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

CONTINUITA’/INNOVAZIONE 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 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

CONCETTI STRUTTURANTI 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   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 VISIONE MECCANICISTICA E VISIONE TELEOLOGICA LIVELLI DI ORGANIZZAZIONE: DAL MACRO AL MICRO O DAL MICRO AL MACRO? DINAMICITA’ E PLASTICITA’ 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 scientifico-naturalistica 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) Caratteristica Conseguenza 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 Concetto Esempio 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).

Il metabolismo cellulare. I processi digestivi. I cicli biogeochimici. 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 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. SSIS Campania – Vincenzo Boccardi, SVT A060 L’analisi disciplinare delle scienze naturali: 6

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

Biologia funzionale Biologia evolutiva 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

6 E. Mayr, “Biologia ed evoluzione”, Bollati Boringhieri, Torino, 1982 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

Dalton, sulla base dei risultati ottenuti da Lavoisier e da 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

Didattica metacognitiva http://www.pavonerisorse.to.it/meta/meta.htm 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…