SCIENZA DELLA MATERIA: UNA PROPOSTA CURRICOLARE

 

Ferdinando Davini, Maria Luisa D’Eugenio

 

Introduzione

Con il presente articolo vogliamo descrivere il percorso didattico progettato all’interno del nostro istituto (I.T.C. “Pesenti” di Cascina – PI) per quanto riguarda l’insegnamento di Scienza della materia.  Questa disciplina, che accorpa in un unico insegnamento contenuti di Fisica e di Chimica, fa parte dell’area comune del biennio sperimentale.

 

Articolazione del progetto

Il procedimento che ha portato alla costruzione del percorso didattico è stato tipicamente il seguente:

– analisi del progetto ministeriale IGEA (Indirizzo Giuridico Economico Aziendale);

– esame dei materiali prodotti dall’ IRRSAE-Toscana [1] nell’attività di assistenza alle sperimentazioni coordinate (Progetti IGEA, ERICA, CINQUE);

– incontri con esperti in progettazione curriculare all’interno e fuori del Comitato Scientifico-Didattico.

 

Per quanto riguarda le finalità dell’insegnamento il progetto ministeriale fa alcune affermazioni ovvie e condivisibili: “La disciplina Scienza della materia si pone l’obiettivo, non tanto di impartire una serie di nozioni, quanto di fare acquisire agli allievi quella metodologia sperimentale...”, “ ... i contenuti devono essere scelti non in base ad una loro improbabile importanza, nè in base ad una equilibrata suddivisione tra i vari capitoli facenti parte di tali discipline, ma tra quelli didatticamente più opportuni.” “ ... le finalità metodologiche e non nozionistiche dell’insegnamento di Scienza della materia sono perseguibili solo attraverso un’intensa attività sperimentale svolta direttamente dagli allievi..”

 

Altre affermazioni non sono invece a nostro parere condivisibili, quale ad esempio: “ ... l’accorpamento di Fisica e Chimica si presenta come fatto naturale ...”  Riteniamo infatti che, mentre nella scuola dell’obbligo gli allievi non possano aver altro che un approccio globale e indifferenziato verso il reale, nella scuola secondaria superiore l’educazione deve condurli ad apprezzare l’importanza e l’utilità di un procedimento analitico fondato sulla separazione disciplinare.  La formazione scientifica impartita nel biennio della secondaria deve presentare la ricerca scientifica come essa si realizza effettivamente, cioè strutturata in discipline, e non una ricostruzione unitaria, ma artificiale [2].

I contenuti proposti dal ministero, suddivisi in temi, sono i seguenti:

1) Proprietà della materia

2) Energia e trasformazioni

3) Sostanze e composti

4) Elettricità

5) Radiazione luminosa

6) Scienza, tecnologia e società

 

Poichè nelle indicazioni metodologiche si insiste sul fatto che il metodo sperimentale può essere perseguito solo attraverso una didattica basata sull’alternarsi di esercitazioni degli alunni in laboratorio con momenti di rielaborazione teorica, sei temi ci sono sembrati eccessivi se si considera prescrittiva l’affermazione che all’attività di laboratorio dovrà essere dedicato circa il 30% del tempo a disposizione (4 ore di 50 minuti sia in prima che in seconda classe).  A proposito dei materiali prodotti dall’IRRSAE Toscana [1] nell’attività di assistenza alle sperimentazioni, se da una parte ci sono sembrati mirati gli obiettivi trasversali e disciplinari, dall’altra abbiamo ritenuto del tutto insoddisfacente l’articolazione dei temi proposti, suddivisi in “pillole di Meccanica” al primo anno e in “pillole di Chimica” al secondo.  Aderire a questa impostazione sarebbe stato un passo indietro rispetto alla sperimentazione attuata nel nostro istituto nei corsi di Fisica (prima e dopo l’adesione al Piano Nazionale Informatica PNI) e di Scienze naturali, sostituiti dall’a.s. 1992/93 da Scienza della materia e Scienza della natura.

 

Al fine di spiegare le scelte metodologiche e quindi di contenuto che abbiamo operato, è opportuno far presente che per quanto riguarda l’insegnamento della Fisica, anzichè optare per i quattro temi del PNI (terza versione dei programmi ministeriali), aderimmo ai due temi della quarta versione (“Proprietà della materia” ed “Energia e sue trasformazioni”) [3], senza riuscire a svolgerli completamente proprio per la forte impronta sperimentale che caratterizzava quel progetto.  Quella positiva esperienza ci ha consigliato di concentrare l’attenzione su un numero più circoscritto di temi, almeno nella fase di avvio del progetto.  Abbiamo quindi deciso di suddividere il corso in tre grandi temi:

Tema 1 Proprietà della materia

Sezione A: La misura

Sezione B: Volume, massa, densità

Sezione C: Temperatura e calore

Sezione D: Introduzione alla problematica energetica

Tema 2 Le sostanze e le loro trasformazioni

Sezione A: Miscugli omogenei ed eterogenei

Sezione B: Sostanze pure : elementi e composti

Sezione C: Le trasformazioni chimiche

Tema 3 Elettricità

Sezione A: Introduzione del concetto di energia e sue trasformazioni

Sezione B: Circuiti elettrici

Sezione C: Chimica ed elettricità

Sezione D: La problematica energetica: fonti di energia, produzione, trasporto e consumo di energia

Tali temi non esauriscono il corpo disciplinare di Scienza della materia.  Sono stati scelti perchè particolarmente adatti ad illustrare sia il processo di costruzione di un modello in Fisica ed in Chimica sia quello di ricerca di principi di conservazione.  Gli argomenti riconducibili a detti temi hanno inoltre caratteristiche di connessione multidisciplinare, permanenza temporale e rilevanza sociale.

 

Tema 1. Proprietà della materia

La ricerca di regolarità e di proprietà che si conservano costituisce il filo conduttore di una serie di esperimenti (facilmente eseguibili dagli studenti) che legano la riflessione scientifica all’osservazione di fenomeni della vita quotidiana.  Il tema viene sviluppato a partire dall’osservazione dei corpi e delle sostanze che li compongono per arrivare all’individuazione di proprietà caratteristiche.  Le osservazioni ed i semplici esperimenti proposti permettono di verificare ed omogeneizzare le conoscenze e le abilità acquisite dagli allievi alla scuola media.  L’accento viene posto sul legame tra attività sperimentale, costruzione di leggi empiriche ed interpretazione dei fenomeni attraverso modelli: questo significa un uso formativo del laboratorio anzichè banalmente induttivo o addirittura addestrativo.  Lo schema di Fig. 1 mette in evidenza il nucleo centrale di questo primo tema.  La Sezione B (Volume, massa, densità) contiene gran parte degli esperimenti dell’I.P.S. [4], anche se ci sembra che la logica del presente itinerario risulti più compatta e quindi più utilizzabile nella scuola italiana.  Per la sezione C (Temperatura e calore) ci siamo in gran parte ispirati all’unità didattica “Energia (prima parte)” di cui si parla in [5].

 

 

Tema 2. Le sostanze e le loro trasformazioni

Dopo aver trattato le proprietà della materia (oggetti), con il tema 2 viene affrontato lo studio del concetto di sostanza, prima a livello macroscopico, poi a livello microscopico.  Il passaggio tra i due temi è mediato dalla individuazione già nel primo tema di alcune proprietà caratteristiche (ad esempio densità, temperatura di ebollizione e di fusione) delle sostanze di cui gli oggetti sono costituiti.

A nostro avviso il concetto di “sostanza” merita una maggiore attenzione dal punto di vista didattico di quanta non ne venga dedicata dalla maggior parte dei libri di testo; questa impostazione è avvalorata dai risultati di una recente ricerca [6] che mette in evidenza la necessità di fornire durante i corsi iniziali di chimica quei concetti di base, da noi insegnanti ritenuti a volte evidenti e banali, indispensabili per una corretta interpretazione dei fenomeni più complessi.  Pertanto è stato costruito un percorso mirato, caratterizzato in parte dalla impostazione dell’I.P.S. [4], attuato già da alcuni anni nella nostra scuola nel corso di Scienze Naturali e dall’anno scolastico 1992-93 nel corso di Scienza della Materia.  La Fig.2 riporta lo schema relativo allo sviluppo delle tre sezioni di questo tema.

 

 

Sez. A: attraverso la manipolazione e l’osservazione di materiali di uso comune vengono prodotti alcuni miscugli; si procede poi alla distinzione tra miscugli omogenei (acqua e sale, acqua e alcol) ed eterogenei (acqua e sabbia, acqua e carbonato di calcio).  Aumentando la quantità di sale nell’acqua, gli studenti si rendono conto del concetto di concentrazione e di una nuova proprietà caratteristica delle sostanze: la solubilità.  In due semplici attività di laboratorio gli studenti applicano alcune tecniche di separazione di sostanze: la filtrazione e l’evaporazione per il miscuglio acqua-sale-sabbia, la cromatografia su carta per inchiostri e pigmenti fogliari.  Si arriva così alla definizione di sostanza pura, come sostanza non scomponibile con le tecniche di separazione.

 

Sez. B: attraverso l’esperienza relativa alla sintesi del solfuro di ferro gli alunni si rendono conto del fatto che alcune sostanze pure (zolfo e ferro) possono interagire formando una nuova sostanza, anch’essa pura, ma dalle caratteristiche nettamente differenti dalle prime due.  D’altra parte dalla esperienza relativa alla scomposizione elettrolitica dell’acqua gli studenti si rendono conto che anche alcune sostanze pure sono ulteriormente scomponibili attraverso metodi drastici (ad esempio il passaggio di corrente elettrica): si arriva così alla classificazione delle sostanze pure in elementi e composti.

 

Sez. C: con le ultime esperienze della sezione precedente, si introduce il concetto di trasformazione chimica.  Anche le leggi di conservazione della massa e quella delle proporzioni definite scaturiscono dall’analisi dei risultati di esperienze condotte a gruppi in laboratorio.  A questo punto si introduce il modello atomico di Dalton con l’esplicito scopo di spiegare a livello microscopico quanto osservato, ed in particolare i rapporti di combinazione.  L’uso di modelli molecolari aiuta gli alunni a “costruire” diversi tipi di molecole. A conclusione vengono forniti i principi di base della nomenclatura IUPAC.

 

Tema 3. Elettricità

Questo tema affronta inizialmente il concetto di energia e sue trasformazioni.  Si tratta di una sezione particolarmente delicata e cruciale in quanto il dibattito sulla definizione più corretta della grandezza fisica energia ha occupato molte pagine di riviste scientifiche.  In alcuni libri di fisica e di chimica dell’ultima generazione (scritti cioè dopo le varie stesure ministeriali dei nuovi programmi per le discipline scientifiche sperimentali del biennio), anzichè definire l’energia con precisione in una sua forma per poi estendere la definizione ad altre forme, si preferisce assumere l’esistenza di un principio generale di conservazione per poi identificare in ogni trasformazione le forme finali ed iniziali dell’energia in gioco, ed i modi di trasferirla. Per questo scopo è utile una presentazione iniziale a carattere dimostrativo di diverse trasformazioni energetiche (nel campo della fisica, della chimica, della biologia) per giungere, attraverso una discussione collettiva in classe, ad una prima ipotesi sull’esistenza di un principio di conservazione.

 

D’altronde lo stesso percorso storico è stato particolarmente tortuoso e l’approccio tradizionale del concetto di energia attraverso l’energia meccanica privilegia proprio il ramo rivelatosi meno fruttuoso, mentre è attraverso lo studio delle trasformazioni e l’evoluzione delle macchine che si è arrivati al principio di conservazione ed ai principi della termodinamica [7].  Il nucleo centrale del tema è dedicato allo studio delle relazioni tra elettricità e materia.  Dei due approcci al tema dell’elettricità abbiamo scartato quello più “tradizionale” (approccio elettrostatico) per privilegiare quello più operativo che parte dal concetto di corrente elettrica.  Anzichè partire dall’elettrostatica definendo la carica elettrica, il campo elettrico ed il potenziale elettrico per affrontare successivamente lo studio dei circuiti elettrici, si fanno osservazioni qualitative e quantitative su alcuni semplici circuiti per arrivare ad introdurre l’intensità di corrente, la carica elettrica, la tensione ed infine la resistenza elettrica, come proposto nei lavori [8], [5] e [9].  I concetti chiave della sezione B possono essere così sintetizzati:

– effetti della corrente: termico, magnetico, chimico; l’ampere internazionale

– la quantità di carica e sua conservazione

– circuiti elettrici elementari: pile in serie ed in parallelo, lampadine in serie ed in parallelo

– energia elettrica e differenza di potenziale

– intensità di corrente e differenza di potenziale: la resistenza elettrica e la resistività

– effetti biologici della corrente elettrica e sicurezza degli impianti

 

Sebbene la sezione C non sia stata ancora sperimentata, ci sembra significativa in quanto presenta la confluenza di concetti propri della fisica e della chimica.  È inoltre importante a nostro avviso che gli allievi, soprattutto quelli che con il biennio abbandonano lo studio delle discipline scientifiche, acquisiscano le fondamentali conoscenze relative alle più comuni applicazioni della elettrochimica, ad esempio le pile.

 

Modalità di verifica

La prima prova che viene proposta agli alunni delle classi prime è il test di ingresso; questo ha lo scopo di accertare il possesso da parte degli alunni di quegli strumenti, matematici e non, considerati prerequisiti per affrontare il programma di Scienza della materia.  Proprio in questa ottica, e per facilitare gli interventi di recupero, è stato preparato un test di ingresso suddiviso in quattro parti con i seguenti obiettivi:

1a parte –verificare la conoscenza e l’applicazione dei concetti fondamentali relativi a rapporti, proporzioni, percentuali, media aritmetica;

2a parte –verificare la conoscenza e l’applicazione dei concetti fondamentali relativi a: ordini di grandezza, sistema metrico decimale e sessagesimale, capacità e volume;

3a parte –verificare la conoscenza e l’applicazione dei concetti fondamentali relativi a: misura di grandezze fisiche, grandezze direttamente proporzionali;

4a parte –verificare la capacità di lettura e di interpretazione di alcuni grafici.

 

Le quattro parti del test sono state somministrate separatamente. Le principali caratteristiche delle parti del test sono riportate nella Tab.1.

 

Tab.1

 

Parte

N. item

Tipo di item

Tempo concesso

1

8

semistrutturato

20 min

2

11

scelta multipla

20 min

3

9

scelta multipla

semistrutturato

10 min

4

7

scelta multipla

vero/falso

semistrutturato

15 min

 

Le prove di verifica somministrate nel corso dell’anno ai nostri studenti sono di due tipi: verifiche formative e verifiche sommative.  Le prime hanno il compito di verificare in itinere l’andamento dell’apprendimento, con lo scopo di intervenire rapidamente con tutti i mezzi a disposizione colmando così le lacune di volta in volta individuate.  Si tratta di verifiche scritte o orali, di breve durata, generalmente strutturate o semistrutturate, tendenti a verificare il raggiungimento di obiettivi come l’acquisizione delle conoscenze e l’applicazione delle stesse.  Le prove sommative, scritte o orali, vengono effettuate alla fine di una unità didattica e verificano il raggiungimento degli obiettivi relativi a quella unità didattica in termini di acquisizione delle conoscenze, di applicazione e di elaborazione.  In questo caso i questionari sono generalmente semistrutturati.

 

Un discorso a parte deve essere fatto per le verifiche dell’attività pratica, per le quali è prevista una valutazione separata.  In questo caso le prove di verifica sono rappresentate generalmente dalle “relazioni” sull’attività di laboratorio, svolte secondo uno schema standard che viene fornito agli studenti all’inizio del primo anno.  A questo proposito si deve però osservare che nella stesura di una relazione entrano in gioco abilità diverse, non necessariamente legate a quelle che si devono verificare nel corso di una prova “pratica”.  Al contrario sono poco verificate le abilità manipolative degli studenti, che invece dovrebbero rappresentare un obiettivo disciplinare.  Sarebbe pertanto interessante aprire una discussione su tale argomento.

 

Osservazioni conclusive

Per quanto riguarda i tempi di svolgimento dei vari temi, abbiamo constatato che per svolgere compiutamente il tema 1 occorrono circa 100 ore (di 50 minuti) anzichè le 75 ore teoricamente programmate nella fase di progettazione del corso.  In pratica, nella fase di avvio del progetto (a.s. 1992-93), questo tema ha “occupato” il primo anno di corso.  I temi 2 e 3 vengono quindi svolti rispettivamente nel primo e secondo quadrimestre del secondo anno.  Nella fase di revisione del progetto occorrerà ridimensionare alcune parti del primo tema (ad esempio la sezione sulla misura dovrà assumere un carattere più trasversale nell’arco di tutto il biennio), per consentire di introdurre il modello atomico della materia.  Inoltre si sarà notato che dei temi misteriali 2 e 4 abbiamo operato una sintesi nel tema “Elettricità”.  Più che di una scelta culturale si è trattato di compattare il percorso didattico, ma certamente il problema di quali conoscenze di Meccanica occorre introdurre al biennio (anche, ma non solo, per una corretta presentazione del modello cinetico dei gas) rimane di grande attualità.  Per quanto riguarda l’uso degli elaboratori elettronici, in varie occasioni ispettori ministeriali ci hanno detto che il PNI si applica all’insegnamento della Matematica, ma non all’insegnamento di Scienza della materia.

 

Non è tra gli scopi del presente articolo introdurre ulteriori elementi di polemica con il Ministero, ma una tale decisione è in stridente contrasto con una delle ipotesi che ispirarono l’avvio del PNI, e cioè il carattere trasversale e pervasivo dell’Informatica.  Tale contrasto risulta accentuato dal fatto che nelle indicazioni metodologiche sia del programma di Scienza della materia che di quello del Laboratorio di Fisica e Chimica si fa chiaro riferimento all’uso del laboratorio di informatica; in particolare “...l’elaboratore elettronico può svolgere in questo corso (Laboratorio di Chimica e Fisica) un ruolo di rilievo, soprattutto per l’elaborazione dei dati e come ausilio nella redazione di relazioni...”. Ad ogni buon conto, riflettendo sugli obiettivi di un corso di Scienza della materia [1], abbiamo individuato una serie di interventi che prevedono l’uso del foglio elettronico per l’elaborazione, anche grafica, delle misure effettuate nelle esperienze di laboratorio, e come ambiente per la modellizzazione e la risoluzione di problemi [10].

 

A conclusione, ci sia permessa una considerazione di carattere generale a proposito della “storia infinita” dei nuovi programmi delle discipline scientifiche sperimentali.  Ci sembra difficile sostenere che l’invenzione di “Scienza della materia” o del “Laboratorio di Fisica e Chimica” rappresenti una chiara opzione culturale verso l’opportunità di avviare i giovani allo studio delle scienze sperimentali più “dure” con la gradualità e l’attenzione agli aspetti culturali di base che l’insegnamento integrato può suggerire.  In realtà essa nasce da un’alchimia sui numeri delle ore, che rifiuta di mettere in discussione alcuni “capisaldi disciplinari”, toccando i quali buona parte dei faticosi compromessi raggiunti all’interno dei vari Comitati Ristretti del Ministero verrebbe rimessa in discussione.  Ciò non toglie che, pur tra mille difficoltà, vi sia la possibilità di fare di questa “trovata” una proposta culturale credibile.  È da auspicare che vi sia la volontà ed il tempo per riaprire la discussione, nella scuola e più in generale negli ambienti culturali, sul ruolo delle discipline scientifiche sperimentali nella formazione di base [11].

 

Note

1. Materiali, Temi, Proposte per una programmazione curricolare dei Progetti IGEA, ERICA, CINQUE IRRSAE TOSCANA / settembre 1992.

2. A. Bastai Prat, Un contributo allo studio di fattibilità di un percorso coordinato e/o integrato di chimica e di fisica per il biennio della Scuola Secondaria Superiore, La Fisica nella scuola (LFNS), 3, Supplemento, 1990.

3. I programmi di Fisica nel biennio, Il Menabò, numero speciale, 3/4, 1987.

4. IPS - Introduzione alla Scienza Fisica Zanichelli, 1980.

5. R. Bagnolesi, F. Davini, F. De Michele, A. Giovannetti, Sperimentazione di un progetto curricolare di Fisica per il biennio, LFNS, 4, 1985.

6. E. Roletto, B. Piacenza, Il concetto di sostanza: una indagine sulle concezioni degli studenti universitari, La Chimica nella Scuola, 5, 1993.

7. E. Boni, F. De Michele, M. Mayer, Approccio alla Fisica, guida per l’insegnante, Paravia 1991.

8. M. T. De Luca et al., Un’esperienza di insegnamento dell’elettrologia nel biennio ITIS, LFNS, 3, 1982.

9. V. Zanetti La Fisica attorno a noi, Zanichelli, 1989.

10. S. Paracchini, L. Righi, Scienza della materia, guida per l’insegnante,Ed. Tramontana 1993.

11. S. Sgrignoli, I nuovi programmi di fisica (e di chimica!). La storia infinita, LFNS, quaderno 1, 1, Supplemento, 1993.

 

 

Pubblicato originariamente su Naturalmente, 1994, 7 (2), 35-40.