In questa sezione sono trattati i concetti chiave di interazione, sistema, sottosistema, variabile.
La classe terza effettuerà un sufficiente numero di esperienze sul concetto di interazione e sul concetto di sistema, descritte per la classe seconda, in modo da aver tempo per sviluppare anche i concetti di sottosistema e variabile.
L'unità sul sottosistema non aggiunge contenuti nuovi. Quando un sistema è parte di un altro, come la corolla, o il fiore o l’albero, è chiamato sottosistema. Ogni sistema complesso, dal corpo umano al bosco, contiene tanti sottosistemi aventi relazioni funzionali tra essi e tali che l’insieme è qualcosa in più della somma delle singole parti. L’interesse dell’osservatore determina, volta per volta, la scelta di cosa considerare sistema, sottosistema e oggetto.
Gli obiettivi di questa unità sono:
Il concetto di variabile è fondamentale per preparare una solida base alla comprensione e alla pratica delle scienze.
Così come un sistema può essere analizzato nei suoi sottosistemi e nelle relazioni che li legano, una spiegazione di un fenomeno complesso si basa sull’analisi e registrazione delle variabili. Le variabili sono proprietà che si modificano o nel tempo (per esempio l'altezza di un bambino negli anni) o nello spazio (per esempio l'altezza dei diversi bambini della classe). Possono essere misurabili quantitativamente (per esempio l’altezza) o non esserlo (per esempio la forma dei solidi o il colore dei capelli). Possono essere “aleatorie” (per esempio il numero di uscute testa in dieci lanci) o “deterministiche”, cioè riproducibili (per esempio l'ampiezza di un’oscillazione) e con andamento regolare (per esempio la crescita di un capello).
Se in un fenomeno o in un sistema ci sono più variabili, queste possono essere indipendenti (per esempio il colore delle auto e la probabilità di subire incidenti) o correlate (per esempio il peso delle automobili e il consumo in km/litro), e può esserci o meno un rapporto asimmetrico di causa-effetto che le lega tra loro (il consumo delle auto è dipendente dalla variabile peso e non viceversa; invece le variabili diametro e circonferenza dei cerchi sono perfettamente dipendenti l’una dall’altra, senza che si possa stabilire una causa e una conseguenza). Dal punto di vista della progettazione di esperimenti equi e imparziali è fondamentale stabilire le variabili indipendenti che devono essere mantenute costanti e quelle che si debbono cambiare sistematicamente. Atteggiamento utile anche a chi farà il giornalista, il politico o si occuperà di marketing.
Da questa rapida elencazione di casi si capisce la complessità ma anche l’utilità di tale concetto.
Il concetto di variabile è un grande contenitore di concetti, come quelli di misura e di unità di misura, correlazione, rapporto, probabilità, e di strumenti grafici come diagramma cartesiano, istogramma, ecc. Anche se viene introdotto dalla terza elementare, tale concetto sarà ripreso e approfondito in tutti gli anni che seguiranno.
Rispetto agli altri ambiti c’è solo l’imbarazzo della scelta per trovare esempi di variabili.
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Ambito |
Variabili |
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Antropologico |
Estensione territoriale, disponibilità alimentari, distribuzione delle ricchezze, risorse, tipo di organizzazione sociale e di governo ecc. ecc. |
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Linguistico |
Variabili grammaticali come tempo e persona dei verbi; variabili del testo come espressività nel tono di lettura, codici del testo scritto ecc. |
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Motorio |
Tempo, ritmo, sequenza, posizione di partenza e arrivo, velocità, estensione, forza, peso, altezza |
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Logico-matematico |
Geometriche: numero lati o angoli, lunghezza, area, volume. Aritmetiche: numeri (il risultato di un’operazione è una variabile dipendente dagli operandi), popolazione di un insieme. Logiche: corrispondenza (univoca o biunivoca), verità (vero o falso), ecc. |
Gli obiettivi per questa unità per la terza elementare sono:
Si possono inserire le seguenti variazioni alle esperienze 1 e 2 di applicazione del concetto di sistema descritte per la classe seconda ed effettuare le nuove esperienze 3 e 4, di seguito descritte e più adatte ai bambini di terza.
1. Come si fa a far interagire una candela accesa e il BTB blu posto sul fondo di un barattolo?
I bambini possono fare varie ipotesi che devono essere descritte come altrettanti sistemi diversi.
Il BTB cambierà colore solo se la candela brucerà nel barattolo chiuso. Si distinguono sistemi aperti e sistemi chiusi. Solo i primi permettono l’entrata e l’uscita di materiali. (I sistemi chiusi possono scambiare solo energia con il loro intorno). Si possono perciò dire altri esempi di sistemi aperti e di sistemi chiusi anche senza parlare di energia. In terza classe si può chiedere di fare ipotesi su quale sia la causa del cambiamento di colore. Tali ipotesi possono essere verificate. Individuata l’ipotesi confermata (diranno: il fumo o l’aria consumata dalla candela ecc., confermabile mettendo un bicchiere con poco BTB blu nel barattolo anche parecchio tempo dopo lo spegnimento della fiamma) i bambini potranno collegare questo fenomeno agli altri riguardanti la respirazione, cogliendone l’elemento comune.
2. Eseguire un esperimento in cui il sistema "aceto-bicarbonato" è chiuso
A disposizione ci sono un sacchetto di plastica, un bicchiere con aceto e un cucchiaio di bicarbonato. Due bambini possono mostrare alla classe come il bicarbonato interagisce con l’aceto in un bicchiere trasparente. Si descrive questo tipo di sistema aperto. Quindi i gruppi affrontano il problema di fare la stessa cosa in un sistema perfettamente chiuso. Una soluzione consiste nel mettere il bicarbonato nel sacchetto con mezzo bicchierino da caffè contenente aceto forte, e nel far interagire i due materiali solo quando il sacchetto sia stato ben sigillato con un laccio. In tal caso il sacchetto si gonfierà e diventerà duro.
Anche in questo caso, in classe terza, si potranno fare ipotesi sulla natura e sulle proprietà del “tipo di aria” che ha riempito il sacchetto. Sarà la stessa che risulta dall’interazione con i polmoni e prodotta dalla combustione della candela? Questa ipotesi può essere verificata infilando una cannuccia nell’apertura del sacchetto, stringendolo e facendo gorgogliare il gas in un bicchiere con del BTB blu, che virerà al giallo.
3. Con una pila da torcia, due fili e una mina per matita, costruire un sistema “scaldabagno”, capace di scaldare l’acqua.
Il circuito va montato come nell’analogo esperimento con la pila il filo e la lampadina, ma in questo caso l’uso di due fili semplifica l’operazione. I due fili sono attorcigliati alle estremità della mina, immersa in acqua. Quando è tutto pronto si collegano le estremità libere dei fili ai due poli della batteria e la mina diventerà calda. Occorre una batteria da torcia da 1,5 V delle più grandi o una piatta da 4,5 V, per avere un’erogazione abbastanza prolungata di calore e una mina da disegno. In tal caso l’innalzamento di temperatura sarà percepibile anche senza termometro.
L’esperimento dello scaldabagno può essere ripreso come esempio di sistema costituito da diversi sottosistemi.
4. Quanti cucchiaini di zucchero deve contenere il sistema soluzione di acqua e zucchero per far galleggiare un oggetto di plastica?
Occorre trovare un oggetto di polistirene (PS) abbastanza compatto e non troppo sottile, altrimenti la presenza delle bollicine d’aria che aderiscono a esso lo faranno salire a galla in anticipo rispetto al raggiungimento della concentrazione di zucchero necessaria.
Quest’ultimo esempio prepara al concetto di variabile.
1. Montare e smontare
Ogni gruppo di allievi riceve uno dei seguenti sistemi:
Il compito degli allievi è di separare ogni sistema in parti più piccole e poi rimetterle insieme.
I bambini scrivono prima i nomi dei sistemi e poi, sotto ciascuno, i nomi dei gruppi di oggetti o disegni delle parti che sono state da loro separate. L’insegnante spiega che questi sistemi, più piccoli di quelli dati, sono sottosistemi. I bambini elencano altri esempi di sottosistemi. La maestra può anche riprendere il sistema "pila-filo-lampadina" e mostrare che la lampadina è formata da altre parti più piccole, come il filamento, la filettatura, il bulbo, mentre il filo risulta formato da più fili di rame e da un rivestimento, e così via.
Può quindi passare a richiedere ai bambini altri esempi di sottosistema presi dalla loro esperienza quotidiana. Ecco alcuni esempi:
2. Trovare tutte le possibili combinazioni che fanno accendere la lampadina, usando il gioco del circuito e il sistema filo-pila-lampadina.
3. Costruire un gioco del circuito, incollando strisce di alluminio, e chiuderlo bene. Riuscirà il compagno a scoprire tutti i collegamenti?
4. Quali sono i sottosistemi del gioco delle lame rotanti?
5A. Un sacchetto da thè contiene un sale di rame colorato e un bicchiere con acqua. C'è interazione fra l’acqua e il sale colorato? Il sistema ottenuto è una soluzione o una non-soluzione? Come si recupera il “sottosistema” sale dalla soluzione?
Il sale colorato è cloruro rameico. Si aprono i sacchetti del tè e si riempiono con un cucchiaino di tale sale. Il sacchetto richiuso costituisce un sottosistema del sistema più grande comprendente anche l’acqua. Il sale è recuperabile tramite evaporazione su una superficie larga.
5B. Quanti sottosistemi si originano nell’interazione tra la soluzione del sale colorato e l’alluminio? Che trasformazioni subiscono?
I sottosistemi inizialmente sono la soluzione azzurra e l’alluminio (ottimo quello delle vaschette da forno tagliate a strisce). Dopo l’interazione, lasciando tutto a riposo, si potranno osservare tre o quattro sottosistemi: l’alluminio che risulterà scurito e notevolmente corroso; la soluzione che non sarà più azzurra ma incolore o appena grigiastra e calda; una polvere marrone scura che non era presente all’inizio e che si deposita sul fondo e alcune bollicine di un gas.
La spiegazione delle trasformazioni chimiche inizia da questo tipo di osservazione delle diverse sostanze materiali coinvolte nell’interazione. Confrontando questa esperienza con la precedente, i bambini possono rilevare un tipo di trasformazione più profonda in cui si sono originati nuovi materiali dai vecchi (ora il sale di rame colorato non è più recuperabile). Questo tipo di trasformazione si dice “chimica”. Non occorre andare avanti con spiegazioni più approfondite, ma può essere opportuno cercare altri esempi comuni in cui i materiali subiscono simili radicali e irreversibili trasformazioni (ferro a ruggine, seme a foglie verdi, legno a carbone, ecc.)
6. Quali sono i sottosistemi che compongono un seme dicotiledone? Quali sono necessari alla crescita?
I gruppi di lavoro hanno a disposizione semi di fagiolo conservati a bagno per 24-48 ore, una lente d'ingrandimento, una pinzetta, dei bicchieri con cotone inumidito per le prove di semina. I bambini disegneranno i due cotiledoni, l'embrione la membrana esterna. La maestra chiederà ai bambini di descrivere la struttura del seme. Se si semina ogni singola parte separatamente si avrà la crescita? (Solo la combinazione cotiledone + embrione darà luogo alla crescita).
7. Costruzione di un’automobile
Occorre una confezione di costruzioni (per esempio Lego) predisposta per realizzare un’automobile giocattolo, completa di immagini che guidano la realizzazione.
Ogni gruppo di bambini costruisce una parte (sottosistema) dell’automobile, ricevendo solo i pezzi necessari e la fotocopia con le immagini che mostrano la parte da montare. Alla fine i “sottosistemi” sono montati insieme per formare il sistema completo.
8. Costruzione di un puzzle
Occorre partire da un puzzle montato da 250 pezzi, tenuto tra due fogli di cartone, capovolgerlo e dividerlo in cinque parti. I cinque settori possono avere anche forme complesse, il cui contorno viene ricalcato su un foglio A3 o A4. Si contrassegnano i pezzi adiacenti, sul retro, con cinque colori diversi, quindi si assegna a ciascun gruppo di bambini il “sottosistema” smontato dei pezzi di un dato colore e il foglio con il profilo della loro area. Ogni gruppo costruirà il proprio sottosistema entro tale profilo, avendo a disposizione la fotocopia dell’intero soggetto, quindi si monterà il tutto sul tavolo grande.
1. Qual è la proprietà che cambia?
Fornire uno dei seguenti gruppi di oggetti ad ogni gruppo di allievi:
Si chiede ai bambini di numerare e ordinare gli oggetti in base alla maggiore o minore grandezza della proprietà trovata e la maestra scriverà alla lavagna i nomi di tali proprietà su una linea continua dal – al +.
Per esempio:
1 2 3 4
- profumato…………..+ profumato variabile = profumo
La maestra spiega che quando una proprietà può cambiare viene chiamata variabile. Stimola quindi la produzione di altri esempi (altezza dei bambini, colore delle foglie ecc.). Per mostrare una variabile nel tempo prende un accendino trasparente e traccia col pennarello un segno al livello del liquido. Quindi apre al massimo la piccola ruota dentata e fa uscire il gas fino ad avere una consistente diminuzione di livello. Chiede ai bambini quali sono le variabili. Oppure accende un bastoncino di incenso e lo appoggia in posizione leggermente obliqua e chiede nuovamente quali variabili si possono individuare.
2. Trovare tutte le parole che si possono comporre con almeno due lettere a scelta
Annotare le parole e contare le lettere che compongono le parole. La variabile è il numero di lettere delle parole. Con questi dati costruire un istogramma.
Ogni gruppo di bambini riceve una striscia con la scritta ISTOGRAMMA, ritaglia le lettere e le usa per comporre parole formate da due o più lettere. Ogni parola trovata viene scritta sul quaderno. L’istogramma va costruito usando la frequenza delle parole di due, tre, quattro lettere ecc. Con questo gioco i bambini apprendono la costruzione dell’istogramma. Si può ripetere il gioco scegliendo altre parole lunghe. Le parole lunghe possono anche essere suggerite dai bambini. A casa gli allievi costruiranno altri istogrammi, giocando con le parole lunghe, scelte dal libro o dai giornali.
3. Quali sono le variabili nelle patate portate dalla maestra? Disegnare l’istogramma per una variabile
L’insegnante porta un sacchetto di patate e ne distribuisce cinque a ciascun gruppo, curando che le patate assegnate siano ben diverse tra loro. La maestra chiede cosa hanno di diverso le patate e i bambini osserveranno che tali patate hanno diverse dimensioni, forma e peso. La maestra chiederà di metterle in ordine per una variabile e di numerarle. Quindi chiederà ai bambini per quale variabile può essere utile la bilancia. I gruppi peseranno a turno le loro patate, una per volta, e registreranno il numero della patata e il peso in una tabella. Quindi, per mezzo di un righello, ritaglieranno delle strisce di carta lunga ciascuna tanti millimetri quant’è il peso in grammi della patata, numereranno e coloreranno diversamente tali strisce, quindi le incolleranno affiancate verticalmente dalla più corta alla più lunga. Avranno realizzato così l’istogramma della variabile “peso”.
4. Le variabili degli alberi del bosco
In una visita al giardino della scuola, oppure al giardino o boschetto comunale, con l’aiuto della maestra, ciascun gruppo di bambini contrassegnerà, con foglietti dello stesso colore, ciascun albero di una stessa specie. Quindi su tali foglietti si scriveranno le variabili (tipo di corteccia, circonferenza e diametro del tronco, mentre una foglia dell’albero potrà essere incollata sul retro per controllare l’identità della specie. Completato il giro delle misure e raccolti tutti i cartoncini, si torna in classe dove questi saranno raggruppati per colore, controllati e allineati in un cartellone, per formare le barre dell’istogramma della variabile popolazione. Ogni gruppo dovrà riferire le proprietà osservate nella propria specie di albero. I dati scritti sui cartoncini potranno essere usati per costruire altri istogrammi relativi alla variabilità delle dimensioni di ogni singola specie.
5. Quale acqua contiene più sali disciolti?
Utilizzare un tipo di acqua minerale con elevato contenuto salino, uno con scarso contenuto salino e acqua di rubinetto (che ha contenuto di sali intermedio). Prima di iniziare l’esperimento la maestra mostra ai bambini il residuo dell’evaporazione dell’acqua lasciata al sole o sul termosifone. È importante fare in modo che siano i bambini stessi a proporre, per risolvere il problema, di partire da un’uguale quantità di acqua di ciascun tipo. Si prelevano 30 gocce dell'acqua di rubinetto e 30 gocce di acqua con alto contenuto di sale. Si versano sul fondo di due bicchieri capovolti e si lasciano evaporare. Le chiazze biancastre del residuo salino avranno dimensioni nettamente diverse.
6. Registrare con un istogramma la variabile ritmo delle pulsazioni cardiache nei diversi momenti della giornata e con un altro istogramma il ritmo di tutta la classe preso nello stesso momento
Nel primo caso le pulsazioni possono essere prese a intervalli di un’ora dal mattino alla sera e registrati il giorno dopo a scuola. Nel secondo caso si raggruppano i valori di pulsazione dei bambini che ricadono, ad esempio, tra 66 e 70, tra 71 e 75, ecc. e si costruisce l’istogramma con i valori delle ricorrenze in tali intervalli.
7. Come variano nel tempo la temperatura esterna e quella dell'aula?
Conviene avere un termometro interno e uno esterno fissi, per registrare tutte le temperature dell'anno. Le temperature verranno registrate su un apposito istogramma. Ogni mattina, prima dell'inizio della lezione, un bambino leggerà la temperatura interna e l'annoterà sull'istogramma predisposto. Un secondo bambino si occuperà della temperatura esterna e la indicherà sullo stesso istogramma, con un diverso colore. Si può usare un cartellone, appeso alla parete, in modo che sia visibile da tutti. I dati possono essere registrati anche su foglio elettronico.
8. Quali variabili puoi registrare per seguire la crescita della piantina?
Ogni gruppo semina tre o quattro semi identici (fagiolo, erba medica, grano o altro) in un bicchiere con un po’ di terra. Ogni gruppo segue lo sviluppo della pianta che germina per prima, registrando settimanalmente l’altezza del fusto, il numero di foglie e altre variabili e scarta le altre piantine.
Gli istogrammi possono essere costruiti indicando il numero di foglie o l’altezza presenti dopo una, due, tre ecc. settimane. Ovviamente si contrassegnano i diversi bicchieri e si idratano regolarmente.
9. Costruire un istogramma con le ampiezze del palmo della mano dei bambini della classe
I bambini misureranno l’ampiezza del palmo della mano, dal mignolo al pollice, dopo averlo ricalcato su un foglio con una matita, e scriveranno il risultato in centimetri. Con i dati a disposizione si costruirà l'istogramma in cui l’altezza delle barre indica la ricorrenza di ogni misura d’ampiezza.