SEMINARIO DI RICERCA E PRODUZIONE NELL’AMBITO

DEL

PROTOCOLLO D’INTESA MPI-SIF-AIF-SAIt

PROPOSTA PER L’INSEGNAMENTO DELLA FISICA

“In un mondo in cui la scienza e la tecnologia hanno sempre maggiore importanza, la cultura scientifica e tecnologica è diventata un’esigenza universale se vogliamo che le persone:

- non vivano in qualche misura alienate dalla società,

- non siano sopraffatte e demoralizzate dai cambiamenti,

- posseggano le conoscenze e le comprensioni di base necessarie per le molteplici scelte politiche, etiche e ambientali imposte a tutti dalle conseguenze delle scoperte scientifiche”

            F. Mayor (Direttore Generale UNESCO, Parigi, 1993)

- Premessa

La fisica rappresenta certamente una delle più affascinanti conquiste dello spirito umano. Essa è parte integrante della nostra cultura e sta alla base delle profonde trasformazioni tecnologiche, economiche e sociali che caratterizzano il modo di vivere della nostra società. Prodotto culturale di grande bellezza e potere intellettuale, aggiunge alla sua eleganza formale la caratteristica di soddisfare domande e curiosità per la comprensione del mondo in cui viviamo e del suo divenire.

La conoscenza scientifica, e della fisica in particolare, è necessaria per affrontare in modo consapevole e informato sia le grandi scelte, sia molte questioni pratiche nella vita di tutti i giorni. Per chi vive in una società scientificamente e tecnologicamente avanzata, la comprensione della scienza e della tecnologia aiuta, infatti, a prendere decisioni (nutrizione, salute, sicurezza, ambiente, politiche energetiche, etc.), a valutare criticamente le informazioni ricevute, i rischi e i vantaggi delle scelte effettuate. E’ anche da tener presente che esiste una stretta correlazione fra il livello di consapevolezza scientifica di un Paese e la sua ricchezza, il cui mantenimento richiede personale preparato scientificamente e tecnicamente.

La fisica contribuisce alla formazione della persona attraverso la sua specifica rete metodologica e conoscitiva, fondata sulla descrizione della realtà con modelli posti dinamicamente in relazione sia con l’evidenza sperimentale, sia con i presupposti teorici, in un continuo confronto fra ipotesi e loro validazione. Le sue particolari strategie conoscitive (rigorosità, sistematicità, essenzialità dell’indagine) sono oggi estese a campi tradizionalmente legati a un diverso modo di trasmettere e organizzare le conoscenze. Le sue caratteristiche metodologiche (l’osservazione, la misura, la descrizione, la schematizzazione, la modellizzazione) e la condivisione delle idee e dei risultati la rendono supporto insostituibile per i giovani nel raggiungimento di una visione dinamica della realtà di cui loro stessi possono essere artefici e protagonisti.

La fisica ha un ruolo fondamentale nell’educazione scientifica, perché è alla base di molte discipline (chimica, geologia...neuroscienze) e della tecnologia. Permette di comprendere il significato di operazioni e concetti della matematica, con la quale si sviluppa in un processo di mutue influenze. La costruzione della teoria e dei metodi d’indagine della fisica è d’interesse per la filosofia (si pensi alle teorie sull’universo, ai paradossi, all’epistemologia...) e il legame tra conoscenza comune e conoscenza scientifica, tra linguaggio naturale e linguaggio scientifico, l’uso convenzionale e condiviso dei suoi termini favoriscono lo sviluppo della capacità di comunicare in modo articolato idee e progetti.

A tutti i livelli scolari, l’insegnamento della fisica rende consapevoli gli studenti dei modi di indagare, di ragionare, di apprendere strutture e concetti, costruendo conoscenze e abilità che sono ingredienti fondamentali per la cultura del cittadino.

- La fisica per la formazione del cittadino

Il modello cui si fa riferimento è basato sul presupposto che lo sviluppo di competenze e di capacità dell’allievo si fondi sulla percezione-azione nella vita quotidiana e sulle conoscenze ed abilità già in suo possesso. Una formalizzazione graduale (scritta, grafica, iconica, simbolica, ecc.), adeguata all’età, è poi indispensabile affinché le competenze e capacità acquisite diventino conquista stabile, con possibilità di crescita progressiva.

Gli obiettivi specifici d’apprendimento indicano le conoscenze, abilità ed atteggiamenti da acquisire per lo sviluppo di competenze e capacità. Essi devono essere raggiunti con riferimento a possibili nuclei di attrazione o di ordinamento quali ad esempio gli oggetti intorno a noi, come e perché gli oggetti si muovono, la comunicazione, l’ambiente, i prodotti tecnologici, il problema energetico, l’esplorazione spaziale, la salute.

Tali obiettivi sono ripartiti in una successione di bienni scolastici, a partire dai sei anni d’età.

Primo biennio (6-8 anni)

Attraverso il linguaggio verbale, iconico, o con azioni, gli allievi devono essere in grado di:

·         riconoscere e descrivere la posizione relativa degli oggetti nello spazio^[1] (vicino, lontano, destra,  sinistra);

·         osservare, confrontare e ordinare oggetti in base a dimensioni spaziali o ponderali;

·         operare confronti e ordinamenti riferendoli a unità di misura arbitrarie (possibilmente corporee);

·         sperimentare e scoprire intervalli di tempo e successioni temporali^[2] (es.: alternarsi del giorno e della notte);

·         esplorare, osservare e descrivere il proprio ambiente di vita^[3], riconoscendo gli elementi naturali e artificiali che lo caratterizzano;

·         cogliere semplici relazioni di causa ed effetto;

·         dimostrare sensibilità nel rapporto con la natura e verso la difesa dell’ambiente (es.: attraverso semplici esperienze con piante, animali e trasformazione di materiali);

·         operare con i compagni in modo rispettoso della salute e dell'incolumità propria e altrui.

Secondo biennio (8-10 anni)

Attraverso il linguaggio verbale, scritto, iconico, metaforico, simbolico, mediante semplici grafici, tabelle e prime modellizzazioni o con azioni, gli allievi devono essere in grado di:

·        individuare grandezze significative relative a singoli fenomeni o processi e identificare le unità di misura opportune usando i relativi strumenti di misura (lunghezza, superficie, volume, peso, tempo e temperatura);

·        osservare e descrivere i cambiamenti nello spazio e nel tempo;

·        descrivere i rapporti tra gli elementi dell’ambiente in cui si vive e le conseguenze dell’intervento dell’uomo (es. catene alimentari);

·        trovare segni, indizi, prove utili alla formulazione di ipotesi sullo svolgersi di un evento e sviluppare strategie per verificarle;

·        costruire semplici modelli interpretativi di fatti e fenomeni, anche provvisori e parziali (es. lunghezza delle ombre^[4], stagioni, esseri viventi);

·        collegare cause ed effetti relativi ad avvenimenti che presentano qualche carattere di complessità, ma localizzati;

·        riconoscere modi di operare corretti e scorretti, dal punto di vista della sicurezza, anche in azioni ed eventi della vita quotidiana.

Terzo biennio (10-12 anni)

Attraverso il linguaggio verbale, scritto, iconico, matematico, ricorrendo anche a strumenti informatici e a modellizzazioni, gli allievi devono essere in grado di:

·        ricavare informazioni da un testo scientifico di livello adeguato all’età;

·        misurare grandezze fisiche già note, avendo scelto strumenti e unità di misura adeguati e effettuando una prima valutazione qualitativa sull’incertezza della misura;

·        argomentare su fatti e fenomeni osservati, che non siano direttamente accessibili ma che ci condizionano (es. moto apparente del Sole);

·        collegare cause ed effetti di diverso tipo e livello, tenendo anche conto del rapporto tra locale e globale (es. le stagioni);

·        analizzare il sistema d’interazione degli esseri viventi nel loro ambiente;

·        costruire modelli per approfondire e migliorare la comprensione della realtà (es. modello del sistema solare).

Quarto biennio (12-14 anni)

Attraverso esposizioni orali e relazioni scritte, con appropriato linguaggio matematico e scientifico e ricorrendo anche a strumenti informatici, eventualmente in forma multimediale, e a modellizzazioni, gli allievi devono essere in grado di:

·        utilizzare metodi e tecniche di misura adeguati, riportando i dati nella scala più opportuna;

·        utilizzare le grandezze fisiche derivate più comuni (densità, velocità, ..), dopo averne compreso pienamente il significato;

·        individuare, descrivere e modellizzare le proprietà fondamentali di concetti complessi (es. relativi a forza ed energia), partendo dall’osservazione dei fenomeni e dal linguaggio della vita quotidiana;

·        individuare e collegare cause ed effetti di diverso tipo e livello (es. scoprire le cause che modificano la velocità di un corpo), partendo dall’osservazione di cambiamenti e trasformazioni nei fenomeni di vita quotidiana;

·        passare dall’analisi dell’esperienza all’esperimento controllabile nello studio di fenomeni semplici;

·        riconoscere eventuali incoerenze ed errori nella realizzazione di un procedimento scientifico;

·        individuare le variabili che caratterizzano un semplice fenomeno/problema (anche in ambito ambientale); formulare ipotesi e acquisire le conoscenze necessarie per realizzare un progetto di soluzione, prevedendo anche semplici considerazioni riguardanti la sicurezza;

·        spiegare che la scienza è frutto dell’evoluzione storica del pensiero, dopo averne acquisito piena consapevolezza.

Quinto biennio (14 –16 anni)

Attraverso la gestione di situazioni incerte e problematiche, utilizzando le conoscenze e le abilità acquisite nei bienni precedenti, gli allievi devono essere in grado di:

·        analizzare fenomeni complessi riconoscendo le variabili coinvolte e le leggi che le governano;

·        riconoscere nella vita di tutti i giorni i fenomeni fisici studiati;

·        modellizzare fenomeni con dati ed elementi provenienti da varie fonti;

·        correlare le informazioni, sia con le altre discipline scientifiche, sia con la storia, la letteratura, la filosofia;

·        spiegare che la scienza rappresenta un processo aperto, ancora in sviluppo, dopo averne acquisito piena consapevolezza.

Sesto biennio (16 –18 anni)

Attraverso la gestione di situazioni incerte e problematiche, gli allievi devono essere in grado di:

·        argomentare su questioni scientifiche e di altra natura, riconoscendone eventuali aspetti fisici;

·        utilizzare criteri scientifici per giudicare la plausibilità di affermazioni e/o conclusioni ascoltate o lette;

·        relazionare sullo sviluppo delle conoscenze scientifiche, avendo preso coscienza delle sue dinamiche nell’interazione tra teoria ed esperimento;

·        riconoscere i principi fisici alla base delle  principali applicazioni tecnologiche;

·        utilizzare l’elaboratore nelle sue diverse potenzialità di strumento di calcolo, nonché di acquisizione e analisi dei dati;

·        applicare le più importanti norme di sicurezza nell’uso delle attrezzature  e dei materiali.

Fermo restando che quanto detto sopra deve rappresentare il bagaglio culturale posseduto dal cittadino medio, si prevedono ulteriori obiettivi specifici d’apprendimento per coloro che:

a)      desiderano continuare gli studi in facoltà scientifiche,

b)      intendono inserirsi in ambienti di lavoro ad alto contenuto tecnologico.

Essi devono essere calibrati tenendo conto dei profili dei vari Licei e Istituti.

- Accesso alle facoltà scientifiche

Per continuare gli studi all’Università e poter accedere ad una facoltà scientifica, gli allievi devono aver raggiunto con padronanza sicura i seguenti obiettivi d’apprendimento. Essi devono essere in grado di:

·        osservare fenomeni in modo sistematico, identificando le grandezze fisiche che intervengono e stimandone gli ordini di grandezza;

·        pianificare un esperimento anche per quanto riguarda la scelta più opportuna degli strumenti di misura;

·        applicare le norme di sicurezza nell’uso delle attrezzature e dei materiali, in conformità alle direttive europee;

·        utilizzare il Sistema Internazionale (S.I.) di misura;

·        valutare le incertezze delle misure e la loro propagazione;

·        raccogliere, organizzare, rappresentare ed elaborare dati sperimentali (per esempio mediante il foglio elettronico), riconoscendone possibili andamenti analitici (proporzionalità diretta o inversa, lineare o quadratica, esponenziale, logaritmica, periodica di varia natura);

·        redigere relazioni scientifiche su esperienze condotte, utilizzando la terminologia appropriata;

·        effettuare ricerche o reperire dati, attingendo le informazioni da varie fonti: libri, riviste, Internet, ecc.;

·        rielaborare autonomamente testi a contenuto scientifico, non divulgativo;

·        risolvere problemi di natura teorica e sperimentale, esprimendo i risultati con il corretto numero di cifre significative;

·        utilizzare in modo coerente e corretto i concetti di spazio e tempo;

·        riconoscere la centralità dei principi di conservazione in fisica e saperli utilizzare in diversi contesti;

·        rappresentare i fenomeni d’interazione (gravitazionale ed elettromagnetica) tra corpi in termini di forze e campi;

·        riconoscere le principali proprietà macroscopiche e microscopiche dei diversi stati della materia;

·        descrivere il comportamento delle onde elastiche ed elettromagnetiche alle diverse lunghezze d’onda;

·        relazionare sui fenomeni di radioattività naturale e artificiale e sul loro utilizzo in campo diagnostico;

·        relazionare sui principali modelli cosmologici;

·        valutare il rendimento delle diverse risorse energetiche e l’impatto ambientale del loro sfruttamento;

·        riconoscere e descrivere i processi di trasformazione e gli stati di equilibrio (statico o dinamico) nei fenomeni naturali, ambientali, sociali;

·        relazionare sull’evoluzione storica delle idee scientifiche e riconoscere i limiti di validità dei modelli teorici.

- Obiettivi ulteriori finalizzati al lavoro

Nei corsi dell’istruzione tecnica e professionale, le discipline scientifiche devono avere come base di riferimento il profilo previsto dal contesto lavorativo.

Bisogna favorire al massimo l’interazione tra gli allievi e la loro partecipazione attiva nel rapporto d’apprendimento/insegnamento, non solo per la maggiore efficacia dell’attività didattica ma anche per sviluppare capacità essenziali nella vita lavorativa come:

·        essere in grado di procurarsi la necessaria documentazione da varie fonti,

·        saper progettare,

·        saper lavorare in équipe,

·        sapersi assumere responsabilità,

·        saper prendere decisioni in situazioni nuove o impreviste.

- Moduli d’orientamento e d’eccellenza

L'orientamento fornito dagli insegnamenti disciplinari deve interessare tutto l'arco della scuola per permettere agli allievi di formarsi gradualmente un quadro coerente riguardo alle aree di conoscenza e alle discipline che sottendono le materie scolastiche studiate: per esempio, nei primi anni di scuola, la scienza come attività d’esplorazione della natura nei suoi vari aspetti; successivamente la fisica in quanto scienza con la propria specificità.

Tuttavia, fermo restando il fatto che l'orientamento attraverso le materie scolastiche non può bastare, negli ultimi due anni della scuola media gli allievi dovranno essere aiutati a finalizzare le proprie inclinazioni personali e a scegliere tra gli indirizzi successivi con moduli d’orientamento facoltativi, disciplinari o interdisciplinari.

Alla fine della scuola secondaria superiore, è utile prevedere, oltre alle previste attività specifiche di preparazione per il superamento dei test d’ingresso alle diverse facoltà, anche percorsi d’approfondimento degli argomenti già trattati e, nei casi in cui se ne presenti l'opportunità, percorsi d’eccellenza su temi di particolare rilievo.

Tali percorsi, analogamente a quelli finalizzati al recupero, devono essere articolati in moduli di durata temporale contenuta. Questi devono evidenziare gli obiettivi che s’intendono perseguire, i contenuti, i prerequisiti, le attività e gli strumenti necessari, nonché le prove di verifica per la certificazione finale delle competenze acquisite. La progettazione dovrebbe risultare, nei limiti del possibile, da un lavoro di gruppo non limitato ai docenti di una sola disciplina.

Per realizzare i moduli, gli istituti dovranno utilizzare al massimo le competenze e gli interessi dei propri docenti, richiedendo anche, dove è opportuno, la collaborazione di altre scuole e dell’Università. Resta inteso che tale offerta formativa può essere estesa anche agli studenti di altri istituti.

- Indicazioni metodologiche

Per innescare un efficace processo d’apprendimento è fondamentale il costante raccordo con il vissuto dell’allievo e la realtà di tutti i giorni. In particolare, il linguaggio deve essere inizialmente quello quotidiano, perché facilmente comprensibile; esso sarà arricchito gradualmente di termini scientifici, che acquisteranno, anch’essi gradualmente, un significato più preciso.

Essenziale, nell’apprendimento e nell’insegnamento della fisica, è l’attività di modellizzazione che deve essere sviluppata con strumenti di rappresentazione adeguati all’argomento e al livello scolare. Un disegno, una parola, una mappa, una relazione matematica, ecc. sono esempi di modelli che non devono essere confusi con oggetti reali e fenomeni che s’incontrano nelle esperienze proposte. La modellizzazione è alla base della ricostruzione cognitiva di esperienze e di percorsi didattici: chi apprende deve essere coinvolto nel collocare i modelli all’interno della teoria fisica che deve essere costruita e condivisa. Nella scuola superiore la modellizzazione matematica dei fenomeni fisici va integrata nell’utilizzo di strumenti di calcolo e di tecnologie, costruendo capacità e competenze che sono indispensabili in diverse discipline scientifiche, in economia, ecc.

Le attività di laboratorio (laboratorio inteso in senso lato...) sono indispensabili nello studio della fisica, ma “il fare” da solo non basta.  A tutti i livelli scolari e per tutte le tipologie possibili di laboratorio, anche quando si riferiscono a situazioni familiari e ad esplorazioni qualitative della fenomenologia, queste attività non sono “naturali” e comuni. Seppure con accentuazioni diverse che dipendono dalla tipologia scelta, le attività di laboratorio sono attività di carattere intellettuale che hanno sullo sfondo la realtà naturale, ma si distinguono da essa per la finalizzazione tesa ad un risultato (non necessariamente quantitativo o numerico) e per l'idea di progetto (nella procedura e nella scelta di ciò che si vuole osservare) che le guida.

L’indagine in laboratorio si svolge con un gioco di domande e d’interpretazione delle risposte. Compito dell’insegnante è rendere esplicito il gioco della conoscenza in laboratorio. In indagini svolte in diversi paesi emerge che il laboratorio tradizionale (di addestramento e di misura) mostra limiti evidenti, mentre più efficaci risultano quelle attività che integrano più momenti: attività esplorative, formulazione di ipotesi, analisi qualitativa, misura, ricerca delle regole, ragionamento...

Gli insegnanti sono chiamati a svolgere un ruolo attivo nella progettazione di attività didattiche, nell’individuazione degli obiettivi formativi, delle capacità, delle competenze, nella valutazione formativa e sommativa riflettendo sulle strategie e sui modi per rendere efficace l'insegnamento.  La scuola, l’aula, il laboratorio possono essere per gli insegnanti un luogo di sperimentazione e di progetto, un luogo per lo scambio e la condivisione di esperienze e di idee, in attività di auto-formazione permanente all’interno della scuola e, territorialmente, a livello di rete di scuole (anche telematica).

La rete verticale di scuole, con la presenza di ricercatori e in un rapporto con università, enti di ricerca, musei scientifici, può aiutare gli insegnanti nello sviluppo di una ricerca-azione che mira a migliorare l’apprendimento/insegnamento della fisica aiutando, con la cooperazione, a conoscere sperimentazioni in corso, a riconoscere modelli d’insegnamento (per obiettivi, per processi, ecc.), a realizzare laboratori, a progettare e gestire materiale per la valutazione.

Il presidente del Comitato paritetico

MPI – SIF – AIF – SAIt