Il Regolamento di riordino dei Licei del marzo 2010 ha introdotto l’insegnamento della Fisica nel primo biennio del liceo scientifico, portando a 13 le ore totali nel quinquennio, contro le 8 dell’ordinamento precedente. Le Indicazioni Nazionali riguardanti gli obiettivi specifici di apprendimento, come per altre discipline, hanno fornito finalità ed elementi metodologici precisi, insieme a contenuti disciplinari presentati in modo essenziale. Il riordino ha accolto l’esperienza di alcune sperimentazioni dei decenni precedenti, prima fra tutte quella del Piano Nazionale per l’introduzione dell’Informatica (PNI), ove le ore totali nel quinquennio erano 15    . Ci pare utile presentare alcune considerazioni per fare un bilancio del primo ciclo di liceo post riforma (conclusosi già più di un anno fa) e fornire un quadro sensato di ciò che è ragionevole proporre, anche nella prospettiva della seconda prova scritta di Fisica all’Esame di Stato per il liceo Scientifico (le simulazioni di questi ultimi due anni destano non poche preoccupazioni per l’enciclopedismo richiesto, in  contraddizione con le stesse Indicazioni Nazionali).

Approccio metodologico

Partiamo proprio dalle Indicazioni Nazionali; in esse è richiamato il “Profilo educativo culturale e professionale dello studente”,  che auspica innanzitutto “il concorso e la piena valorizzazione di tutti gli aspetti del lavoro scolastico: lo studio delle discipline in una prospettiva sistematica, storica e critica; la pratica dei metodi di indagine propri dei diversi ambiti disciplinari; l’esercizio di lettura, analisi, traduzione di testi letterari, filosofici, storici, scientifici, saggistici e di interpretazione di opere d’arte; l’uso costante del laboratorio per l’insegnamento delle discipline scientifiche; la pratica dell’argomentazione e del confronto; la cura di una modalità espositiva scritta ed orale corretta, pertinente, efficace e personale; l‘uso degli strumenti multimediali a supporto dello studio e della ricerca”.
Più avanti si legge che “ogni disciplina, con i propri contenuti, le proprie procedure euristiche, il proprio linguaggio concorre ad integrare un percorso di acquisizione di conoscenze e di competenze molteplici, la cui consistenza e coerenza è garantita proprio dalla salvaguardia degli statuti epistemici dei singoli domini disciplinari”.​

Il primo dei criteri costitutivi cui sono ancorate le Indicazioni è l’esplicitazione dei nuclei fondanti e dei contenuti imprescindibili così illustrato:  “Intorno ad essi, il legislatore individua il patrimonio culturale condiviso, il fondamento comune del sapere che la scuola ha il compito di trasmettere alle nuove generazioni, affinché lo possano padroneggiare e reinterpretare alla luce delle sfide sempre nuove lanciate dalla contemporaneità, lasciando nel contempo all’autonomia dei docenti e dei singoli istituti ampi margini di integrazione e, tutta intera, la libertà di poter progettare percorsi scolastici innovativi e di qualità, senza imposizioni di metodi o di ricette didattiche. Ciò ha comportato la rinuncia ai cataloghi onnicomprensivi ed enciclopedici dei “programmi” tradizionali.”​
Ci è sembrato giusto richiamare questi aspetti delle Indicazioni poiché molti docenti, di fronte a una novità normativa, s’interessano solo all’elenco dei contenuti disciplinari, insomma al programma, inteso ancora come unico criterio per scandire l’azione didattica: quello che c’è da fare è scritto lì. Invece nelle Indicazioni il programma non c’è; ed esse non dettano neppure un modello didattico-pedagogico: “Ciò significa favorire la sperimentazione e lo scambio di esperienze metodologiche, valorizzare il ruolo dei docenti e delle autonomie scolastiche nella loro libera progettazione e negare diritto di cittadinanza, in questo delicatissimo ambito, a qualunque tentativo di prescrittivismo”. Dunque le Indicazioni non prescrivono.
Qui ci occupiamo dell’insegnamento della Fisica nel liceo scientifico; ma riteniamo che ci possano essere spunti di riflessione e conseguenti scelte operative anche per altri insegnamenti. La proposta che sosteniamo scaturisce da 25 anni di esperienza di insegnamento della Fisica nel quinquennio del PNI e da oltre dieci anni di ricerca e sperimentazione didattica all’interno del gruppo di docenti del Cidi di Firenze; il frutto di questa ricerca ha trovato conferme nelle Indicazioni del 2010.

Così inizia la sezione dedicata alla Fisica: “Al termine del percorso liceale lo studente avrà appreso i concetti fondamentali della fisica, le leggi e le teorie che li esplicitano, acquisendo consapevolezza del valore conoscitivo della disciplina e del nesso tra lo sviluppo della conoscenza fisica ed il contesto storico e filosofico in cui essa si è sviluppata”.
Ci pare che questo richiamo, così come le altre affermazioni sopra riportate, sia perfettamente coerente con quanto sostenuto in letteratura (cfr. bibliografia in appendice): l’insegnamento della Fisica deve tenere conto dello sviluppo della disciplina e le scelte, sia metodologiche che di contenuto, devono essere epistemologicamente fondate, cioè devono scaturire da tale sviluppo.  Il punto di partenza, nell’introduzione di un nuovo tema, sarà dunque una situazione problematica, possibilmente introdotta attraverso l’osservazione dei fenomeni, l’esperimento; ove tale osservazione non fosse possibile si ricorrerà al racconto e alla simulazione; deve trattarsi di qualcosa di motivante per gli studenti e allo stesso tempo significativo nello sviluppo della disciplina. La storia delle grandi idee, dei concetti, delle teorie scientifiche, emerse faticosamente anche nella mente di grandi come Galileo e Newton, guiderà l’insegnante nella ricerca di senso (e condurrà alle corrette scelte di contenuto).
Si tratta di un approccio motivante per gli studenti: si costruisce un percorso articolato, una storia, si raccontano problemi e congetture, esperimenti e misure,  si affrontano problemi veri, problemi con cui si sono confrontati gli studiosi del passato e che si cercherà di far percepire come tali dagli studenti. Il docente deve essere ben consapevole, attraverso una solida conoscenza della disciplina e del suo prodursi, che “i concetti scientifici non sono oggetti ‘scoperti’ da un esploratore, ma sono invece astrazioni create o inventate deliberatamente dall’azione dell’intelligenza umana”; anche ai nostri studenti deve essere offerto di ripercorrere, almeno in parte, questo processo di costruzione, processo che deve aver luogo a partire dalle loro “nozioni intuitive”. Vogliamo ribadire ancora la nostra scelta metodologica: rilevanza dell’esperienza concreta come punto di partenza nella costruzione dei concetti, non attivismo fine a se stesso; elaborazione di percorsi che facciano cogliere allo studente il senso del fare scienza, che lo conducano a porsi domande del tipo “Come facciamo a sapere che…?”. Non sempre sarà possibile e opportuno seguire strettamente un approccio storico; in ogni caso il docente deve avere ben chiaro quali obiettivi di acquisizione concettuale intende raggiungere ed essere consapevole degli ostacoli epistemologici che gli studenti, quasi sempre inconsapevolmente, si troveranno ad affrontare.

Scelta dei contenuti disciplinari

Nel seguito articoliamo una porzione del curricolo di Fisica per i primi tre anni di corso; lo facciamo riferendoci agli obiettivi specifici di apprendimento, ove non troviamo un elenco di contenuti disciplinari, ma piuttosto un richiamo ad alcuni temi: per il primo biennio, ottica geometrica, fenomeni termici, equilibrio, leggi della dinamica, lavoro e conservazione dell’energia, e l’invito a svilupparli “secondo modalità e con un ordine coerenti con gli strumenti concettuali e con le conoscenze matematiche già in possesso degli studenti”.​
In modo coerente con quest’ultima raccomandazione, riteniamo che la trattazione delle leggi della dinamica debba svilupparsi, nel primo biennio, anzitutto come costruzione di strumenti concettuali; questi sono il concetto di forza come interazione tra oggetti, il concetto di velocità (che dovrebbe essere introdotto già alla scuola media), il concetto di accelerazione. Diversamente dalle Indicazioni, riteniamo che il principio di Relatività di Galileo debba essere trattato nel primo biennio, insieme ai concetti cinematici, come idea fondamentale sulla natura del movimento, insieme all’idea della persistenza del movimento e dell’indipendenza dei moti simultanei. All’inizio del secondo biennio la preparazione dello studente sarà così adeguata per cogliere, proprio come un frutto maturo, il cuore della dinamica di Newton, la relazione tra forza e accelerazione, intesa, quest’ultima, come grandezza vettoriale.
A proposito di vettori, riteniamo che sarà la consuetudine con le grandezze fisiche come la forza, la velocità, l’accelerazione a suggerire l’astrazione verso la definizione di grandezza vettoriale; e che le relative operazioni saranno introdotte contestualmente alla situazione fisica che le richiede. Non dunque il calcolo vettoriale su oggetti matematici ma su grandezze fisiche, riferite a un contesto concreto. Così lo studente imparerà a sommare le forze con la regola del parallelogramma, a sottrarre velocità per determinare l’accelerazione in un moto curvilineo, a moltiplicare forza e spostamento, questo nel secondo biennio, per calcolare il lavoro, e poi velocità e campo magnetico per ottenere un altro vettore. In questo procedere dal concreto all’astratto, alla fine del secondo biennio potrà essere significativo sintetizzare definizioni e operazioni sui vettori.

Tornando alle leggi della dinamica, esse non verranno, dunque, enunciate in modo completo nel primo biennio, rimandando al secondo biennio la seconda legge, proprio per riservarle quella “particolare attenzione” di cui parlano le Indicazioni. E pure al secondo biennio si dovranno rimandare i concetti di lavoro e energia, tenendo presente quanto sia fondamentale aver chiarito e consolidato il concetto di forza, distinguendolo bene da quello di velocità, per trattare quello di energia. È bene ricordare che fino ai primi del ′900 il termine forza era utilizzato anche per indicare grandezze che oggi per noi sono energie: la forza viva (anche indicata come la forza di un corpo in moto) per l’energia cinetica, la forza latente per quella potenziale (si parlava anche di forze morte, forze in situazioni di equilibrio); questo ci fa comprendere quanta attenzione va posta alla costruzione di concetti. 

Pure la trattazione di fenomeni termici nel biennio è un requisito per l’idea di conservazione dell’energia. A proposito di questo tema, ci pare di grande importanza il richiamo a trattarlo da un punto di vista macroscopico; i libri di testo, al contrario, presentano i fenomeni termici dopo la trattazione dell’energia meccanica, introducendo immediatamente il punto di vista microscopico per calore e temperatura (con le unità di misura del S.I.), come se queste grandezze non potessero essere definite macroscopicamente. Crediamo che si debba proprio rinunciare a questo rigore fasullo e alla pretesa di fornire subito la risposta corretta; capita sempre più spesso di sentire studenti che all’inizio del primo biennio sanno che la temperatura è il movimento delle particelle, o che il calore si misura in Joule. Questo pregiudica gravemente la possibilità di acquisire il concetto di temperatura come grandezza macroscopica, quale essa è; lo stesso dicasi per il calore. È evidente la grave contraddizione con la raccomandazione di partire dai fenomeni, lo stravolgimento del modo di prodursi della conoscenza scientifica (sopra abbiamo citato il richiamo alle procedure euristiche di ogni disciplina e alla salvaguardia del relativo statuto epistemico). Ci siamo riferiti alla raccomandazione relativa ai fenomeni termici ma è chiaro che quanto abbiamo sostenuto si trasferisce a tutti quegli ambiti che comportano un’interpretazione microscopica (per esempio lo studio dei fenomeni elettrici).

Un altro rilievo che ci sentiamo di fare ai manuali e alla prassi didattica più diffusa è dello stesso tipo di quello già presentato sui vettori e riguarda l’onnipresente capitolo introduttivo sulla misura; riteniamo che ciò che c’è da imparare sulla misura e la trattazione dei dati sperimentali possano essere appresi contestualmente all’occasione di fare misure. Vediamo qualche esempio: nel percorso di costruzione del concetto di forza ci si occupa del legame tra forza e deformazione; potrebbe essere la prima occasione per fare misure, per esprimere il risultato in modo corretto, per discutere dell’incertezza su una grandezza ottenuta come differenza tra altre due misurate (il caso dell’allungamento di una molla) o come rapporto (nella legge di Hooke). Altre occasioni si presenteranno, per esempio, dallo studio dei fenomeni termici, dove la taratura di un termometro ad alcool farà riflettere sulla costruzione di una scala di precisione. Ci sembra che ciò possa far risparmiare tempo e, soprattutto, offrire una motivazione, un contesto di senso a ciò che si fa (ci sono corsi di studi dove la fisica si insegna solo nel primo biennio, con pochissime ore, in cui i docenti dedicano mezzo anno scolastico alla misura, come “cappello” introduttivo, imprescindibile, di una fisica che tuttavia rimarrà in gran parte sconosciuta!).

Lo studio dell’equilibrio dei fluidi può trovare spazio nel primo biennio, ma anche in questo caso ci pare che l’obiettivo più importante sia l’acquisizione del concetto di pressione in un fluido e una prima conoscenza del comportamento dei sistemi gassosi.
Lo studio dell’ottica geometrica è adatto al primo biennio, sia per la relativa semplicità degli aspetti concettuali (confrontata con la dinamica) e di quelli matematici connessi, sia per la ricca gamma di esperimenti possibili. Molti libri di testo propongono lo studio dell’ottica all’inizio del primo anno; considerando l’orario settimanale di sole due ore, riteniamo che sia più opportuno attaccare subito il “cuore” della dinamica con la costruzione del concetto di forza.

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Immagine a lato: Pendolo di Newton, immagine libera da copyrigth in licenza Creative Commons