Rigenerare organi

Lucas Massella è nato con la spina bifida, un difetto congenito per cui  il canale spinale della colonna vertebrale non si chiude correttamente in fase fetale.
All’età di dieci anni, nel 2001, era gravemente malato. Non poteva correre o giocare all’aperto con i suoi amici. Poteva a malapena andare a scuola. Nel caso di Lucas, il difetto  alla colonna vertebrale ha portato alla paralisi della vescica. Quando la vescica non funziona correttamente, l’urina può refluire verso i reni e danneggiarli e se i reni non funzionano le sostanze di rifiuto si accumulano e portando ad un danno renale che può essere letale. Nonostante 16 interventi chirurgici, i reni di Luca erano in grave pericolo. Stava perdendo peso e non era in grado di avere una vita normale. Le alternative erano poche: trapianto di rene o dialisi per tutta la vita. La famiglia di Lucas decide, quindi, di tentare un trapianto sperimentale, mai eseguito prima. Alcune cellule di Lucas vengono prelevate e messe in coltura e due mesi dopo una stampante 3D “stampa” una nuova vescica da trapiantare. L’intervento riesce perfettamente, salva i reni e riporta Lucas in salute tanto che diventerà il capitano della squadra di wrestling del suo liceo.

Il medico  che ha eseguito questo rivoluzionario intervento è il dott. Anthony Atala, direttore del Wake Forest Institute per la Medicina rigenerativa (WFIRM), a Winston-Salem, N.C.

 

Che cos’è la medicina rigenerativa?

La medicina rigenerativa è una branca della medicina che ha lo scopo di sostituire e rigenerare le cellule di tessuti o organi di pazienti che hanno subito una lesione o che hanno avuto una malattia che ha danneggiato in modo permanente i loro tessuti.  I ricercatori stanno scoprendo come coltivare alcuni di questi tessuti  a partire dalle cellule dei pazienti stessi, riducendo così la necessità di organi di donatori e l’uso a lungo termine di farmaci immunosoppressori. Il Wake Forest Institute per la medicina rigenerativa sta studiando tecniche per la crescita di tessuti sostitutivi e organi per più di 30 parti del corpo, tra cui pelle, vescica, fegato, reni e orecchie. La stampante 3D utilizzata per creare organi, come la vescica di Lucas, utilizza, come “inchiostro”, una soluzione di cellule in sospensione in un gel a base di acqua (idrogel). I tessuti e gli organi, prodotti a partire da uno stampo in materiale sintetico biodegradabile, sono composti da un reticolo di sottili canali attraverso cui acqua, ossigeno e sostanze nutritive possono raggiungere le cellule trattenute nel gel. Man mano che le cellule colonizzano la “protesi” biodegradabile, questa si dissolverà fino a scomparire completamente.

La storia di Lucas Massella e del Dott. Atala sono un Engage perfetto per le mie lezioni di istologia. Dopo aver visto i video discutiamo un po’:

  • Che cos’è l’istologia?
  • Da cosa sono composti gli organi?
  • Quali tipi di tessuto conoscete?
  • In che modo conoscere l’istologia può aiutare lo sviluppo della medicina rigenerativa?
  • Quali tipi di malattie e condizioni di salute possono trarre beneficio da questa tecnologia?
  • Quando potremo beneficiare di questa tecnologia?

L’argomento appassiona e cattura l’interesse dei ragazzi, per cui approfondisco la questione  ancora un po’  mostrando anche altre opzioni.

Ad esempio, invece di ricostruire un organo da zero è possibile partire da un organo decellularizzato. Per costruire un nuovo cuore, ad esempio, per prima cosa, grazie a particolari detergenti, si devono rimuovere tutte le cellule da un organo donatore (in questo caso di maiale) ottenendo così una sorta di impalcatura proteica che viene “seminata” con cellule che cresceranno grazie a fattori di crescita e a stimolazione meccanica fino a ricreare un nuovo organo completo. Il cuore di maiale prodotto con questa tecnica, però, è in grado di generare il battito cardiaco ma la forza generata dai tessuti è insufficiente per pompare sangue mentre la conduzione elettrica è ancora molto lenta (Le Scienze 19/08/2013).

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Ma ci sono altri esempi di maggiore successo. Nel 2010, a Londra, il chirurgo toracico dell’ospedale di Careggi Paolo Macchiarini, insieme a un equipe di medici inglesi, ha trapiantato con successo in un bambino di 10 anni una trachea umana che è stata decellularizzata e ricoperta con cellule staminali e respiratorie del paziente.

Se (beati voi!) disponete di un laboratorio ben attrezzato potreste mostrare il processo facendo decellularizzare un frammento di tessuto ai vostri ragazzi. Servono un tampone fosfato salino (PBS) e una soluzione di Sodio dodecil solfato (SDS)  al 10%. La decellularizzazione di organi interi richiede molti giorni per cui è più pratico utilizzare materiali più sottili come ad esempio una vena (si potrebbe chiedere ad un macellaio di fiducia). I tessuti vengono quindi lavati con la soluzione di SDS che si lascerà agire per circa tre giorni. Prima e dopo la decellularizzazione, gli studenti osserveranno il tessuto al microscopio.

Io non dispongo (ancora!) di queste sostanze ma ho letto che il sodio dodecil solfato (detto anche laurilsolfato di sodio o sodio laurilsolfato), è un tensioattivo utilizzato in molti prodotti come dentifrici, shampoo, schiuma da barba e bolle di sapone grazie al suo effetto schiumogeno per cui, in mancanza d’altro, varrebbe la pena di fare un tentativo anche con questi. Che ne dite? Avete suggerimenti?

A questo punto siamo pronti ad esplorare i tessuti. Solitamente non mi accontento di spiegare semplicemente la struttura e la funzione dei diversi tipi di tessuti. Estrapolate da un contesto concreto agli occhi dei ragazzi queste informazioni sono solo una lunga lista senza senso né utilità.  Quindi, dopo una introduzione teorica, i miei ragazzi imparano a studiarne le caratteristiche attraverso l’osservazione di preparati istologici al microscopio seguita da un’attività cooperativa di “riconoscimento” dei tessuti da immagini plastificate senza didascalia.

Osservare, disegnare e cercare di riconoscere il tessuto a partire dalle caratteristiche osservate non solo affina la loro capacità di compiere osservazioni ma porta una una più profonda comprensione anche delle strutture studiate. A casa, poi, rinforzo l’esercizio segnalando alcuni siti che offrono una vasta collezione di preparati.

In fase di interrogazione ripropongo sempre una delle immagini dei tessuto osservati in classe e chiedo loro di spiegarmi il processo che utilizzano per cercare di identificarlo. Può sembrare un tantino eccessivo, lo so, ma vi assicuro che i ragazzi riescono sempre a cavarsela, anzi si divertono perché tutti riconoscono sempre il “vetrino” proposto. E voi? Che cosa fate quando spiegate un po’ di istologia?

Atlanti di istologia virtuale:

Per ulteriori idee e approfondire la medicina rigenerativa: 

 

 

Animali fantastici e come studiarli

Ungaro spinato, Gallese verde, Petardo cinese e Grugnocorto svedese. Sono i draghi che Harry Potter, Fleur Delacour, Victor Krum e Cedric Diggory affrontano nella prima prova del Torneo Tremaghi in Harry Potter e il calice di fuoco (J. K. Rowling, Salani 2001).

Draghi. Quattro enormi draghi completamente sviluppati, dall’aria malvagia, si impennavano in uno spazio recintato da spesse assi di legno, ruggendo e sbuffando: torrenti di fuoco sprizzavano nel cielo buio dalle loro bocche spalancate e zannute, sorrette da colli tesi a quindici metri di altezza. Ce n’era uno di un blu argenteo con lunghe corna appuntite, che ringhiava e tentava di mordere i maghi a terra; uno verde ricoperto di scaglie lisce, che si contorceva e pestava i piedi con tutte le sue forze; uno rosso con una strana frangia d’oro lucente attorno al muso, che sparava nuvole di fuoco a forma di fungo nell’aria; e uno nero gigantesco, più simile a un lucertolone degli altri, il più vicino a loro.

Harry Potter e il calice di fuoco (J. K. Rowling, Salani 2001, p.281).

E che dire di Drogon, Rhaegal e Viserion che guideranno Daenerys alla conquista dei Sette Regni del Trono di Spade?

Ma, soprattutto, cosa c’entrano i draghi con lo studio delle scienze?

Geniverse è un software gratuito per attività STEM interattive del Concord Consortium’s. Per accedervi bisogna registrarsi indicando se si accede come docente o come studente, la nazione di provenienza e il nome della scuola di appartenenza. All’interno del repository si trovano moltissime attività interessanti tra cui Geniverse una sorta di gioco interattivo per studenti di scuola superiore (ma adattabile anche per quelli della secondaria di primo grado) che li coinvolge nell’esplorazione della genetica incrociando e studiando… draghi virtuali!

Il gioco è corredato da strumenti per la valutazione (pre-test e post-test) in grado di fornire un immediato feedback sull’apprendimento degli studenti. Ma non finisce qui!

C’è anche Geniversity, sito di supporto di Geniverse, in cui potrete trovare una guida per il docente, lesson plans, dispense per gli studenti e indicazioni didattiche sull’insegnamento attraverso il gioco. Insomma… tante idee e risorse davvero valide!

Se, invece, nella vostra scuola il digitale ancora non vi assiste potete sempre “ripiegare” su tecnologie non digitali come: carta, forbici e pennarelli.

Nell’attività “La genetica dei draghi” (Dragon genetics di Pamela Esprivalo Harrell della University of North Texas), gli studenti disegneranno un drago con caratteristiche derivate dal mescolamento casuale di geni di origine paterna e materna. Per fare ciò, simuleranno il processo della fecondazione che porta alla formazione di uno zigote diploide, ossia con due assetti cromosomici, ciascuno fornito da uno dei due genitori. Dall’analisi degli alleli presenti su ciascun cromosoma comprenderanno che il genotipo è il corredo genetico, ossia l’insieme dei geni posseduti da un individuo mentre il fenotipo è costituito dalle caratteristiche fisiche o fisiologiche espresse dei geni. Dover “decifrare” i caratteri espressi dai cromosomi aiuterà gli studenti a comprendere meglio i Principi di Mendel e le sue estensioni.

Per ciascun gruppo serviranno:

  • 2 ovetti di plastica
  • filo di lana
  • colla a caldo (facoltativo)
  • pennarelli o matite colorate
  • carta
  • forbici e colla

Prima dell’attività si dovranno preparare i “cromosomi”. Quando fate le fotocopie, è meglio utilizzare carta colorata per distinguere il materiale genetico paterno da quello materno: per esempio azzurra per il padre e rosa per la madre. Variate in modo opportuno le lettere che indicano i geni dominanti/recessivi/codominanti/legati al sesso in modo da assicurarvi varietà nella progenie. Create dei set di 4 cromosomi di forma leggermente diversa (3 autosomi e 1 cromosoma sessuale) per ciascun gamete ed eventualmente plastificateli in modo che possano essere riutilizzati. Disponete i cromosomi paterni in ovetti a cui avete attaccato un filo di lana che simuli la coda degli spermatozoi, mentre quelli materni in ovetti senza coda, possibilmente più grandi (anisogamia), che simulino le cellule uovo, come questi (scusate la pessima qualità delle foto!):

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Se non trovate gli ovetti di plastica (nei negozi di hobbistica) o se volete risparmiare risorse economiche e/o tempo, potete mettere i cromosomi paterni e materni in semplici bustine di plastica trasparente.

Se voleste rinforzare anche il concetto della casualità della fecondazione, uno dei fattori che producono variabilità genetica nella riproduzione sessuata, potreste far “costruire” agli studenti gli assetti cromosomici dei gameti facendo scegliere in modo casuale i cromosomi da inserire negli ovetti da un contenitore che contenga tutti i gameti possibili che si possono ottenere con i geni a disposizione.

In classe

Far scegliere casualmente un ovulo e uno spermatozoo di drago. Simulando la mescolanza del materiale genetico al momento della fecondazione, fate aprire lo spermatozoo e la cellula uovo e mescolare sul banco i cromosomi. Utilizzando il numero presente su ciascuno (materno e paterno) fateli appaiare creando 4 coppie di cromosomi omologhi.
Far annotare tutte le caratteristiche dei tratti presenti sui cromosomi in una tabella  specificando il genotipo e il fenotipo del cucciolo di drago e se è omozigote/eterozigote/emizigote per quel carattere.

Per far determinare il fenotipo fate utilizzare la chiave degli alleli che fornirete.
Dite ai ragazzi di prestare molta attenzione al formato della lettera che indica il carattere, ricordando che la lettera maiuscola rappresenta il carattere dominante mentre quella minuscola il carattere recessivo.

Una volta determinati i tratti ereditati dal cucciolo di drago, i ragazzi dovranno ritagliare le parti del corpo appropriate dalla scheda che fornirete, incollarle su un foglio di carta (o disegnare direttamente il draghetto su un foglio) e colorarle in modo da mettere in evidenza il fenotipo del nuovo individuo.

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Semplice ma efficace! Naturalmente, come sempre, se vi interessano i materiali pronti da stampare…scrivete! 🙂

 

Per saperne di più:

 

E la giraffa…va in scena

Fate un po’ di istologia con i vostri ragazzi?

La settimana scorsa, in quarta, ho finito gli argomenti di scienze della Terra previsti  dalla mia programmazione (terremoti e vulcani) e così ho cominciato a riguardare/riorganizzare i materiali di anatomia umana per le prossime lezioni. Essendo nata biologa (ma geologa d’adozione!), amo moltissimo questa parte del percorso didattico che inizierò con una riflessione sulla relazione tra le strutture e le funzioni dei tessuti animali.

Come bene sapete, è fondamentale che i ragazzi comprendano che gli adattamenti strutturali che esploreranno  nelle lezioni di anatomia sono stati modellati dalla selezione naturale e, poiché mi piace “animare” le lezioni attraverso forme diverse di  narrazione unirò parole e immagini per parlare di una delle evidenze più note a questo proposito: la lunghezza del nervo laringeo ricorrente della giraffa.

La narrazione partirà, quindi, dall’osservazione di una immagine che mostra il decorso e la lunghezza del nervo laringeo ricorrente in una giraffa, stimolata da una domanda: come potete osservare, anche se l’encefalo delle giraffe non è molto lontano dalla gola, i nervi della laringe percorrono molta strada per raggiungerla. Come mai?

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In effetti, i nervi che attraversano la laringe delle giraffe sono molto lunghi: partono dall’encefalo, si ripiegano a ”U” attorno all’aorta e raggiungono i muscoli della gola che permettono l’emissione dei suoni, il respiro e la deglutizione.

Per trovare una risposta a questa domanda leggeremo alcuni brani tratti dal libro di Richard DawkinsIl più grande spettacolo della Terra – perché Darwin aveva ragione“.

Nel corso dell’evoluzione dei mammiferi […] il collo si allungò (i pesci non hanno collo) e le branchie scomparvero; alcune  si trasformarono in cose utili come la tiroide, la paratiroide e vari altri componenti della laringe. Queste cose utili, tra cui le parti della laringe, ricevettero il proprio rifornimento di sangue e le connessioni nervose dai discendenti evolutivi dei vasi sanguigni e dei nervi che un tempo irroravano le branchie in sequenza ordinata. […]

Nell’uomo, la via presa dal nervo laringeo ricorrente compie una deviazione di una decina di centimetri. Ma in una giraffa è davvero paradossale, perché, in un adulto di grandi dimensioni, raggiunge  i quattro metri e mezzo!

Nel suo libro, Dawkins racconta che il giorno dopo il Darwin Day del 2009 (bicentenario della nascita di Darwin) ha passato l’intera giornata con un’équipe di anatomisti comparati e anatomopatologi veterinari del Royal Veterinary College, vicino Londra, i quali hanno sezionato una giraffa morta da poco allo zoo.

Il teatro anatomico era un vero teatro con una enorme parete di vetro che divideva il <<palcoscenico>> dalla platea gremita di studenti di veterinaria.

La giraffa era stesa su un grande tavolo con una zampa tenuta sospesa da un gancio e una carrucola e il lungo collo era illuminato dai fari di scena. Tutti gli “attori” sul palco indossavano una tuta arancione e scarpe bianche.

La deviazione del nervo laringeo ricorrente della giraffa era così lunga che diversi anatomopatologi hanno dovuto lavorare contemporaneamente per isolare tratti distinti del nervo (la laringe vicino alla testa, la ricorrenza vicino al cuore e tutte le stazioni intermedie).

Con pazienza, l’intero percorso del nervo laringeo è stato così individuato. Un’impresa simile sembra sia stata compiuta solo da Richard Owen, creazionista convinto, nel 1837, che però non riuscì a trarre le ovvie conclusioni da quanto osservato.

… tutta la storia della deviazione dimostra in maniera mirabile come le creature viventi siano lungi dall’essere ben progettate. E, per un evoluzionista, è importante chiedersi perché la selezione naturale non faccia quello che farebbe un ingegnere, ossia tornare al tavolo da disegno per organizzare le cose in maniera più razionale.[…]

Il caso del nervo laringeo si presta a una risposta in termini di <<costo marginale>>, come lo chiamano gli economisti. Quando il collo della giraffa si allungò lentamente nel corso del tempo evolutivo, il costo della deviazione, in termini di economia come in termini di <<balbuzie>> (della giraffa), aumentò gradualmente. […] Il costo marginale di ciascun millimetro di aumento era esiguo. Quando il collo della giraffa cominciò ad avvicinarsi all’attuale, impressionante lunghezza, il costo totale della deviazione si stava forse approssimando al punto in cui un individuo mutante sarebbe – in via ipotetica – sopravvissuto meglio se le fibre laringee discendenti si fossero separate dal vago e, con un piccolo salto, avessero colmato la breve distanza che le divideva dalla laringe. […]

Molto probabilmente la mutazione necessaria non sarebbe comunque mai avvenuta. Anche se fosse avvenuta, avrebbe potuto benissimo comportare svantaggi, com’è inevitabile in qualsiasi grande perturbamento di un processo complesso e delicato. […]

Anche se, nel caso la si fosse potuta realizzare, l’idea di un <<ritorno al tavolo da disegno>> sarebbe stata migliore, l’alternativa era un aumento molto piccolo rispetto alla deviazione esistente, con un costo marginale altrettanto piccolo. Più piccolo, ho l’impressione, del costo del <<grande sconvolgimento>> necessario a produrre la soluzione più elegante.

Parole e immagini, dicevo. Infatti, in rete, ho scovato questo piccolo gioiello:

Stupendo, no?

Inizia così il nostro viaggio verso lo studio dell’anatomia e della fisiologia umana. Prossima lezione: un po’ d’istologia. A proposito, non mi avete ancora risposto! Voi fate un po’ di istologia?

Una questione di taglia

Uno degli aspetti importanti da far comprendere quando si affronta lo studio della cellula è l’importanza delle dimensioni. A questo proposito ho appena finito di leggere il libro di John Tyler Bonner, Why size matters – From Bacteria to Blue Whales, che vi consiglio assolutamente.

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Nel suo libro, Bonner fornisce moltissimi esempi interessanti per mostrare che è la taglia ciò che guida la forma e la funzione di qualunque essere vivente.

Le dimensioni di un organismo, infatti, sono sempre sotto stretta sorveglianza da parte della selezione naturale. La natura è composta da una vasta rete di quelle che Bonner chiama nicchie di taglia e tutti gli organismi viventi devono sempre fare i conti con la possibilità che per la propria progenie possa essere vantaggioso diventare più grandi o più piccoli.

Se si tratta di animali le dimensioni possono essere importanti per poter sfuggire ai predatori o cacciare una preda. Se si tratta di piante possono essere importanti per avere successo nella competizione per catturare i raggi solari necessari alla fotosintesi. Per i microrganismi il vantaggio più ovvio nel diventare più grandi può essere legato ad una maggiore velocità nell’inseguire una preda o nello scappare dai predatori. Diventare più grandi per pluricellularità può, invece, significare una dispersione delle spore più efficace o una migliore digestione del cibo, in quanto la presenza di una maggior quantità di enzimi digestivi viene assicurata dall’incremento del numero di cellule.

E l’elenco potrebbe continuare ancora, ma il punto chiave della faccenda è che, secondo Bonner, i cambiamenti di taglia (aumento o diminuzione) avranno vantaggi o svantaggi e saranno incoraggiati o scoraggiati dalla selezione naturale. È, quindi,  la selezione naturale la forza motrice per il cambiamento della dimensioni che, quando avviene, comporta moltissime conseguenze, soprattutto se aumentano.

Cambiare taglia significa modificare il volume, ma quando le dimensioni delle cellule aumentano queste fanno più fatica sia ricevere i nutrienti che a far uscire le sostanze di rifiuto e servirà una superficie per la diffusione adeguata al nuovo volume. Di conseguenza,  per taglie diverse ci saranno forme diverse.

Questo, naturalmente, influenzerà il metabolismo, la locomozione e molte altre proprietà. All’aumento di volume corrisponderà anche un aumento nella suddivisione del lavoro, ossia del numero di cellule e dei tipi di tessuti. Senza i necessari aggiustamenti richiesti dalla nuove dimensioni, gli organismi più grandi non ce la farebbero e, quindi, non esisterebbero. Potremmo, quindi, dire che sono le dimensioni a dettare le regole della vita.

Se, invece, le dimensioni diminuiscono, la taglia ha un ruolo un po’ diverso e non è più il dittatore assoluto, come dice Bonner. Questo perché avere una massa minore può consentire una diminuzione delle strutture che contribuiscono alla robustezza della cellula o della superficie per la diffusione. Potrebbe anche succedere che continuando a diminuire di dimensioni non ci sia più spazio per tutte le strutture che avevano gli antenati più grandi e alla fine se ne potrebbe anche perdere qualcuna. La diminuzione di taglia è, quindi, un processo molto meno esigente di quello dell’aumento di taglia.

C’è una correlazione tra forza, diffusione sulla superficie, suddivisione del lavoro e tutte le attività che riguardano le velocità dei processi come metabolismo, tempi di generazione, longevità, velocità di locomozione e persino abbondanza degli organismi in natura. Ciò che collega tutti questi fattori è la taglia.

Un cambiamento nelle dimensioni, quindi, richiederà o sarà correlato a un cambiamento nella forza, nell’area superficiale, nella suddivisione del lavoro e in tutti i processi collegati a tempo e velocità  e persino alla densità della distribuzione degli organismi in natura. Ciascuno di questi fattori correlati alla taglia è interdipendente dagli altri: se uno cambia, cambiano anche gli altri. Ecco perché “size matters”, ossia le dimensioni, in natura, contano.

Libro interessante, davvero. Ma noi sappiamo già molto bene quanto sia importante insistere sul perché le cellule sono piccole. Ma cosa significa veramente per i nostri ragazzi l’aggettivo “piccolo” quando si parla di cellule?

L’esperienza mi ha insegnato di non dare mai nulla per scontato e che quando si tratta di quantità molto grandi (per esempio miliardi di anni, o milioni di km) o molto piccole (per esempio nanometri, ångströmi ragazzi non riescono a  comprendere fino in fondo quanto grandi o piccoli siano in realtà questi numeri e ce lo dimostrano continuamente per esempio quando, parlando di fenomeni geologici, confondono con disinvoltura le centinaia di migliaia di anni con i milioni o i miliardi come se fossero la stessa cosa (in fondo si tratta sempre di un sacco di tempo, no?).

Già in altre occasioni ho usato piccole attività per far comprendere il reale significato di alcuni numeri (per esempio questa: ENGAGE-Ciclo dell’acqua) perché ritengo che sia molto importante far fare anche questo tipo di  esperienze, per cui mi sono messa a cercare in rete qualche idea che  mi aiutasse a far comprendere davvero ai miei ragazzi quanto è piccola una cellula.

Cercando cercando, ho trovato un bell’articolo di Gerald Rau, in cui viene proposta un’attività cbasata sull’osservazione di cellule di lievito. In pratica a ciascun gruppo di studenti viene dato un granellino di lievito disidratato e viene chiesto di provare a fare una stima del numero di cellule di lievito presenti in quel granellino e di calcolare il numero di cellule presenti in una bustina di lievito utilizzata per fare l’impasto di pizza.

L’attrezzatura richiesta è minima: microscopio ottico, vetrini e una confezione di lievito disidratato. In pratica i ragazzi dovranno fare tre cose:

  • una previsione sul numero di cellule di lievito presenti in un granulo di lievito secco;
  • determinare, attraverso il microscopio, lunghezza e larghezza del granulo in mm per determinarne il volume;
  • contare il numero di cellule di lievito in tre campioni casuali, osservati con il microscopio ad alto ingrandimento.

Per prima cosa, si farà osservare al microscopio la forma del granellino di lievito, ma, naturalmente, non riusciranno a vedere nessuna cellula. Quindi, si fa fare una previsione su quante cellule di lievito potrebbero essere presenti in quel granello e si annotare questa previsione sul quaderno (o sulla scheda di lavoro) in modo da poterla riesaminare successivamente.

È  bene spiegare che il lievito per la panificazione è  costituito da colture miste di lieviti, ossia funghi unicellulari, prevalentemente Saccharomyces cerevisiae.

Si può, quindi, guidare una discussione di classe per cercare di capire insieme come si potrebbe fare a determinare prima il numero di cellule di lievito presenti nel granello e poi il numero di cellule in un dato volume di lievito secco (quello contenuto nella bustina). Per aiutarli nel ragionamento si potrebbe realizzare il modello di un granello di lievito con un tubo di cartone da carta igienica, chiuso ad una estremità e riempito con una varietà piccola di fagioli, o qualcosa di simile, per rappresentare le cellule di lievito nel granulo. Grazie a questo modello i ragazzi riusciranno a capire meglio perché non hanno visto cellule al microscopio perché anche nel modello dall’esterno si può solo osservare la forma cilindrica del rotolo (il granello) ma non i singoli fagioli (ad eccezione per l’estremità aperta del rotolo). Spargendo i fagioli su un vassoio diventa possibile contarli, quindi si dovrà trovare un modo per fare lo stesso con le cellule di lievito (basterà mettere il granello a contatto con un po’ d’acqua). Sempre discutendo, si può chiedere ai ragazzi come poter fare a stimare il numero dei fagioli nel vassoio senza contarli uno ad uno e si arriverà a stabilire di contarli in un’area più piccola e poi fare le dovute proporzioni. Per dare un’idea si potrebbe mettere il coperchio di una capsula Petri ( o un coperchio di plastica trasparente) su un’area del vassoio identificando così l’area in cui poter contare i fagioli. È bene far presente che la scelta delle aree in cui contare i fagioli deve essere casuale ma che può capitare di doverne escludere alcune non rappresentative perché anomale (troppo affollate o con pochi fagioli).

È arrivato, quindi, il momento di metterli al lavoro al microscopio per prendere le “misure” del granello di lievito disidratato. Quindi, per poter contare le cellule di lievito,  si aggiunge una goccia d’acqua al granulo posto sul vetrino per reidratarlo. Dopo un minuto si “agita” il miscuglio con lo spigolo di un coprioggetto tenendolo con attenzione dalle estremità. Se venisse usato un altro sistema (per esempio una bacchetta) si potrebbero perdere molte cellule di lievito. Si deposita, quindi, il coprioggetto sul vetrino e si preme delicatamente con il gommino di una matita per spargere meglio le cellule di lievito facendo, però, molta attenzione, a non far fuoriuscire acqua. Se dovessero formarsi ammassi troppo grandi è sempre meglio preparare un nuovo vetrino. Quindi, si passa al conteggio delle cellule di lievito ad alto ingrandimento in almeno tre aree scelte a caso. A seconda della tecnica usata per contare, sarà poi necessario fare gli opportuni calcoli per stabilire il numero di tutte le cellule nel vetrino.

 

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A questo punto, però, cari amici ho assolutamente bisogno del vostro aiuto.

Devo confessarvi che dai tempi dell’università (ho paura a dire quanti anni sono passati!) non ho più fatto nessuna misurazione né conta di cellule con un microscopio. Documentandomi un po’ ho capito che se si compra un vetrino con reticolo non dovrebbe essere difficile ma chiedo aiuto a voi perché sono certa che saprete indicarmi un sistema semplice ed efficace per farlo. Avete mai fatto niente di simile? Se sì, come avete fatto? Potreste postare nei commenti (o scrivermi privatamente se preferite)  la tecnica che usate voi?

Infine, una volta fatte tutte le misurazioni e i conteggi, si avranno tutti i dati necessari per calcolare il numero di cellule di lievito contenute nella quantità usata per fare l’impasto della pizza (una bustina).

Tempi previsti

Per realizzare l’attività, secondo Rau, servono due periodi da 50 minuti: uno per raccogliere i dati e l’altro per rielaborarli e preparare la relazione. Per i calcoli, gli studenti avranno bisogno di sapere quanto lievito secco contiene la confezione (mediamente 7-10 g), che un cucchiaio da tavola (10 g di lievito) ne contiene un volume di circa 11 ml.

I calcoli sono la parte più complessa dell’attività ma bisognerebbe resistere alla tentazione di aiutare troppo. I ragazzi imparano molto di più quando comprendono il perché fanno certi calcoli piuttosto che quando si limitano semplicemente a seguire una procedura.

Durante la fase di discussione dei risultati ciascun gruppo dovrà riuscire a spiegare la procedura usata per il campionamento delle cellule di lievito, i dati raccolti e i calcoli eseguiti e mostrare di aver compreso veramente quanto è piccola una cellula (o quanto grande è il numero di cellule presenti nella bustina).

Dovranno anche riflettere sulle possibili fonti di errore che potrebbero aver commesso nelle misurazioni.

Io non vedo l’ora di provare. Che ne dite? Mi aiutate? Aspetto i vostri suggerimenti, mi raccomando!!! 🙂 

Riferimenti bibliografici:

  • Bonne, John Tyler. Why size matters – From Bacteria to Blue Whales. Princeton University Press (2006).
  • Rau, Gerald. How small is a cell? The science teacher, ottobre 2004, pag.38-41.

Una stella in una scatola

Benvenuto! Ora sei l’orgoglioso proprietario della Stella in una scatola. Dentro la scatola potrai animare i diversi stadi della vita di una stella e vedere in che modo la sua luminosità, le sue dimensioni e la sua massa cambiano nel tempo. Non appena solleverai il coperchio ti basterà cliccare sul bottone play per cominciare.

Inizia così una bella attività interattiva sul ciclo evolutivo delle stelle: Star In A Box.

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Si tratta di una applicazione che consente di animare stelle con masse diverse per osservarne i cambiamenti nel tempo. Alcune stelle, infatti, hanno una “vita spericolata” e vivono a tutta velocità, mentre altre  cambiano molto poco in miliardi di anni. L’applicazione permette di visualizzare i cambiamenti di massa, dimensioni, luminosità e temperatura superficiale per tutti gli stadi che la stella attraverserà nel corso della sua vita.

Questa attività può essere utilizzata in due modi diversi.

Se avete già spiegato il diagramma H-R e il ciclo evolutivo delle stelle potreste assegnarla per casa come  rinforzo alla spiegazione in modo da assicurarvi che i ragazzi abbiano compreso veramente, oppure (scelta preferita e preferibile) si potrebbe fare PRIMA della spiegazione trasformandola, così, in una attività di esplorazione con dati indiretti (in altre parole…IBSE). Nel secondo caso, a mio avviso, è davvero importante fare l’attività in classe in modo che  i ragazzi siano costretti a riflettere senza cercare soluzioni rapide ai quesiti che potremo porre.

Ma vediamo come funziona.

Step 1

Per prima cosa si deve aprire il coperchio della scatola (open the lid).

La schermata si apre su un diagramma di Hertzsprung-Russell in cui la posizione di una stella viene definita in base a luminosità (espressa in unità solari, ossia attribuendo il valore 1 a quella del Sole) e temperatura superficiale (in Kelvin).

Sul lato destro della schermata si trova un pannello con informazioni che permetteranno il confronto tra il Sole e la stella scelta (dimensioni, temperatura superficiale, luminosità e massa).

open the lid

Step 2 – Il ciclo evolutivo del Sole 

Cliccando sul pulsante play (il triangolo in basso a destra)  si potranno vedere le varie fasi che la stella attraverserà nel corso della sua vita.  Se non impostata diversamente, la prima stella che i ragazzi si troveranno davanti avrà massa uguale a 1, quindi si tratterà del Sole.

Una volta terminata l’animazione, si clicca sul pulsante Data Table (in alto a destra) e si potranno così analizzare i valori di raggio, luminosità, temperatura e durata in milioni di anni degli stadi principali del ciclo evolutivo della stella (rispetto al Sole).

Step 2

A questo punto si possono sollecitare i ragazzi con alcune domande per stimolare la riflessione. Ad esempio:

  1. indica il nome dei tre stadi evolutivi della stella (o del Sole);
  2. usando i dati a tua disposizione descrivi i cambiamenti a cui andrà incontro la stella (o il Sole) durante la sua esistenza utilizzando i termini aumenta, diminuisce  o resta lo stesso, per ciascuna quantità presente nella tabella dati, indicando non solo i valori che cambiano ma anche come cambiano (come nella tabella sotto riportata).
  3. In che fase della sua vita la stella (o il Sole) avrà luminosità maggiore?
  4. Quando la stella (o il Sole) avrà temperatura superficiale maggiore?
  5. In quale stadio del suo ciclo evolutivo trascorrerà la maggior parte del tempo?
  6. In quale stadio del suo ciclo vitale andrà in contro a cambiamenti maggiori? Argomenta la risposta basandoti sui dati a tua disposizione.
  7. Quale tipo di stella diventerà al termine della sua esistenza?
  8. Per quanto vivrà?

 

1

 

Una volta terminata la riflessione, si torna alla schermata principale e si clicca sul pulsante a forma di lampadina (in basso a destra).

Nel riquadro a destra apparirà una scala di luminosità. Cliccando nuovamente su play si potrà osservare come cambia la luminosità durante la vita della stella. Anche in questo caso si potranno sollecitare i ragazzi con alcune domande:

  • in quale stadio del suo ciclo evolutivo la stella (o il Sole) avrà luminosità maggiore?
  • Quanti anni avrà in quel momento?

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Si clicca, quindi, sul pulsante a forma di termometro.

Cliccando nuovamente play si potrà osservare come cambia la temperatura superficiale della stella al passare del tempo:

  • in quale stadio del suo ciclo evolutivo la stella (o il Sole) avrà la temperatura superficiale maggiore?
  • Qual è questo valore (in K)?

 

temperatura

 

Infine, si clicca sul pulsante con l’orologio e si potrà vedere il tempo che la stella passa nelle diverse fasi:

  • in quale stadio del suo ciclo evolutivo la stella (o il Sole) passerà la maggior parte del tempo?
  • Quanto vivrà in tutto?
 orologio

 

Step 3

Utilizzando la funzione “massa della stella” si potrà, poi, esplorare l’evoluzione di stelle con masse diverse. Cliccando ancora una volta sul pulsante play si potrà vedere l’evoluzione della nuova stella selezionata. Si ripete l’operazione più volte variando la massa delle stelle e, utilizzando il diagramma H-R si sollecita i ragazzi con alcune domande:

  • le stelle con la massa minore in che punto della sequenza principale si trovano?
  • Le stelle con la massa maggiore in che punto della sequenza principale si trovano?
  • Indica il nome dei tre possibili destini finali della vita di una stella che dipendono dalla sua massa iniziale.

 

Step 4

Infine, si chiede di ripetere le stesse operazioni per raccogliere dati su stelle con masse diverse inserendoli nella tabella sotto riportata:

tabella 2

 

Step 5

Si passa al confronto delle temperature:

  • che massa ha la stella con la temperatura maggiore?
  • in quale fase del suo ciclo evolutivo raggiunge questa temperatura?

Si confrontano le luminosità:

  • la stella più luminosa che massa ha?
  • la stella più luminosa ha la stessa massa della stella più calda?

Per concludere:

Sulla base dei dati analizzati, qual è la relazione tra temperatura, luminosità, massa e durata della vita per le stelle di sequenza principale?

Questa relazione vale anche per le stelle che si trovano al di fuori della sequenza principale?

E voi? Come utilizzereste questa applicazione? Quali altre domande potrebbero stimolare la riflessione dei ragazzi? Che ne pensate?

 

Per saperne di più:

Altre idee sul diagramma H-R:

La scienza in classe

Conoscete il sito Science in the classroom dell’American Association for the Advancement of Science (AAAS)?

Science in the Classroom (SitC) è una raccolta gratuita di articoli di ricerche pubblicate sulla rivista Science Magazine, annotati in modo da favorirne l’uso a scuola. Queste risorse hanno, infatti, lo scopo di aiutare insegnanti e studenti a comprendere la ricerca contenuta nella letteratura scientifica primaria, attraverso annotazioni e materiale didattico di accompagnamento.

Le annotazioni (learning lens) includono un glossario, i metodi, descrizioni delle ricerche precedenti e la spiegazione delle conclusioni principali. Ogni articolo è corredato da una guida per l’insegnante che illustra le connessioni alle competenze scientifiche all’interno del quadro teorico di riferimento e degli standard di apprendimento della STEM education (da Science- Scienza, Technology- Tecnologia, Engineering- Ingegneria, Maths- Matematica).

Le guide per l’insegnante suggeriscono anche attività, domande di discussione e risorse per ulteriori esplorazioni dell’argomento.

Se il database di Science in classroom non facesse per voi (o per l’età dei vostri studenti), si può sempre avvicinarsi alla scienza “vera” attraverso l’analisi di articoli tratti da Le scienze o altre riviste scientifiche guidata da un organizzatore grafico, in cui gli studenti, dopo aver letto l’articolo, devono:

  • identificare il concetto chiave
  • scrivere un riassunto con le proprie parole (non un elenco di fatti ma una descrizione generale)
  • rappresentare le idee chiave con un disegno, uno schema o una mappa
  • indicare i fatti (dati) scientifici (almeno cinque)
  • scrivere un glossario con almeno 5 termini chiave
  • annotare le proprie domande (almeno due)
  • indicare la rilevanza, o meno, della ricerca.

Secondo le ricerche, infatti, utilizzare organizzatori grafici per la lettura di un testo scientifico aiuta ad organizzare le informazioni e permette agli studenti di classificare osservazioni e fatti, comprendere le relazioni tra i fenomeni, trarre conclusioni, sviluppare spiegazioni e generalizzare i concetti scientifici durante la lettura di un testo.

Anche voi utilizzate organizzatori grafici per la lettura di testi? Quali usate?

Segnalate o condividete nei commenti!

Siti dove reperire articoli (adatti anche per attività CLIL):

Consigli di lettura per creare momenti magici di apprendimento

L’educazione scientifica basata sull’investigazione sta diventando sempre più oggetto di interesse per molti insegnanti e così, chiacchierando con colleghi o consultando il web, mi è capitato spesso di sentir parlare di  “metodo” IBSE.

Un metodo, però, è qualcosa di prescrittivo, una sorta di algoritmo, o di  ricetta, che viene applicato sempre allo stesso modo. L’apprendimento basato sull’investigazione non si può, quindi, considerare un metodo pedagogico, ma un approccio all’insegnamento che ha caratteristiche chiave che possono essere implementate in vari modi.

La didattica inquiry-based si sviluppa a partire da due principi ispiratori: l’insegnamento delle scienze deve garantire l’effettiva comprensione dei concetti piuttosto che la semplice memorizzazione delle informazioni e deve portare ad una riflessione su che cos’è la scienza.

Gli insegnanti devono, quindi, organizzare le attività in modo che  gli studenti sviluppino conoscenza e comprensione delle idee scientifiche per imitazione del lavoro degli scienziati (NSES, 1996).

Molto spesso gli insegnanti mi chiedono: come faccio a dare ai miei studenti opportunità di fare attività inquiry-based se devono apprendere anche una grande quantità di contenuti?  Ma soprattutto… riescono ad imparare anche abbastanza contenuti?

La mia risposta è sempre la stessa: , ma, secondo le ricerche,  per riuscire in questa impresa si deve imparare a combinare le caratteristiche dell’inquiry con un approccio sistematico all’insegnamento che sia anche coerente e focalizzato sui risultati di apprendimento delle abilità proprie dell’inquiry e dei concetti scientifici (Flick and Lederman, 2005).

Ok, direte voi, lascia stare le ricerche e dicci come!

Negli anni del dottorato ho potuto seguire corsi di formazione per docenti di alcuni progetti Europei (Fibonacci, Inquire, Profiles, Establish per citarne alcuni) e ho, quindi, visto approcciarsi all’IBSE davvero in tanti modi diversi ma, alla fine, ho scelto di seguire la strada che non solo mi è più congeniale ma che è la più supportata da evidenze di successo a livello internazionale. Sto parlando, ancora una volta, del cosiddetto learning cycle delle 5E.

Il learning cycle è un approccio sistematico all’insegnamento che permette di progettare momenti magici di insegnamento/apprendimento delle scienze basati sull’inquiry.

Deriva dalle teorie costruttiviste (Herbart, Dewey e Piaget) ed è stato sviluppato negli anni ‘80 da Rodger Bybee del Biological Science Curriculum Study (BSCS), un’organizzazione americana che sviluppa curricoli scolastici nell’ambito della Biologia.

Questo modello è un ampliamento di quello di Karplus e Their (1967) e consta di 5 fasi: Engage, Explore, Explain, Elaborate ed Evaluate.

Mi sembra di sentirvi: già detto, già detto, già detto.

Verissimo, ma oggi scrivo per consigliarvi di leggere un libro (acquistabile ad esempio su Amazon) scritto dal mitico Rodger W. Bybee in persona: The BSCS 5E instructional model: creating teachable moments, NSTApress (2015) che vi permetterà di comprendere più in profondità questo modello didattico.

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In questo libro, Bybee racconta come fare a implementare il modello didattico delle 5E in classe per creare momenti di apprendimento (che io definisco “magici”) in cui gli studenti, e gli insegnanti, siano completamente coinvolti.

Il libro è strutturato in modo che il lettore comprenda il senso profondo di ciascuna fase anche attraverso l’organizzazione stessa dei contenuti trattati.

Nel testo potrete trovare informazioni pratiche su come implementare il modello in classe ma anche un’esplorazione delle idee che hanno portato allo sviluppo di questo modello, dei fondamenti della psicologia dell’apprendimento e delle ricerche che ne supportano la validità.

Secondo Bybee, un “teachable moment” si verifica quando un insegnante fa qualcosa, nel contesto del modello delle 5E, di inaspettato in cui gli studenti sono motivati ad apprendere. Si tratta di opportunità educative solitamente non pianificate in cui la probabilità di apprendimento è molto maggiore. Dal punto di vista degli studenti, invece, i momenti magici di apprendimento si verificano quando un’esperienza ha significato a livello personale (è importante, mi confonde, ha conseguenze per la mia vita), quando  sperimentano qualcosa che riconoscono e che ha un significato per loro, ma non sono in grado di spiegarlo, quando afferrano il senso dell’esperienza ma non la comprendono del tutto per cui vogliono saperne di più (disequilibrio cognitivo di Piaget).

Secondo l’autore, il modello didattico delle 5E crea questi momenti magici a partire dalla fase di ENGAGE ad esempio attraverso una semplice domanda o con una dimostrazione che ha conseguenze inaspettate (un evento discrepante). La fase di ENGAGE, però, è solo un punto di partenza perché la vera sfida è riuscire a mantenere vivo l’interesse per tutta la durata del percorso di apprendimento.

Nel libro, Bybee fornisce anche molti esempi e spunti  pratici che aiutano il lettore a trovare una guida utile in fase di progettazione. Ma di questo vi parlerò la prossima volta. Adesso… godetevi Bybee in persona! 🙂

Investigare le stelle con i glow sticks

Buon nuovo anno a tutti voi!

Lo so, in realtà la scuola è cominciata già da un po’ ma, anche se con un po’ in ritardo, spero che il mio augurio vi raggiunga comunque! 🙂

Nuovo anno, nuove idee?

Ogni tanto, quando sono molto stanca perché ho troppi impegni e non so da che parte prendere (per esempio negli ultimi dieci giorni), mi viene da chiedermi perché mi “caccio sempre nei guai da sola” cercando di aggiungere ogni anno qualcosa di nuovo alla mia didattica, quando le giornate sono già abbastanza piene. La risposta arriva puntuale nelle mattinate come quella che ho avuto ieri. Con la mia prima “nuova di zecca”  abbiamo cominciato l’esplorazione dello spettro elettromagnetico. Ho fatto costruire uno spettroscopio e i ragazzi lo hanno usato per osservare lo spettro generato da diversi tipi di lampadine. Divisi in gruppi hanno osservato la luce naturale del Sole, la luce di un neon (illuminazione della classe), di una lampadina a incandescenza e di una a fluorescenza. A un certo punto, mentre tenevo sollevato un porta lampada, di quelli che usano i muratori o gli imbianchini per intenderci, e loro osservavano lo spettro generato dalla luce della lampadina, il mio cuore ha avuto un tuffo.

Dovevate vedere con quanto impegno ed entusiasmo, sorpresi, osservavano i diversi spettri che quella sorta di giocattolino di carta riusciva a creare davanti ai loro occhi. Erano così belli!!!

È stato proprio uno di quei momenti magici di apprendimento in cui capisci che tutto il tempo passato a cercare nuove attività per rendere attivo il loro apprendimento non è solo un regalo che faccio loro ma è un regalo che faccio anche a me stessa. È per momenti come questi che non mollo e ogni nuovo anno torno a studiare, cercare e progettare ancora e ancora. Sono sicura che anche per molti di voi sia così! Per cui…ecco una nuova idea da provare!

Quest’estate, facendo un giretto da Tiger ho comprato qualche confezione di glowsticks, i bastoncini fluorescenti che si trasformano in braccialetto. In quel momento non mi servivano, ma “sentivo” che prima o poi sarebbero stati utili e così è stato. Solitamente questi bastoncini fluorescenti vengono usati per studiare la relazione che c’è tra temperatura e velocità di reazione, ma siamo in settembre ed è ancora presto per affrontare questo argomento con i ragazzi di quarta.

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Cercando un modo di utilizzarli con i più piccoli, ho scoperto una meravigliosa attività inquiry-based  realizzata dal CPALMS, un sito americano dedicato al supporto degli educatori in cui vengono forniti risorse e strumenti gratuiti per l’insegnamento delle scienze che vi consiglio assolutamente di visitare.

L’attività in questione, The amazing glow stick, permette di investigare ed esplorare gli effetti della temperatura su luminosità e durata della vita delle stelle usando, udite udite, proprio i miei glowsticks! La fortuna aiuta gli audaci, giusto?

Se vi va di continuare a leggere, ora vi racconto cosa potete fare!

Innanzitutto sappiate che durante l’attività gli studenti eserciteranno anche le abilità proprie dell’ inquiry perché:

  • faranno previsioni sulla base delle loro conoscenze pregresse,
  • useranno un protocollo sperimentale per condurre un’investigazione,
  • analizzeranno in che modo la temperatura influenza la luminosità e la durata dei glow sticks,
  • saranno in grado di descrivere gli effetti di alcuni fattori che influenzano luminosità e durata delle stelle.

Cosa serve?

Per ciascun gruppo di studenti:

  • 3 glow sticks dello stesso colore
  • un termometro
  • tre contenitori (becher o cilindri di vetro o bicchieri di plastica dipende dal tipo di bastoncino che avete)
  • un cronometro
  • 250 mL di acqua a temperatura ambiente, 250 mL di acqua fredda e 250 mL di acqua molto calda
  • occhiali di protezione

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L’attività è di inquiry strutturato per cui gli studenti svolgeranno un’investigazione per rispondere ad una domanda proposta dall’insegnante, corredata dal   procedimento da seguire. Vi ricordo che, trattandosi appunto di inquiry strutturato,  l’investigazione precede la spiegazione, ma è bene che nelle lezioni precedenti si sia già chiarito che la luminosità di una stella viene descritta dalla magnitudine che si può misurare in due modi: magnitudine apparente quando ci si riferisce alla magnitudine di una stella osservata dalla Terra (che dipende, quindi dalla luminosità della stella e dalla sua distanza), o magnitudine assoluta quando ci si riferisce alla magnitudine apparente che una stella avrebbe se si trovasse a una distanza standard dalla Terra (32,6 anni luce).

Prima di cominciare, però, cercheremo di tirar fuori quanto sanno sulle stelle e sui fattori che ne influenzano la luminosità e la durata stimolandoli con alcune domande. (ENGAGE).

In cosa differiscono le stelle tra loro? (differenti colori/temperature, dimensioni, età o stadi del “ciclo vitale stellare”, livelli di luminosità)

Perché pensate che alcune stelle siano più brillanti di altre? (le stelle che sono più calde avranno maggiore luminosità)

Secondo voi, in che modo la temperatura influenza la luminosità delle stelle? (le stelle più calde saranno più luminose)

Quali fattori influenzano la luminosità delle stelle? (colore/temperatura, dimensioni, distanza dalla Terra)

Dopo aver diviso i ragazzi in piccoli gruppi, si introduce l’attività (EXPLORE) spiegando che investigheranno la relazione tra temperatura, luminosità e durata della vita delle stelle attraverso i glow sticks.

Prima di cominciare fa sempre bene un breve ripasso sulle norme di sicurezza: non aprire o bucare la plastica del bastoncino fluorescente (il  bastoncino può contenere vetro e le sostanze contenute all’interno possono macchiare la pelle o i vestiti e/o irritare la pelle), indossare gli occhiali di sicurezza e fare molta attenzione quando si maneggia l’acqua calda.

Quindi, invitiamo gli studenti a leggere TUTTE le parti della scheda che consegneremo loro. Durante l’attività i ragazzi dovranno osservare attentamente quanto accade alla ricerca di evidenze che li aiutino a rispondere alla seguente domanda:

in che modo la temperatura influenza la luminosità e la durata delle stelle?Osservazioni accurate vi aiuteranno a raccogliere evidenze.

I ragazzi verseranno 250 mL di acqua a diversa temperatura (ambiente, fredda e molto calda) in tre contenitori diversi (avendo bastoncini stretti e lunghi come quelli che ho usato io, viene meglio se si utilizzano dei cilindri di vetro al posto dei becher in modo che i bastoncini siano completamente immersi nell’acqua, oppure è meglio chiuderli ad anello con il gancetto in dotazione).

Quindi attiveranno i glow sticks piegandoli fino a sentire il “crack” che indica la rottura dell’ampolla al loro interno. Poi inseriranno un bastoncino in ciascun contenitore pieno d’acqua e registreranno la temperatura dell’acqua e il livello di  luminosità del glow stick ogni minuto per 15 minuti.

Per avere risultati migliori l’attività dovrebbe essere condotta al buio in modo che gli studenti possano valutare meglio le differenze di luminosità e le temperature dell’acqua nei contenitori dovrebbero essere lontane dalla temperatura ambiente (si potrebbe aggiungere del ghiaccio all’acqua fredda e scaldare su una piastra elettrica o su un fornello quella calda).

Nell’attesa, tra una misurazione e l’altra, risponderanno ad alcune domande.

  1. Qual è il controllo in questo esperimento? (Il bastoncino immerso nell’acqua a temperatura ambiente)
  2. Qual è la variabile indipendente? (La temperatura dell’acqua)
  3. Qual è la variabile dipendente? (La luminosità e la “durata” del bastoncino)
  4. Cosa pensi che accadrà al glow stick con il passare del tempo? Scrivi le tue previsioni e formula una ipotesi utilizzando le espressioni “se….allora”. (Le risposte varieranno. Qualcuno ad esempio dirà: se la temperatura dell’acqua è alta, allora il bastoncino sarà più luminoso e durerà di più)

I ragazzi dovranno progettare una tabella in cui inserire i dati raccolti in modo che sia facile fare un confronto temperatura/luminosità per tutti e tre i glow sticks immersi, rispettivamente, in acqua a temperatura ambiente, calda e fredda, al passare del tempo.

Per stabilire la luminosità, ogni minuto (per 15 minuti) i ragazzi assegneranno un punteggio da 1 (la luce più fioca) a 4 (massima luminosità) a ciascun bastoncino.

Ciò che osserveranno è che il bastoncino posto nell’acqua a temperatura maggiore all’inizio è più brillante degli altri ma manterrà questa luminosità per un periodo di tempo minore rispetto al controllo, mentre noteranno che quello posto in acqua molto fredda all’inizio è meno brillante ma la sua luminosità durerà molto più a lungo.

Infine, sempre in gruppo, dopo aver analizzato le evidenze raccolte, i ragazzi risponderanno alle domande conclusive:

In che modo quanto avete osservato può essere collegato alle stelle? (proprio come i glow sticks sono più luminosi nell’acqua più calda, allora le stelle con temperature maggiori brilleranno di più, mentre quelle più fredde saranno meno luminose) .

In che modo la temperatura influenza la luminosità e la durata delle stelle? Supportate la spiegazione con le evidenze raccolte (osservazioni).

L’ipotesi fatta inizialmente concorda con le conclusioni?

Le risposte varieranno ma gli studenti dovrebbero arrivare a concludere che le stelle con temperature maggiori hanno luminosità maggiore e una durata minore rispetto a quelle più fredde.

A questo punto, partendo dalla discussione delle conclusioni dei vari gruppi,  si passerà alla fase di EXPLAIN potremo affrontare la spiegazione approfondita dei fattori che influenzano la magnitudine e la durata del ciclo vitale stellare.

Se si avesse tempo si potrebbe poi investigare anche la relazione tra magnitudine e distanza delle stelle (EXTEND o ELABORATE) con un ulteriore attività in cui bastoncini con uguale luminosità vengono osservati a diverse distanze (troverete l’attività sul sito).

Come funzionano i glow sticks?

Quando i ragazzi romperanno il bastoncino questo comincerà a brillare. La luce prodotta in questo modo è un esempio di un fenomeno chiamato chemiluminescenza.

In pratica questi bastoncini sono costituiti da un tubicino di plastica contenente una sostanza chiamata difenilossalato, un colorante e una piccola ampolla di vetro con all’interno del perossido di idrogeno.

Quando il tubicino di plastica viene piegato, l’ampolla di vetro si spezza e il perossido di idrogeno reagisce con il difenilossalato con una reazione che produce l’emissione di luce. Il colore del glow stick, naturalmente, dipende dal tipo di colorante fluorescente che viene impiegato.

Se volete saperne di più sulla chimica della reazione vi consiglio di leggere l’interessante articolo sulla chemiluminescenza di Emma Welsh su Science in school.

Geoidee

Sono stata un po’ assente nelle ultime settimane, ma credo sappiate bene che questo, a scuola, è un periodo particolarmente impegnativo.

Niente attività nuove, quindi, ma qualche “geoidea” che potete trovare nel web.

1. Per gli appassionati della storia evolutiva della vita sulla Terra, segnalo tre articoli sulla scoperta in Groenlandia delle stromatoliti fossili più antiche del mondo:

 

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2. L’EPA ha realizzato un guida per ragazzi sui cambiamenti climatici che contiene informazioni chiare ed accurate su cause ed effetti. Il sito, molto accattivante, è organizzato in varie sezioni:

  • impara le basi
  • vedi l’impatto
  • pensa come uno scienziato (IBSE, IBSE e ancora IBSE!)
  • sii parte della soluzione
  • partecipa ad una spedizione sui cambiamenti climatici

 

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Nella parte dedicata agli insegnanti troverete: lesson plans, strumenti e suggerimenti, risorse web aggiuntive.

3. Per gli amanti dei film di fantascienza, in particolare del film “The martian” di Ridley Scott, la NASA ha realizzato materiali didattici proprio sulla “scienza” del film: The Real Martians. The Martian intreccia fantasia e scienza spostando temporalmente la storia in avanti, nel 2030, ma la NASA sta già sviluppando molte delle tecnologie che appaiono nel film. Nel sito, scienza e finzione vengono confrontate relativamente a: habitat, coltivazione di piante, recupero d’acqua, produzione di ossigeno, abbigliamento, rover, propulsione ionica, pannelli solari, RTG (generatore termoelettrico a radioisotopi), viaggio verso Marte. Insomma, moltissimi materiali per far esplorare agli studenti alcuni aspetti che devono essere considerati prima che sia possibile “colonizzare” il pianeta rosso.

Naturalmente, imperdibile il libro di Andy Weir, L’uomo di Marte, da cui è stato tratto il film.

Sempre sull’uso didattico di The Martian, vi consiglio anche l’interessante articolo del New York Times: Andy Weir’s Best Seller ‘The Martian’ Gets a Classroom-Friendly Makeover.

Con la testa tra le nuvole

Vi ricordate quando vi ho parlato del protocollo sulle nuvole del programma di citizen science GLOBE OBSERVER? Ebbene… è arrivato il momento. Domani comincio.

Un libro fantastico a tal scopo  è “Cloudspotting” di Gavin Pretor-Pinney, Le Fenici (Guanda), 2006. Ve lo consiglio assolutamente!

Questo libro è un condensato di meteorologia, racconti mitologici, arte e storie meravigliose da raccontare. Lo cominci a sfogliare e non lo chiudi più. L’autore nella sua introduzione racconta di aver fondato, nel 2004, un’associazione “The Cloud Appreciation Society” (Società per l’apprezzamento delle nuvole) aprendo anche un sito internet in cui ha cominciato a pubblicare le fotografie inviate da quelli che sono poi diventati membri dell’ associazione affinché gli altri soci avessero modo di ammirarle. Le cose si sono velocemente “ingrandite” tanto che ora l’associazione conta oltre 29000 inscritti (me compresa)!

Le nuvole sono costituite da miliardi di piccolissime gocce d’acqua sospese nell’atmosfera (principalmente in troposfera). Si formano dal raffreddamento di masse di aria umida che salgono in quota e dalla conseguente condensazione del vapore acqueo. In questo caso, la condensazione del vapore acqueo avviene non per uno scambio di calore con l’ambiente circostante ma per una variazione di pressione (trasformazione adiabatica): quando una massa d’aria si espande, le molecole occupano un volume maggiore, compiono un lavoro sull’ambiente e perdono energia: di conseguenza il gas si raffredda e il vapore in eccesso condensa.

Come mai nelle nuvole l’acqua ha un aspetto così diverso dal liquido che siamo abituati a vedere sulla Terra?

L’aspetto bianco e opaco delle nubi dipende dal fatto che l’acqua è distribuita in un’enorme quantità di goccioline (circa 10 milioni per metro cubo) e ciascuna goccia ha un diametro di appena qualche millesimo di millimetro (circa 10 μ). Tutte queste microsuperfici che si formano riflettono la luce in tutte le direzioni dando alla nuvola l’aspetto lattiginoso.

L’altezza delle nubi

Una convenzione internazionale ha stabilito di suddividere verticalmente in tre regioni la parte dell’atmosfera in cui le nubi si presentano abitualmente:

– regione superiore, che va dai 5 ai 13 km;

– regione media, che va dai 2 a 7 km;

– regione inferiore, che va dagli strati vicini al suolo a 2 km.

Le nubi vengono quindi suddivise in nubi alte, nubi medie e nubi basse a seconda che occupino quote dell’alta (di solito sopra i 6 km), media (2-7 km) o bassa (0-2 km) troposfera. Naturalmente questa suddivisione è diversa a seconda della latitudine quindi questi valori cambiano se ci si trova ai poli o nelle regioni tropicali.

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Di solito alle medie latitudini, le nubi alte sono costituite solo da aghi di ghiaccio e quelle basse da goccioline liquide. Le nubi medie, invece, a seconda della quota e della latitudine, possono presentare l’uno o l’altro aspetto o una coesistenza delle due fasi.

Classificare le nubi

Le nuvole vengono classificate come gli esseri viventi, ossia con un sistema linneiano che si basa sul latino. I criteri di classificazione si fondano sull’altitudine e sulla forma (rapporto caratteristico tra dimensioni orizzontali ed estensione verticale).

La maggior parte delle nuvole rientra in uno dei 10 gruppi principali che vengono chiamati “generi”. All’interno di ciascun genere, si può individuare anche una possibile “specie” come pure una qualsiasi combinazione tra le diverse “varietà”. Esistono anche nubi accessorie e particolarità supplementari che a volte si presentano in concomitanza con i tipi fondamentali.

Insomma, se avete pensato che classificare le nubi fosse un gioco da ragazzi vi siete assolutamente sbagliati! C’è da farsi girare la testa!

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Le nubi basse

Tra le nuvole “basse” troviamo: cumuli, cumulonembi (che in realtà si estendono su tutti e tre i livelli), gli strati e gli stratocumuli.

I cumuli sono nuvole basse e rigonfie, ben distinte le une dalle altre, che si sviluppano in verticale assumendo la forma di piccole colline, cupole o torri, generalmente a partire da una base piuttosto piatta. La parte superiore ricorda le infiorescenze dei cavolfiori; dal punto di vista cromatico queste nubi hanno un colore bianco brillante quando riflettono i raggi del Sole alto nel cielo, ma possono apparire scure se il Sole si trova, invece, dietro di esse. Queste nubi tendono a disporsi in modo irregolare. Sono considerate “nubi del bel tempo” perché solitamente non producono alcun tipo di precipitazione, anche non bisogna dimenticare che in determinate condizioni qualsiasi nuvola può diventare portatrice di pioggia.

Tuttavia, una specie di cumulo, il Cumulus congestus, non è affatto una nuvola del bel tempo, è in grado di scatenare rovesci moderati o intensi e può diventare un enorme cumulonembo temporalesco, anche se ciò è poco comune nei climi temperati. Il consiglio di Gavin Pretor-Pinney è però questo: quando vedete dei cumuli evolversi nella specie congestus prima di mezzogiorno, preparatevi all’elevata probabilità di un forte acquazzone pomeridiano. Non dimenticate, contemplatori di nuvole “al mattino montagne, alla sera fontane”.

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I cumuli si formano a causa dei moti convettivi dell’aria. Quando il Sole splende e riscalda il terreno, si creano delle correnti termiche, chiamate correnti convettive, che salgono verso l’alto (provocando le turbolenze lievi che si possono sperimentare quando si attraversa un cumulo a bordo di un aereo). Queste correnti termiche portano verso l’alto l’umidità e poi consentono alle goccioline d’acqua di rimanere sospese nell’aria durante i dieci minuti che costituiscono la durata media di un cumulo.

I cumuli sono nuvole isolate. Questo si verifica perché certe superfici assorbono e irradiano meglio di altre il calore solare e quindi, a seconda dei luoghi, le masse d’aria subiscono gli effetti della convezione in misura maggiore o minore: ad esempio un parcheggio di asfalto riscalda l’atmosfera con più efficienza di un prato.

Gli abitanti dei mari del Sud usano la presenza di queste nubi come una sorta di faro per identificare la presenza della terraferma (in particolare di piccole isole) e dirigono l’imbarcazione verso un atollo molto prima di averlo avvistato. Questo perché, in una giornata di bel tempo la terra assorbe il calore del Sole con maggiore rapidità del mare e spesso si formano cumuli bianchi e soffici sopra le isole.

I cumulonembi sono, invece, cumuli a forte sviluppo verticale: sono le uniche nuvole in grado di svilupparsi attraverso tutti e tre gli strati troposferici, fino alla tropopausa. A queste nubi sono associate precipitazioni a carattere di rovescio (pioggia, neve e grandine) e manifestazioni temporalesche, e sono le uniche nuvole in grado di produrre scariche elettriche.

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Queste nubi sono una seria minaccia per chi viaggia in aereo. La grandine può avere dimensioni tali da danneggiare la fusoliera e i fulmini possono mettere fuori uso l’impianto elettrico e le terrificanti turbolenze nel suo corpo centrale sono in grado di capovolgere un aereo come se fosse una frittata. Per questo motivo i piloti si tengono decisamente alla larga da queste nuvole e se non hanno modo di aggirarle e l’aereo è in grado di volare a grandi altezze risolvono il problema passandoci sopra.

Nel suo libro, Gavin Pretor-Pinney racconta la storia sorprendente del tenente colonnello William Rankin, pilota dell’aeronautica statunitense che nell’estate del 1956 si trovava alla cloche di un caccia a reazione in avaria nel bel mezzo di un cumulonembo e fu costretto a catapultarsi fuori dalla cabina. Rankin è l’unico superstite a una caduta attraverso un cumulonembo sopravvissuto ad un temperatura che sfiorava i -50°C e alla decompressione “esplosiva” innescata dalla quota di quasi 15000 metri!

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Nonostante tutto Rankin, grazie al suo paracadute, riuscì ad atterrare in un bosco di pini. Non avendo riportato fratture riuscì poi a incamminarsi per chiedere aiuto. Quando in seguito fu visitato in ospedale, i medici gli riscontrarono decolorazioni dovute al congelamento in varie parti del corpo e vesciche e lividi provocati dai chicchi di grandine. Il petto mostrava inoltre le tracce lasciate dalle cuciture del giubbotto a causa del gonfiore provocato dalla drastica decompressione subita e il fatto che fosse riuscito a sopravvivere in tali condizioni lasciò medici e paziente stupefatti!

Gli strati sono, invece, le più basse tra tutte le nubi. La loro base può, a volte, raggiungere il suolo (in questo caso sono definite nebbie o foschie). Di solito si trovano ad altezze comprese tra la superficie terrestre e i 2 km.

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Sono nubi di colore grigio, dai confini molto indistinti. Il nome deriva dal latino stratus, participio passato del verbo sternere, che significa spargere, diffondere, coprire con uno strato. In effetti queste nuvole formano un tappeto uniforme, in grado di nascondere il Sole, che può estendersi in orizzontale per diversi chilometri, simile a una nebbia sospesa in quota.

Son composte fondamentalmente da goccioline d’acqua e quindi possono dar luogo a pioggerelle o deboli nevicate.

Gli stratocumuli sono nuvole basse, stratiformi o a banchi, dalle basi ben definite. Di solito sono costituiti da ciuffi e protuberanze, mostrano spesso forti variazioni di tono, dal bianco brillante al grigio scuro e compaiono per lo più a quote comprese tra i 600 e i 2000 metri. Possono presentarsi come una formazione ininterrotta (soprattutto in inverno ricoprono quasi interamente il cielo) o discontinua. Gli stratocumuli possono essere considerati una via di mezzo tra i cumuli, nuvole isolate e libere di vagare, e le coltri informi degli strati.

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A causa della molteplicità di varianti di stratocumuli in continua trasformazione, l’autore paragona queste nuvole alla cantante pop Cher al culmine delle metamorfosi che caratterizzano i suoi spettacoli, quando è sempre sul punto di sparire dietro le quinte per risalire sul palcoscenico avvolta in un costume ancora più fantastico del precedente. Anche gli “abiti di scena” di uno stratocumulo offrono una vasta gamma di scelte. Una delle più spettacolari ha l’aspetto di una “nube a rullo”. L’autore racconta di aver persino attraversato mezzo mondo in aereo solo per vedere una formazione chiamata “Morning Glory” che compare a settembre/ottobre sopra le regioni settentrionali del Queensland, in Australia!

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Le nubi medie

Gli altocumuli vengono descritte come strati di pagnottine che velano il cielo. Queste nubi sono strati o banchi che compaiono nelle regioni intermedie della troposfera e assumono la forma di ammassi arrotondati, rulli o mandorle lenticolari. Dal punto di vista cromatico sono bianchi o grigi e presentano ombre scure sul lato più lontano dal Sole. Sono composti per lo più da goccioline d’acqua, ma possono contenere anche cristalli di ghiaccio. Molto di rado producono lievi piogge.

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Il 27 luglio 1907, nella piccola città norvegese di Drobak qualcuno fece una fotografia al panorama del fiordo di Oslo. L’immagine in bianco nero mostra un paio di pontili in primo piano e alcuni clipper ancorati alla fonda. Si vede anche una specie di disco scuro nel cielo sopra i velieri. Sessant’anni dopo, l’istantanea venne pubblicata dalla “Domenica del Corriere” e la rivista la spacciò per una delle più antiche testimonianze di un UFO. Nella didascalia della foto si poteva leggere: “A tutt’oggi il fenomeno rimane un mistero”.

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Ebbene, mistero svelato: si trattava di una particolare specie di altocumulo chiamato lenticularis. Anche se nella foto non si vede un granché, solo una forma appiattita, l’indizio principale che permette di determinare la vera natura della presunta navicella spaziale è la collina davanti alla quale aleggia. Se è vero che gli altocumuli appaiono di solito come uno strato o un banco di nuvolette separate da distanza più o meno regolari la specie lenticularis ha caratteristiche abbastanza diverse dagli altocumuli tipici e ha molti tratti in comune con la sua omologa dei più bassi stratocumuli.

In entrambi i casi, sono chiamate nubi orografiche per via del fatto che si formano quando una massa d’aria viene spinta con forza verso l’alto per superare l’ostacolo di una altura o di una montagna che si trovano sul suo cammino.

Continuando la nostra carrellata, troviamo gli altostrati, strati di medio livello, altrimenti dette “nubi noiose”. Questi sono strati di nubi medie di colore grigio che assomigliano a una specie di velo fibroso e uniforme. Si estendono per parecchie migliaia di chilometri quadrati. sono composte per lo più da goccioline d’acqua e cristalli di ghiaccio e spesso sono abbastanza sottili da rivelare la posizione del Sole che vi traspare come se risplendesse dietro un vetro smerigliato. Gli altostrati possono formare intorno al Sole o alla Luna una corona (ossia un disco luminoso) bianca o anche colorata, nel caso siano molto rarefatti.

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Il momento più magico per osservare gli altostrati è l’alba o il tramonto. Lo scrittore americano Henry David Thoreau era un appassionato di nuvole. I suoi diari sono disseminati di celebrazioni del cielo:

“Quelle nuvolette, la retroguardia del giorno, ormai completamente buie, furono nuovamente illuminate, per un istante, da un riflesso di un giallo smorto e poi nuovamente spente, ed ecco il rossore della sera farsi più intenso finché di esso si tinge tutto l’orizzonte ad ovest e a nord-ovest, come se in quei punti il cielo fosse stato tinto di uno speciale colore indiano, una tinta permanente, come se l’Artista dell’universo avesse mischiato tutti i suoi rossi sul bordo del piattino capovolto del cielo… Come se le gocce di alcune bacche fossero state strofinate sull’orlo del cielo.”

(H.D.Thoreau, Journal, 20 luglio 1852)

I nembostrati sono le coltri spesse e grigie da cui piove, piove, piove. Queste nubi sono strati densi, grigi e privi di caratteristiche salienti, che danno luogo a precipitazioni prolungate, continue e spesso intense di pioggia, neve o nevischio. Per via delle precipitazioni stesse, tendono a presentare basi molto indistinte. Sono le più spesse tra le nubi stratificate e in generale coprono il cielo per parecchie migliaia di chilometri quadrati. come accade ad ogni nuvola piovosa, nell’aria umida sotto la formazione può addensarsi uno Stratus fractus, noto anche con il nome di pannus, che ha l’aspetto di brandelli nuvolosi, di colore più scuro rispetto alla parte inferiore del nembostrato. Quando questi brandelli si uniscono, tendono ad abbassare ulteriormente la base della nube. I nembostrati hanno sempre uno sviluppo verticale sufficiente a nascondere completamente il Sole o la Luna.

Le nubi alte

Tra i dieci tipi principali di nuvole, i cirri sono quelle più alte (si formano tra i 5 e i 13 chilometri). Hanno forma di scie bianche e delicate e consistono di agglomerati o fasce di cristalli di ghiaccio. Si presentano separati gli uni dagli altri e mostrano un aspetto serico o fibroso. Di rado raggiungono uno spessore notevole. Appaiono spesso insieme ad altre nuvole d’alta quota, i cirrostrati e i cirrocumuli, e come queste ultime, possono creare aloni intono al Sole o alla Luna. Di giorno, essendo i primi a essere illuminati dal Sole, si riconoscono facilmente perché più bianchi di qualunque altra nube. Possono presentarsi con le estremità a uncino, a ciuffi isolati o in banchi. Se hanno la forma ad uncino significa che si trovano nell’alta troposfera dove i venti soffiano con violenza. Spesso sono disposti a bande e, per effetto di prospettiva, convergono verso uno o due punti dell’orizzonte.

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I cirrocumuli sono banchi o strati di alta quota, detti anche “cielo a pecorelle”, composti da minuscole nuvolette simili a granelli bianchi. Non hanno nessuna ombreggiatura, nemmeno sul lato più lontano dal Sole. I singoli elementi sono in genere separati da distanze regolari e assumono spesso l’aspetto di una serie di increspature: in questo caso si è in presenza della varietà indicata dall’aggettivo undulatus.

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A volte possono essere confusi con gli altocumuli, ma basta sapere che la larghezza apparente dei cirrocumuli è inferiore e di circa 1 grado, ossia pari alla larghezza del dito mignolo a braccio teso. Queste nubi sono l’ultimo stadio che annuncia l’arrivo di un fronte caldo e, a differenza dei cirri e dei cirrostrati, indicano che il peggioramento è imminente (cielo a pecorelle, acqua a catinelle).

I cirrostrati si trovano alla stessa altezza dei cirrocumuli e formano uno strato bianco e sottile simile a un velo che spesso copre l’intero cielo e gli conferisce un aspetto lattiginoso. Spesso sono così sottili da non essere neppure avvertiti. Sono costituiti essenzialmente da cristalli di ghiaccio e presentano una densità e un’estensione nettamente più alta dei cirri. A volte creano il fenomeno degli aloni: anelli luminosi bianchi o colorati, chiazze o archi di luce intorno al Sole o alla Luna.

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Questo è solo un lungo assaggio di ciò che potete trovare in questo meraviglioso libro: scienza, arte, poesia, storie incredibili. Ci sono mille spunti per lezioni favolose e tante “dritte” per apprezzare lo spettacolo meraviglioso che il cielo ci offre ogni giorno.

Ma per finire…che ne dite di un bell’esperimento per creare una nube in bottiglia?

 

Per saperne di più:

Laboratorio: una nube in bottiglia

Atlante delle nubi

– NASA/ NOAA cloud chart

GLOBE OBSERVER