LA CHIMICA PER LA SCUOLA SECONDARIA DI PRIMO GRADO

 

Giuseppe Valitutti1, Gabriella Guaglione2, Liviana Lucesole3

1Università di Urbino “Carlo Bo”, gvalitutti@virgilio.it ; 2 Scuola Media  Falconara (AN); 3Scuola Media Castelfidardo (AN)

 

Il dato è preoccupante: nel 2006 i quindicenni che non sapevano leggere sono saliti al 26,4%.  Più di un quarto degli allievi, che lasciano la Scuola Secondaria di primo grado, non sa leggere.  Tali studenti, purtroppo, hanno anche scarsa familiarità con la scrittura e le competenze matematiche di base (nel calcolo mentale rapido, nell’esecuzione di moltiplicazioni e divisioni).  Se mancano tali abilità, evidentemente, l’apprendimento delle materie scientifiche è davvero insignificante.  Coloro che leggono con difficoltà, hanno la memoria di lavoro impegnata nella tecnica della lettura e non sono in grado di riflettere sulle idee e sui concetti scientifici, ‘’nascosti’’ nel brano.  Cosa si può fare?  Gli educatori responsabili suggeriscono di lavorare per ricostruire, in classe e a casa, le competenze linguistiche e matematiche di base.  L’impegno deve essere quotidiano e deve coinvolgere tutti gli insegnanti della classe.  Anche l’insegnante di scienze può e deve impegnarsi in questo compito, se si vuole avere qualche speranza di successo.  La seguente proposta didattica non entra nei dettagli su particolari strategie di istruzione (lavoro cooperativo, attività al computer, attività in laboratorio, istruzione esplicita), ma ne consiglia l’uso, per migliorare la qualità del lavoro in classe.  Bisogna pure tenere a mente che la qualità professionale dell’insegnante è il più importante e principale fattore per il successo scolastico dei ragazzi.  La professionalità dell’insegnante ha un peso straordinario e può potenziare l’efficacia del curricolo e dei criteri di valutazione.

 

Come si lavora con gli allievi

L’istruzione scientifica, progettata dalle varie riforme in quest’ultimo ventennio, si basa su programmi sproporzionati ‘’larghi un chilometro e sottili un millimetro ’’ (TIMSS).  Qual è la situazione attuale dell’insegnamento scientifico nel nostro paese?  Molti insegnanti si danno da fare per coprire il maggior numero possibile di concetti, senza preoccuparsi di approfondire gli argomenti.  Essi riservano poca attenzione alla comprensione significativa e si concentrano, fatte salve le lodevoli eccezioni, sulla superficiale memorizzazione dei concetti scientifici.  Le attività prevalenti in classe offrono uno spazio molto limitato alle investigazioni, alla lettura di buoni libri a contenuto scientifico, alla scrittura, alle domande degli allievi.  In una lezione tradizionale il docente ‘’motiva’’ un concetto scientifico (magari con una sorprendente dimostrazione), ‘’informa’’ (dettando la definizione del concetto), ‘’valuta’’ la comprensione dello studente.  In diversi paesi asiatici, per esempio in Giappone, gli studenti costruiscono le loro idee risolvendo problemi in cooperazione e discutendo criticamente pure le soluzioni alternative dei problemi.

 

Quali sono i suggerimenti della ricerca educativa

Il modello di scienza che presentiamo prevede che lo studente sia autonomo e protagonista della costruzione della sua competenza disciplinare.  L’allievo costruisce la sua competenza, anche nella lettura, nella scrittura e nel calcolo, attraverso la risoluzione di problemi reali oppure all’interno di domande investigative.  Per completare una seria investigazione ci vuole tempo, perché devono essere coinvolti tutti gli allievi (2, 3 o 4) del gruppo, sotto la competente regia del docente.  Ma il valore della investigazione risiede pure nelle ripetute riflessioni critiche e metacognitive, da parte di ciascun studente del gruppo cooperativo, in tutte le fasi dell’investigazione e nella finale documentazione scritta.  L’allievo riflette sulle modalità di esecuzione del progetto investigativo, sull’uso degli strumenti e negozia coi colleghi la costruzione finale del significato del fenomeno e <racconta sul suo quaderno> i dettagli della vicenda investigativa.

 

Le idee centrali e la metodologia di insegnamento

Che ogni disciplina abbia una sua “struttura” con poche idee centrali, fra loro saldamente interconnesse, l’aveva spiegato, nel 1978, il filosofo della scienza Joseph Schwab.  Il filosofo scriveva allora che i docenti devono comprendere a fondo la struttura della propria disciplina, se vogliono realmente aiutare gli studenti a conquistare le nuove conoscenze ed abilità.  Quali sono i concetti centrali che sorreggono l’impalcatura di una disciplina e come si connettono l’uno all’altro ?  In particolare, quali sono le idee centrali della Chimica da proporre agli allievi della Scuola Secondaria di Primo grado?  “Se il nostro mondo dovesse improvvisamente sparire, perché distrutto da un cataclisma, l’unico concetto col maggior numero di informazioni, da tramandare ai posteri, sosteneva Richard Feynman, è questo: tutti gli oggetti sono formati da atomi [o da molecole], particelle piccolissime che si muovono in ogni direzione, senza mai fermarsi’’.  Nella proposta didattica seguente c’è un unico filo conduttore: la teoria atomica – molecolare della materia.  Gli allievi, dopo aver investigato in gruppo, costruiscono, sotto la guida del docente, il seguente modello particellare:

 

·   La maggioranza dei 15 milioni di materiali oggi conosciuti, è formata da molecole ossia da due o più atomi legati fra loro (sono pochi i materiali formati da atomi singoli, per esempio i metalli e le leghe, come l’acciaio e il bronzo).

·   Le molecole, separate da spazi vuoti, sono più o meno vicine e vengono a contatto negli urti reciproci.

·   Gli atomi e le molecole occupano uno spazio, hanno una massa e sono in perenne agitazione.

·   Esistono più di 100 atomi diversi, descritti dalla tavola periodica.

·   I singoli atomi e le singole molecole hanno massa e capacità di combinazione ossia hanno proprietà chimiche ma non posseggono le proprietà fisiche come temperatura, colore, punto di fusione, stato fisico, conducibilità e così via, tipiche degli oggetti macroscopici.  Non ha alcun senso chiedere a un ragazzo: qual è il colore dell’atomo d’oro?  L’atomo di un metallo conduce la corrente elettrica?  La molecola d’acqua è liquida, solida o gassosa?

 

Quale metodologia usare per l’insegnamento delle Scienze nella Scuola Secondaria di primo grado ?  Per Martin Wagenschein (1896-1988), fisico ed educatore tedesco, la lezione di scienze, dovrebbe iniziare sempre con un’investigazione su fenomeni.  Che cos’è un fenomeno?  “Mi sembra di aver capito, ha scritto uno studente di Wagenschein, che un fenomeno comprenda sia ciò che vediamo ed osserviamo, che ci procura stupore e meraviglia, sia la riflessione e il pensiero su quanto visto e toccato.  Qualcosa di esterno (l’osservazione) e qualcosa dentro di noi (il pensiero critico prima e la riflessione metacognitiva poi) si mettono insieme e diventano quello che noi chiamiamo fenomeno”.  Gli studenti apprendono la natura particellare della materia e le reazioni chimiche, per esempio, durante l’investigazione sulla qualità dell’aria o dell’acqua della comunità in cui vivono.  Una strada alternativa, a questo approccio, è quella di indagare sulle idee centrali della disciplina, per esempio sulla natura dei materiali.  Le attività della nostra proposta didattica servono per consolidare le idee corrette degli studenti sulla struttura dei materiali e per correggere i concetti errati.

 

Come costruire la comprensione concettuale della chimica

Si parte dalla comprensione macroscopica della materia, che comporta una serie misurabile di grandezze e fornisce una prima risposta agli interrogativi e ai dubbi degli allievi.  Segue la discussione sul modello interpretativo di quanto investigato, in termini di atomi e molecole.  Qual è la natura dei materiali e quali sono le proprietà dei materiali a livello microscopico?  Ci sono materiali fondamentali con cui sono composti gli altri materiali?  Come possono essere spiegate le proprietà macroscopiche degli oggetti, sulla base del modello negoziato?  Le risposte a queste domande possono arrivare dagli allievi, se hanno investigato e quindi hanno elaborato una solida comprensione delle proprietà macroscopiche della materia.  Partendo da tali elaborazioni, e dai ragionamenti sui modelli interpretativi, gli studenti sono pronti per continuare a investigare, descrivere e spiegare anche altri nuovi fenomeni.  Sono poi disponibili una serie di brevi filmati, tradotti e sceneggiati dagli allievi dell’ITIS “E.Majorana” di Grugliasco (TO), che completano la comprensione concettuale.  Visionando il seguente filmato sui passaggi di stato del bromo elementare, si può migliorare la comprensione del modello atomico-molecolare:

http://video.google.it/videoplay?docid=-5786987432781976293

Gli studenti dovrebbero sempre essere obbligati a realizzare le investigazioni proposte, prima di iniziare a riflettere metacognitivamente e per avviare la discussione sulla natura dei materiali.  La prima domanda, a cui rispondere, è questa: i materiali sono continui oppure sono formati da particelle microscopiche?  Per dare risposta possiamo indagare sul mescolamento di acqua ed alcol oppure di sale ed acqua.  Perché il volume finale è minore della somma dei due volumi iniziali?  Perché la massa del miscuglio non cambia, ossia è uguale a quella iniziale, somma delle due sostanze pure ?

 

Quale modello per spiegare i fenomeni?

Gli studenti rimangono impressionati dalle due investigazioni proposte.  Quale modello di materia può spiegare la “strana” diminuzione di volume?  Il modello microscopico è continuo oppure è formato da particelle microscopiche?  Il modello continuo è in grado di spiegare il comportamento delle sostanze nei cambiamenti di stato e nel mescolamento di acqua e alcol?  La discussione, dopo aver analizzato le varie ipotesi, porta a scartare il modello continuo e a scegliere il modello particellare, con spazi vuoti fra una molecola e l’altra.  L’investigazione sulla dispersione di coloranti in acqua, di profumi nell’aria e con siringhe di plastica, contenenti disegni di palline di varia dimensione, colorate e non, consolida l’idea che, fra le molecole dei materiali, ci siano spazi vuoti.  Gli studenti, a causa di tante errate strategie didattiche, non riescono ad apprezzare la teoria per quella che è: una straordinaria costruzione intellettuale, edificata su solide assunzioni epistemologiche.

 

Come sostenere il processo di apprendimento delle scienze

Quando gli studenti apprendono le scienze, raramente interpretano correttamente le loro esperienze e le osservazioni, come vorrebbero i docenti.  Nel condurre le investigazioni, gli allievi possono ignorare o scegliere di non credere ai risultati inaspettati.  Piuttosto che meravigliarsi e chiedersi il perché dei risultati “anomali”, essi decidono che il risultato è frutto di un errore sperimentale e quindi deve essere scartato.  La regia del docente, in tutti i passaggi investigativi, consiste nel guidare gli allievi a mettere in luce gli aspetti salienti delle loro esperienze e dei concetti, su cui stanno lavorando.  Il sostegno del docente si realizza attraverso il semplice suggerimento, nel caso dei risultati “non graditi”, di ripetere l’investigazione.

L’idea di legame chimico si può spiegare dicendo che ci sono forze di attrazione fra gli atomi delle molecole, senza citare lo scambio di elettroni nella formazione del legame.  Si introduce genericamente il legame chimico senza illustrare la struttura dell’atomo, che sarà dettagliata alla Scuola Superiore.  Quando, all’inizio dell’800, si parlò di legame chimico non si sapeva nulla degli elettroni e del loro coinvolgimento nel legame chimico.  Fu Gilbert Newton Lewis a descrivere, nel 1902, lo scambio di elettroni nel legame chimico, prima della nascita del modello atomico di Rutherford.

 

Investigare insieme

1. La materia è continua o è formata da particelle microscopiche?

·   Sul piatto di una bilancia digitale poni due cilindri da 100 mL contenenti, il primo 50 mL di acqua e il secondo 50 mL d’alcol etilico oppure di acetone.

·   Registra la massa (1) dei due cilindri e, subito dopo, versa il contenuto del primo cilindro nel secondo.

Controlla di nuovo la massa (2).  La massa, dopo il mescolamento, è cambiata o è la stessa?  Perché?

·   I volumi iniziali erano 50 mL + 50 mL = 100 mL.  Qual è il volume dopo il mescolamento?  Il volume finale è uguale, minore o maggiore della somma dei due volumi iniziali?  Perché?

 

2. La materia è continua o è formata da particelle microscopiche?

·   Misura massa e volume di 20 mL di sale fino e 70 mL di acqua.

·   La massa di sale e acqua aumenta, diminuisce o rimane la stessa, dopo aver sciolto il sale in acqua?  Il volume finale, dopo aver mescolato sale e acqua, rimane lo stesso (20 mL + 70 mL = 90 mL), aumenta o diminuisce?

·   Perché il sale si scioglie in acqua?

·   È corretto dire che le particelle microscopiche di sale, dopo la dissoluzione, si sono “nascoste” fra le molecole d’acqua?

·   C’è spazio vuoto, c’è aria oppure c’è acqua liquida fra le molecole dell’acqua?

·   Si può progettare una analoga investigazione con lo zucchero sciolto in acqua ?

·   Se sciogli lo zucchero in acqua la massa aumenta, diminuisce o rimane la stessa?  Il volume aumenta, diminuisce o rimane lo stesso?

·   Quali investigazioni devi fare per convincere i ragazzi che il sale sciolto in acqua non è scomparso?

 

3. La materia è continua o è formata da particelle microscopiche?

·   Hai a disposizione una bottiglia da 1 litro, contenente solo pochi mL d’acqua sul fondo.  L’insegnante ti consegna anche un fornello elettrico e una bilancia digitale.

·   Qual è la massa1 della bottiglia, compreso il tappo e i pochi mL d’acqua?

·   Riscalda la bottiglia sul fornello, sino a vedere il vapore che esce dalla bocca della bottiglia.

·   Allontana subito dal fornello la bottiglia e inserisci il tappo.

·   Pesa ora la bottiglia.  La massa2 della bottiglia è maggiore o minore della precedente pesata?

·   Appena la bottiglia è fredda, svita lentamente il tappo.  Cosa osservi?

·   Se pesi la bottiglia col tappo, qual è la sua massa3?

·   La massa3, che hai determinato ora, è più vicina a quella della prima pesata oppure della seconda pesata?

·   Se sottrai la massa2 alla massa1 (massa1 - massa2 = Massa x) cosa ottieni ?

·   http://video.google.it/videoplay?docid=3531578251604873713

 

4. La materia è continua o è formata da particelle microscopiche?

La siringa è sigillata e contiene il gas elio.  Disegna nella siringa 10 cerchietti, (o), che rappresentano gli atomi del gas elio.

 

1. Se comprimi il pistone:

A. Disegna la siringa con la nuova posizione del pistone e gli atomi di elio nel suo interno.

B. Gli atomi sono sempre dello stesso numero?

C. Sono diventati più piccoli, perché è aumentata la pressione?

D. La massa dell’elio è cresciuta, è diminuita o è rimasta la stessa?

E. La densità del gas è cresciuta, è diminuita o è rimasta la stessa?

F. Confronta il tuo pensiero con quello dei tuoi compagni.

2. Se sposti a destra, di poco, il pistone:

A. Disegna la siringa con la nuova posizione del pistone e gli atomi di elio nel suo interno.

B. Gli atomi sono cresciuti di numero?

C. Gli atomi sono più grandi, perché è aumentato lo spazio a disposizione?

D. La massa dell’elio è cresciuta, è diminuita o è rimasta la stessa?

E. La densità del gas è cresciuta, è diminuita o è rimasta la stessa?

F. Confronta il tuo pensiero con quello dei tuoi compagni.

 

5. La materia è continua o è formata da particelle microscopiche?

·   L’insegnante ti consegna due bicchieri, il primo contiene acqua fredda e il secondo acqua calda.

·   Versa in ciascun bicchiere una goccia di inchiostro.  Cosa osservi?

·   In che cosa differiscono i due bicchieri, dopo aver aggiunto l’inchiostro?

·   In quale bicchiere l’inchiostro si disperde più velocemente?

·   Come spieghi il fenomeno?

 

6. La materia è continua o è formata da particelle microscopiche?

·   Spruzza in classe una quantità limitata di profumo.

·   Chiedi ai ragazzi di alzare la mano, appena sentono l’odore del profumo.

·   Tutti i bambini alzano la mano insieme?

·   Quale azione esercita l’aria?

·   Come spieghi il fenomeno?

·   Se non ci fosse l’aria, le particelle microscopiche del profumo raggiungerebbero lentamente o velocemente il naso dei ragazzi in fondo alla classe?

 

7. La materia è continua o è formata da particelle microscopiche?

·   Conficca un chiodo sul fondo del barattolo di latta vuoto e subito dopo lo estrai, evitando di allargare il foro.

·   Tenendo il chiodo con una pinza, lo riscaldi sulla fiamma della candela.

·   Prova a infilare di nuovo il chiodo caldo nel buco.

·   Cosa osservi?

 

 

·   Cosa rappresentano le figure a livello di atomi e molecole?

·   Perché la pallina di metallo riscaldata non attraversa più l’anello?

·   La figura ti dice niente sugli atomi del chiodo metallico?  Come sono diventati?

·   A) più grandi; B) più piccoli; C) hanno lo stesso volume a caldo e a freddo; D) a temperatura più alta è cresciuta l’agitazione degli atomi, che si sono allontanati l’uno dall’altro.

 

8. La materia è continua o è formata da particelle microscopiche?

·   Osserva e fotografa i fili dell’alta tensione.

·   Sono più curvi d’estate oppure d’inverno?

·   La precedente figura ti suggerisce qualche ipotesi?

·   Puoi spiegare il fenomeno?

·   Progetta una investigazione con filo metallico, due chiodi e tavoletta di legno per convalidare o meno la tua ipotesi.

·   Gli atomi dei fili metallici come sono diventati?

·   A) più grandi; B) più piccoli; C) hanno lo stesso volume d’estate e in inverno; D) d’estate la temperatura è più alta e cresce l’agitazione degli atomi dei metalli, che si allontanano l’uno dall’altro.

 

9. La materia è continua o è formata da particelle microscopiche?

·   Poni per 1 ora nel congelatore una bottiglia di plastica vuota e ben tappata.

·   Come è diventata la bottiglia?  Disegna e descrivi sul tuo quaderno l’oggetto investigato.

·   Lasciala fuori del freezer per circa un’ora e registra i cambiamenti.

·   Quali sono le cause del cambiamento?

·   Le molecole d’aria, contenute nella bottiglia, hanno volume maggiore, volume minore o volume uguale alla temperatura del freezer?

·   E alla temperatura ambiente?

·   Le molecole d’aria sono più vicine alla temperatura del freezer oppure a temperatura ambiente?

 

La Valutazione

I materiali possono essere sostanze oppure miscugli di sostanze diverse.  Le sostanze sono elementi, se le loro molecole sono formate da atomi uguali.  Le sostanze sono composti, se le loro particelle microscopiche (per esempio, le molecole) sono formate da atomi diversi.

 

 

1. Quali figure rappresentano: un composto, un miscuglio, un elemento?

 

2. Trova il disegno che si riferisce a: un miscuglio solido, un elemento gassoso, un elemento liquido – gassoso, un miscuglio gassoso e un miscuglio liquido – gassoso.

 

3. Quale disegno fornisce una rappresentazione microscopica di una soluzione contenente un soluto volatile?  Cosa rappresentano, a livello di molecole, gli altri disegni?

 

4. Spiega che cosa rappresentano, a livello microscopico, i seguenti disegni.  Ricorda che lo zucchero non è volatile.

 

 

Definizioni

 

6. Le monete di 1 centesimo, di 2 centesimi, di 5 centesimi sono fatte di atomi?  Segna con una X le proprietà fisiche di un singolo atomo.

 

___ duro

___ tenero

___ solido

 ___ color rame

___ molto piccolo

 ___ ha massa

___ sempre in moto

 ___ non si muove

___ freddo

 ___ caldo

___ lucente

  ___ opaco

___ contiene principalmente spazio vuoto

 

7. Indica con una X gli oggetti di questa lista che sono formati da materiali solidi a temperatura ambiente.

---latte                                     ---elastico di gomma

---aria                                     ---farina

---legno                                   ---spugna

---sale fino                               ---olio di oliva

---fumo                                   ---maionese

---ghiaccio                               ---ovatta

---carta                                   ---polvere

 

Spiega il ragionamento che ti ha consentito di stabilire quali oggetti sono solidi.

 

Bibliografia

1. Feynman, R.P., Leighton, R.D., & Sands, M.1963. The Feynman lectures on physics (Vol. 1). Menlo Park, CA: Addison-Wesley Company.

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4. Novick & Nussbaum (1978). Junior high school pupils’ understanding of the particulate theory of matter: An interview study. Science Education,62(3), 273-281.

5. Nussbaum, J. (1985). The particulate nature of matter in the gaseous phase. In R. Driver, E. Guesne, & A. Tiberghien (Eds.), Children’s ideas in science. Philadelphia: Open University Press.

6. Osborne, R. & Cosgrove, M. (1983). Children’s conceptions of the changes of state of water. Journal of Research in Science Teaching, 20, 825-838.

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8. Smith, C., Maclin, D., Grosslight, L., & Davis, H. (1997). Teaching for understanding: A study of students’ preinstruction theories of matter and a comparison of the effectiveness of two approaches to teaching students about matter and density. Cognition and Instruction, 15, 317 – 393.

9. Smith, C., Snir, J., & Grosslight, L. (1992) Using conceptual models to facilitate conceptual change: The case of weight/density differentiation. Cognition and Instruction, 9 (3), 221-83.

10. Wagenschein, M. (2000), Teaching to understand: on the concept of the exemplary in teaching. In Teaching as a reflective practice – The German didaktik tradition, Lawrence Erlbaum Associates, Publishers