L’obiettivo principale della tesi è stato la ricostruzione didattica del tema di fisica denominato “caos deterministico”, ossia tutta quella classe di fenomeni fisici che mostrano una evoluzione temporale fortemente dipendente dalle condizioni iniziali.
L’approccio utilizzato nella ricostruzione didattica, come abbiamo più volte evidenziato, va inquadrato nell’ambito del modello denominato Educational
Reconstruction (Kattmann et al., 1995, 1997) che si fonda in gran parte
sull’analisi empirica delle concezioni e delle rappresentazioni mentali degli studenti. Proprio per questo motivo durante la sequenza sono state proposte molteplici situazioni-stimolo che potessero favorire l’emergere dei diversi modelli mentali. L’individuazione dei modelli mentali degli studenti coinvolti nella sperimentazione, inerenti l’interpretazione di semplici fenomeni caotici, è stata uno dei risultati della presente ricerca, vista la relativa carenza di lavori in letteratura sull’argomento.
Il percorso didattico è stato progettato tenendo conto della necessaria elementarizzazione della fisica in gioco, nel rispetto della correttezza scientifica.
La scelta delle strategie e degli strumenti didattici è stata contestualizzata entro il quadro epistemologico del costruttivismo. La principale linea che ha guidato lo sviluppo del percorso sia in fase progettuale che in fase di realizzazione è stata la predisposizione di situazioni nelle quali l’apprendimento del contenuto potesse avvenire sfruttando la Zona di Sviluppo Prossimale attraverso due tipi di interazione: con artefatti che diventano strumenti d’indagine scientifica e con il gruppo sociale di riferimento, formato dalla classe e dal docente.
Durante lo sviluppo del percorso didattico, si è tenuto conto dell’importanza del ruolo dell’analisi qualitativa nella comprensione e nella soluzione di un problema. Infatti per la costruzione di modelli funzionanti si è focalizzata l’attenzione degli studenti sull’analisi delle variabili e delle caratteristiche percepite come rilevanti. Nel nostro contesto, questa ricerca delle relazioni funzionali qualitative tra quantità fisiche ha costituito il primo livello della procedura di modelling, al fine di generare una o più rappresentazioni di quegli aspetti che sono stati selezionati come appartenenti ad un insieme di fatti osservabili. In ciascuno degli scenari prospettati nella nostra sequenza di apprendimento, l’analisi ha inizio ponendo l’accento sul ragionamento qualitativo finalizzato a stimolare nello studente un’idea di meccanismo legata alla comprensione qualitativa del “come le cose funzionano”. L’analisi quantitativa viene successivamente affrontata applicando i principi e le leggi della meccanica.
Gli strumenti didattici preparati per la sequenza sono stati fondamentali come elementi di scaffolding per la comprensione delle proprietà dei fenomeni caotici.
Le simulazioni e la visione di video, inserite nella sequenza, hanno consentito agli studenti di collegare i risultati sperimentali ai modelli esplicativi, rendendo così evidente come il fenomeno osservato emerga dalla estrema dipendenza di tali fenomeni dalle condizioni iniziali. Inoltre, questi strumenti hanno anche permesso, nella fase iniziale, una semplificazione del modello ed una focalizzazione su quelle caratteristiche fondamentali non percepibili con la semplice osservazione del fenomeno.
Al fine di stimolare negli studenti una modifica dei loro modelli spontanei nell’interpretazione dei fenomeni caotici, si è scelto di presentare, all’inizio di ogni attività della sequenza, fenomeni fisici deterministici i quali opportunamente modificati possono manifestare un comportamento caotico. Questo ha permesso di potere effettuare di volta in volta un parallelismo tra fenomeno non caotico e fenomeno caotico, effettuando confronti e ricavando analogie e differenze.
Durante lo svolgimento della sequenza, l’uso delle simulazioni ha permesso agli studenti di comprendere come la finalità della fisica sia quella di costruire
modelli che, pur distinti dalla realtà, hanno la funzione di rappresentarla e spiegarla e ciò ha permesso agli studenti di cogliere i limiti del campo di validità dei modelli utilizzati. Inoltre, l’uso delle simulazioni è stato determinante nel favorire una modifica dei modelli spontanei degli studenti. Essi, partendo dall’analisi di fenomeni deterministici e prevedibili, hanno potuto successivamente modificarne alcune proprietà e modellizzare i corrispettivi moti caotici.
La conclusione della sequenza didattica con l’uso della mappa logistica ha permesso agli studenti di sperimentare come un fenomeno, che mostra un comportamento complesso ed irregolare, possa essere descritto da una legge matematica quale una semplice equazione di secondo grado.
Uno dei nodi concettuali più difficili che gli studenti hanno dovuto superare per modificare i loro modelli spontanei interpretativi dei fenomeni caotici è stato l’applicazione indiscriminata del principio di causalità forte nell’interpretazione di tutti i fenomeni fisici. Infatti, fin dall’inizio del percorso didattico è apparso evidente come fosse inconciliabile con i loro schemi di ragionamento il fatto cause assai simili possano produrre esiti totalmente differenti.
Questo, a nostro avviso, è dovuto anche all’impostazione attuale della didattica della fisica che ha sposato in pieno il metodo riduzionista - deterministico proprio della fisica newtoniana, dove ogni variabile aleatoria, ogni elemento di casualità viene rigettato nell’ambito della fenomenologia e perciò considerato assolutamente trascurabile ed ininfluente.
L’insegnamento della fisica si basa su un difficile compromesso: il voler essere contemporaneamente realistico e semplice. Purtroppo spesso nella pratica didattica il secondo obiettivo prevale sul primo e ciò genera una visione distorta dei reali paradigmi della natura.
Il processo di modellizzazione può aiutare a realizzare entrambi gli obiettivi; infatti si può partire da modelli semplici focalizzanti su uno specifico aspetto del problema che successivamente vengono modificati per poter meglio aderire alla realtà che essi rappresentano. In questo compito un ruolo fondamentale è assunto dall’utilizzo delle simulazioni.
7.2 Risposta alle domande di ricerca
La prima domanda che ci siamo posti è la seguente:
Quali sono i modelli spontanei degli allievi inerenti l’interpretazione di semplici fenomeni fisici che mostrano un comportamento caotico?
La risposta a tale domanda può essere fornita sulla base degli esiti del test d’ingresso.
Nell’analisi di alcuni semplici fenomeni caotici la maggior parte degli studenti mostra di utilizzare i seguenti modelli spontanei:
la dipendenza di questi fenomeni da molte variabili, difficili da conoscere e quantificare;
l’ipotesi che si manifestino improvvisi ed inattesi fattori che influenzano il fenomeno stesso;
l’idea che si tratti di fenomeni non deterministici e pertanto impossibili da descrivere mediante una legge matematica.
Durante lo svolgimento delle attività, e in particolare durante la prima fase di ciascuna attività di esse, sono stati confermati questi modelli spontanei inerenti l’interpretazione di semplici fenomeni caotici.
Il modello spontaneo, che più frequentemente è emerso e che si è mostrato più resistente ad essere modificato, è quello che considera i fenomeni caotici come fenomeni imprevedibili perché influenzati da molti fattori, spesso sconosciuti, e che intervengono in maniera del tutto imprevedibile.
La seconda domanda che ci siamo posti è la seguente:
Può l’ambiente didattico predisposto favorire negli allievi la comprensione delle relazioni tra determinismo, caso e caos in fisica?
Dall’analisi delle registrazioni audio e delle schede di lavoro prodotte dagli studenti durante lo svolgimento delle attività della sequenza emerge che l’ambiente didattico predisposto ha favorito la comprensione delle relazioni tra determinismo caso e caos in fisica in un numero rilevante di studenti coinvolti