Giorgio Parisi: Come appassionare alla scienza. Parola di Nobel

MicroMega si congratula con Giorgio Parisi per il Nobel per la Fisica riproponendo uno dei saggi che ha scritto per la rivista.

Giorgio Parisi e Michela Mayer

Viviamo in una società fondata su scienza e tecnologia. La scienza, è il caso di dirlo, ci circonda. Eppure, i programmi scolastici delle materie scientifiche rimangono gli stessi di cinquant’anni fa. Perché l’insegnamento della scienza possa acquistare un senso occorre invece fare delle scelte, metodologiche e di contenuto, che rompano rispetto alla tradizione e che consentano innanzitutto di far assaporare agli studenti ‘il gusto di fare scienza’. (da MicroMega 6/2014)

Se chiedessimo agli studenti delle superiori quali sono le materie meno amate, le materie scientifiche sarebbero ai primi posti. È vero, a volte ci sono degli insegnanti estremamente dotati che coinvolgono tutti, o degli studenti particolarmente portati che si divertono a capire; ma queste sono eccezioni, e i risultati che i nostri studenti ottengono nelle rilevazioni internazionali lo confermano.
È solo un problema di non-cultura nazionale – ormai bistrattata a tutti i livelli, ma soprattutto in campo scientifico – o è anche un problema che riguarda più specificamente i temi trattati e le modalità d’insegnamento? È un dato di fatto che gli argomenti dei corsi scientifici siano, soprattutto per la fisica, rimasti sostanzialmente quelli di un secolo fa, nonostante la nostra società sia fondata sulla scienza e la tecnologia e ciascuno di noi maneggi quotidianamente e porti con sé oggetti come orologi al quarzo, cellulari, gps: scatole nere che sappiamo far funzionare ma il cui comportamento ci è spesso del tutto inspiegabile. Aprirli e guardarli non serve a niente, i componenti di base sono microscopici e anche se osservati al microscopio rivelerebbero solo un fitto incrocio di linee.

Occorre allora ripartire dalla domanda fondamentale: cosa vogliamo insegnare, a chi e perché vogliamo insegnarlo? Come possiamo farlo nel tempo a nostra disposizione?
La scelta degli argomenti e lo stile dell’insegnamento sono infatti cruciali. Prendiamo come esempio un’altra materia che dovrebbe esserci familiare, la musica e consideriamo due modalità estreme d’insegnamento:

– un corso di educazione musicale basato sull’ascolto ed eventualmente sull’esecuzione di musica;
– un corso in cui vengano spiegate le scale, la naturale e la temperata in termini puramente astratti 1, dove si impari la notazione musicale ma non si senta una nota.

Il secondo corso è adatto al conservatorio musicale, in quanto fornisce gli strumenti tecnici necessari per un musicista professionale, ma è del tutto inadatto a essere insegnato a milioni di persone che non useranno mai questi strumenti sofisticati nel resto della loro vita. Al contrario il primo corso potrebbe essere il punto di partenza per costruire una passione, un interesse per la musica che duri tutta la vita.

Quale è la situazione per le materie scientifiche?

Consideriamo il nuovo programma liceale per il triennio, quello della riforma Gelmini che arriverà alla maturità il prossimo anno. Per il liceo classico (e tutti i licei che non siano scientifici) si hanno solo due ore di scienze naturali la settimana per il primo biennio, a cui se ne aggiungono nel triennio 2 di fisica, 132 quindi per ogni anno del triennio su un totale di 1.023, poco più del 10 per cento dell’orario per costruire una cultura scientifica! Solo nel liceo per le scienze applicate – quello che ha una maggiore incidenza di materie scientifiche – le ore tra fisica, chimica, biologia e scienze della Terra, sono 132 il primo anno (su un totale di 891) per arrivare a 264 l’ultimo anno (su un totale di 990), abbastanza quindi per una didattica laboratoriale che coinvolga gli studenti in processi di ricerca (inquiry based learning).

Per poter proporre a tutti – anche agli istituti tecnici e professionali in cui le scienze spesso hanno un basso numero di ore o vengono considerate propedeutiche – un percorso che desti e mantenga l’interesse dello studente per la scienza e per il suo modo di affrontare i problemi, occorre un cambiamento di rotta e scelte radicali. Se guardiamo infatti i programmi proposti dalla riforma ritroviamo – anche se con minor dettaglio rispetto al passato – gli stessi argomenti e la stessa sequenza dei libri di testo di 50, 60, 100 anni fa! E anche se le indicazioni sembrano spingere verso un maggiore collegamento con la realtà quotidiana e verso un fare scienza piuttosto che un apprendimento enciclopedico di nozioni scientifiche, la metodologia più diffusa d’insegnamento sembra sostanzialmente la stessa di cinquant’anni fa: lezioni frontali nei licei e negli istituti tecnici e professionali non a indirizzo tecnologico, addestramento a svolgere problemi nel liceo scientifico e a utilizzare strumenti e svolgere esperimenti di verifica negli indirizzi scientifici tecnologici.

Perché l’insegnamento possa acquistare un senso occorre allora fare delle scelte, metodologiche e di contenuto, che rompano rispetto alla tradizione cui siamo abituati, ma che permettano di offrire, soprattutto agli studenti che non hanno scelto un indirizzo scientifico, il gusto di fare scienza, e di togliere loro il timore, e a volte il rigetto, per tutto ciò che è scienza. Si tratta di costruire una competenza di esplorazione autonoma dei temi scientifici rinunciando a dare un’infarinatura di tutto, chiedendo non di memorizzare una serie più o meno lunga di argomenti ma di interiorizzare un modello concretamene praticato che potranno riutilizzare quando nella vita si troveranno di fronte argomenti che non hanno potuto studiare.

Ma è possibile insegnare le scienze in maniera diversa? Esperienze, anche di casa nostra, e programmi di altri paesi dicono di sì 2. Proviamo allora a fare qualche esempio di come si possano costruire contesti di senso che permettano agli studenti di interessarsi a una tematica scientifica.

È ragionevole pensare che nell’arco di un anno, anche in un liceo classico, si possano esplorare tre o quattro tematiche per fisica e altrettante per scienze, il che permetterebbe di affrontare da 9 a 12 tematiche per ogni disciplina nel triennio. Un po’ poco, ma abbastanza in linea con quello che viene proposto in altri paesi per gli indirizzi non scientifici: corsi di science for public understanding 3 rivolti non ai futuri scienziati ma ai futuri cittadini, dove i contenuti sono scelti in funzione delle diverse modalità che le scienze utilizzano per rispondere a domande concrete e per interpretare i dati, senza preoccuparsi di seguire le sequenze tradizionali o di coprire tutti i contenuti disciplinari.

Una prima buona regola per un corso di scienze di questo tipo è quella di partire dalle domande degli studenti, e la prima sfida è quindi quella di creare situazioni che sviluppino la capacità di porre domande scientifiche. Non a tutte le domande infatti si può rispondere scientificamente, e comprendere quali siano le domande sensate fa già parte del percorso di apprendimento.

La domanda di partenza può essere una curiosità – come fanno gli aerei a volare? – o un interesse per il proprio territorio – ma è davvero inquinato il fiume che traversa la nostra città? – o un problema di cui si discute sui giornali – coltivare organismi geneticamente modificati deve essere considerato una libera scelta o può essere causa di un rischio collettivo?

Si tratta poi di costruire insieme agli studenti un percorso che permetta non solo di arrivare alla risposta – sapendo che non sempre la strada che sembra più semplice è quella giusta – ma di capire come ci si arriva, quali sono gli attrezzi – osservazioni, ipotesi, esperimenti, misure, argomentazioni – che si utilizzano nelle scienze, quali sono i concetti chiave, quelli che aprono le strade per interpretare il mondo che ci circonda – sistemi, modelli, interazione, funzione, ma anche evidenza, quantità conservate, princìpi di minimo, limiti… – e dove e come trovare le informazioni che ci mancano – nell’esperienza quotidiana, ma anche scolastica per non ricominciare sempre tutto da capo, in rete (imparando così a leggere testi di divulgazione scientifica) e naturalmente sui libri scolastici completamente diversi da quelli che conosciamo.

Proviamo a delineare un percorso – ce ne possono essere tanti – per rispondere alla domanda su come fanno gli aerei a volare:

a) si può partire da una riflessione su cosa intendiamo per volare. Perché per anni la capacità di volare è stata considerata eccezionale, attribuita solamente agli dei, come ci racconta il mito di Icaro? È lo stesso tipo di volo quello di una foglia che lentamente cade dall’albero, quello di un aquilone, quello di una mongolfiera riempita d’aria calda, di un uccello, di un aereo? Perché «cadere» è normale mentre «volare» o almeno rimanere in aria è per l’uomo una conquista degli ultimi duecento anni? Discutendo con gli studenti possono venire alla luce concezioni spontanee, quasi sempre non toccate dall’insegnamento tradizionale e a volte corrispondenti a percorsi storici: che il moto verso il basso sia un moto naturale e che quindi non abbia bisogno di esser spiegato, che corpi più pesanti cadano con velocità (e accelerazioni) diverse da quelli più leggeri, che l’aria, soprattutto se non c’è vento, non abbia effetto sulla caduta. Riscoprire l’esperimento di Galileo dalla Torre di Pisa e la resistenza dell’aria (ma anche il suo peso, considerato quasi sempre trascurabile) comincia a dare qualche chiave di risposta;

b) una volta capito che ci muoviamo in un oceano di aria, le esperienze di movimento in acqua ci permettono di distinguere i voli per galleggiamento come quelli delle mongolfiere, dai voli che utilizzano la resistenza dell’aria – come nel nuoto utilizziamo la resistenza dell’acqua – per darsi la spinta: quando gli uccelli battono le ali per sollevarsi o l’elicottero muovendo l’elica spinge l’aria verso il basso;

c) ma ancora non siamo arrivati all’aereo e ai voli che dipendono dalla velocità dell’oggetto che vola (come un uccello in planata). Abbiamo bisogno di capire come la forma di un oggetto che si muove dentro un fluido, acqua o aria che sia, influenzi il fluido stesso – che deve aprirsi al suo passaggio e scorrere intorno ai suoi bordi – e come, per uno dei princìpi di conservazione che ci aiutano a capire come funziona il mondo – il principio di conservazione della massa – l’aria che scorre intorno al bordo più lungo (sopra le ali) debba scorrere più veloce di quella che fa il percorso più corto, sotto le ali. C’è meno aria per unità di superficie sopra l’ala – dove la velocità è più alta la pressione dell’aria è quindi più bassa – mentre l’aria che scorre lungo il bordo inferiore a velocità minore esercita una pressione maggiore e spinge verso l’alto l’ala e con essa l’aereo. Basta un phon che soffi aria fra due palloncini appesi, o fra due strisce di carta, per vedere come l’aria ferma all’esterno eserciti una pressione che non è più controbilanciata da quella in movimento e li faccia quindi avvicinare.

Per andare avanti e prevedere a quale velocità un aereo di un dato peso potrà decollare ci vuole chiaramente qualche formula e diversi calcoli, tanto più complessi quanto più il problema è reale e non semplificato, ma partendo da una domanda concreta non solo si è giustificata l’esigenza di concetti e leggi necessarie per passare dalla comprensione alla progettazione, ma si sono affrontati alcuni dei nodi della fisica attuale: l’essere basata sui fatti anche quando non è intuitiva, il confronto tra situazioni simili ma non identiche per capire il perché delle differenze, il ricorso a princìpi generali come i princìpi di conservazione per avere un’idea degli andamenti dei fenomeni.

Una riflessione su come si è costruita storicamente la scienza si inserisce facilmente in questo percorso, mostrando quanto sia rivoluzionaria anche la stessa fisica classica, se comparata al senso comune. E sarebbe anche importante capire, partendo dall’analisi di esperimenti ripetibili (provando e riprovando, come diceva Galilei, ovvero dimostrando la verità o la falsità delle ipotesi), come funziona la comunità scientifica, come si forma il consenso, come ci siano a volte degli errori e come si superino con il passare del tempo, come ci siano scontri di scuole diverse che finiscono con vincitori e vinti, come la scienza abbia sempre influenzato la tecnologia e viceversa.

Continuando con gli esempi, la motivazione a sapere di scienza può anche discendere dai problemi che ci circondano, che sono legati al territorio, alla vita e agli interessi degli studenti. Quasi ogni città ha il suo fiume, il suo corso d’acqua, e quasi ogni studente ha sentito parlare di inquinamento e ne ha visto gli effetti sulle cronache. Si comincia di solito con un sopralluogo, magari guidati da un’associazione ambientalista o da un funzionario dell’Agenzia regionale di protezione ambientale, che permetta una prima analisi visiva e dia luogo a nuove domande: quali sono i punti che sembrano a rischio e perché? Quali indicazioni ci danno la flora e la fauna intorno al fiume? Dove prendere i campioni per confermare le ipotesi di inquinamento?

Già il primo sopralluogo permette di discutere come si imposta un’indagine, come sia importante la scelta dei luoghi in cui campionare, e come per deciderli occorra raccogliere preliminarmente misure sulla velocità dell’acqua nei diversi tratti in esame, sulla torbidità eccetera. Una volta arrivati al campionamento, il tipo di campione da prelevare dipenderà dalle analisi che s’intende svolgere (se solo delle caratteristiche chimiche dell’acqua, o anche microbiologiche, o anche relativa alla presenza di macroinvertebrati…). Una volta tornati in classe ci si può dividere in gruppi che portino avanti ognuno una tecnica di analisi per poi mettere a confronto i risultati o in gruppi corrispondenti alle stazioni di campionamento che svolgano tutte le diverse analisi. Si misura il pH e l’ossigeno disciolto, nitriti e nitrati, si contano i macroinvertebrati raccolti e si contano al microscopio i microrganismi, per utilizzare le tabelle degli indicatori di qualità dell’acqua. In quest’attività si apprendono tecniche di analisi – chimica e al microscopio; si utilizzano concetti fisici, chimici, di biodiversità, di nicchia ecologica; si apprende a riportare i risultati e a confrontarli con altri per individuare le possibili fonti inquinanti. Con l’aiuto e la collaborazione degli enti locali, più scuole possono collaborare tra loro così da tenere sotto osservazione un tratto lungo del fiume (diversi anni fa è stato fatto sul Po!), scuole con diversi indirizzi e anche di diverso livello, che mettono assieme competenze diverse e condividono gli stessi dati (internet e il computer eliminano le distanze!)

Si può approfittarne per riflettere sui princìpi su cui si basano gli strumenti utilizzati, ad esempio sul microscopio, studiare le leggi della rifrazione (anche qui sottolineando un principio generale dei fenomeni naturali, quello di minimo tempo o principio di Fermat) e delle lenti, e anche introdurre elementi di storia della scienza e della tecnologia: dalla prima produzione di lenti per occhiali al cannocchiale di Galileo, una tecnologia che ci ha permesso di esplorare l’estremamente lontano e il molto piccolo, e ha aperto la scienza a scoperte che hanno messo in crisi l’immaginario dell’epoca in cui sono state inventate e che hanno avuto bisogno di anni per essere accettate.

Le scienze possono anche essere gustose: ad esempio se si applica la chimica alla cucina, si unisce l’utile al dilettevole, e via via che si affrontano le tecniche e gli argomenti di chimica se ne vedono i possibili usi. Così l’analisi del pH, la determinazione del grado alcoolico o della concentrazione degli zuccheri, possono essere utilizzati per analizzare campioni di birra e di vino (e per confrontare quanto trovato sulle etichette, introducendo elementi di educazione al consumo), la denaturazione delle proteine con sistemi diversi dal calore è utilizzata, come nella cucina molecolare, per cuocere le uova, e fare la pizza e il pane come compito a casa permette di affrontare il discorso della fermentazione.

A seconda dell’età e degli interessi degli studenti si può anche partire dal leggere testi di attualità – per esempio testi a favore o contro la libertà di coltivare ogm – utilizzandoli come spunto e motivazione per impadronirsi delle conoscenze necessarie, ma anche per riflettere sulla differenza tra argomentazione scientifica e altri tipi di argomentazione – per esempio etica o economica – imparando a distinguere i ragionamenti fondati da quelli sbagliati o insufficienti. Siamo circondati da persone che presentano argomentazioni politiche, economiche, ecologiche di tutti i tipi, usando dati numerici nei loro ragionamenti, arrivando spessissimo a conclusioni del tutto contrastanti e i nostri studenti sarebbero in questo modo preparati a saper leggere criticamente gli argomenti.

Alternativamente, una scuola con un orientamento specifico, per esempio agro-industriale, può trovare nel suo stesso contesto il problema scientifico da affrontare, come hanno fatto gli studenti di una scuola forestale austriaca, organizzando una scansione del loro territorio di esercitazione alla ricerca di zecche per poi identificare al microscopio gli agenti patogeni 4. Anche in questo caso l’utilità sociale della ricerca – si era avuto un caso di infezione nel territorio – si unisce alla possibilità di riflessione sui rischi e sulle procedure per ridurli, all’apprendimento di procedure specifiche di raccolta ed elaborazione dei dati, all’uso di microscopi particolarmente potenti alla ricerca di un elemento identificato come patogeno. Un po’ di storia e di letteratura (Manzoni ad esempio) permetterebbe di ricordare le diverse teorie che in passato cercavano di spiegare il propagarsi delle malattie, l’ipotesi della generazione spontanea accettata per secoli, e gli esperimenti che hanno decretato il suo abbandono, per arrivare alle concezioni attuali.

In tutti questi esempi è importante introdurre il concetto di affidabilità delle misure e delle procedure come elemento discriminante per scegliere tra più ipotesi. A questo proposito è interessante far capire la differenza del concetto di errore se lo applichiamo a una predizione o a una misura. Il caso forse più noto è quello di forchetta nella predizione dei risultati elettorali. Per esempio, se facciamo mille interviste telefoniche e 537 persone rispondono sì, non possiamo argomentare che la percentuale di quelli che risponderebbero sì in Italia è esattamente il 53,7 per cento in quanto in un’altra prova i sì potrebbero essere 497. Inoltre le interviste telefoniche possono non essere rappresentative della popolazione italiana. Andando avanti nell’argomentazione, potremmo arrivare a formulare il concetto di errore statistico e sistematico, concetto fondamentale per capire l’affidabilità di un dato. Può sembrare paradossale che nelle scienze esatte si parli sempre di errori e che il concetto di errore non sia praticamente presente nelle scienze non esatte. Ma non è un paradosso, proprio perché nelle scienze esatte è necessario sapere qual è l’affidabilità dei numeri che si usano.

Questa proposta didattica non è nuova: in diverse parti del mondo i programmi delle materie scientifiche già propongono agli studenti contesti di senso che giustifichino una ricerca di informazioni, di analisi di situazioni reali, di laboratorio che non sia di verifica, sfatando l’idea che i concetti scientifici e la loro sequenza costituiscano una scelta obbligata. In Italia si muovono in questa direzione da anni i pochi gruppi universitari di ricerca in didattica delle scienze, le associazioni di insegnanti di materie scientifiche, e più recentemente il Piano Iss 5 – Insegnare scienze sperimentali – del ministero e il Progetto Pon educazione scientifica dell’Indire 6.

I problemi da affrontare perché proposte di questo tipo possano prendere piede ed estendersi alla maggior parte degli insegnanti sono su più livelli:

– quello relativamente più semplice è la mancanza di tempo per un lavoro come quello che siamo cercando di proporre. Un’attività sperimentale non si può prendere e lasciare ogni 50 minuti, il tempo necessario per portare avanti un argomento che desta curiosità e che richiede impegno, a volte anche verso un referente esterno che aspetta dei dati, non può essere svolto con 2, massimo 3 ore la settimana. Non si tratta necessariamente di aggiungere ore – tutte le discipline si lamentano che non sono sufficienti – ma di organizzarle in maniera diversa. Anni fa esisteva per le scuole che la richiedevano un’area di progetto che permetteva agli insegnanti anche di diverse discipline – non solo scientifiche, come abbiamo visto anche la storia, l’italiano, la filosofia possono essere coinvolti – di mettersi assieme per proporre, appunto, un progetto, un’attività concreta, che dava senso alle conoscenze necessarie per attuarla. In teoria l’autonomia scolastica lo permette ancora, in pratica non viene né riconosciuta né favorita;

– lavorare per progetti, e per contesti di senso, sconvolge la sequenza tradizionale degli argomenti, e richiede un diverso approccio alla disciplina. Non è tanto una questione di attrezzature – i laboratori di basso costo sono alla portata di tutti – quello che manca sono le competenze degli insegnanti per costruire percorsi che rispondano alle domande e agli interessi dei propri studenti. Soprattutto se si pensa alla preparazione universitaria che gli insegnanti hanno ricevuto;

– manca un impegno degli esperti, ricercatori nei vari campi disciplinari ma anche in didattica, nel ripensare i concetti chiave, nell’identificare percorsi di pensiero che non chiedano agli studenti di rifare il percorso tradizionale per arrivare solo alla fine a qualche sprazzo di conoscenza attuale. E=mc2 è in fondo un’equazione molto più semplice che F=ma, gli attuali cellulari ci hanno regalato una consapevolezza di vivere immersi in campi elettromagnetici che solo dieci anni fa non era così diffusa, il dna è al centro di indagini e dibattiti. Se si vuole dare un’idea della scienza dei nostri giorni non bastano alcuni elementi di relatività o di genomica, ma occorre rivedere l’intero impianto. Per la fisica che è la materia che conosciamo meglio, ad esempio, si potrebbe provare a sostituire la centralità del concetto di forza con quelli di energia e di campo, al concetto di punto materiale quello di sistema, alle leggi di Newton i princìpi di conservazione (quasi non nominati nelle nuove Indicazioni) e le simmetrie (nello spazio, nel tempo…) dalle quali si possono far derivare.

Agli insegnanti e agli studenti di questo paese serve una scienza che insegni a pensare, a fruire in maniera critica della scienza e tecnologia che ci circondano. Occorre progettare corsi per fruitori (e non per futuri produttori, sicuramente in percentuali molto basse), corsi in cui s’impari a usare la tecnologia con la consapevolezza dei princìpi generali sui quali funziona, e a riconoscere nella scienza un prodotto della razionalità umana. E occorre che su questi corsi ci sia un impegno della comunità scientifica, una massa critica che travolga la resistenza degli stessi colleghi docenti universitari o di scuola superiore, e delle lobby editoriali.

NOTE

1. Nella scala naturale i rapporti tra le frequenze delle note sono numeri razionali, mentre nella scala temperata sono potenze intere della radice dodicesima di due.

2. Il 7° programma quadro europeo ha permesso di approfondire e di raccogliere esperienze di didattica delle scienze che vanno in direzioni diverse dalla nostra, molte delle quali sono riportate sul sito Scientix: www.scientix.eu.

3.Vari esempi e attività si possono trovare sul sito www.nuffieldfoundation.­org/­science-society.

4. Scuola forestale di Ursprung, www.gbt-ursprung.at/gbt/projekte/checkzeck­/en/­index.htm.

5. www.lfns.it/PianoISS.

6. Alcuni materiali sono disponibili sul sito risorse­docenti­pon.­indire.it/ho­me_­piat­­­taforma.

 

(credit foto EPA/Pontus Lundahl)



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