Faccio, gioco comprendo

Faccio, gioco comprendo Angela Turricchia laboratorio della mostra di astronomia Dal Cielo all Universo. Il messaggio della Luce costruzioni e suggerimenti per insegnanti Anno scolastico 2003-2004

Nelle pagine seguenti sono descritte le costruzioni relative agli strumenti che hanno costituito la parte fondamentale dei laboratori Faccio, gioco comprendo collegati alla mostra Dal Cielo all Universo. Il messaggio della Luce allestita a Strà (VE) nel periodo 23 Marzo 2004 17 Ottobre 2004. Nell ideare il laboratorio ho tenuto conto del contesto della mostra e quindi del filo conduttore della mostra stessa: la luce. Proprio per questo ho scelto la costruzione dei due strumenti precedentemente descritti per analizzare la luce proveniente dai corpi celesti. Col cannocchiale raccogliamo la forma esterna del corpo celeste, con lo spettroscopio scomponiamo la luce e quindi la interpretiamo (questo strumento era anche presente fisicamente all interno della mostra). Tra gli altri motivi, quando i ragazzi guardano all interno dello spettroscopio costruito vedono anche la fenditura attraverso cui passa la luce e quindi sono visibili i due fenomeni contemporaneamente. Ho scelto anche di far costruire gli stessi strumenti a tutte le classi indipendentemente dal livello scolastico in quanto ho ritenuto che importante fosse non tanto la costruzione, ma il calarla nel contesto educativo degli studenti. Per questo si è rivelata importante la scelta degli animatori che dovevano comprendere al volo le necessità delle singole classi e quindi come proporre gli argomenti e fino a che punto spingere gli approfondimenti. Un compito sicuramente non facile soprattutto tenendo conto dei tempi ristrettissimi concessi per ogni singolo intervento. In questa ottica perciò sono state scelte e appositamente preparate le persone che hanno svolto i laboratori: due laureate 1 una in Astronomia e una in Scienze della Formazione Primaria e che avevano già collaborato con me e tra di loro. Questo ha permesso la costituzione di un team affiatato consentendomi di rimanere all esterno dell esperienza con le classi per mantenere un ruolo di coordinamento, di controllo e di discussione sia in itinere che a fine esperienza. Mi è stato facile quindi intervenire immediatamente in momenti di difficoltà e tamponare eventuali richieste degli insegnanti. Per verificare che lo svolgimento dei laboratori fosse sempre di buon livello ho effettuato telefonate personali a campione ad alcune scuole che avevano partecipato all esperienza. Lo stretto collegamento mostra-laboratorio si è rivelato sicuramente vincente: il fare riferimento a quanto visto nella mostra per poi rielaborarlo ha permesso che ci fosse un consolidamento di alcune informazioni attraverso la costruzione pratica. Il proposito di dare concretezza alla mostra e di lasciare suggerimenti didattici che gli insegnanti potessero poi rielaborare e/o approfondire oltre il momento della visita, è stato ampiamente raggiunto anche grazie agli strumenti di lavoro che hanno accompagnato lo svolgimento dei laboratori. Alle animatrici è stata richiesta la compilazione di una scheda (Scheda 1) sulla conduzione dei 1 Paola Zorzi- laureata in Astronomia con tesi in didattica Marianne Morelli- laureata in Scienze della Formazione Primaria (major scientifico).

laboratori, agli insegnanti partecipanti una scheda di valutazione del laboratorio (Scheda 2) inviatemi per posta elettronica a termine giornata. Oltre gli strumenti delle pagine precedenti, erano stati ideati anche due giochi che potevano costituire un momento ulteriore di approfondimento qualora le animatrici avessero ritenuto importante e temporalmente possibile il loro utilizzo. In realtà i tempi limitati non ne hanno permesso l uso nonostante fossero stati ampiamente testati precedentemente. L attività realizzata ha interessato un centinaio di classi così suddivise: 40 elementari, 34 medie e 25 superiori, per un totale di circa 2000 studenti.

Costruzione di un cannocchiale 2 Il cannocchiale è il tipico strumento da astronomi che permette di raccogliere la luce (radiazione elettromagnetica visibile). La luce proveniente da un corpo celeste entra nella lente, attraversa il tubo del cannocchiale, esce dalla lente sulla parte opposta dove viene raccolta dall occhio dell osservatore. L obiettivo è proprio quello di osservare il cielo con un semplice strumento e contemporaneamente avvicinare i ragazzi alle prime leggi dell ottica geometrica. Materiali occorrenti: due tubi di cartone lunghi circa 70 cm e di diametro di circa 62 mm (può essere utilizzato il cartone che serve per tenere raccolte tele o tessuti); una lente da occhiali da 1.5 diottrie e diametro 6 cm (questa ha una distanza focale 1/1,5 cioè circa 66 cm) che costituirà l obiettivo; una lente di circa 2 cm di distanza focale (può essere l obiettivo di una macchina fotografica usa e getta dopo essere stata utilizzata). Questa lente costituirà la lente dell oculare; un pezzo di canalina da elettricista cilindrica (o un tubo di cartone) di circa 20 cm di lunghezza e diametro 2 cm; un taglierino; una riga, una matita, un po di colla e di nastro adesivo nero. 2 L idea di questa attività nasce dalla esperienza di Cielo! un percorso didattico di Astronomia e Fisica (www.polare.it modulo 3) quando lavorando con i bambini si rese necessaria la semplice costruzione di un cannocchiale che servisse per una prima osservazione. Nella Scheda 1 sono presenti suggerimenti per gli insegnanti che desiderino ripercorrere questa esperienza. L idea della lente da macchina fotografica è stata presa da http://www.funsci.com/fun3_it/cann/cann.htm#1.

A. Costruzione del corpo del cannocchiale: Uno dei due tubi da 70 cm costituirà il corpo del cannocchiale, l altro invece servirà per costruire delle ghiere da inserire all interno per tenere ferma la lente. Per fare questo basta tagliarne due pezzi di 3-4 cm di altezza. Andranno successivamente tagliati in verticale e ne andrà tagliato, sempre in verticale, una piccola fetta: in questo modo il cartone potrà essere stretto ed inserito all interno del tubo costituendo così una specie di molla. Visibili in basso, vicino alle mani del ragazzo in primo piano, due ghiere così costruite. Una di queste ghiere va fissata con la colla ad una estremità del tubo, lasciando lo spazio sufficiente per la lente e per la seconda ghiera (quest ultima serve ad impedire la caduta della lente). Appoggiarvi sopra la lente e incollare la seconda ghiera.

Un momento del lavoro: visibile in basso a destra il tubicino nero dell oculare. B. Costruzione dell oculare: Costruire un tubo di cartoncino nero di diametro leggermente più piccolo della lente rimasta. Il bordo della lente deve essere incollato sul bordo del tubo (questo piccolo tubetto va inserito all interno della canalina). Portare a dimensioni corrette il tubetto arrotolandovi attorno del cartoncino nero finché non risulta essere perfettamente inserito nella canalina. Due momenti di preparazione dell oculare: a sinistra il primo tubetto interno e a destra invece l oculare già terminato. A questo punto occorre tornare a costruire pezzi di tubo come nel punto precedente, ma più lunghi fino a far sì che la canalina sia perfettamente inserita nel corpo del cannocchiale. L oculare deve poter scorrere all interno. Occorre prestare molta attenzione a che le due lenti risultino perfettamente allineate, altrimenti le immagini non sono buone. Si può procedere al miglioramento dell osservazione coprendo con carta adesiva vellutata nera tutte le parti interne del cannocchiale in modo da evitare riflessi. Il momento di verifica: dopo tutta questa costruzione, dal cannocchiale riusciremo a vedere? Uso del cannocchiale:

Puntare un oggetto lontano ed osservare; far discutere gli studenti su quello che vedono. Tra tutti gli studenti che hanno costruito il cannocchiale è stata rilevata una notevole difficoltà a vedere. La difficoltà è stata superata quando si è suggerito di osservare qualcosa di terminale: o il bordo del tetto della casa, o la cima di un albero: in questo modo risulta particolarmente evidente che l immagine è rovesciata. Questo fenomeno (una semplice applicazione dell ottica geometrica) ha meravigliato tutti i ragazzi di più piccoli a quelli delle superiori e tutti sono rimasti stupiti dalla difficoltà che si ha a vedere cose che non ci si aspetta. Scheda 1- Suggerimenti per gli insegnanti. L esperienza può essere facilmente riproposta nelle classi utilizzando dei contenitori da carte geografiche o rotoli interni dei tessuti. Fare il calcolo della distanza focale per avere una idea delle dimensioni del corpo del cannocchiale. Per fare questo basta porre la lente obiettivo sotto una lampada e cercare la posizione in cui la lampada stessa viene nitida, cioè messa a fuoco. La distanza tra la lente e lo schermo su cui abbiamo visto l immagine a fuoco si chiama distanza focale ed è la massima dimensione del nostro cannocchiale. Se si utilizzano, come nel nostro caso, delle piccole lenti delle macchine fotografiche usa e getta occorre ricordarsi di cercare delle macchine senza flash o, in caso contrario, stare molto attenti alle forti scosse elettriche cui si può essere soggetti. Se non si vogliono utilizzare lenti da macchina fotografica è possibile usare lenti da -5 diottrie, questo permetterà di riprodurre un cannocchiale di tipo galileiano grazie a cui si potranno aprire piste didattiche di tipo storico. Dopo aver calcolato la distanza focale si può procedere alla costruzione dello strumento. Ricordare di non usare l attack per incollare le lenti: al di là del rischio che l uso di questa colla comporta per i bambini, le lenti ne risultano opacizzate. Attenzione particolare va posta al momento dell osservazione: invitare i ragazzi ad osservare il medesimo oggetto che deve avere alcune caratteristiche specifiche; su di esso deve essere individuabile facilmente la parte superiore dalla parte inferiore in modo che si rendano conto che l immagine è rovesciata;

ricordare che i corpi da osservare devono essere molto lontani, altrimenti non si apprezzano i particolari e quanto essi appaiano più grandi. Occorre comunque tener presente che lo strumento deve essere tenuto ben stabile (eventualmente appoggiandolo su un cavalletto per macchina fotografica o sulle spalle di un compagno) per poter eseguire una buona osservazione.

Costruzione di uno spettroscopio 3 Lo spettroscopio è uno strumento utilizzato dagli astronomi per scomporre la luce (radiazione luminosa visibile). Un fascio luminoso viene fatto passare attraverso una fenditura e colpisce un prisma o un reticolo di diffrazione; la luce si scompone originando così lo spettro. Esaminando lo spettro così ottenuto si riescono ad identificare gli elementi che lo hanno prodotto. 4 Materiali occorrenti: il cartone interno cilindrico di un rotolo di carta igienica; due quadrati di cartone nero leggermente più grandi del diametro del cilindro sopra detto (quindi circa 7 cm di lato); colla, un cutter; forbici, nastro adesivo nero, un pezzetto di CD (che possa essere tagliato). Costruzione: In un quadrato di cartone nero tagliare esattamente al centro una fenditura larga 0.4 cm e lunga 1.5 cm. La fenditura deve essere molto nitida e può essere migliorata incollando due pezzi di nastro adesivo nero ai lati lunghi della fenditura in modo da restringerla ulteriormente; oppure, come nella foto sotto, si possono usare due mezze lamette. Il cartoncino, così preparato, può essere incollato al rotolo cilindrico in cartone. 3 L idea di questa attività nasce dalla esperienza di Cielo! un percorso didattico di Astronomia e Fisica(www.polare.it modulo 7) e dalle schede di costruzione di uno spettroscopio visibile sul sito http://asdwww.larc.nasa.gov/edu_act/simple_spec.html e successivamente rielaborata per problemi di costi complessivi dello strumento stesso. 4 Una scheda di suggerimenti per insegnanti che desiderino ripetere l esperienza (Scheda 1) è inserita in fondo alla scheda di costruzione.

La scelta di utilizzare il cartone di forma quadrata è stata dettata da un problema di tempi di asciugatura della colla. I ragazzi taglieranno soltanto successivamente i cartoncini della stessa forma del tubo eventualmente coprendo il bordo con nastro adesivo nero per impedire l entrata di luce che disturba l osservazione. Nell immagine una ragazza sta inserendo le due mezze lamette per rendere la fenditura nitida e senza sbavature. Nel secondo quadrato esattamente al centro tagliare una finestrella quadrata di 1 cm di lato come si vede nella figura sotto. Su questa finestrella quadrata deve essere appoggiato il reticolo di diffrazione che può essere facilmente trovato nei CD ormai inutilizzati. In particolare il reticolo è inserito nel supporto in plastica dei CD. Basta tagliare un CD (deve essere un CD a bassissimo costo in quanto la parte alluminata potrà essere levata rapidamente, evitare accuratamente i CD riscrivibili e quelli a doppia protezione) e prenderne un pezzetto quadrato di lato 2 cm; per questa operazione di taglio si possono tranquillamente utilizzare normalissime forbici. Il reticolo non deve essere danneggiato, occorre pertanto levare la pellicola argentata senza grattare la parte plastica. Per fare ciò basta appoggiare sulla parte di alluminio un pezzetto di nastro adesivo e sollevarlo poi rapidamente; sul nastro adesivo rimane l argentatura che va gettata, a noi serve la parte plastica trasparente.

Un momento di quella che i ragazzi stessi hanno definito la depilazione del CD. Questo pezzetto di plastica va appoggiato sulla finestrella e fissato con adesivo nero. Adesso il secondo cerchio di cartone è pronto e deve essere incollato sul rotolo cilindrico che risulta essere oscurato alle due parti: noi porremo l occhio per guardare dalla parte del reticolo mentre la fenditura deve essere rivolta verso la luce. Il momento della incollatura finale. Modo d uso: Si osservino, attraverso lo strumento, gli spettri della luce prodotta da lampade diverse. I ragazzi possono disegnare ciò che vedono. Lo spettro di una lampada a filamento (lampada ad incandescenza) Lo spettro di quella che possiamo considerare una normalissima lampada di un aula, quella che chiamiamo comunemente una lampada al neon. Lo spettro di una lampada a filamento, ma con copertura colorata. Lo spettro di un tubo di Plucker, visibile nella foto. Ma possiamo anche invitare gli studenti ad andare in giro per la città a cercare diversi tipi di lampade.

Momento di osservazione di un tubo di Plucker: visibile la luce rossa verticale sotto la mano destra dell animatrice. A sinistra due ragazzi stanno osservando con lo strumento appena costruito. Il discorso finale è diverso a seconda degli studenti, può essere a livello qualitativo o invece più di misura a seconda delle età dei ragazzi e della loro preparazione in fisica, ma l obiettivo comune è quello di portarli a rispondere ad una domanda che spesso rimane non espressa ma come fanno gli astronomi a sapere di che cosa è fatto il Sole?. I ragazzi hanno confrontato lo spettro della lampada con una serie di schede 5 contenenti gli spettri di elementi diversi sia in emissione che in assorbimento e sono stati invitati a riconoscere lo spettro più simile a quello visto e quindi a dedurre l elemento contenuto all interno della lampada. In questo modo gli studenti stessi hanno compreso, almeno qualitativamente, come si procede all individuazione degli elementi che compongono un oggetto luminoso lontano. Nelle schede preparate era contenuto uno spettro in emissione diverso dal corrispondente spettro in assorbimento dello stesso elemento (azoto): questo ha permesso di utilizzare il classico gioco individua l errore per ottenere una verifica indiretta della acquisizione delle informazioni da parte degli studenti stessi. 5 Due pagine contenenti gli spettri degli elementi più interessanti per il lavoro in classe sono contenute nella Scheda 2 che deve essere assolutamente a colori e, se possibile, stampata su carta fotografica per una buona resa delle immagini.

Un momento di discussione nel gruppo osservando le schede fornite dall animatrice: di quale elemento avremo visto lo spettro?

Scheda 1 Suggerimenti per gli insegnanti. L esperienza si presta ad essere fatta nelle singole classi dagli insegnanti, di seguito i punti fondamentali ed alcune domande stimolo che possono essere rivolte ai ragazzi e che possono costituire punti nodali dell attività stessa. Ricordare che dalle stelle, ad esempio il Sole, riceviamo la luce che vediamo con i nostri occhi, cioè la radiazione visibile. Si tratta pertanto di interpretare ciò che la luce ci dice attraverso una analisi attenta, anche attraverso l uso di strumenti. Osservare attraverso lo spettroscopio la luce di diverse lampade ed evidenziare la differenza tra i diversi spettri ottenuti. Classificare i diversi spettri in spettri continui e spettri a righe: sono tutti spettri di emissione in quanto il riscaldamento del filamento della lampada o del gas interno alla lampada conduce all emissione di radiazione e quindi nel nostro caso particolare di luce visibile. E importante ricordare che il sensore che raccoglie la luce emessa dalle lampade è il nostro occhio e quindi quello che stiamo osservando è la luce visibile. All interno di questa grande classificazione si possono evidenziare gli spettri di assorbimento che sono ben visibili qualora si utilizzino lampade con copertura colorata. In quest ultimo caso la copertura assorbe una parte della luce emessa ed in corrispondenza sono visibili delle bande scure. Si possono raggruppare tutti gli spettri osservati in categorie? Che caratteristiche hanno queste categorie? Fare una corrispondenza tra tipo di spettro e tipo di lampada, ad esempio la luce prodotta da lampade a filamento ha uno spettro continuo; quella prodotta da una lampada a doppio tubo (le lampade a risparmio energetico) ha uno spettro a righe luminose. Si può estendere il ragionamento e ipotizzare di quale tipo sia lo spettro del Sole? Quale tra gli spettri che si sono osservati si può ritenere essere più simile a quello del Sole? In genere i ragazzi danno risposte egualmente divise tra spettro della lampada a filamento e spettro della lampada al neon. Il tipo di risposta dipende dal livello scolare dei ragazzi: la prima risposta è data dai ragazzi delle elementari, la seconda da quelli delle ultime classi superiori. Ma l osservazione dello spettro del Sole è importante, anche perché permette di evidenziare, al suo interno un numero enorme di linee grigio scure. Occorre invitare i ragazzi a prestare molta attenzione a quello che si vede. Sono infatti visibili sottilissime linee scure, ma poiché sono sottilissime spesso non vengono evidenziate se l osservazione è superficiale.

Momento di osservazione della luce solare. Basta guardare verso il cielo, ovviamente non direttamente in direzione del Sole.

Scheda 2 Gli spettri di alcuni elementi. Argon spettro di emissione Argon - spettro di assorbimento Elio - spettro di emissione Elio - spettro di assorbimento Azoto spettro di emissione Azoto spettro di assorbimento

Elio spettro di emissione Elio spettro di assorbimento Idrogeno spettro di assorbimento Neon spettro di emissione Sodio spettro di emissione Sodio spettro di assorbimento

Gli elementi inseriti in questa scheda sono stati scelti per i seguenti motivi: idrogeno ed elio sono due elementi particolarmente presenti nelle stelle; il sodio ha la linea gialla nello spettro di emissione molto nota (facilmente visibile durante le esercitazioni del saggio alla fiamma nei laboratori di chimica) ma può essere facilmente ottenibile bruciando del normale sale da cucina; il neon ci permette di confrontare lo spettro delle lampade comunemente note come lampade al neon e di verificare che lo spettro in emissione non è esattamente lo stesso di quello visto dai ragazzi. Questa analisi dovrebbe permettere ai ragazzi stessi di definire che, all interno di quello chiamato tubo al neon molto probabilmente sono contenuti altri gas. Proprio per far porre attenzione allo spettro di emissione del neon, non è stato inserito nella tabella quello di assorbimento. Spettri di altri elementi possono essere trovati nel sito sotto indicato dove è presente la tabella degli elementi e tutti gli spettri sia in emissione sia in assorbimento: http://jersey.uoregon.edu/vlab/elements/elements.html Se si osservano gli spettri della scheda si vede chiaramente che gli spettri di assorbimento sono gli esatti negativi degli spettri di emissione: dove nello spettro di emissione c è una linea luminosa, nello spettro di assorbimento vediamo la corrispondente linea scura. Questo non è però vero per l Azoto dove spettro di emissione e spettro di assorbimento sono molto diversi (e un errore voluto) proprio per creare su questa differenza una esperienza di valutazione sia delle capacità osservative dei ragazzi che delle loro abilità di sintesi dei problemi.

Scheda 1 Data Scuola Classe Numero di studenti Numero gruppi Numero insegnanti 1. Cannocchiale 2. Spettroscopio Difficoltà incontrate dagli studenti dal punto di vista pratico. Manualità fine (avvicinare lamette, stendere colla per lenti...). Manualità (tagliare, incollare cartoni, usare il seghetto...). Misurare distanza focale di lenti. Uso dello strumento costruito. Difficoltà incontrate da te per seguire Tutti i gruppi. Solo alcuni gruppi... Singoli individui. Nella classe sono presenti ragazzi disabili certificati? Si No Tipologia di disabilità Difficoltà incontrate nello spiegare argomenti teorici: Distanza focale. Spettroscopia. Sistema di lenti. Reticolo. Prisma. Approccio iniziale Con ricordo di ciò che hanno visto in mostra e discussione Ponendo sul tavolo tutti gli oggetti possibili e facendo scegliere a loro cosa costruire. Discutendo prima con gli insegnanti e proponendo quello che gli insegnanti hanno scelto. Discutendo prima con gli insegnanti, ma facendo poi scegliere ai ragazzi. Conduzione del laboratorio Impressioni sulla classe Atteggiamento dell insegnante/insegnanti nei confronti dell attività svolta e nei confronti vostri.

Scheda 2 Scuola Classe Data Numero di studenti Cannocchiale Spettroscopio Secondo lei, la classe ha trovato difficoltà nella costruzione dello strumento? Si No Se sì, quali? Come ha trovato la figura dell animatore didattico che ha lavorato con la sua classe? Ha suggerimenti da dare per migliorare il servizio di questi laboratori didattici? Ci sono argomenti ulteriori che avrebbe desiderato fossero trattati? Pensa di riprendere in classe l'attività proposta per eventuali approfondimenti e/o chiarimenti? Se desidera ricevere a fine mostra i risultati statistici dei questionari compilati dai docenti la preghiamo di scrivere il suo indirizzo mail o quello della sua scuola. La ringraziamo per la cortesia.