LABORATORIO DIDATTICO DELLE SCIENZE SPERIMENTALI

SILSIS UNIVERSITA’ di PAVIA
LABORATORIO DIDATTICO DELLE
SCIENZE SPERIMENTALI
A0 60 I anno I semestre
Docente A. Colli
Materiale di lavoro ad uso interno dei tirocinanti SILSIS
Alcune parti potrebbero provenire da fonti non citate
SPUNTI EMERSI DALL’INCONTRO PRECEDENTE
-CONCETTI O CONTENUTI?
-RETI DI CONOSCENZE
-VOGLIA DI “TRASMETTERE” CONOSCENZE
-CONCETTI STRUTTURANTI
-DISCIPLINE SCIENTIFICHE “PRATICHE”: laboratorio
o applicazioni “concrete”?
- LA SCIENZA HA VALORE PER SE STESSA?
(Ricerca “pura”-”applicata”)
-SCIENZA è OGGETTIVA?
-DIFFERENZE ed ANALOGIE SCIENZA-ARTE
SCIENZA E LETTERATURA
SECONDO INCONTRO
LAVORO DI GRUPPO
Analisi di programmi scolastici ufficiali e di programmazioni
di alcune scuole
I (probabili) nuovi programmi scientifici dei licei. Cosa sono
gli OSA?
I gruppi confrontano le proprie osservazioni sui “programmi”
esaminati da ciascuno ed elaborano un lucido
CONTINUITA’/INNOVAZIONE
Cosa rimane nei programmi dalla “riforma Gentile” ad oggi?
Cosa cambia?
Manca qualcosa? Cosa?
Troppo o troppo poco?
ALLA RICERCA DEI “NUCLEI” FONDANTI
SONO PRESENTI NELLE PROGRAMMAZIONI
ESAMINATE?
SONO EVIDENZIATI? COME?
Per un sapere “significativo”: poche cose, ma buone.
Le conoscenza si trasmette o si costruisce?
Nuclei fondanti o concetti strutturanti?
E gli obiettivi?
SECONDO LAVORO DI GRUPPO
Scelta di possibili “percorsi didattici” individuati nelle
diverse programmazioni. Ricerca dei concetti “chiave
“fondamentali (strutturanti) indispensabili per poterli
affrontare. ESPLICITAZIONE DEI CONCETTI
DIVERSE “TIPOLOGIE” DIDATTICHE
-DEI RISULTATI (obiettivi, contenuti, moduli)
-DEI PROCESSI (strutture, ricerca problemi, casi)
-RISULTATI e PROCESSI (per concetti, narrativa)
SI POSSONO MISCHIARE?
L’IMPORTANTE E’
CHE GLI ALUNNI IMPARINO
IN MODO SIGNIFICATIVO
La dimensione storico - epistemologica
Tra i requisiti culturali e professionali che il docente deve possedere vi è la
padronanza dei “fondamenti epistemologici” della disciplina che
insegna, disciplina che deve essere conosciuta in maniera critica. Tale
consapevolezza può, infatti, facilitare di molto il suo lavoro, aiutandolo a
concentrare i suoi sforzi su quei saperi centrali, i cosiddetti nuclei
fondanti, che rivestano carattere di particolare rilevanza per la loro
caratteristica di organizzare al loro intorno i saperi specifici di una
disciplina, di mettere in relazione sistemi di conoscenze differenti e di
essere in grado di crearne di nuovi.
I nuclei fondanti sono i “concetti fondamentali” che ricorrono in vari
luoghi di una disciplina o di più discipline che abbiano una connotazione
epistemica omologa e/o analoga e hanno perciò valore strutturante e
generativo di conoscenze anche in relazione al processo di
apprendimento”
La competenza di tipo epistemologico è essenziale per poter effettuare l’
“analisi disciplinare” e quindi costruire la “mappa disciplinare”. Essa
consente al docente di:
• scomporre e ricomporre i contenuti della disciplina;
• individuarne le “idee chiave”, che svolgono il ruolo fondamentale di
“organizzatori delle conoscenze”;
• collegare insieme tali concetti costruendo una rete di connessioni
associative tra essi.
L’apprendimento è processo
dinamico, non lineare, interattivo
che, nell’ambito di un contesto
sociale, costruisce reti di
significati condivisi
Si può “trasmettere” la conoscenza?
L’apprendimento è processo
costruttivo che avviene tramite
l’integrazione delle nuove informazioni
con i concetti e gli schemi concettuali
che lo studente possiede
Cos’ è un concetto?
-Come l’uomo si rappresenta le realtà
-Insiemi di attributi legati insieme da una regola
-Informazioni organizzate potenzialmente disponibili
-Unità con cui pensiamo il mondo
-Regolarità percepita in oggetti ed eventi o in testimonianze/simboli/rappresentazioni di
eventi o di oggetti definita attraverso un ‘etichetta (Novak)
CONCETTI STRUTTURANTI
-Determinano una trasformazione del sistema cognitivo
hanno funzione di ancoraggio
RETE DI CONCETTI
Non tutti possono essere “assimilati” è necessaria una “ristrutturazione”
IMPORTANZA DI CAPIRE COSA HA IN TESTA LO STUDENTE
QUALI OSTACOLI?
CULTURALI Es Aborigeni
Diversi STILI di apprendimento/insegnamento
LINGUISTICI
EMOZIONALI o PSICOLOGICI
Es. mancanza di motivazioni, di autostima. Perché “non rispondono”?
LOGICI mancanza basi logica (es manca concetto numero, quantità)
CONCETTUALI mancano concetti strutturanti (atomo, molecola, trasformazione,
sistema, energia , microrganismo)
QUESTIONARIO (uno dei possibili strumenti)
LETTURA SOGGETTIVA (meglio in due)
Non esistono risposte “giuste” o “sbagliate” (non può servire per la valutazione
dell’alunno)
Si colgono difficoltà e ostacoli generali” (es incapacità ad esprimersi per mancata
padronanza lingua scritta)
Secondo la teoria di David Ausubel, enunciata negli anni Sessanta,
l'apprendimento ha luogo mediante diversi processi:
- assimilazione avviene nel momento in cui un nuovo concetto si lega in modo
significativo ad un concetto preesistente nella struttura cognitiva, ristrutturandola
in parte o interamente;
-differenziazione progressiva
avviene quando un nuovo concetto viene innestato nella struttura cognitiva e la
struttura si riorganizza: essa si differenzia, differenziando i livelli di conoscenza
ed i modi di conoscere precedenti;
-- integrazione conciliativa
avviene al momento in cui un nuovo concetto assimilato cambia la struttura
cognitiva preesistente: non è possibile che tutti i concetti vengano ricordati così
come sono appresi (esempio: come sono scritti su un libro, o come sono
spiegati in aula), ma vengono modificati a seconda del significato che assumono
per il soggetto conoscente, dunque ogni nuova conoscenza viene integrata nella
vecchia conoscenza, e tale integrazione porta ad un cambiamento anche della
conoscenza precedente
- apprendimento sovraordinato
o cognizione complessa, avviene quando per mezzo dell'assimilazione di un
nuovo concetto è possibile collegare un certo numero di concetti già appresi o/e
da apprendere
PER UN APPRENDIMENTO “SIGNIFICATIVO” contrapposto all’apprendimento
MECCANICO:
-i contenuti da apprendere devono avere una coerenza interna (le parti di tali
contenuti sono legate le une alle altre, non in modo arbitrario, ma da una struttura
d'insieme non contraddittoria);
-il soggetto conoscente deve possedere una struttura cognitiva la qual contenga
delle informazioni che potenzialmente, per similitudine, analogia o continuità,
possono entrare in relazione con il nuovo contenuto di conoscenza;
-- il soggetto conoscente deve essere motivato a mettere in relazione la sua struttura
cognitiva con le nuove informazioni; in tal modo il nuovo contenuto di conoscenza
viene investito anche di un significato psicologico.
PIAGET
APPRENDIMENTO DI NUOVE CONOSCENZE
ASSIMILAZIONE
ACCOMODAMENTO
EQUILIBRAZIONE
AUTOREGOLAZIONE=capacità di un individuo di
riequilibrare e di riorganizzare la struttura cognitiva
senza interventi esterni
L’insegnante deve agganciare il proprio intervento al
quadro concettuale (rete concettuale) già presente nella
mente degli allievi
Indagine sulle concezioni iniziali o rappresentazioni.
L’insegnante deve promuovere la comprensione da parte
degli allievi dei nuclei o concetti fondanti o strutturanti ,
ossia di quei concetti che, assimilati, provocano la
riorganizzazione del loro sistema cognitivo.
PROBLEMATICHE CONNESSE ALLA DIDATTICA DI
DISCIPLINE BIOLOGICHE
1) VISIONE MECCANICISTICA E VISIONE TELEOLOGICA
2) LIVELLI DI ORGANIZZAZIONE: DAL MACRO AL MICRO O
DAL MICRO AL MACRO?
3) DINAMICITA’ E PLASTICITA’
4) INTEGRAZIONE
“Un essere vivente è un sistema cellulare aperto, autoriproducibile,
attraversato da flussi autoregolati di materia, di energia e di
informazione che ne consentono la crescita, lo sviluppo e la conservazione
dello stato stazionario. Per queste loro caratteristiche le popolazioni dei
viventi sono in grado di evolversi nel tempo adeguandosi alle mutevoli
condizioni ambientali”.
Le caratteristiche fondamentali di tali “sistemi complessi” sono (Tavola I):
1. La presenza di una serie di “livelli di organizzazione” le cui proprietà
non possono essere ricondotte unicamente a quelle del livello precedente
2. Una serie di flussi di energia, di materia e di informazioni che
attraversano i viventi costituendoli come “sistemi aperti”;
3. Il carattere autoreferenziale della loro struttura interna che comporta la
presenza di una serie di meccanismi di regolazione e di controllo che è
possibile rinvenire a tutti i livelli della scala gerarchica dei viventi;
4. L’impossibilità di spiegare la storia dei viventi facendo ricorso unicamente
a spiegazioni di tipo deterministico: la loro evoluzione è stata, infatti,
fortemente condizionata da eventi aleatori ed ha pertanto una chiara
connotazione di tipo storico.
SSIS Campania – Vincenzo Boccardi, SVT A060 L’analisi disciplinare delle
scienze naturali: La Biologia 4
Tre caratteristiche fondamentali dei sistemi biologici
come “sistemi complessi”
3 M. Cini, “Il linguaggio delle Scienze della Natura e la visione del mondo”, relazione tenuta nell’ambito della videoconferenza su “Valorizzazione della divulgazione scientificonaturalistica con riferimento all’educazione ambientale”, Roma, 22 ottobre 1999, Ministero Pubblica Istruzione, Aula Centro Servizi Multimediali. Pubblicato su: “Memorie di
Scienze Fisiche e Naturali”, Rendiconti della Accademia delle Scienze detta dei XL, serie V, vol. XXIII, parte II, tomo I, pag. 271-277, 1999.
SSIS Campania – Vincenzo Boccardi, SVT A060 L’analisi disciplinare delle scienze naturali: La Biologia 5
(secondo M. Cini3)
Conseguenza
Caratteristica
Presenza di diversi livelli di
organizzazione
Impossibilità di una spiegazione
riduzionista del rapporto tra due
livelli.
Sistemi aperti
Flussi di materia, energia e di
informazione.
Carattere di autoreferenzialità degli
esseri viventi e di
autorganizzazione della loro
struttura interna
Generalizzazione del concetto di
feedback (retroazione) come
meccanismo che consente
l’autorganizzazione.
Irriducibilità della loro storia a
fattori strutturali
Intervento aleatorio di fattori
esterni nell’evoluzione dei processi
(ruolo del caso e dipendenza dal
contesto).
PROCESSO E FUNZIONE
I concetti strutturanti della biologia
Esempio
Concetto
Sistema
Tutti i livelli di organizzazione dei
viventi.
Interazione / Relazione
L’interazione tra biomolecole
(enzima – substrato; ormone –
recettore, …).
Le relazioni tra gli organuli di una
cellula.
Le interazioni tra cellule (linfociti e
macrofagi;
neuroni, …).
Le relazioni tra gli organi di un
apparato.
Le relazioni tra gli organismi di
una comunità (competizione,
predazione, parassitismo,
commensalismo, mutualismo) e
tra essi e l’ambiente.
Flussi di energia
La respirazione e la fotosintesi.
Il flusso di energia in un
ecosistema (piramidi).
Flussi di materia
Il metabolismo cellulare.
I processi digestivi.
I cicli biogeochimici.
Flussi di informazione
Il codice genetico e la sintesi delle proteine.
Lo sviluppo.
Il sistema nervoso e la risposta agli stimoli.
Varietà / Diversità
Il pensiero popolazionale: le popolazioni di
organismi viventi come costituite da individui
unici e variabili tra loro.
Processo / Trasformazione/ Evoluzione
Il metabolismo cellulare.
Lo sviluppo.
Le successioni ecologiche.
L’evoluzione dei viventi.
Contingenza
La storia evolutiva dei viventi come
narrazione storica non prevedibile..
Equilibro / Omeostasi
I meccanismi a feedback:
- La regolazione delle catene metaboliche,
- La regolazione genica,
- I feedback neuroendocrini,
- La regolazione degli ecosistemi.
Complessità
Le reti di interazioni e di meccanismi di
regolazione di ogni livello di organizzazione
dei viventi.
CONCETTI STRUTTURANTI PER UN PERCORSO
LEGATO ALL’ALIMENTAZIONE
COME MANGIO?
ORGANISMO
CELLULE
NUTRIZIONE : per crescita,svolgimento delle proprie attività e mantenimento.
NUTRIENTI(MACRONUTRIENTI : molecole organiche contenute negli
alimenti.
MICRONUTRIENTI (vitamine, Sali minerali) ACQUA
ALIMENTAZIONE : atto di ricerca di cibo(ALIMENTO).
Dev’essere equilibrata sia dal punto di vista qualitativo che quantitativo per
mantenere uno stato di buona salute.
ENERGIA : capacità di compiere un lavoro. L’organismo la ricava dal cibo.
IMPORTANZA DELL’ACQUA
TRASFORMAZIONE/REAZIONE CHIMICA
DIGESTIONE COME PROCESSO CONTINUO E SEQUENZIALE
AUTOPOIESI/AUTOCOSTRUZIONE
OMEOSTASI/MANTENIMENTO
DISPENDIO ENERGETICO
METABOLISMO BASALE
Una biologia o due biologie? Esistono punti in comune?
Biologia funzionale
Biologia evolutiva
Quantità
Qualità
Necessità
Contingenza
Prevedibilità
Imprevedibilità
Reversibilità
Irreversibilità
Ripetibilità
Irripetibilità
Riduzionismo
Olismo
Semplicità
Complessità
Metodo sperimentale
Metodo osservativo – comparativo
“Le due biologie sono caratterizzate da linguaggi, metodi e tipi di domande
differenti. La biologia funzionale studia i processi funzionali ai diversi livelli ed
ha mutuato il linguaggio e i concetti dalla fisica e dalla chimica. La biologia
evolutiva si è invece sviluppata intorno al pensiero darwiniano e si è definita
scienza storica; ogni cosa è vincolata al tempo e allo spazio, il metodo di
studio è quello osservativo – comparativo. Le due biologie sono autonome…
qualsiasi fenomeno biologico non può essere compreso appieno se non lo si
indaga da entrambe le prospettive”. C. Todaro, “La riflessione storico – epistemologica è strumento metodologico per la
ridefinizione del curricolo di scienze della natura?”, Le scienze naturali nella scuola, n.16, pag. 7 – 16, luglio 2000.
SSIS Campania – Vincenzo Boccardi, SVT A060 L’analisi disciplinare delle scienze naturali: La Biologia
La biologia del “come” e quella del perché”
la biologia funzionale affronta le questioni del come: • Come è
strutturato un certo organo? • Come funziona? mentre la biologia evolutiva
è inerente alle questioni del perché:
• Perché quell’organo è strutturato in un determinato modo? Nel primo caso
lo scopo è infatti quello di capire come è fatto e come funziona, nel secondo
quello di indagare sulle cause remote (evoluzionistiche) che spiegano
perché quell’organo è così come è. Volendo fare una distinzione nell’ambito
del programma di biologia afferiscono alla biologia funzionale contenuti
come:
• La Cellula • La Bioenergetica • La Genetica • Il Corpo Umano:
anatomia e fisiologia
afferiscono alla biologia evolutiva contenuti come
• Classificazione degli esseri viventi • L’evoluzione • L’ecologia • La
sistematica
. C.Todaro, “L’analisi epistemologica e disciplinare delle scienze Naturali nella ricerca didattica in biologia”, in CD rom “Le scienze naturali: spunti per una
riflessione storico – epistemologica”, Corso di aggiornamento per docenti di scienze naturali, Ministero Pubblica Istruzione – Associazione Nazionale Insegnanti
Scienze Naturali, Collana Classica Ipermedia 1
6 E. Mayr, “Biologia ed evoluzione”, Bollati Boringhieri, Torino, 1982
In realtà la distinzione non è sempre netta:
biologia “funzionale”può avvalersi di diversi
“punti di vista”
APPROCCIO TELEOLOGICO: risponde alla
domanda “perché il sistema esiste”? Ne descrive
la funzione
APPROCCIO MECCANICISTICO: risponde alla
domanda “come il sistema svolge un
determinato compito”? Ne descrive il processo
La fisiologia cerca di integrare questi due aspetti
in un quadro coerente
Prof. Paola Rossi (coordinatore SILSIS A060)
LA CHIMICA
Dal MACRO al MICRO e viceversa
Ogni cosa è formata da atomi e molecole (piccoli, in
movimento)
I composti chimici hanno una composizione definita e
costante
Sono formati da elementi
SOSTANZA PURA (elemento o composto) ha una
formula
TRASFORMAZINONI CHIMICHE (gli atomi si legano in
modo diverso e si formano “nuove” sostanze)
LEGAMI (formazione, rottura)
PROPRIETA’ delle sostanze dipendono da STRUTTURA
MOLECOLARE
La teoria atomico – molecolare: ricostruzione storica
La teoria atomico-molecolare rappresenta il modello di base della
chimica. Essa è andata costituendosi nel tempo sulla base delle
seguenti evidenze sperimentali:
• La legge della conservazione della massa (1789): è dovuta ad A. Lavoisier:
essa afferma che in una reazione chimica la massa delle sostanze rimane
invariata. La massa dei Reagenti è pertanto uguale a quella dei Prodotti.
• La legge delle proporzioni definite e costanti (1799): è dovuta a J. Proust e
afferma che nei composti chimici gli elementi si combinano sempre nello
stesso rapporto di massa.
• La legge delle proporzioni multiple: risale a Dalton: essa afferma che il
rapporto delle masse di un elemento che si combina con una massa costante di
un altro elemento si può esprimere mediante numeri interi e piccoli.
• La legge dei volumi di combinazione di Gay-Lussac (1804-1808): afferma
che quando due gas nelle stesse condizioni di temperatura e pressione si
combinano insieme dando luogo ad un prodotto gassoso, i volumi di
combinazione stanno tra loro secondo numeri interi e piccoli
• L’ipotesi di Avogadro (1811): afferma che volumi uguali di gas diversi, nelle
stesse condizioni di temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di
molecole.
1 Vincenzo
Boccardi
supervisore del tirocinio per la classe
A060 – scienze naturali, chimica e geografia, microbiologia
SSIS Campania – Vincenzo Boccardi, SVT A060
L’analisi disciplinare delle scienze naturali
Dalton, sulla base dei risultati ottenuti da Lavoisier e da
Proust, pose le basi dell’attuale teoria atomica. Essa può essere
così schematizzata:
•Tutta la materia è costituita da particelle indivisibili chiamate
•atomi
•Tutti gli atomi di un elemento sono uguali
•Gli atomi di elementi diversi sono diversi
•Gli atomi si possono unire tra loro secondo rapporti costanti
•per dare i composti
Il “modello” atomico
Che cos’è un atomo? Come è fatto?
A queste domande la chimica risponde mediante la
costruzione di un modello che consente di spiegare il maggior
numero di fenomeni osservati. L’avvicendarsi nel tempo dei
diversi modelli atomici costituisce un ottimo esempio del modo d
progredire della scienza.
• Il modello atomico di Thomson (1904)
• Il modello atomico di Rhutheford (1911)
• Il modello atomico di Bohr – Sommerfeld (1915)
SE E QUANDO INTRODURLO A LIVELLO DIDATTICO?
• L’atomo secondo la meccanica quantistica (1926)
La forma delle molecole
Formula bruta / Formula molecolare / Formula di struttura /
Geometria molecolare VSPR
costituiscono le tappe di un percorso durante il quale l’oggetto
“molecola” e via via meglio definito.
Sono necessari modelli più “sofisticati”?
Il rapporto macro – micro: il concetto di mole
Il concetto di mole costituisce un “ponte” tra il mondo
macroscopico e il mondo ultramicroscopico, una sorta di
“interprete” tra la bilancia (i grammi) e gli atomi e le molecole.
Il rapporto macro – micro: solidi, liquidi, gas e soluzioni
Gli stati fisici della materia possono essere ricondotti alla loro
struttura microscopica:
• solidi : particelle legate insieme disposte ordinatamente
• liquidi: particelle legate insieme disposte in modo disordinato
• gas: particelle non legate insieme
• soluzioni: particelle di soluto e solvente omogeneamente disperse
LA TAVOLA PERIODICA
Un po’ di ordine: La nomenclatura chimica
SSIS Campania – Vincenzo Boccardi, SVT A060
Le reazioni chimiche
Le reazioni chimiche comportano la rottura e le formazione di nuovi legami.
Esse possono essere schematizzate nella forma:
Reagenti
Prodotti
Perché avvengono le reazioni chimiche?
Il concetto di spontaneità
• Il fattore energetico (entalpia)
• Il fattore disordine (entropia)
• La loro sintesi: l’energia libera
Il fattore “tempo”: la cinetica
Il concetto di spontaneità non contempla il “fattore tempo”.
Il concetto di velocità di reazione e i fattori che la influenzano.
L’equilibrio
Processi reversibili e irreversibili.
L’equilibrio dinamico.
Il concetto di equilibrio chimico e i fattori che lo influenzano.
Reagenti . Prodotti
Alcuni esempi:
• Tensione di vapore
• Solubilità di un soluto
• Il principio dell’equilibrio mobile di Le Chatelier
Spesso le misconoscenze degli alunni o le loro difficoltà nello studio si
addensano proprio intorno a tali concetti strutturanti. E’ importante pertanto che
l’attività del docente non prescinda mai da essi; al contrario tali nuclei
concettuali vanno considerati come i capisaldi, le pietre angolari, che dirigono
la costruzione dell’intero edificio della conoscenza, senza una piena
consapevolezza dei quali la struttura si rivela precaria ed effimera, rischiando
di crollare miseramente. Ausubel
MAPPE CONCETTUALi
http://www.funzioniobiettivo.it/glossadid/Concetti%20e%20mappe%20concettuali.htm
http://www.erickson.it/images/upload/doc_conv_1.36.pdf
http://www.pavonerisorse.to.it/cacrt/mappe/bibliomap.htm
http://multifad.formazione.unipd.it/~alberto_battaggia/TP411 mappa.htm
http://www.pavonerisorse.to.it/cacrt/mappe/default.htm
http://www.hackerart.org/corsi/lezioniscenegmm/lezione4.htm
Didattica metacognitiva
http://www.pavonerisorse.to.it/meta/meta.htm
http://www.pavonerisorse.to.it/meta/bibli.htm
http://www.pavonerisorse.to.it/cacrt/mappe/mappewq.htm
http://www.dba.unito.it/ricerca/didscienze.html
TEORIE PEDAGGICHE DI RIFERIMENTO
-D. Novak, Learning, Creating, and Using Knowledge:Concept MapsTM as Facilitative Tools in Schools and
Corporations, Lawrence Erlbaum and Associates: Mawah, NJ, 1998. Traduzione Italiana di Edizioni Erickson:
Trento, 2001.
D. P. Ausubel, The Psychology of Menaingful Verbal Learning, Grune and Stratton: New York, 1963.
D. P. Ausubel, J. D. Novak, H. Hanesian, Educational Psychology: A Cognitive View (2nd ed.), Holt, Rinehart and
Winston: New York, 1978. Reprinted, Werbel & Peck: New York, 1986…