Vediamo in sintesi la proposta di curricolo, descrivendo brevemente ciascun percorso didattico:

• Primo anno:
  • La forza come interazione tra due corpi, in contesti di equilibrio
  • Introduzione al concetto di pressione, comportamento dei gas
  • I fenomeni termici, introduzione ai concetti di calore e temperatura
• Secondo anno:
  • Lo studio del movimento, introduzione ai concetti di velocità e accelerazione
  • Ottica geometrica
• Terzo anno:
  • Forze e movimento (leggi della dinamica e gravitazione)
  • Principi di conservazione (quantità di moto e energia)

La scansione dei contenuti disciplinari tra primo e secondo anno tiene conto, oltre di quanto già detto sull’ottica, del fatto che il percorso sulle forze e quello sul movimento sono i più impegnativi ed è opportuno trattarli in due anni diversi. Quello sul movimento ha due ragioni particolari per essere inserito al secondo anno: necessita di strumenti matematici di cui gli studenti sono in possesso con più sicurezza nel secondo anno; inoltre, come si accennerà, viene introdotto da un lavoro di osservazione del cielo da svolgere durante l’estate.
Prima di passare a una sintetica descrizione dei percorsi, precisiamo che vi sono delle differenze importanti: i percorsi del primo biennio, eccetto quello sul movimento, hanno un’impostazione sostanzialmente fenomenologica, in cui si parte dall’effettiva osservazione di fenomeni in laboratorio e si cerca di ricondurli a uno schema interpretativo e di descriverli per mezzo di nuovi strumenti concettuali; ma già nel percorso sul movimento, e più marcatamente in quelli del terzo anno, l’approccio a partire dall’osservazione diretta dei fenomeni lascia piuttosto il posto alla narrazione, avendo presente ciò che intende J. Bruner quando afferma che “Il processo del fare scienza è narrativo”. Infatti, sia la complessità e vastità dei temi trattati, sia il tipo di fatti sperimentali cui ci si riferisce, conducono a scegliere di raccontare: si raccontano i problemi che sono stati affrontati dagli scienziati nel passato, per esempio, nel percorso sul movimento e in quello sulle leggi di Newton, il problema millenario del moto dei pianeti,  che non possiamo affrontare attraverso l’osservazione diretta (l’osservazione del cielo all’inizio della seconda non può arrivare da sola alla formulazione del problema). Dunque, per alcuni ambiti di fenomeni, è il racconto a dare senso, ad aiutare la costruzione di significati; racconto che sarà la trama di un percorso costruito intorno a materiali di vario tipo: testi e immagini tratti da opere scientifiche rilevanti, ricostruzioni di esperimenti storici, dati osservativi. 

Introduzione al concetto di forza
Il percorso persegue lo sviluppo del concetto di forza, in contesti di equilibrio, attraverso la presentazione e l’analisi di molteplici situazioni concrete. Tra gli obiettivi di apprendimento: la forza come interazione tra due oggetti (dunque è già implicita la terza legge della dinamica), il riconoscimento di alcuni tipi di forza, la relazione tra forza e deformazione, la misura delle forze, la natura vettoriale delle forze. La metodologia utilizzata, come già in parte presentato, per questo come per gli altri percorsi didattici, è in sintesi la seguente: dalla fenomenologia alla costruzione di nuovi concetti per interpretare i fenomeni, attraverso il contributo di ogni studente, la discussione collettiva, l’affinamento delle proprie idee, la produzione di sintesi condivise. Le forze con cui gli studenti familiarizzano sono quelle di cui fanno esperienza, che imparano a riconoscere: la forza di gravità, la forza esercitata da un piano di appoggio, la forza premente, la forza elastica, la tensione di una fune, la forza d’attrito, la forza elettrica. Nel percorso s’introduce la distinzione tra massa e peso tramite il racconto di un fatto: il peso dei corpi, cioè la forza con cui la Terra li attrae, è diversa da un luogo a un altro (ovviamente si può solo raccontare come è avvenuta la scoperta di questo fatto); la massa è il fattore che dipende solo dall’oggetto. [1]

Il concetto di pressione
Il percorso didattico si sviluppa da alcuni fatti di cui gli studenti fanno esperienza, sia a casa che in laboratorio, proponendone l’interpretazione secondo l’antica teoria dell’horror vacui; si tratta di fenomeni molto semplici, come il bere una bibita con una cannuccia. Si passa poi a esaminare, mediante il racconto e alcuni filmati, un fatto che contraddice l’idea che la natura si opponga alla formazione del vuoto (l’acqua non può essere pompata a più di 10,3 m di altezza); si arriva all’esperimento di Torricelli, che è il cuore del percorso, e all’interpretazione che lo stesso Torricelli ne dà. La definizione di pressione dell’aria viene affinandosi dal rapporto tra il peso della colonna di fluido e l’area di appoggio a proprietà caratteristica di un sistema gassoso.

I fenomeni termici
Il percorso ha l’obiettivo di introdurre i concetti di temperatura e calore in modo operativo, senza riferimenti a modelli microscopici. Il punto di partenza è il fenomeno della dilatazione che accompagna il riscaldamento e la possibilità di utilizzare tale fenomeno per costruire uno strumento che renda oggettive le sensazioni di caldo e di freddo; la particolarità osservata nei passaggi di stato suggerisce di sfruttare tali situazioni per la definizione di una scala termometrica. La registrazione dei cambiamenti di temperatura ottenuti riscaldando diverse masse di acqua conduce alla definizione operativa di calore e a quella della sua unità di misura, la caloria. Il diverso comportamento delle sostanze nel riscaldamento porta alla definizione di calore specifico e il diverso comportamento nella propagazione del calore al concetto di conducibilità termica.

La natura del movimento
ovvero “Moti celesti e moti locali”: una nuovissima scienza su un soggetto antichissimo.
Il percorso ha inizio dall’osservazione del cielo durante l’estate, finalizzata ad acquisire gli elementi percettivi che sono alla base del sistema geocentrico. Gli studenti familiarizzano con i moti degli oggetti celesti e comprendono le ragioni e le difficoltà del sistema tolemaico (in particolare il rifiuto del moto della Terra e il moto retrogrado dei pianeti); l’ambito astronomico, dunque, s’intreccia subito con il dibattito sul moto locale, il moto degli oggetti sulla Terra. Si capisce come il principio d’inerzia (il moto di un oggetto è indelebilmente impresso) e il principio di relatività, cioè l’impossibilità di rivelare il moto rettilineo uniforme, siano alla base della nascita di una nuova fisica. Gli studenti apprendono i metodi della nuova fisica attraverso l’opera di Galileo sul moto dei gravi, anche attraverso la lettura di alcuni brani dalle sue opere. [2]

L’ottica geometrica
A partire da situazioni concrete e familiari, s’indaga sullo schema di senso comune della visione, si costruisce l’idea che la luce si propaga dalle sorgenti agli oggetti, in linea retta, e che è diffusa dagli oggetti verso i nostri occhi. Si studiano, qualitativamente prima e poi quantitativamente, fenomeni particolari, quali la riflessione e la rifrazione, quando la luce incide su alcuni tipi di superficie e quando la luce cambia direzione passando da un mezzo trasparente a uno diverso. Si studia il comportamento della luce in semplici strumenti ottici (specchi e lenti). S’indaga la relazione tra luce e colore, arrivando a comprendere che la luce bianca è un miscuglio di componenti elementari e che diversi fenomeni possono dare luogo alla separazione di tali componenti.

Le leggi della dinamica e la gravitazione universale: la spiegazione dei moti celesti e dei moti locali
Il percorso si sviluppa in continuità con quello sul movimento proposto per la classe seconda; si riprende e si approfondisce l’ipotesi copernicana attraverso i contributi di Galileo e Keplero: delle osservazioni di Galileo al cannocchiale s’indagano le ragioni contro il sistema aristotelico-tolemaico; di Keplero si comprendono i metodi che hanno portato alla formulazione delle sue tre leggi. La spiegazione del moto dei pianeti, il problema millenario dell’astronomia, conduce, attraverso Cartesio, Hooke, Newton, all’unificazione tra mondo terrestre e mondo celeste e alla formulazione delle leggi della dinamica e della legge della gravitazione universale. Il cuore del percorso, da un punto di vista fisico, è l’interpretazione del moto curvilineo come moto accelerato. Le conferme delle leggi di Newton sono la possibilità di determinare la massa degli oggetti celesti, la spiegazione delle maree, la previsione di esistenza di pianeti non ancora osservati. [3]

Le leggi di conservazione: considerare l’invarianza come chiave per capire il cambiamento
Il percorso parte con una riflessione di carattere filosofico sull’idea di conservazione, sul “Nulla si crea nulla si distrugge”. Leggendo brevissimi brani di autori significativi si introduce l’dea che il moto si conserva e si procede rendendo questa idea più precisa e quantitativa, attraverso la definizione di quantità di moto. L’analisi di alcune proposte di realizzazione di un motore perpetuo serve a introdurre in modo problematico le macchine semplici e la prima definizione di lavoro, suggerita dalla regola d’oro che ciò che si guadagna in forza si perde in spostamento. Riflettendo sull’efficienza delle macchine, in particolare sulle ruote da sotto e da sopra, si passa ad affrontare la questione degli urti e l’impossibilità di interpretarli con il solo concetto di quantità di moto, introducendo la grandezza forza viva. La questione di quale sia la forza di un corpo in moto, attraverso la dimostrazione di Leibniz dell’errore di Cartesio, conduce ad attribuire alla grandezza forza viva il ruolo di misura della virtù motrice di un corpo, a scoprire il legame di tale grandezza con il lavoro, a definire in modo più rigoroso la grandezza lavoro. E, infine, è ancora l’idea di conservazione a condurre alla definizione di energia potenziale e alla formulazione rigorosa del principio di conservazione dell’energia meccanica. [4]

Note

1. Per una documentazione completa del percorso si veda  questa pagina del sito della Regione Toscana.
2. Per una documentazione completa del percorso si veda: P. Falsini, "La nuova concezione del movimento alla base della nascita della fisica classica"; Franco Cambi, Franca Gattini (a cura di), La Scienza nella scuola e nel museo, Roma, Armando Editore, 2007; pagg 181-237.
3.  Per una documentazione completa del percorso si veda questa pagina del sito nazionale del Cidi; "La spiegazione dei moti celesti e dei moti locali: le leggi della dinamica e la gravitazione universale", in F. Cambi, L. Barsantini, D. Polverini (a cura di), Formare alla Scienza nella scuola secondaria superiore, Armando editore, 2007.
4.  Per una documentazione completa del percorso si veda:P. Falsini, "Introduzione al concetto di energia"; S. Pirollo et alii,  “Il principio di conservazione dell’energia”, in “Didattica delle scienze” n. 264, 265, 266 e 267, nov 2009 - apr 2010

BIBLIOGRAFIA:
A.A.V.V., PPC Progetto Fisica,  vol A e B, Bologna, Zanichelli, 1986.
A.B. Arons, Guida all’insegnamento della Fisica , Bologna, Zanichelli, 1992.
N. Grimellini Tomasini e G. Segrè, a cura di, Conoscenze scientifiche: le rappresentazioni mentali degli studenti,  Firenze, La Nuova Italia, 1991.
G. Cavallini, La formazione dei concetti scientifici, Firenze, La Nuova Italia, 1995.
N. J. Nersessian, “Conceptual change in science and in science education”, in  “Synthese”, 80 (1), 163-184, 1989.
P. Falsini, “La fisica ingenua resiste”, in “La Fisica nella Scuola”, 2004, n. 1, pp. 13-18.
L. Bigozzi,  C. Tarchi, P.  Falsini, C. Fiorentini, ““Slow Science” Building scientific concepts in physics in high school”,  in “International Journal of Science Education”, 2014, vol 36, n. 13.
F. Cambi e M. Piscitelli (a cura di), Complessità e narrazione: paradigmi di trasversalità nell’insegnamento – Proposte sperimentali per la secondaria superiore  Roma, Armando Editore, 2005.
F. Cambi, L. Barsantini, D. Polverina, a cura di, Formare alla Scienza nella Scuola Secondaria Superiore, Roma, Armando Editore, 2007.
F. Cambi, F. Gattini, a cura di, La Scienza nella scuola e nel museo, Roma, Armando Editore, 2007, pagg 183-237.
F. Bevilacqua, “L’evoluzione del concetto di energia in Fisica” in ppp.unipv.it .