Problematica didattica SULl'insegnamento E 	apprendimento  delle scienze 

Una constatazione: l'insegnamento scientifico passa male   

Riprendiamo il problema già accennato nel § 1.1. sulle difficoltà di insegnamento e apprendimento circa le scienze, in un contesto più ampio. La crisi attuale dell'insegnamento riguarda tutte le discipline e tocca in modo particolare le discipline scientifiche. Una situazione simile si riscontra in tutti i paesi avanzati. Nel loro libro Les origines du savoir, gli autori hanno analizzato un certo numero di interventi e constatano che "...attualmente la maggior parte del sapere scientifico, insegnato nel periodo scolastico, è dimenticato dopo qualche anno, se non dopo qualche settimana...quando è stato acquisito". A.Giordan e G. De Vecchi citano vari esempi, e trovano che questo si verifica malgrado "...apparteniamo ad una civiltà in cui l'insegnamento scientifico è largamente diffuso, anche a livello dei bambini piccoli, e i media commentano ogni minimo progresso scientifico". Perchè allora questa crisi dell'insegnamento delle scienze? Tra gli ostacoli individuati da Giordan, De Vecchi (1987), ne citiamo alcuni. L'insegnamento scientifico non è più diretto allo stesso pubblico "...l'insegnamento di massa ha disorientato molti educatori, le riforme scolastiche non sono state precedute da vere riflessioni globali, le poche ore dedicate alle scienze, l'insufficienza della formazione dei maestri, la ricaduta di una certa crisi di "valori"."
Il prof. J.Percy, responsabile della Commissione sull'insegnamento dell'IAU, afferma che gli "studenti americani, ad esempio, sanno molte cose di Astronomia, ma la maggior parte di queste sono scorrette." E attribuisce questo fallimento dell'insegnamento al fatto che il sistema punta sulla quantità di informazioni e, nel trascurare la qualità, permette di perdere i concetti di base. (Percy, 1995)

Possiamo aggiungere in particolare per quanto riguarda la situazione italiana a livello di scuola elementare, la quasi totale mancanza di formazione scientifica degli insegnanti e soprattutto la loro mancanza di esperienza di contatto con la natura nella loro vita scolastica. Questa mancanza si ripercuote sull'insegnamento in incapacità o mancanza di progettualità rispetto ad azioni che partono dall'osservazione e dal contatto con gli elementi naturali e gli oggetti dell'indagine scientifica.

Tra gli elementi che entrano in gioco in questo insuccesso, ci sembra avere un particolare rilievo il fatto che spesso nell'insegnamento scientifico si dimentica il pubblico a cui ci si riferisce, gli allievi. E' a questa causa che abbiamo prestato particolare attenzione nella nostra ricerca ponendo l'attenzione sulle concezioni relative all'Astronomia.

Problematica didattica in Astronomia

Per molti oggetti e fenomeni del cielo manca l'evidenza intuitiva e percettiva, e questo si verifica non solo per i bambini, ma per tutti: le grandi distanze e i tempi lunghi, o le orbite dei pianeti, non sono percepibili direttamente. Questo può provocare nell'allievo due condizioni contrastanti, ma che non si escludono totalmente a vicenda:  
L'azione educativa, tenendo presente anche l'atteggiamento dato dalla condizione di insicurezza, può tendere a far nascere interrogativi e a far accogliere soluzioni che si originano da punti di vista diversi dai propri, in una pluralità di ipotesi e di spiegazioni, che porteranno ad accogliere eventuali modelli diversi da quelli piu ingenui ed incompleti, legati all'emozione e a ciò che vediamo per accogliere anche modelli mentali solo immaginati.
Ma proprio per rispondere alla mancanza di evidenza intuitiva, è necessario aiutare a vedere almeno quanto a ragionare. A guardare cioè tutto quello che è possibile vedere, ricordando che per molti aspetti dell'Astronomia di posizione, si tratta necessariamente di lavorare solo con l'immaginazione, l'intuizione geometrica e il ragionamento. 
D'altra parte, nelle età considerate, una convinzione basata solo sul ragionamento non è ancora possibile, ammesso che lo sia in età più adulte senza un aggravio eccessivo. 

Inoltre per pensare alla Terra e al suo posto nell'Universo, come recitano i Programmi scolastici, è necessario operare continui spostamenti del proprio punto di vista. Scrive un insegnante di scuola elementare dopo un corso di aggiornamento di tipo residenziale da noi condotto, e ricco di osservazioni dirette: "...la mia difficoltà è rappresentarmi gli spazi e i movimenti del cielo; ogni volta debbo uscire fuori da una rappresentazione mentale in cui io sono la verticale, poggio su un piano orizzontale, e tutto si svolge in maniera parallela o perpendicolare a me. Il problema con il cielo è che ci sono tanti movimenti e un piano per ogni movimento; il mio è solo uno di questi piani: per capire come gli altri piani intersecano il mio (il piano dell'orizzonte astronomico) debbo, ad esempio, vedermi in posizione inclinata rispetto all'Eclittica. ...Ho bisogno di osservare, registrare, pensare, discutere, costruire strumenti e modelli."

La risposta, a questa specifica problematica, relativa all'insegnamento e apprendimento dell'Astronomia, va cercata tenendo ben presente che l'evidenza intuitiva spesso manca, e che situazioni di insicurezza si possono produrre e costituire un blocco per l'allievo. Una riflessione in tal senso è stata presentata da Lon Clay Hill Jr USA a Williamstone nel 1988 (Atti IAU, 105), quando scrive: "Molti degli oggetti fondamentali dei discorsi astronomici non sono direttamente verificabili e percepibili ma sono frutto di immaginazione spaziale: la forma dell'orbita della Terra, le galassie come insiemi di miliardi di stelle."
Si tratta dunque di operare attraverso:  
	- l'incontro con la realtà e le osservazioni di questa 
	- azioni, strumenti adeguati e modelli  
	- ragionamenti e operazioni mentali
e il problema didattico consiste nel collegare in modo esplicito e coerente la realtà e le sue rappresentazioni. 

DIFFICOLTA'  DI COMPRENSIONE REGISTRATE 			NELLA STORIA

Ostacoli storici nella costruzione dei concetti astronomici, relativi ai campi di esperienza Terra, Sole, Luna, Stelle e pianeti  e Cielo sono legati alla religione, alla filosofia, alla percezione e allo stato della ricerca in fisica e in matematica, oltre che alla tecnologia. 
Le difficoltà di comprensione verso i fenomeni del cielo e le caratteristiche dei corpi celesti, sono derivate, dunque: 
	- da fattori percettivi 
	- dalle ipotesi e dalle teorie  su cui le osservazioni si sono basate nel tempo, 
	- oltre  che  sui  limiti  degli  strumenti di osservazione e di elaborazione. 
Tali difficoltà riguardano 
	- la forma, le  dimensioni  e le distanze  relative dei  corpi celesti, 
	- la relatività dei loro moti, 
	- la descrizione del Sistema Solare, 
	- la natura della luce e  la sua propagazione. 
Citiamo solo alcuni esempi di elementi dei paradigmi culturali che hanno avuto influenza rispetto ai problemi della visione astronomica del mondo:
	- il  cerchio è stato inteso nella filosofia occidentale come  forma  perfetta attribuita 		alle orbite dei  corpi celesti, e anche Copernico fece fatica a non utilizzarlo nel suo 		nuovo sistema del mondo;
	- l'incorruttibilità dei corpi celesti come attributo divino, per tutto ciò che risiede nel 		cielo, si è poi scontrato con le ipotesi evolutive e di mutamento (dalle macchie solari 		all'esplosione di  stelle);
	- le ipotesi sulla fisica del mondo di Aristotele hanno avuto un ruolo del tutto 			particolare. Tra queste: l'immobilità della Terra e la rotazione del cielo, rispetto alla 		Terra in rotazione come sostenuto dai pitagorici, la negazione del vuoto, la negazione 	della pluralità dei mondi in relazione al "luogo naturale dei corpi" e la definizione di 		spazio rilevante ai fini delle relazioni tra i movimento e lo spazio stesso;
	- l'ipotesi di un unico centro dell'universo costituito  dalla  Terra,  legato  ad  un'idea 		di potere centrale, e di posizione privilegiata  dell'uomo  nell'universo, impedisce 			tutt'oggi il radicarsi di un'idea  Copernicana-Newtoniana del mondo, con un universo 		senza un unico centro.
Spesso anche concetti che oggi a noi sembrano noti da tanto tempo e di dominio comune, è utile ricordare quanto invece siano conquiste recenti nella storia dell'umanità. Questa riflessione è particolarmente doverosa in educazione quando ci occupiamo di tali temi con bambini piccoli.
In relazione  alla  forma dei  corpi  celesti,  ricordiamo che Galileo Galilei (1610) ha visto per primo che  un  pianeta circondato da satelliti (Giove); e 50 anni più tardi, grazie a dei telescopi più perfezionati, i suoi successori (Zupi, Riccioli, Grimaldi e Cassini) hanno visto il pianeta Giove ruotare su se stesso: da questa osservazione  si poteva dedurre che Giove è una sfera. Per la Terra è Foucault (1852) che ha trovato una  dimostrazione,  assai  poco intuitiva peraltro, della rotazione della Terra (Lanciano, 1989). Anche le Galassie sono state interpretate come oggetti "esterni" alla nostra Via Lattea in tempi molto recenti.
Per i problemi classici posti nella storia dell'Astronomia, rimandiamo alla Bibliografia (storia dell'Astronomia) e in particolare alle opere di De Santillana, di Kuhn e di Koiré oltre che ai testi antichi greci e latini (Igino, Arato, Aristotele...).

Ma altri problemi, più nascosti e sottili, si sono presentati nella storia: a volte essi sono stati avvertiti non tanto e non solo dagli astronomi, ma dagli artisti e perciò li ritroviamo non sotto forma di domande esplicitate verbalmente, ma sotto forma di realizzazioni plastiche o pittoriche. "Ma ogni segno sta per un atto mentale, un concetto, un'idea" scrive Pierantoni (1994) studioso di problemi cognitivi connessi col disegno infantile. E' nello sviluppo delle arti figurative e delle tecniche del disegno e della pittura che le idee sugli astri e le loro relazioni con la Terra sono state espresse fin dai tempi più antichi.					
L'interesse per tali questioni, nel nostro studio, risiede nel fatto che, la nostra indagine sulle concezioni dei bambini è avvenuta non solo attraverso l'espressione verbale ma anche attraverso strumenti plastici (la creta) e pittorici (il disegno). Abbiamo pertanto ritrovato più volte nelle concezioni dei bambini, attraverso questi canali espressivi, alcune "soluzioni" già adottate nella storia dagli artisti di vari popoli in epoche diverse, segno della presenza di determinate problematiche e delle relative "soluzioni" trovate.
Alcune di esse particolarmente pertinenti, soprattutto perchè vicine a concezioni espresse dai bambini, sono illustrate e ampiamente analizzate nel volume di Pierantoni (1994), Monologo sulle stelle. 
In particolare ci riferiamo ai problemi legati alla natura della luce e alle modalità di illuminazione da parte degli astri; tali questioni sono rese complesse per il loro legame con le ipotesi circa i meccanismi della visione e l'interazione tra questi e le proprietà della luce stessa. 

Ci preme inoltre sottolineare come nella storia della scienza e della cultura in generale, sia possibile rintracciare non solo le "difficoltà" a cui abbiamo accennato, ma metodi e abitudini di conoscenza del cielo, che sono  preziosi e fidati. 

Scrive De Santillana in Fato antico fato moderno (1968, ed it 1985):
"Per noi, che releghiamo le osservazioni delle stelle e le meridiane  a un angolino nello schema delle cose, è difficile immaginare un tempo in cui misure così minutamente precise, affidate alla memoria lungo periodi di tempo così estesi, occupavano una così vasta area della coscienza da essere ritenute normative per la società intera.....Musica e tempo - il tempo dei periodi celesti- erano 'ab antiquo' un'immagine mobile dell'eternità" (p 149, 151 ed it) e ancora: "Un pianeta noi lo vediamo come un punto che cambia posizione nel cielo; oppure più astrattamente, lo pensiamo come un percorso o un'orbita. Non lo visualizziamo sinotticamente e ritmicamente insieme...Nel modo di vedere è avvenuto un mutamento....Il complesso spazio-tempo proietta due aree di realtà matematicizzabile, la musica e la danza dei pianeti." (p 141 ed it), e infine "La distanza dalla natura non è grave, ogni civiltà prende distanza dalla natura; ma l'assenza di un cosmo non è sostituibile dal fatto sociale."(p 47 ed it)
In tal senso riteniamo particolarmente prezioso il contributo di De Santillana e Von Dechend ne Il mulino di Amleto (1969, ed it 1983). In questo testo gli autori mostrano come diverse culture, in epoche diverse, in luoghi lontani del mondo, abbiano raggiunto conoscenze profonde della struttura di molti fenomeni astronomici, con mezzi tecnologici e matematici "poveri", molto vicini, a priori, a quelli disponibili per i bambini con possibilità di vedere. Gli autori forniscono elementi per leggere la storia cosmica del nostro pianeta in relazione alle stelle, a partire dall'evento traumatico dell'inclinazione del piano dell'Eclittica rispetto a quello dell'Equatore. Il livello di analisi filosofica del volume, offre peraltro la possibilità di numerose e profonde riflessioni di carattere  epistemologico sui campi di esperienza da noi esaminati.
"Il pensiero arcaico può essere definito in un modo solo: essenzialmente cosmologico" nel senso dato da De Santillana (1969) "anche se ormai è difficile riconoscerlo" aggiunge egli stesso. (Cap IV, p 74 ed it)
"L'antropologia moderna, pur avendo dissotterrato una meravigliosa profusione di particolari, è stata indotta dalla sua moderna tendenza evoluzionistica e psicologica a dimenticare la fonte principale del mito, cioè l'Astronomia, la Scienza Regale, un oblio che è anch'esso un evento recente, non più antico di un secolo". (p 27, ed it)

Campo di esperienza Sole		Domande ed ostacoli

Domanda 1 
Durante il giorno sul nostro orizzonte il Sole si vede in posizioni diverse: ma chi si muove davvero, il Sole o la Terra? Per i bambini più piccoli (I elementare) questa domanda è legata alla Concezione 1 in cui il Sole del mattino non è lo stesso del Sole di mezzogiorno o del tramonto. Per poter formulare questa domanda occorre aver osservato che il Sole, ogni giorno, occupa diverse posizioni nel cielo al passare delle ore. Per i più piccoli il Sole sta fermo ma se loro si muovono lui si muove con loro "se io mi fermo lui mi aspetta, se io cammino lui viene con me". E' qui espressa una forma di amicizia con gli astri da parte dei bambini, un sentimento di avere nel Sole un amico fedele, sensazione che può essere base di conoscenza se non è interrotta o negata. (Allegato 3)
Ostacoli
Un ostacolo didattico può essere costituito dalla fretta di dare risposta a questa domanda in accordo con una visione adulta, di tipo eliocentrico in cui la Terra è in movimento e il Sole è fisso.

Domanda 2 
Quanto vediamo grande il Sole e quanto è grande davvero? Un caso geometrico del tutto particolare fa si che, dalla Terra, la Luna e i Sole siano visti delle stesse dimensioni, cioè sotto lo stesso angolo. (v.Fig Domanda 2)
In realtà le loro dimensioni sono del tutto diverse ma è la relazione delle distanze reciproche che produce questo effetto prospettico. Questa situazione, che non sempre è percezione cosciente, implica delle inferenze sulle valutazioni delle distanze e delle dimensioni.
Ostacoli
Un ostacolo di carattere percettivo è legato alle condizioni meteorologiche che influenzano l'immagine osservata del Sole. Il Sole infatti può risultare più o meno rosso. I suoi raggi sono molto evidenti in alcune configurazioni delle nuvole. La forma del disco solare è più vicina ad un cerchio quando il Sole è alto sull'orizzonte e ad un ovale quando è basso sull'orizzonte. La nebbia permette di guardare il Sole e di vedere un disco ben definito. 
I numeri grandi, relativi alle dimensioni e alla distanza del Sole dalla Terra, sono difficili da immaginare e da ricordare.
Il Sole è sentito come molto grande, perchè molto presente, e molto carico di peso simbolico: questo lo fa sentire anche molto vicino. In questo senso un'emozione può essere causa di ostacolo.

Domanda 3 
Il Sole è un disco o una sfera? Il Sole ha una faccia? Che forma ha il Sole? Che colore ha?
I "raggi" del Sole che vediamo quando ci sono le nuvole, o in mezzo ai rami di un albero, e la "luce diffusa" di cui facciamo l'esperienza, propongono due modelli diversi per il Sole:
	 una sfera	<--------> una sfera raggiata	 	(v. Fig: I° schema Domanda 3)

E ancora, si dice: "Il Sole è una sfera che irradia luce e calore in tutte le direzioni" questa frase evoca un' immagine (v. Fig: II° schema Domanda 3).

"I raggi del Sole che arrivano sulla Terra possono essere considerati tutti tra loro paralleli" questa frase evoca alcune immagini (v. Fig: III° schema Domanda 3):

In effetti sono i problemi sulla luce che si presentano quando si lavora sul Sole, e la sua parentela con i pianeti e la Luna, da una parte, e con le stelle, dall'altra. Questi problemi sono legati agli aspetti della forma e della propagazione della luce e del calore del Sole.
Ostacoli
Alcuni ostacoli derivano dall'intreccio tra percezione e pensiero: immaginare un corpo solido, definito, un oggetto dunque con una forma, che ha però un confine indefinito, che non è racchiuso in un contorno che lo delimita completamente, perchè la luce "esce" dal Sole. E', quello del Sole, il caso di un oggetto celeste del tutto anomalo.
Le immagini del Sole lo presentano, specie nella letteratura per bambini, con una faccia ridente; i giochi dei bambini hanno spesso un dischetto che rappresenta il Sole; inoltre ora con i raggi lunghi e sottili, ora con pochi raggi corti e grossi e anche nella realtà a volte si vedono e a volte no, in dipendenza delle situazioni meteorologiche. Questo rende difficile la definizione dei "confini" del Sole: con la parola "sole", intendiamo il disco, la luce...?
Inoltre vediamo un disco e dobbiamo immaginare una sfera. 
I problemi legati alla rappresentazione grafica bidimensionale sono relativi al considerare nel micro spazio del foglio il mega spazio in cui si trovano fisicamente il Sole e la Terra, e il meso spazio del terreno, con i raggi del Sole e le ombre degli oggetti.

Domanda 4 
"Dove si trova il Sole "nel cielo o nello spazio ?" si chiedono i bambini. 
Legata all'aspetto del moto, questa domanda rimanda ancora alla parentela del Sole in particolare con la Luna, dunque ad un modello in cui entrano in gioco le distanze tra i corpi celesti. Questa domanda è formulata dai bambini in I elementare quando cercano di definire che cosa siano il cielo e lo spazio, e a quali elementi di spazio e tempo sono correlati, ossia quando cercano di mettere ordine nel loro sistema del mondo.
Ostacoli
Il Sole si vede solo nel cielo azzurro e la Luna si vede anche di notte, nel cielo scuro, detto lo spazio dai bambini. Il cielo è pensato dai bambini più vicino alla Terra dello spazio, dunque il Sole risulta più vicino della Luna. Come già detto (Domanda 2) per il suo peso simbolico, il Sole è sentito dai bambini molto vicino alla Terra.

Domanda 5 
Quale è il percorso diurno del Sole sopra l'orizzonte? e qual è il movimento giornaliero del Sole?
Ostacoli
Un ostacolo concettuale è dovuto al fatto che alcuni bambini dicono che il Sole sta fermo e che è la Terra che si muove e questo pensiero, comunicatogli dall'esterno, da adulti autorevoli, impedisce loro di "vedere" quel moto che invece "appare", cioè quello che osservano del Sole. 
Un ostacolo di carattere percettivo è dovuto al fatto che nel cielo del giorno non è possibile trovare dei punti dei riferimento, che vanno invece presi sulla terra rispetto all'orizzonte locale, o costruiti appositamente, per seguire il percorso del Sole. (v. Attività "le canne").
Inoltre del percorso del Sole nel cielo non resta alcuna traccia nello spazio, mentre, ad esempio, resta la traccia del percorso di uno sciatore sulla neve. 
Un altro ostacolo è dovuto alla difficoltà di integrare le forme dei corpi celesti con i loro movimenti. Chi considera la Terra piatta e ferma, può immaginare che il Sole la notte vada dietro le nuvole o dietro le montagne. Chi invece immagina la Terra sferica e ferma e dice "il Sole va dall'altra parte della Terra", può commettere i due errori seguenti: 1. pensare ad un Sole che ruota intorno alla Terra in 24 ore; 2. pensare ad un Sole che va da sopra a sotto l'orizzonte, e cambia emisfero ogni 12 ore.

Domanda 6 
Che cosa cambia del percorso diurno del Sole, durante l'anno? Sorge e tramonta sempre negli stessi punti dell'orizzonte ?
Ostacoli
A scuola, di solito, ciò che "appare" è meno "vero" di ciò che dicono gli adulti; ma ciò che dicono gli adulti interferisce con ciò che appare, ad esempio per quanto riguarda il percorso diurno del Sole sopra l'orizzonte. 
Le capacità percettive poco allenate possono essere causa di ostacolo. Si ha la necessità di imparare a individuare opportuni punti di riferimento e costruire un'abitudine all'osservazione, a guardarsi intorno e a credere ai propri sensi quando ciò che vediamo è diverso da ciò che ci aspettiamo, non è conforme alla teoria che ci siamo costruiti. 

Domanda 7 
Che legame c'è tra lo spostamento del Sole nel cielo e le nostre ombre sul terreno?
Ostacoli
Un ostacolo didattico dovuto al porre l'attenzione a volte alle ombre e altre volte al Sole, in modo separato, può provocare un ostacolo concettuale e percettivo. 
Il pensare che a mezzogiorno il Sole arriva allo Zenit, fa dire ad alcuni di aver visto sparire la propria ombra a mezzogiorno, anche se non è possibile averla osservata.

Domanda 8 
Dove si trova il Sole di giorno e di notte rispetto a noi?
Ostacoli
E' difficile sviluppare un'immaginazione spaziale geometrica: si tratta di immaginare varie sfere in rotazione reciproca, quella della Terra, quella del Sole che diffonde luce nello spazio in tutte le direzioni, e quella ideale del cielo stellato. Un ostacolo didattico può interferire in questo problema dato lo scarso peso che di solito viene dato alla geometria e in particolare alla geometria dello spazio (Berthelot&Salin, 1995).

V fig allegate