Progettare unità di apprendimento IBSE: #7 Explore/Explain/Elaborate (prima parte)

La fase di Explore è quella in cui gli studenti hanno la possibilità di familiarizzare con il fenomeno o il modello oggetto di studio attraverso esperienze, spesso concrete, in cui utilizzano le loro preconoscenze per esplorare domande, progettare e/o condurre investigazioni e generare nuove idee.

Le attività di esplorazione comportano che gli studenti applichino contemporaneamente una serie di abilità di processo. Secondo Michael J. Padilla (1990), queste abilità sono un insieme di capacità ampiamente trasferibili, che riflettono il comportamento degli scienziati.

Le abilità di processo sono suddivise in due categorie: di base (osservare, fare inferenze, misurare, comunicare, classificare, fare previsioni) e più complesse, o integrate (controllare le variabili, definire in modo operativo, formulare ipotesi, interpretare dati, sperimentare, formulare modelli).

In questa fase del learning cycle, gli studenti hanno, quindi, l’opportunità di fare osservazioni, registrare dati, isolare variabili, progettare e/o condurre esperimenti, creare grafici, interpretare risultati, sviluppare ipotesi e organizzare le proprie scoperte, mentre l’insegnante pone domande, suggerisce approcci, fornisce feedback e valuta la comprensione.

Sarà solo nella fase successiva, di Explain, che l’insegnante presenterà ai ragazzi i modelli, le leggi e le teorie relative ai fenomeni esplorati partendo da quanto emerso dalle investigazioni dei ragazzi, mentre nella fase di Elaborate gli studenti avranno la possibilità di espandere e rafforzare la propria comprensione del concetto esplorato e di applicarla in un contesto di vita reale nuovo ma collegato. L’applicazione di ciò che hanno appena appreso in situazioni o problemi nuovi porta alla generalizzazione dei concetti, dei processi e delle abilità, che è proprio lo scopo principale di questa fase (Bybee et alii, 2006).

Quindi, una volta “agganciati” con le attività della fase di Engage, i ragazzi hanno bisogno di tempo per esplorare i fenomeni correlati e riflettere sulle loro idee.

Lo scopo delle attività di esplorazione è creare esperienze comuni che insegnanti e studenti possano usare in seguito quando verranno introdotti e discussi in modo formale  concetti, pratiche o abilità scientifiche.

Gli scienziati raccolgono evidenze registrando osservazioni e facendo misurazioni (NRC, 2000) e l’accuratezza dei dati raccolti può essere controllata ripetendo le osservazioni o facendo nuove misurazioni. In classe, imitando il lavoro degli scienziati, gli studenti utilizzeranno i dati per costruire spiegazioni di fenomeni scientifici.

Questi dati potranno essere raccolti direttamente dagli studenti attraverso un’attività sperimentale in laboratorio o sul campo, oppure possono essere dati raccolti dall’insegnante, disponibili in Internet o provenienti da ricerche scientifiche. La cosa fondamentale in questa fase è che gli studenti esplorino i fenomeni prima di averli studiati e rispondano alla domanda di ricerca attraverso l’analisi di questi dati (Bell, Smetana, Bins, 2005).

Detto ciò, è arrivato il momento di passare dalle parole ai fatti, ossia di parlare delle attività da fare con i ragazzi per l’unità sull’idrosfera marina.

Poiché molti di voi mi hanno chiesto spesso cosa faccio esattamente in classe e come gestisco le lezioni, ho pensato di raccontarvi per filo e per segno quello che faccio concretamente giorno per giorno. Così facendo, però, questo mio racconto diventa eccessivamente lungo per cui ho deciso di dividere le attività in tre parti in modo da evitarvi l’indigestione! 🙂

Cominciamo?

EXPLORE: investighiamo!

Dopo le attività della fase di Engage, comincio la nuova lezione con una discussione a livello di classe proponendo alcune domande:

Che differenza c’è tra l’acqua che beviamo e l’acqua del mare?

Cosa si intende per salinità?

Quale unità è utilizzata per esprimerla?

Annoto le risposte fornite e procedo proponendo una breve investigazione (ci vogliono circa 15 minuti) in cui gli studenti inizieranno a riconoscere la relazione tra salinità e densità dell’acqua e a comprendere che una maggiore salinità implica una maggiore densità.

La procedura verrà svolta da un solo studente (dimostrativa) ma i ragazzi lavoreranno a coppie per rispondere alle domande previste nella scheda che consegnerò prima di cominciare.

Le abilità di processo che i ragazzi metteranno alla prova saranno: fare previsioni, osservare, misurare e fare inferenze, comunicare. L’attività, nella sua semplicità, è di inquiry strutturato, quindi i ragazzi esploreranno la relazione tra salinità e densità prima di averla studiata.

Prerequisiti sono i concetti di densità, miscuglio, soluzione e sospensione.

La domanda di ricerca dell’investigazione è: in che modo la salinità influenza la densità dell’acqua?

Per questa attività servono:

• 2 cilindri graduati da 500 mL
• una pallina di gomma (tipo palla matta o un tappo di gomma da provetta)
• sale
• acqua del rubinetto
• bacchetta di vetro per mescolare

Prima dell’attività preparo dell’acqua salata portando a ebollizione 1 L di acqua del rubinetto, sciogliendoci 35 g di sale e lasciando raffreddare completamente la soluzione.

Procedura:

1. Cercando di essere molto precisi, riempire un cilindro graduato da 500 mL con 400 mL di acqua del rubinetto. Riempire un secondo cilindro graduato da 500 mL con 400 mL di acqua salata, preparata precedentemente mescolando 35 g di sale per litro di acqua (misurare).
2. Cosa pensate che accadrà quando immergerete una pallina di gomma nei due cilindri (fare previsioni)?
3. Porre delicatamente una piccola pallina di gomma nel cilindro con l’acqua del rubinetto. Misurare il nuovo livello raggiunto dall’acqua. Rimuovere la pallina e asciugarla bene (misurare).

4. Ripetere lo step 3 usando il cilindro con l’acqua salata. L’oggetto dovrebbe galleggiare.

Analisi e conclusioni:

1. Calcolare: Quale volume d’acqua dolce è stato spostato dalla pallina? Quale volume di acqua salata è stato spostato, invece, dalla pallina che galleggiava? Le risposte possono variare a seconda dell’oggetto utilizzato ma il volume di acqua salata spostata dovrebbe essere minore di quello di acqua dolce.
2. Trarre conclusioni: all’aumentare della densità dell’acqua, il volume del liquido spostato da un oggetto diminuisce. Stando alle evidenze raccolte, quale acqua è più densa, l’acqua dolce o salata? L’acqua salata. La pallina, infatti, sposta un volume maggiore nell’acqua dolce, indicando che l’acqua dolce ha una densità minore. 
3. Trarre conclusioni: in che modo la salinità influenza la densità dell’acqua? L’aggiunta di sale aumenta la densità dell’acqua, quindi maggiore è la concentrazione di sale (salinità), maggiore è la densità.

EXPLAIN: si comincia a capire!

Dopo aver discusso quanto emerso dall’investigazione, cominciamo a esplorare alcuni concetti.

Per prima cosa parleremo della composizione dell’acqua di mare.

Le acque dei bacini marini ed oceanici si possono considerare una soluzione salina che contiene: sali disciolti, sostanze gassose in soluzione e sostanze in sospensione. Mostrerò ai ragazzi un grafico sulla composizione dell’acqua di mare (ce n’è uno su tutti i libri di testo) e chiederò di osservarlo attentamente per individuare:

• quale grandezza viene utilizzata per esprimere la quantità di sali e acqua in un campione di acqua di mare (la massa) e
• quale unità di misura viene utilizzata (grammi).

Definirò, quindi, la salinità dell’acqua di mare come il rapporto tra la massa dei soluti e la massa della soluzione.

Spiegherò che la concentrazione di molte soluzioni è espressa in parti per cento (%) ma la salinità dell’acqua di mare è, invece, espressa in parti per mille (ppm o ppt, dall’inglese parts per thousand) o in psu (practical salinity unit). Il suo valore medio è del 35‰, ma si potrebbe anche dire che la salinità media dell’acqua di mare è del 3,5%.

Proseguirò, quindi, chiedendo:

secondo voi, perché gli oceanografi preferiscono esprimere la salinità in parti per mille anziché in percentuale (parti per cento)?

Se non emerge dalla discussione con i ragazzi, spiegherò che, poiché la proporzione di sostanze disciolte in acqua è in quantità molto piccola, gli oceanografi preferiscono esprimere la salinità in parti per mille così è più facile da utilizzare nei calcoli in quanto richiede meno decimali.

Continuo mostrando una tabella contenente i principali sali disciolti nell’acqua di mare e chiedo:

Ne riconoscete qualcuno? Per cosa vengono utilizzati?

Quali sono gli elementi più comuni che si possono trovare nei sali dell’acqua di mare?

Composizione dell’acqua di mare per 1000 g di soluzione	Quantità (g)
Cloruro di sodio (NaCl)	23,48
Cloruro di magnesio (MgCl2)	4,98
Solfato di sodio (Na2SO4)	3,92
Cloruro di calcio (CaCl2)	1,10
Bicarbonato di sodio (NaHCO3)	0,66
Bromuro di potassio (KBr)	0,192
Borato di idrogeno (H3BO3)	0,096
Cloruro di stronzio (SrCl2)	0,026
Fluoruro di sodio (NaF)	0,003

Secondo voi, da dove provengono questi sali?

Spiego quindi che il sale nell’oceano proviene principalmente dalla degradazione meteorica delle rocce continentali ma anche che la seconda fonte degli elementi che si trovano nell’acqua di mare è l’interno della Terra da cui sono fuoriusciti (e fuoriescono) passando nell’atmosfera attraverso le eruzioni vulcaniche nel corso della storia geologica del nostro pianeta.

Si stima che ogni anno i fiumi portino agli oceani oltre 2 miliardi di tonnellate di materiali disciolti. Secondo voi, come mai la salinità dell’acqua di mare si mantiene, invece, abbastanza costante?

Nonostante gli apporti siano continui, la salinità resta costante perché le sostanze vengono rimosse con la stessa velocità con cui vengono aggiunte all’acqua. Parte dei sali viene sottratta dagli organismi che li usano per costruire gusci, conchiglie o scheletri o viene rimossa dall’acqua da reazioni chimiche che li fanno precipitare in forma di sedimenti.

La variazione di salinità superficiale in mare aperto normalmente va dal 33‰ al 38‰ e tali variazioni derivano dai cambiamenti nella quantità d’acqua della soluzione.

Secondo voi, quali processi naturali diminuiscono la salinità dell’acqua di mare? Quali, invece, la aumentano?

Le diminuzioni possono essere causate da: precipitazioni, apporto di acqua dolce dai fiumi, fusione di iceberg e di ghiaccio marino.
Gli aumenti possono essere causati da: evaporazione e formazione di ghiaccio marino.

Per casa, chiederò ai ragazzi di fare una piccola ricerca per stabilire dove si trovano le acque più salate del mondo e che salinità hanno.

La lezione successiva ricominceremo a esplorare investigando la relazione tra temperatura e densità dell’acqua.

Ancora EXPLORE!

La domanda di ricerca dell’investigazione è: in che modo la temperatura influenza la densità dell’acqua?

Per questa attività servono:

• 2 cilindri graduati da 100 mL
• 2 provette da 10-15 mL
• due becher
• colorante alimentare
• bacchetta di vetro per mescolare
• ghiaccio
• acqua del rubinetto

Procedura:

1. In un becher mescolare bene acqua del rubinetto con alcuni cubetti di ghiaccio.
2. Riempire il cilindro graduato con l’acqua del rubinetto raffreddata con il ghiaccio fino al segno di 100 ml. Nel cilindro non deve esserci nessun pezzetto di ghiaccio.
3. Mettere 2-3 gocce di colorante in una provetta e riempirla a metà con acqua del rubinetto calda.
4. Versare lentamente il contenuto della provetta nel cilindro graduato e annotare quanto si osserva (l’acqua calda rimane  in superficie).
5. In un becher con acqua e ghiaccio aggiungere 2-3 gocce di colorante e mescolare la soluzione per alcuni secondi. Riempire a metà una provetta con un po’ dell’acqua colorata ghiacciata (senza ghiaccio in pezzi).
6. Riempire il secondo cilindro con acqua calda del rubinetto fino al segno di 100 mL.
7. Versare lentamente l’acqua fredda e colorata della provetta nel cilindro e annotare quanto si osserva (l’acqua colorata affonda rapidamente).

Analisi e conclusioni:

1. Osservare: Quali differenze avete notato nel comportamento dell’acqua nei due cilindri? Quale campione d’acqua era più denso in ciascun esperimento? (Nel primo cilindro l’acqua calda è rimasta sulla superficie dell’acqua più fredda, mentre nel secondo cilindro l’acqua fredda è affondata sotto quella più calda. L’acqua con maggiore densità è quella più fredda in entrambi gli esperimenti).
2. Fare inferenze: in che modo la temperatura influenza la densità dell’acqua? (Quando la temperatura diminuisce, la densità dell’acqua aumenta)
3. Trarre conclusioni: Se due campioni di uguale massa avessero uguale salinità, quale campione sarebbe più denso: il campione A alla temperatura di 25°C o il campione B alla temperatura di 14°C? (Il campione B)

Ancora Explain

Partendo da quanto emerso dalla discussione dei risultati delle investigazioni condotte a piccoli gruppi, spiegherò che la densità dell’acqua oceanica è influenzata principalmente da due fattori: la salinità e la temperatura.

Un aumento nella salinità aumenta la concentrazione delle sostanze disciolte e risulta in un aumento della densità marina. Un aumento della temperatura risulta, invece, in una diminuzione della densità. La temperatura ha la maggior influenza sulla densità superficiale perché le variazioni di temperatura superficiale sono maggiori delle variazioni di salinità. Infatti, è solo nelle aree estreme polari dell’oceano, dove le temperature sono basse e rimangono relativamente costanti, che la salinità influenza in modo significativo la densità. Quest’acqua fredda avendo anche maggiore salinità è tra le acque a maggiore densità del mondo.

ELABORATE

Per casa i ragazzi dovranno analizzare i dati di una tabella che indica valori di salinità superficiale degli oceani Atlantico e Pacifico a diverse latitudini.

Usando colori diversi per ciascun oceano dovranno costruire un grafico salinità/latitudine e rispondere alle seguenti domande:

1. A quali latitudini si trovano le salinità maggiori? (Circa 20°N e S)
2. Quali sono i due fattori principali che controllano la concentrazione di sali nell’acqua di mare? (Aggiunta di sali: pioggia e deflusso superficiale; rimozione d’acqua: evaporazione e formazione di ghiaccio marino)
3. Qual è la ragione per la differenza nella salinità superficiale dell’acqua tra le regioni equatoriale (0°) e subtropicale (20-30°) nell’Oceano Atlantico? (Pioggia vs evaporazione)
4. Quale oceano, Atlantico o Pacifico, ha la salinità media maggiore? (Atlantico)
5. Suggerisci una ragione per le differenza di salinità superficiale media tra i due oceani.

La lezione seguente, dopo aver analizzato il grafico e discusso le domande assegnate per casa, chiederò ai ragazzi di osservare attentamente un nuovo grafico che mostra le variazioni nella temperatura superficiale e nella salinità al variare della latitudine tenendo a portata di mano anche la carta globale degli oceani del loro libro testo.

In coppia risponderanno alle seguenti domande (max 10 minuti):

• A quale latitudine la salinità superficiale è minore? (60°N)
• Dove si trova questa regione? (Vicino al Circolo Artico)
• Durante quale stagione(i) dell’anno è più probabile che siano stati raccolti i dati sulla salinità alla latitudine di 60°N? (Primavera o estate)
• Perché lo pensi? (Probabilmente il ghiaccio si stava sciogliendo, cosa che aumenta la salinità)
• In che modo la temperatura può influenzare la salinità? (Temperature sopra il punto di congelamento permettono al ghiaccio polare di fondere, aggiungendo acqua dolce e diminuendo la salinità. La formazione di ghiaccio a temperature inferiori al punto di congelamento sottrae acqua dolce aumentando la salinità)

Quindi proseguo la lezione chiedendo:

Perché la temperatura e la salinità delle acque superficiali dell’oceano variano al variare della latitudine?

I ragazzi dovrebbero ricordare un semplice esperimento fatto in classe mentre studiavamo l’astronomia, in cui hanno esplorato cosa succede quando la luce del Sole colpisce in modo diretto una superficie rispetto a quando invece colpisce la Terra con un certo angolo, quindi non dovrebbe essere troppo difficile per loro collegare le variazioni con la quantità di radiazione solare ricevuta.

A quale latitudine la temperatura superficiale è maggiore? Perché? (All’equatore e alle basse latitudini perché queste aree ricevono la maggiore quantità di radiazione solare con l’angolo di incidenza maggiore).

Passeremo, quindi, all’analisi dei grafici che mostrano la variazione della temperatura al variare della latitudine.

Chiederò di descriverli e di provare a definire con le proprie parole il significato dello strato chiamato termoclino.

Dopo aver ascoltato le definizioni dei ragazzi dirò che il termoclino è lo strato di acqua oceanica compreso tra i 300 e i 1000 m dove si verifica un rapido cambiamento di temperatura con la profondità.

Secondo voi, perché il termoclino è assente nelle regioni ad alte latitudini?
(Le temperature delle acque superficiali sono più simili alle temperature delle acque profonde)

Proseguiamo analizzando allo stesso modo i due grafici che mostrano la variazione della densità al variare della latitudine.

Ancora una volta chiederò di descrivere i due grafici e di provare a definire con le proprie parole il significato dello strato chiamato picnoclino.

Dopo aver ascoltato le definizioni dei ragazzi dirò che il picnoclino è lo strato di acqua oceanica compreso tra i 300 e i 1000 m in cui la densità aumenta rapidamente con la profondità.

Infine,  chiederò di mettere a confronto il grafico analizzato in precedenza, che mostra il termoclino, con quello che mostra il picnoclino e di rispondere alle seguenti domande:

• Confrontare – In cosa sono simili questi due grafici? (Entrambi mostrano variazioni che si verificano dalla superficie oceanica fino alla profondità di 1000 m)
• Confrontare – Quali sono le differenze tra questi due grafici? (La temperatura diminuisce all’interno del termoclino mentre la densità aumenta all’interno del picnoclino)
• Fare inferenze – Cosa potete dedurre sulla temperatura osservando questi due grafici? Perché? (Poiché la densità dell’acqua oceanica è influenzata più dalla temperatura che dalla salinità ne consegue che il gradiente di densità mostrato nel grafico delle basse latitudini rifletta le variazioni di temperatura con cambiamenti di profondità mentre la mancanza di un gradiente di densità nel grafico delle alte latitudini riflette le poche o nessuna variazione di temperatura con i cambiamenti di profondità)
• In quali circostanze un picnoclino potrebbe verificarsi in acque alle alte latitudini? (Durante le stagioni più calde dell’anno, quando il ghiaccio fonde e aggiunge acqua dolce negli strati superiori dell’acqua marina, creando una variazione di densità rispetto all’acqua a profondità maggiore)

Per oggi mi fermo qui. Questo post è già troppo lungo, non trovate?

Il mio intento è quello di mostrarvi  sinteticamente non solo quali attività pratiche si possono fare in classe ma come gestisco l’intero percorso di insegnamento di questa unità. Per forza di cose devo frammentare il racconto ma credo che tutto ciò possa essere utile da un lato come strumento per chi non ha mai insegnato questo argomento, dall’altro come punto di partenza per un confronto tra i nostri modi di gestire il lavoro in classe.

Aspetto, quindi, osservazioni, suggerimenti e idee.

La prossima settimana cercherò di pubblicare due volte in modo da portare a termine questo progetto prima dell’inizio del rientro in classe.

A mercoledì!

Barbara

Per saperne di più:

• Abilità di processo: B. Scapellato, Inquiry-Based Science Education. Dalla teoria alla pratica: l’approccio IBSE per una comprensione profonda delle scienze naturali, Pearson, 2017, pagg. 53-54

• Bell R.L., Smetana L., Binns I. (2005), Simplifying Inquiry instruction, in The Science Teach- er, 72, 7, pp. 30-34.

• Bybee R. W. et alii (2006), The BSCS 5E instructional model: Origins, effectiveness, and applications, BSCS, Colorado Springs.
• National Research Council (2000), Olson S., Loucks-Horsley S. (eds.), Editors Inquiry and the National Science Education Standards: A Guide for Teaching and Learning, The National Academies Press, Washington D.C.
• Padilla M.J. (1990), The Science Process Skills, in Research Matters – to the Science Teacher No. 9004. Reston, VA: National Association for Research in Science Teaching (NARST).