Il mistero della sabbia magica Teach article

Tradotto da Rocco  G. Maltese. Utilizzando un gioco attuale potete portare una aura di mistero in classe facendovi aiutare a spiegare i fenomeni della chimica.

Figura 1: La sabbia magica
come gioco

Immagine fornita gentilmente
da Johanna Dittmar

Come fate a costruire un castello di sabbia quando non potete bagnarla? In questa attività, studenti di età compresa tra 12 e 16 anni saranno impegnati per 2-3 ore ad esplorare le proprietà della sabbia magica, un gioco ben noto presso gli studenti di quell’età, per capire le sue proprietà chimiche. Questa sfida porterà gli studenti ad esplorare l’azione idrofuga (o idrorepellenza) chimica delle superfici applicando le cinque fasi su cui è basato apprendimento: esplorare, spiegare, generalizzare e valutare.

Che cosa è la sabbia magica?

La sabbia magica (nota anche come sabbia idrorepellente) è principalmente come un passatempo che puoi acquistare nei negozi di giocattoli o su internet (figura 1), ma gli insegnanti di chimica la conoscono molto bene da molti anni e la scienza che sta dietro a questo gioco ha una gamma di utilizzazioni nel mondo reale.

L’acqua forma delle gocce per
minimizzare il contatto con la
sabbia magica

Immagine fornita gentilmente
da Steve Jurvetson; fonte
immagine: Wikimedia
Commons

Diversamente dalla sabbia normale, quella magica ha una superficie idrofuga, che repelle l’acqua, così non potrà mai essere umida. Invece, grumi di sabbia magica posti sotto l’acqua ci comportano diversamente dalla normale sabbia. Sebbene alcune versione siano vendute come giochi, la sabbia idrofuga è anche prodotta industrialmente ed è utilizzare per sigillare (per es. le fondamenta) o per raccogliere le impurità del petrolio e per riparare a piccoli sversamenti. Un’altra applicazione altrettanto interessante è quella utilizzata dai negozi di animali e che si vende con il nome di Kit4Cat. Questo prodotto è progettato per raccogliere l’urina dei gatti per un esame chimico di modo che il gatto trovi meno stressane fare un’analisi medica, rispetto al catetere. Su Youtubew1 si possono trovare molti video che mostrano gli utilizzi della sabbia magica.

Un metodo per ricreare la sabbia magica è quello di trattare la sabbia normale con vapori di trimetilsilanolo ((CH3)3SiOH). Il trimetilsilanolo forma un legame covalente con i gruppi idrossilici (–OH) sulla superficie delle molecole della sabbia, sostituendo  i gruppi -OH idrofili con i  silossanici idrofobi.

Figura 2: La superficie
regolare della sabbia tipica

Immagine fornita gentilmente
da Ingo Eilks

Un altro metodo è quello di ricoprire le particelle di sabbia con uno strato sottilissimo di materiale idrofugo, come la cera, resina, bitume o plastica. Con questo metodo il rivestimento idrofugo forma una interazione intermolecolare (che non è un legame covalente) ed è così meno resiliente ai solventi idrofughi (come l’acetone). Quest’ultimo metodo è più economico e se non riuscite a trovare la sabbia magica da acquistare, la potrete fare da voi stessi utilizzando della normale sabbia e una bomboletta spray di impermeabilizzante.

Il mistero della sabbia magica

Nel contesto del progetto di educazione-di-scienze TEMI ( Teaching Enquiry with Mysteries Incorporated) (Insegnare a inquisire attraverso i misteri incorporati), abbiamo inventato una storia utilizzandola in una fase di ‘stimolo’ per incrementare l’interesse degli studenti creando un contesto personale  e rendendo l’apprendimento più significativo. Il gruppo di lavoro del TEMI in Israele ha proposto la storia di Giacomo (vedi riquadro).

Materiali

Ogni studente, gruppo di studenti, avrà bisogno di:

  • Un cucchiaio (15 ml) di sabbia normale
  • Un cucchiaio (15 ml) di sabbia magica
  • 50 ml di acqua
  • Due beaker da 100 ml
  • Due contagocce.

Agli studenti si può richiedere di utilizzare solventi differenti del tipo: olio, acetone, etanolo, esano, o sapone liquido.

Note per la sicurezza

Alcuni di questi solventi sono altamente infiammabili e bisogna porre attenzione e seguire le norme di sicurezza locali. Vedete anche le note generali contenute nelsafety note di Science in School.

Procedura

  1. Introdurre agli studenti al mistero della sabbia magica raccontando la storia di Giacomo (vedi il riquadro di cui sotto)
  2. Dare gli studenti di un campione di sabbia normale, un campione di sabbia magica, inserendo ciascun campione in un beaker da 100 ml.
  3. Fornire gli studenti di acqua e contagocce e chiedere di costruire castelli di sabbia con entrambe i campioni di sabbia. Alternativamente, l’insegnante può dimostrare il comportamento della sabbia magica come si può vedere onlinew1.
  4. Riferendosi alla storia, gli studenti inizieranno a confrontare la sabbia magica con la sabbia normale. Durante questa fase di  ‘esplorazione’ (vedere il riquadro informativo per la fase di apprendimento), gli studenti inquisiscono il comportamento della sabbia magica utilizzando acqua e altri liquidi, sviluppando così una sensibilità sui concetti tra sostanze idrofughe e idrofile.
  5. Dare la possibilità di utilizzare gli altri liquidi suggeriti sopra così gli studenti possono rendersi conto come i due tipi di sabbia reagiscono.

La storia di Giacomo

Immagine fornita gentilmente
da Benoit Rochon; fonte
immagine: Wikimedia
Commons

Giacomo è un vecchio, ma è stato sempre entusiasta degli asili dove si costruiscono i castelli di sabbia. Negli anni, sono diventati sempre più grandi, con più dettagli e più elaborati: avrebbe voluto costruire personaggi delle favole, animali e costruzioni. Giacomo divenne un campione nella costruzione di castelli di sabbia ma un giorno partecipò ad una competizione che fu un poco differente. Egli andò sulla spiaggia e gli fu assegnato un piccolo spiazzo di sabbia. Egli prese un secchiello d’acqua e la versò sulla sabbia, ma qualcosa di veramente strano accadde: semplicemente la sabbia non diventava umida. Come si fa a costruire un castello con la sabbia quando non diventa umida?

In un primo tempo Giacomo si convinse che non avrebbe vinto la gara. Ma alla fine fu in grado di costruire un castello di sabbia.

Ora è il vostro turno. Giacomo mi ha dato un campione della sabbia che vi ho fornito. Come pensate che abbia fatto a costruire il castello di sabbia? Ci riuscireste voi?

Cosa era successo?

Nella fase della ‘spiegazione’, fate in modo che gli studenti imparino le interazioni intermolecolari, specialmente il legame idrogeno. La sabbia tipica è in grado di formare tale legame, poiché la superficie è polare (vedi figura 2), cosicché l’acqua crea una connessione tra i granelli di sabbia e quindi tiene tutti i granelli aggregati insieme.

La sabbia magica è differente. La superficie dei granelli della sabbia magica è idrofuga (apolare), così i legami idrogeno tra i granelli di sabbia e le molecole d’acqua non si possono formare. La sabbia respinge l’acqua, ma può essere ‘inumidita’ da liquidi non polari, come l’olio vegetale, che forma delle interazioni dette di van der Waals con la superficie dei granelli di sabbia magica. Questa potrebbe essere una soluzione per ovviare al problema di costruire un castello di sabbia con la sabbia magica.

Idea per una seguente attività

Nella fase di ‘espansione’, gli studenti possono effettuare delle ricerche al fine di individuare il modo ottimale di costruire un castello di sabbia. Si dovrebbero incoraggiare a fare domande e a ideare un proprio esperimento per rispondere da loro stessi, ad esempio qual’é il miglior solvente da usare e in quale rapporto? Possono anche interessarsi alle applicazioni tecniche della sabbia idrofuga, come menzionato brevemente in questo articolo nella fase di ‘valutazione’. Gli studenti potrebbero scrivere una relazione di laboratorio sulla sabbia magica e della sua chimica e suoi utilizzi o creare una guida utile di come si potrebbe usare la sabbia magica.

Il progetto TEMI

Questa attività fu sviluppata come facente parte del progetto Insegnare ad Inquisire attraverso il Mistero ( Teaching Enquiry with Mysteries Incorporated) TEMI appunto, un progetto per educare ad inquisire i fenomeni scientifici (IBSE) (Inquiry – based science-education project) finanziato dalla EU nel 7mo Programma Quadro dal 2013 al 2016. TEMI fornisce agli insegnanti di scienze gli strumenti necessari ad insegnare con l’IBSE utilizzando fenomeni sorprendenti e inattesi implementando un modello innovativo per l’apprendimento inquisitivo. 

L’IBSE focalizza lo studente all’inquisizione come forza guida per l’apprendimento. L’insegnamento è organizzato attorno ad una serie di domande e problemi che hanno al centro lo studente e gli studenti apprendono imparano attraverso l’indagine scientifica piuttosto che dalla presentazione frontale dei contenuti scientifici da parte dell’insegnante. 

Il processo del problem-solving (imparare a risolvere i problemi) nel progetto TEMI si basa sul modello 5E dell’apprendimento inquisitivo, il quale struttura il processo di apprendimento nelle cinque fasi: affrontare, esplorare, estendere e valutare. Questo modello fu proposto negli Stati Uniti negli anni a partire dal 1980 è ha influenzato da allora l’insegnamento delle scienze in molti paesi (Bybee et al, 2006).

Le informazioni su tutti questi aspetti, le istruzioni e gli esempi si possono trovare nel sito web del progettow2. Il sito web contiene oltre ai sussidi multimediali, anche le istruzioni per pianificare la lezione, video di fenomeni misteriosi, e applicazioni per smartphone per un apprendimento indipendente su sorprendenti fenomeni scientifici.  

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References

  • Bybee RW, Taylor JA, Gardner A et al (2006) The BSCS 5E instructional model: Origins and effectiveness. Colorado Springs, CO, USA: Biological Sciences Curriculum Study

Web References

  • w1 – Vedere il video Youtube di Ran Peleg che presenta il Mistero della Sabbia Magica.
  • w2 – Fonti ulteriori si possono trovare sul sito web del progetto TEMI TEMI project website (disponibile in varie lingue).

Resources

Author(s)

Ran Peleg, Dvora Katchevich, Malka Yayon e Rachel Mamlok-Naaman lavorano all’Istituto Weizmann di Scienze,  Israele, e Johanna Dittmar e Ingo Eilks lavorano all’Università di Brema, Germania. Assieme hanno sviluppato questa attività di laboratorio e sono grati per il supporto ricevuto dal progetto TEMI dell’Unione Europea nel Quadro del 7mo Programma di Finanziamenti per la Ricerca, Scienze nella Società, Grant Agreement No. 321403.


Review

L’articolo di Ran Peleg e colleghi descrive uno scritto riportato nel progetto TEMI, che promuove l’insegnamento delle scienze utilizzando l’approccio IBSE, iniziando con un po’ di mistero, magia o mito. L’approccio proposto si mostra abbordabile e accattivante, ma è altresì efficace nel condurre gli studenti attraverso una rotta di apprendimento ricca, dove possono esplorare una metodologia simile a quella utilizzata nella ricerca scientifica del mondo reale. Inoltre, gli argomenti proposti (per es. legame chimico, proprietà delle molecole d’acqua e chimica organica), che è spesso percepita dagli studenti come una parte noiosa e pesante, emerge spontaneamente come parte dell’indagine nei misteri della sabbia magica.

Per questa ragione raccomando l’articolo agli insegnanti di scienze che cercano l’ispirazione per introdurre la chimica organica agli studenti di età tra i 14 e 18 anni. I riferimenti web sono di notevole valore per la scoperta di altre fonti oltre a quelle del progetto TEMI e stimolano gli insegnanti ad usare l’approccio del racconto nell’insegnamento delle scienze.


Giulia Realdon, Italia




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