Giocare agli scienziati: marchingegni per sviluppare le abilità di processo scientifico

Per ricapitolare, le abilità di processo scientifico sono fondamentali per la scienza, poiché sono quelle che permettono di condurre investigazioni e raggiungere conclusioni. Siamo convinti che esista una preoccupante lacuna educativa in questa area, sia nel riportare queste abilità in classe, sia nella formazione degli insegnanti rivolta allo scopo. Per facilitare l’introduzione di principi di enquiry scientifico a scuola, abbiamo sviluppato una serie di attività di laboratorio adatte all’utilizzo nelle scuole primarie e secondarie. Nel primo dei due articoli (Tifi et al., 2006), abbiamo discusso lo sviluppo di queste attività e descritto giochi con le ‘macchine trasformatrici’. Di seguito illustreremo i ‘marchingegni’ – questa volta delle ‘scatole nere’ concrete, capaci di stimolare l’esplorazione, la formulazione di ipotesi, il disegno di modelli e la loro verifica.

Marchingegni

Il principio ispiratore dei marchingegni è simile a quello delle macchine operatrici descritte nel nostro primo articolo, con la differenza che le “scatole nere” e il meccanismo nascosto al loro interno è in questo caso concreto. Tali macchine sono pertanto manipolabili dall’esterno tramite almeno due parti mobili che fungono da input e output. Tali parti possono essere fili colorati estraibili, perni o aste rotanti, barre penetranti o leve. Le due parti mobili sono accoppiate tramite meccanismi interni di ruote dentate, carrucole e cinghie, ruote o Techno-Lego®, in alternativa ai quali si possono utilizzare oggetti comuni, come le parti mobili dei correttori a nastro.

Gli studenti esplorano i marchingegni e fanno esperimenti su di essi, manipolandone le parti esterne (input) e osservando come ciò influisce sul comportamento delle altre parti esterne (output). Gli studenti possono solo fare inferenze sul meccanismo interno sviluppando modelli e comparando le predizioni basate su tali modelli con ciò che accade alla macchina vera e propria.

Le macchine con ingranaggi e carrucole possono avere due o più ruote dello stesso o di diverso diametro. Queste possono essere accoppiate tra loro con un singolo filo, o una cinghia continua, creando così un vasto assortimento di possibili meccanismi nascosti. Si veda sotto la procedura per la realizzazione di un marchingegno a nastro.

Con un semplice rocchetto e due fili avvolti su di esso in direzioni opposte, tutto posto all’interno di una scatolina di cartone, si può costruire una macchina in cui tirando un filo rosso si provoca il rientro di un filo bianco dal foro opposto. Se i due fili sono avvolti in direzioni opposte su due bobine coassiali di diametro molto differente, tirando ambedue i fili in direzioni opposte, si costringerà la scatolina stessa a muoversi verticalmente, come un ascensore, mentre tirando solo uno dei due fili, l’altro rientrerà a velocità diversa nella scatola. Vedere sotto la procedura per la costruzione del marchingegno “ascensore” a filo.

Queste investigazioni sono molto gradite tra i bambini di quarta e quinta classe (10-12 anni): all’interno dei ‘gruppi di ricerca’ (3-4 alunni) avvengono discussioni animate sulle possibili interpretazioni e i bambini si impegnano entusiasticamente nella ricerca di modelli efficaci, utilizzando nastri, ruote, assi ricavati da matite e strisce di carta^w1.

Non solo gli studenti osservano attentamente il comportamento della macchina e registrano le evidenze del loro comportamento, ma anche elaborano congetture, animano dibattiti per difendere i loro modelli e migliorarli; essi dimostrano anche un forte impulso creativo nel desiderare di dar forma concreta ai propri modelli. Alcuni bambini hanno utilizzato il principio del marchingegno a filo per costruire dei graziosi regali per le mamme, in cui srotolando l’una o l’altra estremità del nastro, si leggevano differenti frasi.

L’aspetto manipolativo di queste macchine incoraggia il pensiero rappresentativo e cinestetico, entrambi cruciali per l’ideazione e la speculazione scientifica. Inoltre i bambini si sentono a proprio agio con queste investigazioni, poiché l’affrontare il compito completamente nuovo comporta l’azzeramento delle differenze di abilità percepite e agite rispetto ai compagni. Ciò avviene in netto contrasto con la scarsa autostima che molti bambini sperimentano nelle materie curriculari, basate sui contenuti, dove le gerarchie all’interno della classe sono ben cristallizzate. Non è raro trovare bambini che riescono a partecipare attivamente e affrontano con successo queste attività di modellazione creativa, nonostante la loro scarsa valutazione scolastica basata su indicatori tradizionali.

Guida alla costruzione del marchingegno-ascensore a filo

Materiali

• Scatola di cartone
• Due pezzi di filo robusto (es. da ricamo) e di due diversi colori da 50 – 70 cm
• Due fogli rettangolari e piani di polistirolo espanso compatto (tipo per vaschette alimenti), tagliati per adattarsi alle dimensioni delle facce opposte e interne della scatola, entrambi con un foro al centro
• Tubicino di plastica (es. da una penna) e un asse di qualsiasi materiale che possa essere inserito in modo scorrevole all’interno del tubo. L’asse interno deve essere abbastanza lungo da infilarsi e fissarsi nei due fori dei pannelli di polistirolo ai lati della scatola, mentre il tubo esterno, più corto, una volta montato, dovrà essere libero di ruotare tra i due pannelli, sull’asse stesso
• Una bobina che possa essere fissata sul tubo rotante come asse, in modo da essere solidale con esso
• Uno o due dischi adattabili al tubo rotante, per orientare il filo nello spazio destinato all’avvolgimento
• Due bulloni per appesantire le estremità libere del filo.

 

 

 

Montaggio

1. Apri un fermaglio di acciaio e riscalda un’estremità alla fiamma. Utilizza la punta rovente per forare la scanalatura della bobina dove va fissato il filo e dove questo sarà arrotolato.
2. Passa il filo attraverso il forellino e fissalo con un grosso nodo all’esterno.
3. Inserisci la bobina quasi al centro del tubo e fissala, nel caso sia libera di ruotare, con un punto di colla. Se il solco della bobina non è abbastanza profondo, utilizza uno o due dischi paralleli per incanalare meglio il filo, prevenendo così la sua fuoriuscita e/o il suo intreccio con l’altro filo.
4. Lega il secondo filo, di colore diverso, fissandolo accanto alla bobina, al centro del tubo, con un nodo ben stretto. Quindi fissa il nodo con un’altra goccia di colla cianoacrilica.
5. Taglia i fili a 50 – 70 cm di lunghezza; fai due piccoli fori al centro dei due lati opposti della scatolina nella direzione perpendicolare all’asse rotante, quindi passa i fili attraverso i due fori. Solo uno dei due fili deve essere completamente avvolto sulla propria sede. Lega un bullone a ciascuna estremità esterna alla scatolina.
6. Infila il tubo con la bobina sull’asse interno e monta l’asse stesso sui due rettangoli di polistirolo paralleli, mantenendoli esterni alla scatola.
7. Inserisci il meccanismo nella scatola, tirando i fili verso l’esterno per far sì che essi siano liberi di muoversi avanti e indietro. Chiudi la scatola e sigillala solo quando sei sicuro che tutto funziona perfettamente. Quindi consegnala ai bambini!

Utilizzo

Quando entrambi i fili sono tirati verso l’esterno, la scatola si muove verso il filo con l’avvolgimento più stretto. Disponendola in verticale, salirà come un ascensore. Rilasciando la forza trainante, si permetterà alla scatola di ridiscendere sotto l’azione della gravità. La rapidità con cui i due fili escono e rientrano sono proporzionali al diametro della carrucola a cui sono fissati.

Si suggerisce di iniziare il gioco con una scatola simile, in cui sia assente la carrucola più grande, con i due fili avvolti allo stesso rocchetto. Per i bambini sarà più facile sviluppare un modello del meccanismo e anche realizzare un prototipo; quindi sarà anche possibile affrontare la modellizzazione di marchingegni a due ruote.

Procedura per la realizzazione del marchingegno a nastro

 

 

 

1. Apri un vecchia audio-cassetta.
2. Libera un’estremità del nastro sfilando il piccolo perno che la blocca in un incavo della rotella di avvolgimento. Quindi taglia la maggior parte della lunghezza del nastro, lasciando solo 15-20 cm, e fissa come all’origine l’estremità libera alla ruota (vedi sotto).
3. Richiudi la cassetta e posiziona questa in una scatolina piatta, fissandola all’interno con nastro adesivo.
4. Fai due piccoli fori nella scatola, in corrispondenza ai due fori dentati di trascinamento della cassetta. Copri i fori per rendere invisibili i denti dall’esterno, quindi chiudi e sigilla la scatola.
5. Utilizzando penne o cappucci di plastica, modella due perni perché si possano infilare ai fori dentati dietro ai buchi e siano in grado di azionare il trascinamento.

Questo marchingegno è alquanto complicato per i bambini e dovrebbe essere introdotto dopo altri più semplici marchingegni con ingranaggi o carrucole. Il marchingegno a nastro può essere ulteriormente complicato cambiando una delle due rotelle con una più grande.