01. Presentazione del corso.
Natura della scienza

Presentazione dei contenuti del corso

   Di solito, durante le lezioni di scienze a scuola, gli studenti incontrano la "scienza finale", in cui la conoscenza scientifica viene presentata partendo esattamente dalle conclusioni (cioè da quello che sappiamo oggi, che non è detto sia conclusivo...).

   L'approccio storico cerca di evitare questa falsa immagine della scienza come progressione lineare verso la verità. La storia della scienza può facilitare la comprensione della natura della scienza (vedi dopo), mettendo in evidenza i vincoli culturali e sociali in cui una scienza si è sviluppata, e rivelando il "lato umano" della scienza. 

   Ovviamente, non si tratta di memorizzare eventi, nomi e date quanto piuttosto ragionare sul modo in cui le idee sul nostro pianeta si sono modificate nel tempo, su quali basi, con quali conseguenze. La ricerca didattica, tra l'altro, ha spesso messo in evidenza come le idee del passato siano spesso le idee che "intuitivamente" i bambini e i ragazzi considerano verità scientifiche (e, quando la scuola non fa il suo dovere, anche molti adulti continuano a ritenere tali). Queste concezioni saranno spesso ricordate durante il corso come "misconcetti" o concetti "alternativi" (sottointeso: alternativi alla spiegazione scientifica). Le basi pedagogiche dell'importanza di conoscere i misconcetti che gli studenti possono avere su un determinato argomento sono riconducibili ad un modello costruttivista dell'apprendimento. Ritorneremo su questo argomento in una delle prossime lezioni.

   In questo corso non sarà possibile affrontare la storia della geologia nel suo complesso e nei dettagli - per la vastità dell'argomento in gioco e anche perché chi tiene il corso non è uno storico -  ma saranno effettuate alcune scelte. Si selezioneranno argomenti rilevanti, sui quali gli scienziati hanno scelto talvolta ipotesi erronee, o interpretato erroneamente i dati a disposizione, o semplicemente non avevano sufficienti dati per verificare le loro ipotesi. Alcuni studi indicano che le controversie scientifiche del passato possono essere utilizzate per sviluppare le competenze degli studenti per quanto riguarda l'analisi di un problema e il modo di argomentare, prima di rivolgere l'attenzione a questioni controverse più recenti. Si tratta in ogni caso di argomenti fondanti delle scienze della Terra (il tempo geologico, l'origine delle rocce, la dinamica terrestre....).

   Nella scelta degli argomenti si sono tenute presenti anche le indicazioni ministeriali per le scuole secondarie si primo e secondo grado, che potete trovare - rispettivamente - qui e qui.

La storia della scienza e l'insegnamento

   Nelle Indicazioni Nazionali (primo ciclo di istruzione) si legge:

    La moderna conoscenza scientifica del mondo si è costruita nel tempo, attraverso un metodo di indagine fondato sull’osservazione dei fatti e sulla loro interpretazione, con spiegazioni e modelli sempre suscettibili di revisione e di riformulazione. L’osservazione dei fatti e lo spirito di ricerca dovrebbero caratterizzare anche un efficace insegnamento delle scienze e dovrebbero essere attuati attraverso un coinvolgimento diretto degli alunni incoraggiandoli, senza un ordine temporale rigido e senza forzare alcuna fase, a porre domande sui fenomeni e le cose, a progettare esperimenti/esplorazioni seguendo ipotesi di lavoro e a costruire i loro modelli interpretativi.

Nelle Linee Guida per le scuole secondarie superiori (istituti professionali, tecnici e licei) il riferimento all'aspetto storico dell'insegnamento delle scienze è molto meno evidente. In generale, vengono fatti accenni all'evoluzione del pensiero scientifico da affrontarsi nei corsi di storia (ed eventualmente filosofia). Sul fronte invece degli insegnamenti scientifici si ha:

Per i licei, 

• • Per l'insegnamento della matematica e della fisica in TUTTI I LICEI sono previste riflessioni sull'aspetto storico della disciplina, per esempio: "Al termine del percorso liceale lo studente avrà appreso i concetti fondamentali della fisica, acquisendo consapevolezza del valore culturale della disciplina e della sua evoluzione storica ed epistemologica."

  • Per le Scienze della Terra, SOLO NEL LICEO SCIENTIFICO OPZIONE SCIENZE APPLICATE, a proposito dei fenomeni vulcanici e sismici si indica di porre attenzione "alla evoluzione delle teorie interpretative formulate nel tempo".

  • Nessun riferimento esplicito alla storia della chimica o della biologia.

Per gli Istituti Tecnici, l'aspetto storico è suggerito negli insegnamenti di scienze e della tecnologia, almeno in teoria (tenendo conto che le ore di scienze sono due a settimana e solo nel biennio):

• lo studente deve essere in grado di (...) collocare le scoperte scientifiche e le innovazioni tecnologiche in una dimensione storico-culturale ed etica, nella consapevolezza della storicità dei saperi.

• L’asse storico-sociale contribuisce alla comprensione critica della dimensione culturale dell’evoluzione scientifico-tecnologica e sviluppa il rapporto fra discipline tecniche e l’insegnamento della storia. In questo insegnamento, il ruolo dello sviluppo delle tecniche e il lavoro sono un elemento indispensabile perché tutti gli studenti comprendano come si è sviluppata la storia dell’umanità. E’ evidente che se il lavoro dell’insegnante di storia è sorretto da quello delle discipline tecniche, i docenti di materie di indirizzo possono non solo rispondere a domande specifiche relative alla loro disciplina, ma anche introdurre, nel proprio insegnamento, elementi di storicità che aiutano a comprendere meglio le dinamiche interne di sviluppo delle tecniche. 

L'assenza di un riferimento all'aspetto storico delle scienze in quasi tutti i licei - a mio parere - impoverisce le progettazioni didattiche dei docenti di scienze e priva gli studenti di un quadro utile per il loro apprendimento.

Sarebbe invece importante che chi si occupa di istruzione scientifica continuasse a ricercare e sviluppare la storia della scienza attraverso metodi interdisciplinari per una migliore comprensione della natura della scienza da parte degli studenti. Come detto sopra, non è un caso che la ricerca didattica abbia più volte evidenziato come le "idee ingenue", le "spiegazioni alternative alla scienza", i cosiddetti "misconcetti" o "conoscenze alternative" dei bambini e dei ragazzi (e a volte degli adulti) assomiglino spesso - e a volte in maniera sorprendente - alle prime interpretazioni che storicamente l'uomo si è dato dei fenomeni naturali. Ne parleremo durante il corso, a proposito della evoluzione del pensiero geologico.

Il metodo scientifico

Soprattutto per chi decide di dedicarsi all'insegnamento (ma in generale per tutti coloro che affrontano studi di tipo scientifico) può essere utile riflettere su come funziona la scienza.

In questo caso, è interessante notare che praticamente tutti i libri scolastici (di qualsiasi ordine di scuola) iniziano a parlare di scienze introducendo il cosiddetto "metodo scientifico", sostanzialmente il metodo introdotto da Galileo. Ma esiste un unico metodo scientifico per tutte le scienze? Una scienza che studia oggetti che evolvono nel tempo (come la geologia, la cosmologia, l'archeologia.....) usa gli stessi metodi della fisica? E in che modo processi come la deduzione e l'induzione vengono utilizzati nel fare scienza?

"Lo schema generale va dalle ipotesi alla teoria, ma nelle applicazioni ai diversi campi di ricerca le diverse componenti e le diverse fasi del processo sono diversamente intrecciate e rilevanti: l’esperimento, i criteri di valutazione dei risultati, il modo di trattare gli errori, i modi di interpretare e di organizzare in formulazioni teoriche, ... sono specifici rispetto agli oggetti di studio." (S. Caravita)

I metodi scientifici

Per fare un esempio che ci riguarda direttamente: gli esperimenti di laboratorio svolgono un ruolo limitato nello sviluppo di molte idee chiave della geologia. I ricercatori di scienze della Terra hanno costruito e sviluppato un approccio che utilizza diversi modi di indagine per affrontare concetti come la tettonica delle placche, il tempo geologico, o i cambiamenti climatici globali. Se ne possono individuare sei (Kastens & Rivet, 2008):

• 1. il classico esperimento di laboratorio

  2. l'osservazione di variazioni nel tempo

  3. il confronto di prodotti di processi del passato con i prodotti di processi attuali,

  4. l'osservazione di variazioni nello spazio

  5. l'uso di modelli fisici

  6. l'applicazione di modelli digitali

"Geoscientists test hypotheses by comparing modern processes to those found in the rock record; comparing related examples to understand commonalities and differences attributable to process, history, and context; finding multiple converging lines of evidence; and comparing observations to theory-based prediction. They share the perspective that observation and  a spatial and temporal organizational scheme are fundamental to understanding Earth systems and processes. Their interpretations are grounded in a common understanding that Earth represents a long-lived, dynamic, complex system for which a 4.6-billion-year history has been shaped by processes operating at different rates. These methods and approaches have evolved over time because they are particularly well adapted to studying Earth." (Manduca & Kastens, 2012)

Più in generale, è anche interessante riflettere sul fatto che la maggior parte - se non tutti - gli scienziati non lavorano seguendo il "modello di metodo scientifico", che prevede di osservare i fenomeni, raccogliere dati, avanzare una spiegazione (ipotesi), testare l'ipotesi in laboratorio. Prima che venga formulata una ipotesi, anche decenni prima a volte, esiste una fase in cui interviene l'aspetto creativo della scienza, in cui l'immaginazione ha un ruolo fondamentale, e anche la personalità dello scienziato... Come esempio, se vogliamo estremo, di questa diversità, pensiamo al fatto che Niccolò Copernico spostò la Terra dal centro dell'universo e diede inizio a quella che viene chiamata "rivoluzione copernicana" non basandosi sulle osservazioni astronomiche ma perché il modello tolemaico, per dare ragione di tutte le osservazioni e poter prevedere le posizioni reciproche degli astri, era stato costretto a utilizzare orbite non perfettamente circolari. E' stato per avere orbite circolari (e quindi per un motivo scientificamente sbagliato...) che Copernico buttò via un modello usato da oltre 1400 anni e ne inventò uno nuovo.

Il linguaggio

In questo articolo ci sono alcune definizioni di parole come: metodo scientifico, metodo di insegnamento, induzione e metodo induttivo, deduzione, metodo logico-deduttivo, ipotesi, osservazione, inferenza, interpretazione.

Alcune di queste parole hanno significati diversi se utilizzati nel linguaggio comune e nel linguaggio scientifico. Ma anche nel linguaggio scientifico il significato può variare da un ambito scientifico all'altro. Prendiamo per esempio la parola "ipotesi". In matematica, l'ipotesi è la condizione fissata a priori, dalla quale discendono necessariamente alcune conseguenze; date certe ipotesi, si dimostrano certe tesi. Ben diverso è il significato di ipotesi nelle scienze sperimentali, in cui il risultato di un ragionamento deduttivo deve sempre essere confrontato con i "dati" della realtà. Nel linguaggio comune, infine, la parola ipotesi viene spesso usata al posto di "idea non sicura", "possibilità": "sto valutando l'ipotesi di cambiare lavoro"; "nell'ipotesi che tu sia eletto sindaco" ... 

Nella comunicazione (e l'insegnamento è una forma particolarmente complessa di comunicazione) è importante sapere che le parole hanno significati diversi in diversi contesti e anche per diverse persone.

Esempi di parole che, al di fuori dell'ambito scientifico assumono un significato diverso:

(elenco in costruzione, puoi contribuire...)

1. ...

2. errore

3. stima

4. evoluzione

5. legge

6. modello

7. feedback negativo/positivo

8. prova

9. caso

10. campione

11. significativo

12. soluzione

13. osservazione

14. ...

Implicazioni didattiche

Il brano seguente è tratto dal sito https://evolution.berkeley.edu/, mette in guardia da alcune comuni attività didattiche che possono generare concetti non scientificamente corretti sull'evoluzione:

Slippery slopes in common classroom activities

Evolution is more difficult to observe than, for example, Newtonian physics. Thus, we often conduct activities in the classroom that are intended to be analogous to evolution and to the scientific enterprise. However, some of these activities can lead to misconceptions unless they are carefully planned.

Having students hypothesize (guess) before they know anything

Hypotheses are explanations for natural phenomena that are based on prior experience, scientific background knowledge, preliminary observations, and logic. There are two main ways in which activities misuse the idea of having students form hypotheses. First, they may ask students to formulate a hypothesis without any prior knowledge or experience. This does not reflect the way science actually works and so should be avoided. If you want students to make a guess, that's fine — just be sure to call it a guess, not a hypothesis! Second, many activities ask students to form a hypothesis about what will happen in a particular situation or in a particular experiment. This conflates the idea of a hypothesis with that of an expectation. Hypotheses are explanations. There is nothing explanatory about the prediction that plants that get more water will grow taller or that students wielding tweezer-"beaks" will pick up the most lentils off the carpet — so these are not hypotheses. Rather they are expectations generated by the hypotheses that water is a critical component of plants' growth process and that a small "beak" is most efficient at picking up small food items. Be sure to help students distinguish between ideas that are true explanatory hypotheses and those that are merely what they think is going to happen. You can help students formulated real hypotheses by probing them about why they expect one outcome and not another to occur.

La natura della scienza

Parliamo di "natura della scienza", prendendo spunto dal libro di McComas Nature of Science, disponibile in rete per gli interessati. 

Fra gli aspetti ambigui dei libri scolastici, c'è l'idea che per ogni domanda sul mondo naturale gli scienziati alla fine hanno trovato o troveranno la "risposta corretta". In accordo con questa impostazione, alla fine di ogni capitolo si trovano gli esercizi da completare con la risposta "corretta", cercando quella giusta tra le domande a risposta multipla oppure si trovano rigidi protocolli di laboratorio attraverso i quali si può arrivare alla risposta "giusta".

Nella scienza, la risposta corretta in assoluto non esiste. Ciascuna risposta è corretta fino a prova contraria. Inoltre, la conoscenza scientifica non viene prodotta nel modo stereotipato descritto nei libri scolastici; in parte è il prodotto dell'inferenza umana, dell'immaginazione e della creatività, confermate poi da evidenze empiriche.

Rimandando la teoria alla lettura del libro (per chi fosse interessato), ci concentriamo qui su alcune attività che possono far riflettere su temi come: cosa significa osservare un fenomeno? Cosa hanno di diverso le osservazioni scientifiche rispetto a quanto intendiamo nel linguaggio e nella pratica quotidiana per "osservazione"?

Osservazioni

Osservazioni = Dati

Inferenze = deduzioni logiche a partire dai dati

Previsioni = supposizioni logiche su ciò che accadrà in futuro basate su dati e deduzioni 

Cosa significa "osservare" un fenomeno?

Spesso, tendiamo a considerare l'osservazione un processo "semplice", ma non è così. Per prima cosa, scopriamo che l'osservazione è un processo che dipende fortemente da quello che "vogliamo osservare", o che "sappiamo di dover osservare".

Per esempio, nel video seguente la richiesta è quella di contare il numero di passaggi di palla che fanno i giocatori con la maglia bianca: sapete rispondere correttamente?

2. Far vedere quindi la figura seguente. Chiedere "Cosa osservate?". Di solito la risposta è "Orme di uccelli (o di qualche altro animale)" oppure "Orme di animali che si avvicinano" ecc.

Scrivere sulla lavagna le risposte formulate dagli studenti

3. Per proseguire con lo scenario degli uccelli, a questo punto si può chiedere: "Potete vedere gli uccelli?" oppure "Come fate a dire che queste sono orme lasciate da uccelli?"

Il fatto che non vediamo gli uccelli rende la risposta "orme di uccelli" una inferenza piuttosto che una osservazione. Una vera osservazione sarebbe: "Due serie di segni neri di forma e dimensione diversa su uno sfondo bianco". E' un caso che la nostra familiarità con le tracce lasciate da certi animali ci faccia dire "orme di uccelli", in realtà potrebbero essere anche altro: due specie diverse di dinosauro, una mamma (o il padre) dinosauro con il suo piccolo. Oppure uccelli di specie diversi, oppure un uccello genitore con un piccolo. Anche il fatto di attribuire le tracce più grandi ad un animale più grosso è una inferenza.

Insomma, le risposte date comunemente non si basano solo sull'osservazione ma fanno largo uso dell'inferenza.

4. Si può chiedere a questo punto: "Perché i due animali si dirigono verso lo stesso punto?". Le risposte possono essere varie: vogliono raggiungere la stessa preda, o l'acqua. Uno può aver attaccato l'altro, oppure seguivano entrambi una traccia ... L'importante è far capire che tutte queste sono inferenze e che sono tutte plausibili. Lo stesso insieme di informazioni o evidenze porta a diverse, ugualmente possibili, risposte alla stessa domanda: "cosa è successo?".

5. Si mostra ora la figura seguente, chiedendo cosa rappresenta. Qualcuno può dire: le due file di segni si avvicinano e si mescolano a caso", che è una possibile osservazione. Qualcuno può dire: "i due uccelli hanno lottato tra di loro", che è una delle tante possibili inferenze.

6. Ora si mostra la figura seguente e si chiede agli studenti cosa osservano. La risposta, a questo punto è: "l'insieme dei segni più grandi continua anche dopo, i segni più piccoli non si vedono più". Si chiede: Quale inferenza puoi trarne? Ancora una volta le possibilità sono molte: un animale può over mangiato l'altro, uno dei due può essere volato via, uno può essere trasportato dall'altro... Sulla base delle osservazioni, tutte queste inferenze sono possibili, nessuna è certa. Nessuno ci assicura, per esempio, che le orme siano state lasciate nello stesso tempo...

7. Si tirano le conclusioni del lavoro: (1) osservazioni e inferenze sono processi diversi e (2) sulla base delle stesse osservazioni è possibile inferire molte risposte ugualmente plausibili.

Le inferenze sono uno dei principali strumenti della scienza: fare inferenze significa trarre conclusioni a partire da poche osservazioni, considerare singoli elementi e ‘costruire una storia’ su di essi

La maggior parte dei detectives usa frequentemente le inferenze; Sherlock Holmes è un esempio di come, sulla base di pochi dati, è possibile (ri)costruire una storia anche molto complessa

Non si ha mai la certezza che le conclusioni tratte dalle inferenze corrispondano alla realtà.

Proviamo a riconoscere quali delle seguenti frasi sono frutto di OSSERVAZIONE di un fenomeno naturale e quali invece fanno uso dell'INFERENZA