atomi; ciascun tipo ha proprietà distintive, compresa la sua massa ed il modo in cui esso si combina con altri atomi o molecole

(e) Gli atomi possono aggregarsi (in differenti proporzioni) per formare molecole o strutture – un processo che coinvolge la formazione di legami chimici tra atomi

(f) Le molecole hanno proprietà caratteristiche differenti da quelle degli atomi che le costituiscono.

 

La progressione d'apprendimento propone anche che gli studenti dovrebbero impratichirsi usando questi assiomi in cicli di costruzione, verifica e revisione di modelli di una gran varietà di situazioni particolari.

Questo stesso corpo di ricerca indica che ci vuole un tempo considerevole e sforzi per far assimilare agli studenti questi assiomi in maniera significativa. Per esempio, le unità d'insegnamento di Nussbaum sul comportamento dei gas hanno richiesto più di 30 lezioni (da 45 minuti); l'insegnamento di Lee e collaboratori per un complesso principale di fenomeni ha richiesto 10 settimane del sesto grado [prima media]. Tuttavia, sarebbe importante dedicare quel tempo a livello di scuola media per alcune ragioni. Primo, la comprensione della teoria atomico-molecolare apre molte nuove e produttive strade di ricerca sulla materia. Per esempio, apre in direzione dell'intero argomento del cambiamento chimico, che la ricerca indica non veramente accessibile agli studenti che hanno solo criteri macroscopici per individuare le sostanze (Johnson, 2002). Esso aiuta anche gli allievi a comprendere molto più chiaramente cosa resta fisso e cosa cambia nel ciclo dell'acqua (Lee et al., 1993). Secondo, molti importanti argomenti discussi altrove nel curricolo di scienze, incluse la biologia e le scienze della Terra, dipendono da queste comprensioni: argomenti quali osmosi e diffusione, fotosintesi, digestione, decadimento, riciclo ecologico della materia, il ciclo dell'acqua ed il ciclo delle rocce, tanto per citarne alcuni. Infine, esso fornisce una opportunità per gli studenti di cominciare a sviluppare comprensione e rispetto per il tremendo lavoro intellettuale e per la sperimentazione che stanno dietro ad una teoria scientifica di successo e ben controllata.

 

Come tutto ciò contrasta con la pratica corrente

 

I testi correnti spesso hanno capitoli separati per “proprietà della materia”, “trasformazioni” e “teoria atomico-molecolare”. La teoria atomico-molecolare è spesso presentata come una serie di fatti (conoscenza dichiarativa) su atomi e molecole staccati da qualsiasi esperienza quotidiana concreta che essa può contribuire a spiegare. Spesso non viene fatto alcun tentativo di riconoscere la natura controintuitiva delle affermazioni o di mostrare l'utilità della teoria. Il risultato, come la ricerca sulle concezioni errate degli studenti chiarisce abbondantemente, è che la maggior parte degli studenti non riesce ad interiorizzare gli assunti centrali della teoria, ed essi comprendono poco idee importanti come il cambiamento chimico (vedi Drive et al., 1995). Come osservato da Schwab e altri, la scienza è tipicamente insegnata in forma di “conclusioni retoriche” invece che come processo complesso per costruire il senso del mondo sedimentandolo in determinati assunti metafisici ed epistemologici (con le parole di Niels Bohr, un modo di “estendere la nostra esperienza e ricondurla all'ordine”). A causa di ciò, gli studenti non apprezzano quale tremenda costruzione intellettuale sia veramente una teoria scientifica, perché meriti grande rispetto, e perché non possa essere sfidata da un'altra idea che nemmeno prova a soddisfare quegli standard epistemologici. In un senso importante, senza costruire e comprendere quelli standard epistemologici, gli studenti non conosceranno le basi per cui essi dovrebbero prestar fede ad importanti teorie scientifiche.

 

Al contrario, la progressione d'apprendimento proposta delinea una serie di traguardi concettuali che possono essere investigati in una maniera più solida e mutuamente rinforzante, basati su una interpretazione di principio della ricerca sulle interpretazioni che i bambini danno della materia e dei materiali. In particolare notiamo che la ricerca ci abilita ad identificare fenomeni ed argomenti per la discussione che aiuteranno gli studenti a fare progressi relativamente a ciascuno dei primi tre aspetti della competenza scientifica:

(a) Comprendere ed usare spiegazioni scientifiche del mondo naturale. (…)

(b) Generare e valutare prove scientifiche e spiegazioni.(…)

(c) Comprendere come si costruisce la conoscenza personale e quella scientifica. (...)

 

Limitazioni (pag 246)

 

La progressione d'apprendimento proposta è incompleta o speculativa da alcuni punti di vista. I limiti derivano dal fatto che si tratta di un modo relativamente nuovo di concepire l'organizzazione delle esperienze d'apprendimento, da problematiche non esaminate nella ricerca, e dal tipo di ricerche disponibili.

 

Nel nostro ampio esempio per i gradi 6-8 [scuola media], abbiamo dato per scontata un po' di istruzione relativamente alla comprensione della forza e del movimento, che contribuiscono alla costruzione di alcuni elementi della teoria atomico-molecolare. Anche la natura di quella precoce attività non è specificata. Inoltre, sarebbe importante qualche prerequisito relativamente alle idee di energia, al suo ruolo nel cambiamento, e la discussione del calore, ma non sono stati trattati esplicitamente. Il caso dell'energia è interessante, perché punta alla necessità di introdurre idee-chiave, ma forse non così esplicitamente definite da servire come importanti idee sistematizzanti [organizzatori cognitivi]. Un altro argomento non trattato, in parte a causa alla limitata base di ricerca, è se sarebbe produttivo avere una preventiva esplorazione della formazione e separazione di miscugli. In tal modo, la pesante dipendenza di questa progressione d'apprendimento dalle idee sui materiali, la materia, il peso, il volume, la densità, l'atomo, e le molecole non significa in alcun modo che queste siano le sole nozioni importanti da trattare. Esse sono un sottoinsieme delle idee importanti, e sono parte di un più ampio armamentario di idee correlate in maniera non puramente lineare, facenti parte di una rete di apprendimenti interconnessi a numerose progressioni d'apprendimento.

 

La stessa base di ricerca necessariamente limita la qualità della nostra concettualizzazione della progressione d'apprendimento. Ci siamo affidati a molti studi di breve termine e li abbiamo assemblati in uno sforzo di delineare l'apprendimento nel corso di un periodo di tempo più ampio. Inoltre, questi studi sono principalmente studi di conoscenza – istantanee delle capacità degli allievi ad un certo momento – non descrizioni dell'apprendimento o del cambiamento di capacità nel tempo. Mentre la nostra progressione d'apprendimento sottolinea i modi in cui si potrebbe fare di meglio nelle scuole elementari per fornire fondamenti produttivi per l'apprendimento successivo, c'è poca ricerca che può guidare nell'individuazione delle esperienze-chiave precoci. Quali sarebbero le idee e le pratiche che, se imparate precocemente, darebbero un maggior riscontro cognitivo lungo il percorso? (...)

 

 

Appendice A

 

Quadro sinottico della progressione d'apprendimento per le proprietà della materia e la teoria atomico-molecolare

 

In questa tabella il termine “grandi idee” corrisponde a quello di “idee centrali” usato nel report. Il comitato ha adottato il termine “idee centrali” per diversificare l'idea di progressione di apprendimento da altre iniziative che usano il termine “grande idea”.

Come menzionato nel testo, utilizziamo il termine “oggetto” in senso ampio per riferirci a qualsiasi entità materiale aggregata, non solamente ai solidi.

Fonte: Smith et al. (2006)

 

Domande e grandi idee	Componenti     delle grandi idee	Elaborazione delle grandi idee nei gradi K-2                             [prima e seconda elementare]
1. Di cosa son fatte le cose e come possiamo spiegare le loro proprietà?	Esistenza della materia e diversità dei tipi di materiali	Gli oggetti sono fatti di materiali specifici. Ci sono tipi differenti di materiali. Lo stesso tipo di oggetto può essere fatto di materiali differenti.
1. Gli oggetti sono costituiti da materia, che esiste come differenti tipi di materiale. Gli oggetti hanno proprietà che possono essere misurate e dipendono dalla quantità di materia e dal tipo di materiale di cui sono fatti.
	Gli oggetti hanno proprietà che possono essere misurate e spiegate. Tre importanti proprietà sono la massa, il peso, il volume.	Gli oggetti hanno determinate proprietà: – peso, lunghezza, superficie, e volume – che possono essere descritte, confrontate e misurate (in questa fase,solo esplorazione e costruzione preliminare della misura di volume)
	I tipi di materiale hanno proprietà caratteristiche che possono essere misurate e spiegate.	Le proprietà dei materiali possono essere descritte e classificate.                         (In questa fase sono indagate solo proprietà facilmente osservabili, come il colore, la durezza, la flessibilità.)
	3-5 Elaborazione di grandi idee [terza, quarta, quinta elementare]	6-8 Elaborazione di grandi idee [scuola media, prima seconda e terza media]
	Gli oggetti sono fatti di materia che occupa spazio ed ha peso. Solidi, liquidi, e l'aria sono forme di materia e condividono queste proprietà generali [attributi fondamentali della materia]. Ci possono essere particelle invisibili di materia (troppo piccole da vedere). Ci sono molti tipi diversi di materiali.	La materia ha massa, volume, e peso (in un campo gravitazionale), ed esiste in tre fasi generali, solidi, liquidi e gas. I materiali possono essere elementi, composti o miscugli.
		1AM: tutta la materia è costituita da un numero limitato di differenti tipi di atomi, che sono comunemente legati in molecole e strutture. Ciascun atomo occupa spazio, ha massa, ed è in costante movimento.
	Il peso è una proprietà additiva degli oggetti che può essere misurata (es. il peso di un oggetto è la somma dei pesi delle sue parti). Il volume di un oggetto è una proprietà additiva che può essere misurata. Il peso di un oggetto è funzione del suo volume e del materiale di cui è fatto.	La massa è una misura della quantità di materia e rimane costante al variare della localizzazione; il peso è una forza, proporzionale alla massa, e varia col campo gravitazionale. Solidi, liquidi e gas hanno proprietà differenti.
		1AM: la massa ed il peso di un oggetto sono spiegate tramite le masse ed i pesi dei suoi atomi. I differenti movimenti e le differenti interazioni degli atomi nei solidi, nei liquidi e nei gas aiutano a spiegare le loro differenti proprietà.
	I materiali hanno proprietà caratteristiche che sono indipendenti dalla dimensione del campione (estende la conoscenza a proprietà meno ovvie, come la densità, l'infiammabilità, o la conduttività.)	I materiali hanno proprietà caratteristiche indipendenti dalla dimensione del campione (estende le conoscenze fino ai punti di ebollizione e congelamento e per ragionare sulla densità.)
		1AM: le proprietà dei materiali sono determinate dalla natura, dalla disposizione, dal movimento delle molecole di cui sono fatti.

 

Domande e grandi idee	Componenti delle grandi idee	Elaborazione delle grandi idee nei gradi K-2                    [prima e seconda elementare]
2. Cosa cambia e cosa non cambia quando le cose si trasformano? 2. La materia può essere trasformata, ma non creata o distrutta, tramite processi fisici e chimici.	Massa e peso sono conservati in un’ampia varietà di trasformazioni.	Ci sono alcune trasformazioni (es. il cambiamento di forma, la rottura in piccoli pezzi) nelle quali la quantità di materia ed il peso sono conservati nonostante i cambiamenti di aspetto.
	I tipi di materiale non cambiano nel corso di alcune trasformazioni e cambiano in altre.	Il tipo di materiale non cambia quando gli oggetti vengono modellati o rotti in piccoli pezzi. Il congelamento e la fusione cambiano alcune proprietà dei materiali, ma non altre.
	3-5 Elaborazione di grandi idee [terza, quarta, quinta elementare]	6-8 Elaborazione di grandi idee [scuola media, prima seconda e terza media]
	La materia continua ad esistere quando rotta in pezzi troppo piccoli da vedere. La quantità di materia ed il peso sono conservati nel corso di un'ampia varietà di trasformazioni (es, fusione, congelamento e dissoluzione).	Massa e peso (ma non il volume) sono conservati nel corso di trasformazioni chimiche, nel dissolvimento, nel cambiamento di fase, e nella espansione termica.
		2AM: massa e peso sono conservati nelle trasformazioni fisiche e chimiche perché gli atomi non sono né creati né distrutti.
	I materiali possono cambiare da solidi a liquidi (e viceversa) mediante riscaldamento (o raffreddamento) ma restano lo stesso tipo di materiale. La combinazione di due o più materiali può generare un prodotto con proprietà differenti da quelle dei materiali di partenza.	Alcune trasformazioni coinvolgono cambiamenti chimici (es, combustione,ruggine) nei quali si formano nuove sostanze, come indicato dalle loro differenti proprietà. In altri cambiamenti (es, cambiamento di fase, espansione termica) i materiali possono cambiare aspetto ma la sostanza che li forma rimane la stessa.
		2AM: nei cambiamenti chimici si formano nuove sostanze per effetto della ridisposizione degli atomi in nuove molecole. Gli atomi di per se stessi rimangono intatti.
		2AM: nei cambiamenti fisici le molecole cambiano disposizione e/o tipo di movimento ma rimangono intatte, così che la sostanza chimica resta la stessa.
Domande e grandi idee	Componenti delle grandi idee	Elaborazione delle grandi idee nei gradi K-2                                 [prima e seconda elementare]
3. Come possiamo saperlo?	Buone misurazioni forniscono sugli oggetti informazioni più affidabili e utili che non le impressioni di senso comune.	La misurazione comporta il confronto. Buone misurazioni usano iterazioni di una unità fissata (comprese le parti frazionarie di quella unità) per coprire completamente lo spazio di misura (senza interruzioni). Le misurazioni sono più affidabili delle impressioni di senso comune.
3. Possiamo imparare qualcosa sul mondo tramite la misurazione, la modellizzazione e l'argomentazione.
	La modellizzazione riguarda il cogliere relazioni-chiave nel campo delle idee piuttosto che negli aspetti esteriori.	Alcune proprietà degli oggetti possono essere analizzate come somma di unità componenti. (Gli studenti sono coinvolti con la implicita modellizzazione di quantità estensive tramite creazione di misure.)
	Gli argomenti utilizzano il ragionamento per connettere le idee ed i dati.	Le idee possono essere valutate attraverso l'osservazione e la misura.