Progettare unità di apprendimento IBSE: #9 Explore/Explain/Elaborate (terza e ultima parte)

Siete arrivati fin qui! In queste ultime dieci (dieci!!!) settimane avete avuto la pazienza di leggere tutte le fasi di questo percorso di progettazione. Oggi (finalmente!) concludiamo questo progetto estivo con le ultime attività.

EXPLORE

Inizio la lezione in laboratorio, dicendo:

Abbiamo visto che la circolazione superficiale degli oceani è guidata principalmente dallo stress (attrito) del vento ma, secondo voi, cosa fa muovere l’acqua in profondità? 

Come al solito, lascio due minuti di tempo perché ciascuno scriva sul proprio quaderno cosa ne pensa e poi discutiamo per altri 5 minuti circa (cronometro in mano, mi raccomando!).

Come ricorderete, in questa fase del lavoro i ragazzi sanno già che ci sono due sistemi di circolazione separati: la circolazione superficiale e quella profonda. Sanno anche che gli oceani sono stratificati secondo la densità. Potrebbero, invece, non aver ancora del tutto realizzato  come i cambiamenti di densità guidino la circolazione oceanica. Molte volte, infatti, i ragazzi pensano che ciò che fa muovere l’acqua in superficie (il vento) sia responsabile anche del movimento dell’acqua in profondità.

Come sempre, annoto le idee che emergono dalla breve discussione e poi propongo una serie di esplorazioni (tratte dal libro EarthComm Earth’s Fluid Spheres) in cui i ragazzi, investigando gli effetti delle variazione di temperatura e densità in una sorta di oceano in miniatura, scopriranno come temperatura e densità generano correnti verticali di densità.

Per queste attività servono:

• acqua del rubinetto calda e fredda
• sale fine
• bilancia
• contenitore di plastica trasparente delle dimensioni di una scatola da scarpe o vaschetta per acquario
• becher (o caraffa graduata) da un litro
• colorante alimentare rosso e blu
• termometro

1. Temperatura e circolazione 

Procedura

Poiché ho solo una vaschetta di plastica trasparente, la procedura verrà svolta da un paio di studenti (dimostrativa) ma i ragazzi lavoreranno a coppie per analizzare e discutere le osservazioni fatte e rispondere alle domande previste nella scheda che consegnerò prima di cominciare.

Per guadagnare tempo,  preparo in anticipo “dell’acqua di mare” portando ad ebollizione 2L di acqua del rubinetto, sciogliendoci 35 g di sale per litro e lasciando raffreddare completamente la soluzione. 1L di soluzione lo conservo a temperatura ambiente, mezzo litro lo metto in un contenitore immerso nel ghiaccio e il restante mezzo litro lo metto a scaldare su un fornello elettrico a bassa temperatura (non deve arrivare ad ebollizione).

Insieme leggeremo tutta la procedura e poi verseremo nella vaschetta di plastica “l’acqua di mare” a temperatura ambiente, precedentemente preparata, fino a riempirla a metà. Quest’acqua rappresenterà l’oceano.

Fare previsioni

Cosa pensate accadrà quando aggiungeremo acqua di mare fredda al nostro oceano? E quando aggiungeremo acqua di mare calda? Scrivete le vostre previsioni sulla scheda motivandone le ragioni. (Le risposte, naturalmente, varieranno. I ragazzi però dovrebbero spiegare il ragionamento che sta alla base della loro previsione. Dopo aver completato l’investigazione scopriranno che l’acqua fredda si muove verso il fondo della vaschetta mentre quella calda rimane in superficie a causa delle differenze di densità.) 

Prendiamo 250 mL dell’acqua di mare molto fredda e ci aggiungiamo qualche goccia di colorante blu.

Prendiamo 250 mL dell’acqua di mare calda e ci aggiungiamo qualche goccia di colorante rosso.

Secondo voi, perché è importante che la concentrazione di sale nell’acqua a temperatura ambiente, in quella fredda e in quella calda sia identica? (Salinità e temperatura sono i due fattori che determinano la densità dell’acqua. Per poter misurare gli effetti di una variabile, in questo caso la temperatura, le altre devono essere mantenute costanti.)

Misuriamo la temperatura dell’acqua dei tre diversi contenitori (ambiente, fredda e calda) e i ragazzi annotano le temperature nella tabella presente nella scheda.

Con molta lentezza e attenzione, versiamo contemporaneamente l’acqua di mare calda rossa e quella fredda blu alle estremità opposte della vaschetta di plastica (i ragazzi dovranno disporsi intorno alla vaschetta in modo da poter vedere bene cosa succede nell’acqua).

Individualmente, gli studenti devono fare un disegno di quanto osservato quando l’acqua di mare colorata è stata versata nella vaschetta. (Dovrebbero osservare che l’acqua rossa e calda rimane nella parte superiore della vaschetta, mentre quella fredda blu va a depositarsi sul fondo.)

Usando le osservazioni fatte, in coppia risponderanno alle seguenti domande:

• Quanto osservato corrisponde alla vostra previsione iniziale? Spiegate qualsiasi differenza.
• Cosa accadrebbe se usassimo dell’acqua molto più fredda e molto più calda? (La separazione sarebbe molto più evidente e molto più rapida perché le differenze di densità tra le due “masse d’acqua” sarebbe ancora maggiore.)

2. Salinità e circolazione

Dopo aver sciacquato e asciugato la vaschetta, versiamo nuovamente “dell’acqua di mare” a temperatura ambiente fino a riempirla a metà.

Lavorando a gruppi di due, i ragazzi dovranno stabilire come preparare due soluzioni a differenti salinità:

• 250 mL di una soluzione la cui salinità sia 1/4 dell’acqua di mare;
• 250 mL di una soluzione la cui salinità sia 4 volte quella dell’acqua di mare. (La prima cosa da stabilire è che se in un litro ci sono 35 g di sale, 250 mL ne conterranno 8,75. La soluzione la cui salinità è 1/4 conterrà, quindi, 2,2 g di sale per 250 mL, mentre quella con salinità 4 volte maggiore ne conterrà 35 g per 250 mL)

Una volta discussi i metodi di preparazione e stabilito come procedere, prepariamo le due nuove soluzioni che dovranno essere alla stessa temperatura (ambiente).

Secondo voi, perché è importante mantenere tutte le soluzioni alla stessa temperatura durante l’investigazione? (Salinità e temperatura sono i due fattori principali che determinano la densità dell’acqua. Per misurare l’effetto di una variabile, in questo caso la salinità, le altre devono essere mantenute costanti. Assicurarsi che gli studenti abbiano misurato la temperatura delle soluzioni prima di completare l’esperimento.)

Aggiungiamo, quindi, alcune gocce di colorante blu alla soluzione con salinità maggiore e alcune gocce di colorante rosso a quella a salinità minore.

Fare previsioni

Cosa pensate accadrà quando aggiungeremo le due soluzioni al nostro “oceano”? Scrivete le vostre previsioni sulla scheda motivandone le ragioni. (Le risposte, naturalmente, varieranno ma gli studenti devono spiegare il ragionamento che sta dietro la loro previsione. Scopriranno poi che a causa delle differenze di densità la soluzione con maggiore salinità si muoverà verso il fondo della vaschetta mentre quella meno salina rimarrà vicino alla superficie dell’acqua.)

Lentamente, verseremo contemporaneamente le due soluzioni alle estremità opposte dell’oceano nella scatola. I ragazzi osserveranno quanto accade e faranno un disegno di quanto osservato.

In gruppo, useranno le osservazioni fatte per rispondere alle seguenti domande:

• Quanto osservato corrisponde alla vostra previsione iniziale? Spiegate qualsiasi differenza. (Le risposte varieranno ma i ragazzi dovrebbero aver osservato che l’acqua rossa a salinità minore sale verso la superficie, mentre quella blu più salata va sul fondo.)
• Che cosa accadrebbe se usassimo una soluzione a salinità molto maggiore e una a salinità molto minore rispetto a quelle utilizzate? Perché lo pensate? (Se le differenze di salinità aumentassero, la separazione tra le masse d’acqua versate nella vaschetta sarebbe più netta e molto più rapida.)
• Secondo voi, quale soluzione affonderebbe sotto l’altra: una soluzione di acqua salata calda o una soluzione di acqua dolce fredda? Perché lo pensate? (L’acqua salata calda affonderebbe sotto quella dolce fredda.)

3. Un “esperimento mentale” sulle celle convettive

Infine, facciamo un “esperimento mentale” sul ruolo della convezione nella circolazione oceanica profonda. (Per convezione si intende la circolazione in un fluido da un luogo ad un altro causata da differenze nella densità del fluido stesso.)

Dico ai ragazzi: immaginate di avere davanti a voi una vaschetta da acquario riempita con acqua di mare.

Ora supponete che ci sia una fonte di calore sotto una estremità della vaschetta e una fonte di raffreddamento (del ghiaccio) sotto l’altra estremità come nell’immagine.

• Cosa accadrà all’acqua all’estremità riscaldata della vaschetta? (Grazie a quanto esplorato in precedenza, i ragazzi dovrebbero riuscire a immaginare che l’acqua all’estremità riscaldata della vaschetta diventando più calda e meno densa salirà verso la superficie e si muoverà verso l’estremità opposta.)
• Cosa accadrà all’acqua sulla superficie della vaschetta all’estremità raffreddata? (L’acqua affonderà muovendosi verso la fonte di raffreddamento e si muoverà lungo il fondo verso la fonte di calore dove verrà riscaldata di nuovo.)

Fate un disegno che mostri la cella di convezione che ne risulta, usando delle frecce per indicare la direzione del movimento dell’acqua.

• Cosa causa la circolazione dell’acqua? (Si crea una cella convettiva in cui la circolazione del fluido è causata dalle differenze di salinità.)

Ora, immaginate di avere la stessa vaschetta ma questa volta, la fonte di calore si trova sulla superficie ad una estremità, mentre il ghiaccio è sempre sulla superficie ma all’estremità opposta. Pensate a questo come a un modello molto semplificato dell’oceano.

In gruppo rispondete alle seguenti domande:

• Inizialmente, cosa accade all’acqua raffreddata in superficie? (L’acqua fredda affonda e si muove lungo il fondo spostando acqua verso la fonte di calore in superficie, proprio come nella parte precedente dell’investigazione.)
• Col passare del tempo cosa accade alla temperatura dell’acqua nella parte più bassa della vaschetta? Ignorate la possibilità di congelamento dell’acqua dolce vicino alla fonte di raffreddamento. (Col passare del tempo, l’acqua nella parte più bassa della vaschetta diventerà sempre più fredda.)
• Col tempo, cosa accadrà alla maggior parte dell’acqua della vaschetta? (Alla fine tutta l’acqua della vaschetta si troverà a una temperatura vicina agli 0°C e avrà la densità maggiore possibile).
• Col tempo, in quale parte della vaschetta ci sarà ancora del movimento d’acqua? (Quando non ci saranno più cambiamenti di temperatura, la maggior parte dell’acqua nella vaschetta sarà fredda e immobile ad eccezione di un sottile strato sulla superficie.)

Se non ci fosse abbastanza tempo per tutte e tre le investigazioni, assegnerò l’esperimento mentale come compito per casa.

Nelle tre investigazioni, i ragazzi hanno osservato che l’acqua più fredda affonda sotto l’acqua più calda e che l’acqua calda tende a stratificarsi sopra l’acqua più fredda. L’acqua con salinità maggiore affonda sotto l’acqua a salinità minore e fluisce attraverso il fondo della vaschetta. In modo simile, l’acqua dolce o meno salata galleggia sopra alla “normale” acqua di mare. Al termine delle investigazioni, quindi, i ragazzi dovrebbero essere in grado di comprendere il modello di circolazione che si crea quando vengono apportate variazioni di temperatura e di salinità in parti diverse dell’acqua e questo li aiuterà a comprendere e spiegare il modello di circolazione che si verifica nell’oceano.

Proprio come hanno osservato nelle investigazioni, infatti, l’acqua degli oceani può affondare, risalire o fluire orizzontalmente rispetto all’acqua circostante. Il movimento dell’acqua oceanica profonda è controllata proprio dalla densità dell’acqua stessa che, a sua volta, è determinata da due fattori: temperatura e salinità.

FLIPPED EXPLAIN

Per casa, oltre all’eventuale esperimento mentale, assegno lo studio della circolazione oceanica profonda (circolazione termoalina) e la circolazione nel mar Mediterraneo insieme ad alcune domande di comprensione di quanto studiato come ad esempio:

• Cosa causa le correnti profonde?
• Indica due differenze tra le correnti superficiali e quelle profonde.
• Fornisci almeno tre modi in cui la densità dell’acqua dell’oceano può aumentare.
• Cos’è la circolazione termoalina?
• Perché la maggior parte delle correnti profonde si genera vicino ai poli?

EXPLAIN

In classe, dopo aver discusso le risposte alle domande e chiarito eventuali dubbi inizierò la lezione chiedendo:

Secondo voi, le correnti superficiali influenzano il clima?

Quando le correnti provenienti dalle regioni delle basse latitudini si muovono verso regioni a latitudini maggiori, trasferiscono calore dalle aree più calde a quelle più fredde del pianeta. La calda corrente del Golfo è un ottimo esempio di questo fenomeno.

Credits: https://earthobservatory.nasa.gov/images/1393/gulf-streams-brightness-temperature

La corrente del Golfo (in rosso e arancione nell’immagine) porta acqua calda dall’equatore fino alla Corrente nord-atlantica che è una sua estensione.

La Corrente nord-atlantica riscalda la Gran Bretagna e gran parte dell’Europa nord-occidentale durante l’inverno mitigando le temperature rigide tipiche di queste latitudini (simili a quelle dell’Alaska e del Labrador). I venti occidentali portano questi effetti mitigatori del clima anche all’interno del continente europeo. Per esempio, a Berlino, che si trova alla latitudine di 52° N, la temperatura media in gennaio è simile a quella di New York che è 12° di latitudine più a sud (circa 40,7 °N).

Gli effetti di queste correnti calde si sentono soprattutto in inverno alle medie latitudini, mentre quelli delle corrente fredde ai tropici o durante l’estate alle medie latitudini.

Le correnti fredde si originano nelle regioni delle alte latitudini e quando si spostano verso l’equatore tendono a mitigare le alte temperature delle regioni adiacenti. Ciò vale, ad esempio, per la corrente del Benguela che scorre lungo la costa occidentale dell’Africa, per la corrente del Perù che scorre lungo le coste occidentali dell’America meridionale e per la corrente della California che fluisce lungo la costa occidentale dell’America del Nord.

Credits: http://www.coastalwiki.org/wiki/Ocean_circulation

Le correnti oceaniche hanno anche un ruolo importante nel mantenimento dell’equilibrio termico della Terra, trasferendo calore dai tropici, dove c’è un eccesso di calore, ai poli, dove c’è invece un deficit di calore.

Il movimento delle acque oceaniche contribuisce a questo trasporto di calore per circa un quarto. La parte restante è dovuta ai venti.

I venti sono anche responsabili del fenomeno dell’upwelling, la risalita verticale di acque fredde e ricche di nutrienti dagli strati profondi in sostituzione di acque superficiali più calde. Questi venti soffiano verso l’equatore parallelamente alla costa nord-occidentale dell’America meridionale e alla costa occidentale del Nord America e dell’Africa.

L’azione di questi venti costieri, combinandosi con l’effetto di Coriolis, provoca l’allontanamento dalla costa delle acque superficiali che vengono sostituite da acque fredde provenienti da profondità comprese tra i 50 m e i 300 m.

L’upwelling è un fenomeno molto importante per la vita nell’oceano. Poiché le acque fredde sono ricche di nutrienti, favoriscono la crescita del plancton che è alla base della catena alimentare oceanica.

Disturbi climatici come El Niño, possono interrompere il processo dell’upwelling con gravi conseguenze sulla biodiversità delle zone oceaniche superficiali.

ELABORATE: metti in pratica ciò che hai imparato.

1. Osservate attentamente la carta della circolazione oceanica superficiale. Riuscite a  spiegare perché le regioni meridionali della costa occidentale del Sud America sono più fredde delle regioni settentrionali della costa orientale del Nord America che si trovano alla stessa latitudine?

2. Alla luce di quanto sapete ora, sapete spiegare come può essersi formato il Pacific Trash Vortex?

Credits: https://thegpgp.weebly.com/location.html

Da questo punto in poi non ho previsto altre attività sperimentali per cui la spiegazione continuerà in forma dialogata affrontando gli argomenti programmati restanti come ad esempio:

• gli effetti di El Niño e La Niña sul clima
• il moto ondoso
• le maree.

Una volta effettuata la verifica sommativa finale, i ragazzi avranno ancora una settimana per consegnare il video del compito autentico.

Siamo, quindi, giunti alla fine. In queste dieci settimane ho cercato di raccontarvi nel modo più dettagliato possibile quanto faccio in classe con i ragazzi ma naturalmente ci sarebbe troppo da scrivere (e da leggere) per cui ho, per forza di cose, sorvolato su alcuni aspetti per poter scendere nei dettagli di quelli, a mio avviso, più interessanti.

Tempo speso bene

Il percorso è certamente lungo e richiede molto più tempo rispetto a quello che sarebbe necessario insegnando gli stessi argomenti in modo tradizionale. Ma, lavorare con un approccio inquiry-based significa promuovere lo sviluppo della literacy scientifica, con risultati in termini di apprendimento e di persistenza dell’apprendimento decisamente superiori rispetto alla didattica tradizionale.

La continua alternanza tra fare e riflettere, infatti, fornisce agli studenti la possibilità di sviluppare una comprensione profonda di ciò che stanno studiando e della natura della scienza stessa. Riuscire anche solo ad avvicinarsi a questo obiettivo vale ogni sforzo.

La cosa importante, però, quando si intraprende per la prima volta un percorso di innovazione come questo è non avere fretta. Non cercate di cambiare tutto e subito. Il lavoro da fare è davvero tanto e correreste il rischio di rimanere sopraffatti e, di conseguenza, rinunciare. Un passo alla volta, un’unità alla volta e vedrete che non solo vi sentirete sempre più sicuri  ma cambierete la vostra mentalità così profondamente da non poter più tornare indietro.

Venerdì pomeriggio chi si è iscritto alla newsletter riceverà via mail il planner editabile per la progettazione a ritroso IBSE che ho preparato per voi. Spero che tutto questo possa esservi utile in modo che il nuovo anno scolastico che sta per cominciare possa essere #eccitante, #meraviglioso, ma soprattutto #IBSE! Buon lavoro a tutti!

Ci vediamo sempre su questo blog la prossima settimana e mi raccomando… ISCRIVETEVI ALLA NEWSLETTER! 😉

Barbara

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