Letto e fatto: il solitario chimico

La settimana scorsa ho letto un articolo scritto da un gruppo di docenti e ricercatrici, Joanna Philippoff, Kenesa Duncan Seraphin, Jennifer Seki e Lauren Kaupp, intitolato “Chemical solitaire“, ossia il solitario chimico, pubblicato sul numero di ottobre di “The science teacher“, in cui le autrici descrivono un’attività che sfrutta la storia dello sviluppo della tavola periodica non solo per promuovere la comprensione degli studenti su come gli elementi vengono organizzati nella tavola ma li aiuta anche a comprendere meglio la natura della scienza concentrandosi in particolare su tre aspetti: il fatto che la conoscenza scientifica sia aperta a revisioni alla luce di nuove evidenze, che si basa su evidenze empiriche e che la scienza è uno sforzo umano (NGSS Lead States 2013).

Nel corso dei 124 anni modellizzati nell’attività, il progresso nella tecnologia ha permesso la scoperta di nuovi elementi e delle proprietà degli elementi e così gli scienziati hanno modificato l’organizzazione esistente degli elementi alla luce delle nuove evidenze. Allo stesso modo gli studenti modificano le loro spiegazioni scientifiche sulla base di nuove evidenze mentre sviluppano strategie di classificazione degli elementi e riflettono sui loro ragionamenti confrontando i loro schemi di classificazione con quelli dei compagni e degli scienziati della storia.

Articolo giusto al momento giusto. Mi lancio e lo faccio? Sì!

Perchè “solitario chimico”?

Le autrici raccontano che aneddoti storici riferiscono che il chimico russo Dmitri Mendeleev avesse scritto i pesi e le proprietà degli elementi noti su delle carte e che giocasse ad una sorta di solitario chimico cercando di organizzarli.  Queste carte, in realtà, non sono mai state trovate ma l’analogia con il gioco è sicuramente utile e incoraggia i ragazzi a riflettere sui diversi modi di classificare gli elementi: nel solitario si organizzano le carte sulla base del seme e del valore, Mendeleev sviluppò una tavola periodica organizzando gli elementi sulla base del peso e delle proprietà.

Tre set di carte

le carte degli elementi sono suddivise in tre set che corrispondono a significativi avanzamenti nella comprensione di come si possano organizzare gli elementi.

Nel SET A sono contenuti 27 elementi contenuti nell’elenco delle sostanze semplici sviluppato dal chimico francese Antoine-Laurent Lavoisier. Sulle carte viene indicato l’anno 1789 che è quello in cui Lavoisier pubblicò la sua tavola.

Nel SET B sono contenuti altri 30 elementi conosciuti nel 1869, anno in cui Mendeleev costruì la sua prima tavola periodica.

Nel SET C sono compresi altri 11 elementi, noti nel 1913 quando risistemò la tavola periodica sulla base del numero atomico.

Nei set non sono compresi tutti gli elementi effettivamente noti, per consentire agli studenti di maneggiare un numero di carte non troppo elevato. La progressione degli elementi nei vari set segue la scoperta storica e permette ai ragazzi di cominciare a disporre per primi gli elementi che sono per loro più familiari. Le autrici hanno scelto di inserire nel set finale gli elementi noti nel 1913 per poter aggiungere i gas nobili e poter così riempire gli eventuali “buchi” nei loro modelli.

Ciascuna carta del set presenta il nome dell’elemento, il simbolo chimico, il peso, lo stato di aggregazione a temperatura ambiente, la valenza e la reattività per gli elementi che sono in gruppi con proprietà chimiche simili (gruppi 1, 2, 17 e 18). Per esempio, nelle carte dei metalli alcalini c’è scritto “reagisce vigorosamente con l’acqua” mentre nelle carte degli alogeni c’è scritto “reagisce con i metalli per formare sali”.

La mancanza, in qualche caso, di accuratezza storica è una scelta per supportare la comprensione degli studenti. Alcune delle proprietà indicate nelle carte, ad esempio, erano sconosciute nel 1789 e al contempo nelle carte più recenti sono state tralasciate altre proprietà che invece sono state scoperte nel tempo. Viene usato il termine valenza, sconosciuto ai tempi di Mendeleev, invece di elettroni di valenza, concetto proposto dal chimico Gilbert Lewis nei primi anni del XX secolo. Allo stesso modo usano il peso atomico invece della massa atomica in accordo con la terminologia utilizzata da Mendeleev.

Lo scopo di questa attività non è quello di portare i ragazzi a costruire la tavola periodica moderna, ma utilizza un approccio storico con informazioni modificate per semplificare l’attività. Le serie dei lantanidi e degli attinidi, ad esempio, sono escluse per limitare il numero degli elementi che gli studenti devono organizzare.

Tempo necessario: 60 minuti per svolgere l’attività e un ulteriore periodo di 30 minuti per la discussione.

Prima dell’attività ho tradotto e stampato le carte degli elementi, le ho ritagliate e collocare in tre buste etichettate Set A, Set B e Set C.

I miei studenti conoscevano già cosa si intende per elementi e la differenza tra elementi e composti per cui non è stato necessario esplorare le loro preconoscenze sull’argomento. Ho detto però agli studenti che sulle carte avrebbero potuto trovare delle proprietà che ancora non conoscono ma che per svolgere l’investigazione non sarebbe stata necessaria la comprensione di tutte queste proprietà. Questa attività vuole essere, infatti, una esplorazione scientifica e della storia della scienza. Questa attività modellizza l’approccio e le difficoltà degli scienziati del passato: anche gli studenti “scopriranno” in modo sequenziale nuovi elementi. Man mano che ricevono informazioni dovranno incorporarle nel loro sistema di organizzazione. Alla fine dell’attività, gli studenti dovranno non solo condividere il loro modello finale ma anche il ragionamento che sta dietro al loro schema di organizzazione.

Al lavoro!

Ho diviso gli studenti in 6 gruppi (avete idea di quante carte ho dovuto ritagliare!!!!) e ho dato circa 10 minuti per organizzare le carte del Set A. La consegna è stata quella di  sviluppare un sistema di organizzazione degli elementi basata sulle loro proprietà fisiche. Poiché il Set A include elementi che si trovano sparsi nella tavola periodica per i ragazzi è stato difficile riuscire a trovare dei trend per questi elementi. Questa difficoltà è proprio ciò che imita il processo storico di scoperta: c’è stato bisogno di scoprire un maggior numero di elementi prima di riuscire a individuare dei trend.

Ho lasciato poi altri 10 minuti per il Set B e altri 10 minuti per il Set C indicando di concentrarsi anche sulle proprietà chimiche.

Man mano che gli studenti hanno ricevuto nuove informazioni, li ho incoraggiati a modificare il proprio modello, a riflettere sulle ragioni della loro organizzazione e annotare il loro processo di riflessione.

Le autrici consigliano di supportare l’attività dei ragazzi con questo tipo di domande:

• Quali informazioni state usando per decidere come disporre gli elementi?
• Perché il vostro gruppo ha messo questi elementi insieme?
• Perché pensate che queste carte sembra che non si “accordino” con il resto?
• In che modo potreste trovare connessioni tra elementi o gruppi di elementi? 

Ho detto ai ragazzi di scattare delle fotografie del loro lavoro con i tre diversi set per poterli poi consultare successivamente in fase di riflessione per prepararsi alla discussione.

È cruciale per gli studenti costruire e rivedere almeno tre modelli differenti di disposizioni periodiche. All’inizio tirano fuori un modello sulla base di dati limitati quindi modificano le loro idee man mano che nuove informazioni vengono alla luce. Questo processo simula come, man mano che la tecnologia avanzava e nuove evidenze venivano scoperte, modelli, come i sistemi di classificazione, sono cambiati nel tempo.

Secondo le autrici, valutando e rifinendo i loro modelli, gli studenti sviluppano una comprensione di come i modelli abbiano un potere predittivo e di spiegazione. Quando confronteranno (lo farò domani!) la loro organizzazione finale con la tavola periodica moderna, gli studenti determineranno se sono riusciti a prevedere o meno la scoperta di questi elementi.

Dopo aver completato il loro modello finale, gli studenti hanno fatto un gallery tour per condividere i loro prodotti e i loro ragionamenti. 

Domani mostrerò immagini della progressione storica della tavola periodica, come ad esempio la tavole delle sostanze di Lavoisier…

… e anche modelli alternativi di tavole periodica che enfatizzano proprietà degli elementi che non sono così manifeste nelle tavole periodiche tradizionali, come quella di Paul Giguères a forma di fiore.

Secondo le autrici, mostrare questi modelli “diversi” supporta le strategie organizzative più creative degli studenti che sono diverse dalla tavola periodica moderna che solitamente vediamo.

Per casa ho chiesto di fare una riflessione individuale sul lavoro fatto in classe guidata da alcune domande:

• In che modo il vostro gruppo ha organizzato gli elementi? Spiega il vostro processo di organizzazione.
• Durante l’attività il vostro gruppo ha modificato la strategia organizzativa degli elementi? Se sì, spiegare che cosa avete iniziato a fare e cosa avete modificato.
• Dopo aver fatto il gallery tour e aver sentito le spiegazioni dei vostri compagni, avreste voluto modificare il modo in cui avete organizzato gli elementi? Se sì, spiega come. Se no, spiega perché avete pensato che la strategia del vostro gruppo fosse la “migliore”.
• Metti a confronto la vostra organizzazione degli elementi con la tavola periodica moderna. Spiega in che modo sono simili e in cosa sono diverse.
• Secondo te, in che modo questa attività ha imitato ciò che gli scienziati del passato hanno fatto e quello che fanno ancora oggi?

Ho chiesto ai ragazzi di postare su Edmodo le loro riflessioni così oggi pomeriggio ho potuto leggerle e preparare la discussione di domani. Come sempre sorprendenti e in positivo naturalmente!

Ho intenzione di seguire le indicazione delle autrici fino in fondo e somministrare, dopo la discussione in classe, un questionario redatto con google form basato su queste quattro domande:

1. In che modo pensi che fare questa attività abbia aumentato la tua comprensione del modo in cui gli elementi sono organizzati nella tavola periodica?
2. In che modo pensi che scoprire la storia della tavola periodica abbia aumentato il tuo interesse verso la tavola periodica?
3. In che modo pensi che l’aver organizzato gli elementi abbia aumentato la tua comprensione sul modo in cui si costruisce la conoscenza scientifica e come questa cambi nel tempo?
4. In che modo ritieni che l’aver organizzato gli elementi abbia aumentato la tua comprensione dell’importanza dell’immaginazione e della creatività nella scienza?

Che ne dite? Cosa ne penseranno i ragazzi?

P.S. Se volete proporre anche voi l’attività senza dover preparare da soli le carte, scrivetemi e vi manderò il mio file! 🙂

Per sentire direttamente il pensiero delle autrici dell’articolo: