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Le proposte di intervento nei piani didattici delle superiori

In questo paragrafo verranno presentati vari lavori sull’inserimento del riscaldamento glo- bale nei programmi didattici. Alla luce della diffusione dei misconcetti discussi in pre- cedenza, occorre innanzitutto analizzare alcuni studi sull’insegnamento del concetto di energia. Lo studio dei cambiamenti climatici pu`o essere usato per superare le difficolt`a dell’insegnamento di tale concetto, proponendo aspetti cruciali come l’equilibrio termico, le fasi stazionarie, l’assorbimento dell’energia e l’irraggiamento in un contesto che risulta pratico e familiare agli studenti, a differenza dell’uso di strumenti non di uso comune e lontani dalla loro esperienza quotidiana.

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Uno studio sulla didattica del concetto d’energia [120] ritiene che esso sia rilevante non solo in fisica, ma anche per creare collegamenti con altri concetti e per un coordina- mento tra diverse discipline. Gli autori suggeriscono di sottolineare [120] che l’energia: pu`o essere immagazzinata, trasferita da un sistema all’altro, pu`o manifestarsi in diverse forme; pu`o essere trasformata da una forma all’altra; `e una grandezza che si conserva ed `e soggetta a dissipazione nei processi irreversibili. L’approccio didattico proposto `e basato su una programmazione congiunta tra insegnanti di fisica, chimica e biologia per mostrare agli studenti che le varie definizioni di energia che si trovano in queste materie sono solo diversi aspetti di una stessa grandezza fisica. Gli autori prestano particolare attenzione ai termini utilizzati poich´e questi possono portare a diversi misconcetti: calore come forma d’energia, calore come energia immagazzinata, calore come temperatura e calore come prodotto dei fenomeni dissipativi.

Nei contributi al convegno “Teaching about energy. Which concepts should be taught at which educational level?” [118], si parla diffusamente di strategie nell’insegnamento del concetto di energia e di indagini dei misconcetti per diverse et`a e in diverse nazioni (Italia, Israele, Grecia, USA). I lavori sulle scuole italiane sono del gruppo di ricerca del- l’Universit`a di Udine e riguardano la scuola primaria e la scuola secondaria superiore. In questi lavori emerge la difficolt`a di presentare il concetto di energia soprattutto ai bambi- ni, per i quali l’approccio pi`u efficace sembra l’uso di esperimenti e la dimostrazione di come l’energia interessi variazioni nelle propriet`a dei costituenti microscopici dei siste- mi, evitando quindi di discutere solo gli effetti macroscopici dei cambiamenti energetici come variazioni di temperatura, volume, pressione e stati della materia. Una possibile spiegazione di questa difficolt`a risiede nel fatto che, come scrive Feynman [32]:

“It is important to realize that in physics today, we have no knowledge of what energy is.”

anche se si possono dare diverse definizioni a seconda dell’ambito in cui viene usata l’energia, ad esempio una definizione nell’ambito dello studio della meccanica a livello

universitario [179]:

“L’energia di un corpo `e la misura del lavoro che il corpo pu`o compiere in virt`u del particolare stato in cui si trova.”

Una possibile strategia per le scuole superiori suggerisce di sottolineare che si possono misurare solo le variazioni di energia, che per la comprensione dei fenomeni `e cruciale identificare chiaramente il sistema coinvolto e che l’energia `e una grandezza estensiva. A livello di scuole superiori le grandezze estensive e intensive vengono presentate come grandezze che dipendono o meno dalla dimensione del campione.

Nei lavori [190], [27] `e stata elaborata una possibile strategia di lavoro in una classe di prima superiore. L’approccio usa dei test con domande sull’energia e sulla spiegazione di alcuni fenomeni riguardanti la conservazione dell’energia. I test sono proposti prima e dopo le lezioni specifiche, per investigare quali sono i misconcetti pre-esistenti e verificare se il tipo di intervento utilizzato li ha rimossi. Gli autori non propongono una lista di possibili esperimenti, ma raccomandano che siano molti, di varia natura e che spieghino la differenza tra i concetti di forza, di energia, di calore e di lavoro.

Nel lavoro [30] viene illustrata una serie di argomenti descrittivi dell’insegnamento della termodinamica, un piano di lavoro per gli insegnanti delle scuole superiori, per favo- rire un’adeguata comprensione del concetto di energia, essenziale per il carattere multidi- sciplinare e per le implicazioni scientifiche, tecnologiche, sociali e ambientali (Scientific- Technological-Social-Environmental, STSE). La lista di argomenti sottolinea come sia importante che gli insegnanti conoscano in partenza gli eventuali problemi che gli stu- denti possono incontrare nell’affrontare il concetto di energia, l’utilit`a dell’introduzio- ne dell’argomento come legato a problemi quotidiani, soprattutto quelli delle categorie STSE. Viene anche enfatizzata l’importanza di non presentare la conoscenza “finale” sul- l’argomento, ma di fornire agli studenti gli strumenti per elaborare un proprio modello da confrontare con quello accettato dalla comunit`a scientifica. Gli autori ritengono che concentrarsi quasi esclusivamente sugli aspetti concettuali, trasmetta una visione limi-

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tata della scienza, che paradossalmente, nuoce all’apprendimento concettuale [30]. `E importante che gli studenti comprendano come l’energia sia una grandezza che indica la capacit`a di un sistema di produrre trasformazioni nel sistema stesso o in sistemi ad esso collegati. Occorre inoltre spiegare che le varie forme di energia non sono diverse gran- dezze fisiche, ma l’energia per convenzione assume diversi nomi a seconda della forma d’interazione a cui `e associata. Si suggerisce anche di introdurre il lavoro come “...the act of transforming matter by applying forces” [30] e di chiarire che il calore “is not a form of energy but rather a mechanism of exchange of energy between the particles of the system and the surroundings” [30]. Per gli autori a questo punto `e possibile introdurre la legge che lega lavoro, calore e variazione di energia, definire le trasformazioni reversibili e irreversibili e i sistemi isolati, ossia i sistemi che non scambiano con l’ambiente esterno n´e materia, n´e energia, per introdurre il primo principio della termodinamica. Dopo questi concetti si pu`o infine introdurre l’entropia e il secondo principio della termodinamica.

Gli autori del lavoro [176] sottolineano che l’insegnamento della fisica deve avvenire attraverso esperimenti eseguiti dagli studenti e attraverso discussioni tra di essi riguardo all’interpretazione dei fenomeni osservati e delle misurazioni effettuate [176]:

“I metodi tradizionali di insegnamento della fisica, basati soprattutto sulla tra- smissione di informazioni e leggi, determinano un insegnamento n´e duraturo, n´e efficace. [...] L’obiettivo principale di un percorso d’insegnamento effica- ce della fisica dovrebbe essere il miglioramento delle abilit`a di ragionamento degli studenti, [...] .”

Gli autori prendono in esame lo studio dello scambio d’energia attraverso la radiazione termica, suggerendo un approccio basato sulla discussione dei problemi della vita di tutti giorni, ad esempio assegnando come compito l’analisi dell’isolamento termico delle pro- prie case. Una volta discussi i risultati ottenuti da ogni studente, gli autori propongono di misurare in classe la temperatura di un oggetto che si sta raffreddando.

Oltre a discutere di misconcetti, gli autori di [149] presentano anche un programma da sviluppare in alcune ore di lezione: introduzione sull’argomento cambiamenti climatici svolta dall’insegnante; divisione degli studenti in gruppi di lavoro su effetto serra, ozono e piogge acide; presentazione di ogni lavoro in classe e uso di una mappa concettuale per ricapitolare le conoscenze di base e sottolineare le connessioni tra i tre temi. Gli autori hanno anche sperimentato il programma proposto in diverse classi di studenti di 15-16 anni e di 17-18 anni in Germania, Spagna, Taiwan e Russia, riscontrando un miglio- ramento nelle conoscenze e nell’apprendimento degli studenti rispetto all’insegnamento tradizionale.

In Italia il lavoro pi`u esaustivo sull’insegnamento dell’energia e su quello del riscalda- mento globale e dell’effetto serra `e stato eseguito dal gruppo di ricerca in didattica della fisica dell’Universit`a di Pavia [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [64], [65], [115]. Il gruppo ha affrontato sia l’insegnamento del metodo scientifico e del concetto d’ener- gia, sia l’insegnamento del riscaldamento globale e dell’effetto serra. Il progetto didattico proposto sul riscaldamento globale, il Laboratorio PLS “L’energia e la sua conservazio- ne” [64], ha coinvolto 117 studenti del triennio delle superiori, da 16 a 19 anni. Gli autori sottolineano la difficolt`a di presentare il progetto nelle classi italiane degli istituti superiori a causa della divisione nei programmi su pi`u anni degli argomenti trattati [67]. Di conseguenza, gli autori propongono un percorso diviso in quattro argomenti: ottica, termodinamica, radiazione elettromagnetica e effetto serra. Per ogni fase del progetto `e proposta un’introduzione teorica agli argomenti da affrontare e una parte dedicata agli esperimenti da svolgere in classe. La fase relativa all’ottica si divide in una prima parte riguardante le onde in generale e le vibrazioni meccaniche e in una seconda parte dedicata ai fenomeni ondulatori riguardanti la luce. Gli autori presentano esperimenti sulla pro- pagazione delle onde, la misurazione della lunghezza d’onda, la riflessione, la rifrazione, l’interferenza e la diffrazione. Nella fase relativa alla termodinamica sono studiati diversi modi per aumentare la temperatura di un corpo: lavoro meccanico, attraverso una corren-

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te elettrica, per conduzione termica, attraverso reazioni chimiche, usando la radiazione elettromagnetica. Per la fase sulla radiazione elettromagnetica viene proposta l’osserva- zione degli spettri con un prisma di Newton e un reticolo di diffrazione, la misura della temperatura di vari oggetti utilizzando un radiometro, la rivelazione dei raggi infrarossi di un telecomando per la televisione, la misurazione del riscaldamento di oggetti di albedo diversi. Nella fase sull’effetto serra `e presente un unico esperimento che richiede l’elabo- razione di tutti i concetti visti in precedenza: si sottopone alla luce solare diretta o alla luce di una lampada una piastra in una scatola che pu`o essere chiusa con coperchio in vetro o in plastica trasparente. Tutti gli esperimenti sono presentati agli studenti con una serie di domande preliminari e un gruppo di domande finali che coinvolgono anche l’elaborazione delle misure eseguite. Gli esperimenti proposti dagli autori sono stati eseguiti usando un “data logger”, che visualizza i dati e li salva in forma digitale. Questi strumenti hanno un costo medio elevato, dell’ordine di centinaia di euro [132]. Nel seguito (capitoli 3 e 4) verranno proposti esperimenti sugli stessi argomenti con materiali di facile reperibilit`a e a basso costo.

Un altro esempio di studio italiano riguardante questi argomenti `e descritto in [128]. Questo studio descrive un progetto di sensibilizzazione ambientale sul riciclo dei materia- li e sulle fonti energetiche rinnovabili, per gli studenti delle quarte di un liceo scientifico del Trentino - Alto Adige. In questo lavoro, condotto su alcuni studenti dell’istituto, si riscontra un’alta percentuale di studenti che conoscono le fonti energetiche rinnovabili e l’importanza del riciclo: il 60% abita in case con pannelli solari, il 25% usa celle foto- voltaiche, il 90% beve acqua del rubinetto e non minerale, il 78% privilegia la doccia al bagno per evitare sprechi di acqua, l’83% pratica la raccolta differenziata. La possibile spiegazione per percentuali cos`ı alte risiede nelle politiche regionali di sensibilizzazione sull’argomento [138], [137], [100].

“Lab4energy” [111] `e un progetto ideato da Eniscuola (iniziativa di Eni che presenta i temi dell’energia e dell’ambiente a livello didattico) e realizzato in collaborazione con

la Fondazione Eni Enrico Mattei (istituzione no profit che svolge ricerca su temi legati allo sviluppo sostenibile) su un campione di 24 studenti del quarto anno (17-18 anni) di licei scientifici e istituti superiori, provenienti da varie scuole italiane e selezionati sulla base di una media superiore all’otto in tutte le materie e di una buona conoscenza del- l’inglese. Il corso era organizzato in circa 50 ore complessive dedicate a temi attuali legati all’energia: fonti rinnovabili, da chi viene utilizzata l’energia, come si pu`o sfruttare l’energia, cambiamenti climatici, esaurimento dei combustibili fossili. Gli studenti segui- vano il corso usando una piattaforma on line. Il corso ha previsto 37 incontri coi docenti, esperti nelle varie discipline: Reyer Gerlagh (Tilburg University), Harold W. Kroto (Pre- mio Nobel per la chimica nel 1996), Nora Selmet (International Energy Agency), Sergio Carr`a (Accademico dei Lincei), Alberto Cl`o (Professore di Economia Applicata all’Uni- versit`a di Bologna). Alla fine del corso era previsto un concorso per i gruppi di studenti, che presentano una relazione su un tema scelto tra quelli trattati, valutata da un comitato scientifico e da un gruppo di 100 studenti di scuole superiori milanesi. Il gruppo vinci- tore ha vinto un viaggio al MIT di Boston. L’iniziativa `e interessante, ma purtroppo `e stata rivolta solo ad un ristretto gruppo di studenti. Inoltre il progetto non propone alcun esperimento, n´e mostrato agli studenti, n´e eseguito da loro.

Il progetto della Comunit`a Europea “YEP!” (Young Energy People), a cui in Italia hanno aderito scuole della provincia di Livorno e di quella di Perugia [108], [95], [99] prevede l’inserimento di tematiche riguardanti le fonti energetiche nei programmi del- le scuole superiori attraverso un’analisi energetica degli istituti e di alcune aziende nel territorio e le proposte di piani di intervento per diminuire i consumi e gli sprechi. Nel progetto sono proposti vari approcci didattici scelti liberamente dagli istituti partecipanti. Ad esempio, viene proposto un concorso per stabilire quale studente, modificando le pro- prie abitudini, in un mese diminuisce maggiormente le emissioni di anidride carbonica legate alle proprie attivit`a. In varie lezioni gli studenti imparano ad analizzare il sistema di riscaldamento e l’impianto elettrico del loro istituto scolastico, usando lo strumento

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“Cost Control”, che misura la potenza, i consumi e i costi energetici degli elettrodome- stici. L’accento `e posto sulla sensibilizzazione degli studenti, delle loro famiglie e della popolazione in generale sui temi ambientali. Come in [162] `e proposta la visione del film “Una scomoda verit`a” (vedi paragrafo7.3nel capitolo7). Gli strumenti didattici proposti in questo progetto prevedono esperienze pratiche, ma non sono previste ore in classe per discutere i fenomeni osservati e le misure eseguite. Quindi `e possibile che i misconcetti degli studenti non vengano intaccati e che permanga la loro concezione di scienza e realt`a come due entit`a completamente separate.

Nel lavoro [24] l’autore esamina criticamente i tre progetti discussi in precedenza: “Lab4energy” [111], il “Laboratorio PLS: L’energia e la sua conservazione” [64], [65] e il progetto “YEP!” [108], [95], [99]. L’autore sottolinea come nel progetto “Lab4energy” l’assenza di esperimenti non permetta agli studenti la comprensione degli argomenti. Quindi, anche se tale progetto ispira negli studenti una maggiore consapevolezza sulle proprie capacit`a, non trasmette un concetto di scienza che studia la realt`a anche per ri- solvere i problemi della vita di tutti i giorni. Per quanto riguarda il “Laboratorio PLS”, l’autore sottolinea come pregio l’uso efficace degli esperimenti come integrazione alla teoria, anche per come viene presentato ogni esperimento attraverso le domande iniziali e finali, mentre segnala come limite il fatto che gli “esperimenti rimangano fini all’ap- prendimento concettuale, senza sviluppare un possibile piano di sostenibilit`a ambientale” [24]. Del progetto “YEP!” `e sottolineata l’importanza del lavoro sul campo all’interno di scuole, case e aziende, ma critica il moderato uso della teoria che pu`o portare a saper affrontare in modo empirico solo fenomeni gi`a visti, ma non eventuali nuovi problemi. A proposito del progetto “YEP!”, l’autore di [24] sottolinea il fatto che le misure nelle aziende potrebbero rappresentare il preludio per un faturo lavoro. A conclusione del la- voro [24] l’autore propone la combinazione dei tre progetti: l’utilizzo di vari esperimenti come nel progetto “Laboratorio PLS”, la sensibilizzazione al tema “Scienza e Societ`a” come in “Lab4energy” e la presentazione della “scienza come una materia capace di mo-

tivare e inquadrare la natura di problemi anche sociali, e al contempo di promuovere una linea d’azione mirata alla loro risoluzione.” [24] come nel progetto “YEP!”.

L’analisi dei lavori presentati mostra come sia essenziale combinare teoria e esperi- menti. Inoltre occorre presentare una vasta casistica di applicazioni per non creare negli studenti misconcetti legati alla presenza di alcuni fenomeni solo in casi particolari. Infine, l’esposizione di ogni argomento dovrebbe prevedere anche una rielaborazione finale dove siano richiamati i concetti di base e dove si sottolinei come gli argomenti trattati siano applicabili nella risoluzione di problemi quotidiani. Queste considerazioni hanno portato all’elaborazione degli esperimenti proposti nel capitolo3e nel capitolo4e ai questionari che li accompagnano (capitolo5).

Capitolo 3

Proposte didattiche: gli esperimenti

In questo capitolo verranno proposti il piano didattico pensato per affrontare il riscalda- mento globale in un liceo scientifico ed alcuni esperimenti da realizzare in classe nell’am- bito della termodinamica e dell’ottica, descrivendo per ognuno i misconcetti affrontati.

Nel capitolo2abbiamo mostrato che gli studenti liceali non conoscono la natura dello spettro elettromagnetico, in particolar modo non identificano correttamente la radiazione infrarossa; inoltre non comprendono come sia possibile riscaldare un oggetto senza alcu- na fonte di calore a contatto con esso, come sia possibile misurare la temperatura di un oggetto a distanza, come il colore, o meglio l’albedo, possa influenzare il riscaldamento di un oggetto. Infine gli studenti confondono assorbimento e riflessione della radiazione elettromagnetica, e quindi hanno dei problemi sui meccanismi dell’effetto serra. A causa di quanto sottolineato, il nostro lavoro `e stato dedicato ad una scelta di esperimenti mirati su questi argomenti. In questo approccio i vari concetti di riferimento sono investigati sotto pi`u aspetti, in modo da non far legare un concetto ad un particolare fenomeno os- servato e in modo da sottolineare come gli argomenti siano interconnessi e non si possa spiegare un fenomeno correttamente ricorrendo ad un solo argomento.

Uno degli aspetti cruciali che ricorre in molte esperienze `e il concetto di temperatura stazionaria, ossia il raggiungimento di una fase stazionaria alla fine di una fase di riscal-

damento e alla fine di una fase di raffreddamento. Questo concetto lascia sempre molto perplessi gli studenti soprattutto nella fase di riscaldamento, dato che per la maggior parte di loro un oggetto dovrebbe riscaldarsi fino a quando non si interrompe il trasferimento d’energia. Alcuni studenti ritengono che solo i solidi o certi materiali possano raggiun- gere una fase stazionaria, come se questa fosse una propriet`a specifica di un dato oggetto [6]. Per le esperienze in cui `e coinvolto il raggiungimento di una temperatura stazionaria si consiglia di eseguire diversi test con il materiale a disposizione per montare l’apparato (o farlo montare agli studenti fornendo indicazioni precise) per garantire l’osservazione degli effetti entro la durata della lezione e di mostrare questo concetto in pi`u situazioni e con pi`u materiali.

3.1

Il piano didattico

Gli obbiettivi di questa sequenza didattica sono:

• sviluppare e perfezionare la comprensione di concetti quali ‘metodo sperimentale’, ‘metodo scientifico’, ‘modello scientifico’,

• essere in grado di interpretare alcuni fenomeni della vita di tutti i giorni in termini di grandezze o leggi fisiche,

• saper utilizzare alcuni strumenti di misura per raccogliere dati,

• saper svolgere e analizzare le esperienze proposte proponendo anche una relazione in cui sia chiaro cosa hanno fatto, con quali scopi e a quali conclusioni sono giunti,

• conoscere il concetto di spettro elettromagnetico, radiazione termica, fase staziona- ria, albedo e effetto serra

Capitolo 3. Proposte didattiche: gli esperimenti 67

Per fare un piano didattico sul riscaldamento globale bisogna tenere conto di vari fattori: gli argomenti, i concetti e le propriet`a che sono essenziali per capire l’effetto serra, i programmi ministeriali e la disponibilit`a effettiva di materiale di laboratorio della scuola considerata.

Questo piano didattico include parti teoriche ed esperimenti di facile realizzazione che utilizzano materiali semplici. Si possono utilizzare tutte le esperienze presentate oppure solo alcune di esse.

Inizialmente si presentano le onde elettromagnetiche, lo spettro solare e i raggi in- frarossi. Gli esperimenti proposti in questa prima parte sono l’osservazione del fun- zionamento di una lampada da giardino a cella fotovoltaica, l’osservazione di spettri attraverso spettroscopi costruiti con materiale di facile reperibilit`a, l’esperienza di Her- schel e l’osservazione dei raggi infrarossi con macchine fotografiche digitali o telefonini. Questi vari esperimenti sulla radiazione solare e lo spettro elettromagnetico permettono di comprendere la radiazione infrarossa (essenziale per il suo ruolo nell’assorbimento e nell’emissione di radiazione nell’effetto serra).

Si procede quindi richiamando alcuni concetti base di termodinamica soffermandosi