Luce,Colore,Visione

1. ITIS GALILEO FERRARIS – NAPOLICorso formazione per il piano InsegnareScienzeSperimentali Luce,Colore,Visione Tutor: Luigi Capuozzo Docente di Fisica nell’Itis G. Ferraris di Napoli Segretario della sezione A.I.F. Associazione per l’Insegnamento della Fisica di Napoli 2 Napoli 10 maggio 2007

2. Luce,Colore,Visione

3. Quello presentato è uno stereogramma: è possibile osservare l’immagine in 3D e ciò consente di vedere al di là della rappresentazione ripetuta di elementi decorativi del disegno, una molla elicoidale che si staglia nello spazio. • Porto questo stereogramma come metafora del passaggio che si deve compiere nel processo di insegnamento–apprendimento per conseguire risultati più accettabili. • Probabilmente per questo non servono nuovi contenuti o metodi ma si tratta di guardare a ciò che si ha con prospettive nuove ed unificanti, in maniera analoga alla tridimensionalità nascosta nello stereogramma che si rende visibile quando si guarda ad esso con lo sguardo fisso non sugli elementi particolari che costituiscono il disegno ma in un punto che sta oltre il piano del foglio o, al limite, più vicino. • Che si debba cambiare ce lo dicono diversi fattori: • le indagini internazionali OCSE-PISA che, misurando il grado di apprendimento dscientifico dei giovani nella fascia di età adolescenziale, collocano l’Italia nelle ultime dposizioni della graduatoria; • il numero sempre più basso di immatricolati nelle facoltà universitarie scientifiche (in dparticolare Chimica, Fisica e Matematica); • gli atteggiamenti di disinteresse degli allievi verso le proposte didattiche, sempre più ddiffusi; • la mancanza di studio e di applicazione anche da parte degli allievi più interessati;

4. Il piano I.S.S. • Per fronteggiare queste emergenze il MIUR, Ministero dell’Istruzione, dell’ Università e della Ricerca, ha avviato il progetto Lauree Scientifiche, destinato in particolare al triennio delle scuole medie secondarie, ed il piano I.S.S. Insegnare Scienze Sperimentali, destinato sostanzialmente alle scuole primarie, alla scuola media ed al biennio della scuola media secondaria. • Punti cardini del piano ISS che si trova attualmente nel suo primo anno di attività, a livello sperimentale, appaiono i seguenti: • sviluppo di curricoli verticali; • centralità del laboratorio nella didattica scientifica; • utilizzo di una metodologia di ricerca –azione. Scuola primaria Scuola media primaria Scuola media secondaria (biennio) Murales di F. Pignataro a Via Cervi Napoli

5. OSSERVARE CLASSIFICARE MISURARE RAPPRESENTARE DATI (tabelle e grafici) INTERPRETARE Lo sviluppo di curricoli verticali implica che l’insegnamento scientifico nei diversi ordini di scuola (primaria e scuola media primaria e secondaria) persegua obiettivi identici per un apprendimento scientifico completo: essi cioè devono differire solo per grado non per completezza. Naturalmente ciò richiede il passaggio ad una didattica di laboratorio: gli obiettivi da perseguire sono così quelli del metodo scientifico sperimentale.

6. Il momento sperimentale, la produzione di exhibit o di simulazioni devono costituire i momenti iniziali del processo di insegnamento affinché l’allievo familiarizzi con l’ambito fenomenico affrontato e risulti quindi in posizione centrale nel processo di apprendimento. Naturalmente questa procedura è laboriosa e richiede grandi risorse di tempo. E il programma? • Io credo che l’acquisizione del metodo sperimentale e la capacità di relazionare utilizzando un linguaggio scientifico adeguato sia un obiettivo ambizioso e più che valido per la prima formazione scientifica: credo che si debba conseguire • la completezza del metodo (quello sperimentale); • non la completezza del programma! • D’altra parte ci si dovrebbe interrogare su che cosa determini un programma: esso è l’articolazione dei contenuti di una disciplina fondata sulle sue esigenze logico – formali piuttosto che su quelle della formazione dell’allievo. • Il programma è il prodotto di una visione riduzionista della scienza, fondata su modelli astratti ed ideali e perde di vista la complessità globale dei fenomeni.

7. La filosofia greca (da cui nasce la nostra scienza) ha esordi di tipo olistico: esiste una radice unica del mondo? Quale? L’atomo per Democrito, l’acqua per Talete, l’aria per Anassimene ……… il quark per la fisica moderna. Per conseguire questa riduzione del complesso a semplice la scienza analizza il tutto, lo classifica in ambiti fenomenici sempre più specifici e particolari, a cui applica astrazioni e strumenti logici formali, traendone modelli interpretativi. Il complesso di teorie prodotto da questo millenario lavoro di ricerca costituisce la nostra attuale risposta alle domande originarie. Lo sviluppo della conoscenza scientifica avviene quindi mediante l’individuazione di sistemi sempre più particolari (che si estendono nel microcosmo e macrocosmo) che vengono idealizzati e formalizzati attraverso modelli, spesso matematici; questo processo è noto come riduzionismo esi contrappone, naturalmente, alla complessità del reale. Perché ad esempio lo studio della Fisica inizia con la Meccanica? Non possiamo rispondere che si rispetta un’evoluzione storica, perché se è pur vero che la prima formulazione scientifica moderna è proprio la Meccanica di Newton è altrettanto vero che lo stesso Newton scrive un’opera di Ottica altrettanto completa e che l’Ottica frequentemente non è neppure accennata nei programmi. E allora? Non esiste una didattica efficace ed efficiente in senso assoluto ma essa deve adeguarsi al clima storico e sociale nel quale si svolge. Nel contesto attuale alla didattica direttiva, in cui i docenti sono essenzialmente mediatori del sapere scientifico, deve sostituirsi una didattica orientativa, in cuii docenti sono catalizzatori dell’apprendimento facendone comprendere valore e limiti.

8. DEFINIZIONE DELLE RISORSE, DEI TEMPI, DEI METODI. CONCLUSIONE SITUAZIONI STIMOLO SVILUPPO DELLE ATTIVITÀ. SCELTA DELL’OBIETTIVO. CONTROLLO DELLE ATTIVITÀ VALUTAZIONE DEI RISULTATI PROGETTAZIONE DELLE ATTIVITÀ. Il metodo di ricerca-azione, che appare congeniale alla didattica di laboratorio come da noi intesa, implica lo sviluppo di una didattica per problemi, finalizzata alla realizzazione di un obiettivo.

9. Luce,Colore,Visione Per creare situazioni che stimolano la curiosità e l’apprendimento, sono molto utili, per ogni ordine di scuola, le illusioni ottiche. Alcuni esempi: La figura colorata in grigio ha un’unica tonalità; quando essa è disposta su uno sfondo per metà bianco e per metà nero, il grigio assume tonalità differenti perché il cervello tende a considera più chiaro ciò che è sullo sfondo scuro e viceversa. Il rettangolo superiore ci appare più grande perché il cervello relativizza le dimensioni in relazione agli oggetti dello sfondo.

10. Le linee parallele ci appaiono divergere o convergere a causa dei diversi orientamenti dei segmenti obliqui Lo stesso spigolo sembra ora rientrare verso l’interno ora sporgere in avanti. Il cervello nell’assegnare tridimensionalità alla figura risulta incerto sulla profondità spaziale e alterna le differenti configurazioni.

11. B A C I segmenti rossi hanno tutti la stessa lunghezza; la diversità è solo apparente e dipende dalla scenografia: le frecce capovolte nel primo caso; le rette convergenti verso il fondo della figura nel secondo e terzo caso. La figura C sembra avere un’altezza minore di A mentre esse sono uguali: questo perché C è più vicino alla figura B di quanto non sia A e quest’ultima, d’altra parte, è situata su uno sfondo che tende a farla apparire più alta.

12. B C A Domanda: Considerando la punta dei becchi, quali galline sono più distanti? Verificare la risposta data in termini di percezione individuale, mediante una misurazione (passaggio dalla percezione alla misurazione).

13. B C A

14. B C A

15. B C A

16. B C A Il cervello tende a considerare più lontani i becchi delle galline disposte frontalmente a causa della maggiore distanza dei loro corpi. In entrambi i casi, però, i becchi si trovano alla stessa distanza.

17. La testa di questi cavalli sembra muoversi quando l’osservatore passeggia davanti a loro: l’effetto è determinato dalle superfici di diversa pendenza che formano la testa dei cavalli. Il cervello in relazione alla posizione di osservazione considera rientranze o sporgenze gli spigoli che separano le superfici di diversa pendenza e ciò determina l’illusione del movimento delle teste dei cavalli

18. Perché il bastone appare spezzato? Perché versando acqua nel bicchiere la moneta, prima nascosta dal nastro isolante, appare allo sguardo? Perché l’astina rossa non è visibile quando il sughero galleggia sull’ acqua? Molti altri esempi potrebbero essere fatti. È possibile rafforzare l’efficacia di questa fase introduttiva proponendo agli allievi la riproduzione degli effetti mediante collage, disegni, exhibit, prodotti multimediali ecc. Si può ora definire l’obiettivo per lo sviluppo dell’azione didattica. Un esempio: la rifrazione. Si possono proporre semplici esperienze iniziali:

19. Perché il bastone appare spezzato? Perché versando acqua nel bicchiere la moneta, prima nascosta dal nastro isolante, appare allo sguardo? Perché l’astina rossa non è visibile quando il sughero galleggia sull’ acqua? fiigura 1 fiigura 2 fiigura 3 Molti altri esempi potrebbero essere fatti. È possibile rafforzare l’efficacia di questa fase introduttiva proponendo agli allievi la riproduzione degli effetti mediante collage, disegni, exhibit, prodotti multimediali ecc. Si può ora definire l’obiettivo per lo sviluppo dell’azione didattica. Un esempio: la rifrazione. Si possono proporre semplici esperienze iniziali:

20. Il fenomeno della rifrazione consiste nella deviazione che subisce un raggio di luce quando attraversa la superficie di separazione di due corpi trasparenti aventi differente densità (comunemente aria-acqua, aria-vetro, acqua-vetro…..). Il raggio di luce rifratto, cioè il raggio di luce che ha attraversato la superficie di separazione tra il mezzo meno denso e quello più denso, si avvicina alla normale alla superficie di separazione dei due mezzi, formando con essa un angolo, che indichiamo con r e che chiamiamo angolo di rifrazione, minore dell’angolo formato dal raggio incidente con la normale alla superficie di separazione nello stesso punto, angolo che chiamiamo di incidenza ed indichiamo con i. r i La rifrazione è regolata dalla legge di Snell: in cui è l’indice di rifrazione del mezzo 2 rispetto al mezzo 1. La relazione di Snell si può scrivere anche intermini d velocità della luce nei due mezzi: Questa relazione vale per un raggio di luce avente una frequenza definita. La luce bianca si scompone così nelle sue componenti fondamentali (esperienza del prisma di Newton). n normale alla superficie di separazione nel punto di incidenza raggio di luce incidente raggio di luce rifratto

21. Il fenomeno della rifrazione è importante per interpretare numerosi fenomeni fisici e per le applicazioni tecnologiche che si basano su di essa. Nella seguente mappa concettuale si tenta di rappresentare questa complessità: Difetti della vista Composizione dei colori fondamentali Esperienza con il prima di Newton L’arcobaleno Scomposizione della luce bianca La funzione del cristallino nell’occhio Lenti per la correzione dei difetti della vista Disco di Newton RIFRAZIONE Lenti per l’ ingrandimento Lenti convergenti e divergenti Le illusioni ottiche di natura fisica La riflessione totale Le lenti Il miraggio ecc. ……….. Le fibre ottiche

22. r h Le esperienze rappresentate in figura 1 e 2 hanno la loro spiegazione nella rifrazione; quella di figura 3 invece si spiega con un fenomeno di riflessione totale. Possiamo utilizzare quest’ultimo esempio per presentare una ipotesi di didattica per problemi. Quale deve essere l’altezza massima dell’astina posta al di sotto del sughero perché essa non sia visibile? È chiaro che si può procedere per tentativi: ma questo richiede tempo; è il motivo per cui il progresso dell’umanità è avvenuto molto lentamente, per la lunga sequela di prove ed errori. I modelli scientifici consentono invece di prevedere ed orientare le scelte: ecco perché lo sviluppo della scienza degli ultimi due secoli ha impresso un ritmo impressionante all’avanzamento del progresso. Come possiamo utilizzare la conoscenza scientifica per risolvere il problema posto? L’indice di rifrazione aria - acqua è pari a , quello acqua – aria sarà allora: a cui corrisponde un angolo limite di circa 50°. Detti r il raggio del tappo di sughero ed h l’altezza dell’astina perché l’astina non sia visibile deve essere evidentemente: Fissato il raggio del tappo di sughero, risulta così fissata l’altezza massima dell’astina sottostante e viceversa. La dimensione del contenitore nel quale il tappo sarà posto a galleggiare non ha invece importanza in questo problema. Problema

23. Le precedenti considerazioni dovrebbero indurci ad alcune riflessioni: • Di fronte alla complessità del reale è giusto proporre agli allievi nella fascia iniziale Ddell’apprendimento scientifico “fette” del sapere fortemente idealizzate e formalizzate e Dche, proprio per questo risultano astratte e lontane dalla quotidianità? • O si deve, piuttosto, recuperare, quando possibile, quella complessità ricorrendo ad una Ddidattica per problemi e per modelli ? • Non è forse questa didattica più congeniale agli allievi del nostro tempo che vivono in una Dsocietà nella quale prevalgono immagini, globalità e sinteticità? • Sono domande non risposte: le risposte dovremmo trovarle con uno sforzo comune: infatti il piano ISS non è un progetto, non delinea rigidamente contenuti e metodologie didattiche ma vuole stimolare i docenti a trovarle.