Domande in preparazione all\'esame di didattica della scienza PDF

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1. Quale è il valore formativo della Scienza? Quando si parla di Scienza non si fa più riferimento al modello positivistico, ormai tramontato, ma essa ha acquisito un nuovo valore, quello formativo. Infatti, in essa ha acquisito importanza il ruolo dell’errore, che costringe la scienza ad essere un cantiere e che stimola il ripensamento; inoltre, non viene più preso in considerazione solo ed esclusivamente il metodo sperimentale, ma anche la dimensione immaginativa. La Scienza non è un’immagine speculare del mondo, ma è una sua interpretazione, una tra le forme di dire del mondo ed è vista nel suo sviluppo complesso. Auguste Comte vede la scienza come la forma del pensiero (vero) e come la regola del sapere (rigoroso). Spesso, nelle nostre scuole, l’insegnamento della scienza è manualistico. Al contrario, bisognerebbe incentivare un insegnamento più riflessivo e sperimentale, incoraggiando così la dimensione del vivere la scienza; questa pratica risulta difficile a causa della parcellizzazione della scienza, cioè la sua divisione in piccole parti. Invece di accumulare sapere, è più importante acquisire un metodo per organizzare i saperi: solo così la tecnica e la manualità riacquistano la loro dignità. Conoscere, infatti, significa dialogare con l’incertezza, non giungere ad una verità certa. Non possiamo ridurre la scienza alla tecnologia, in quanto dietro l’utilizzo della tecnologia vi è una profonda ignoranza scientifica. 2. Elogio della semplicità di Chichignuod Si tratta di un elogio composto da 7 punti, per evitare che l'animatore rischi di privare il bambino dell'attività stessa in cui si mobilita tutto il suo potenziale intellettivo e creativo e in cui può sviluppare dei nuovi saper fare. Questo di solito accade quando si vogliono fornire troppo velocemente ai bambini delle spiegazioni scientifiche sui fenomeni considerati. 1. Non indurre delle conoscenze rigide, per non privare il bambino dell'elaborazione progressiva di nuove conoscenze, che man mano verranno precisate anche grazie all'aiuto dell'insegnante. 2. L'attività scientifica risiede prima di tutto nel processo: infatti, la fabbricazione di un piccolo mulinello ad acqua può condurre a una vera e propria sensibilizzazione tecnologica mettendo in gioco nozioni anche molto elaborate. 3. Non temere la semplicità, infatti è importante privilegiare le realizzazioni più semplici, le quali permettono dei prolungamenti d'azione. 4. Proporre delle situazioni che stimolino l'attività; ad esempio, fabbricare un battello ad elica o installare nella casa delle bambole una piccola luce sono situazioni che mobilitano tutte le competenze e, in un quadro stimolante, possono mettere in moto l'azione del bambino. 5. Saper gestire delle soluzioni tecniche: è molto importante non fare intervenire soluzioni tecniche e spiegazioni scientifiche se non quando necessario. 6. Fare buon uso delle competenze: una buona formazione scientifica non determinerà automaticamente un buon animatore scientifico, la competenza deve essere al servizio dell'attività del bambino. 7. Ridurre le costrizioni per fare spazio alla sperimentazione, senza una presenza eccessiva dell'adulto. (Questa scelta ci fa preferire a volte la costruzione di un razzo ad acqua a quella di un micro-razzo con motore).

3. Quali sono gli strumenti pedagogici previlegiati per l'insegnamento scientifico? La sperimentazione diretta, quasi sempre possibile in tutte le classi, anche in assenza di un giardino o un parco nelle vicinanze; in questo caso si parlerà di sperimentazione indiretta dal punto di vista naturale, ovvero controllo negativo; inoltre, essa può avvenire attraverso la manipolazione (ad esempio attraverso il DAS, una sorta di terra morbida, malleabile, che ad un certo punto solidifica e cambia di stato e non ritorna più manipolabile; in questa condizione può solamente essere rotto o colorato) e l’uso di elementi naturali, altri due tra gli strumenti pedagogici privilegiati; tra questi vi sono anche l’osservazione e la comparazione, che avviene attraverso l’errore e la comparazione, ad esempio tra due gruppi di lavoro (un gruppo commette l’errore, l’altro no: ciò è pratico per permettere di raggiungere il risultato prefissato). Poi vi è anche la costruzione di ipotesi, ad esempio se voglio costruire una zattera e la mia ipotesi necessita di un tipo di progetto che mi porti alla realizzazione di essa. Questa comprende sia il contatto fisico/ aspetto manipolativo, sia quello emotivo, cioè l’orientamento al vedere realizzarsi/prendere forma dell’obiettivo: questi sono due tra gli strumenti pedagogici privilegiati. Per creare l’ipotetica zattera si penserà a diversi materiali, si cercherà di capire quali siano i più utili e quali strumenti siano necessari per intervenire sul tipo di materiale: quindi, anche l’uso di strumenti di investigazione sperimentale è uno strumento pedagogico. Tutto ciò di solito avviene sotto forma di gioco (altro strumento pedagogico), oltre all’apporto da parte degli esperti (strumento pedagogico: apporto di informazione da parte degli esperti), che però non risolvono a priori il problema. Infatti, facendo un errore si ha un sistema di fissazione dell’evento più ampio che non commettendolo. Se dietro l’errore vi è un ragionamento, l’errore è sempre utile. 4. Quali concetti sono stati sostituiti nella biologia evolutiva a quelli di semplicità, ordine e regolarità? E perchè? I concetti di semplicità, ordine e regolarità sono stati sostituiti da quelli di complessità, disordine e caoticità, ovvero le categorie opposte. Questo perché, alla biologia molecolare, che ha caratterizzato totalmente la biologia fino agli anni ’60, si è sostituito un nuovo approccio; questo fu dovuto a nuove spinte che provenivano dalla comunità dei biologi evoluzionisti che tendevano al superamento e alla rottura con la linea riduzionistica del determinismo biologico. Essi affermavano che per la maggior parte dei sistemi naturali fosse possibile giungere ad una comprensione più adeguata per mezzo dell’introduzione delle categorie opposte a quelle presenti in precedenza. 5. Che cosa è un sistema complesso? (La definizione di complessità dipende dalla disciplina o dal contesto scientifico) Un sistema complesso è un sistema finalizzato alla stabilità della propria struttura e alla riproduzione delle sue componenti attraverso il mantenimento dei processi necessari alla sua sopravvivenza. Questa finalità viene raggiunta attraverso l’uso di una enorme ridondanza , dal momento che le sue componenti hanno numerosissime possibilità di sostituzione reciproca; inoltre, attraverso la circolazione di energia, materia ed informazione e l’uso di una catena di retroazioni, ossia catene

circolari di causalità che assicurano la coerenza tra le diverse parti del sistema, anche dette anelli ricorsivi. Infine, ciò avviene anche attraverso l’organizzazione gerarchica in livelli, ognuno dei quali è dotato di proprietà e caratteristiche specifiche, che non vengono generate deterministicamente da quelle del livello inferiore. Gli organismi biologici possono essere definiti sistemi complessi, perché hanno caratteristiche che li caratterizzano come tali. Tra queste caratteristiche vi è l’irriducibilità dei diversi livelli di organizzazione ad un’unica struttura formata da componenti elementari. I sistemi viventi indirizzano le proprie funzioni attraverso l’istruzione e la selezione, due elementi grazie ai quali ogni sistema vivente è sia capace di acquisire vincoli dall’esterno, quindi è selezionato ed eterorganizzato, sia istruito alla virtualità da un’informazione genetica prescrittiva, nel significato latino di dare strumenti per instruere (istruire). Questi due operatori si ripetono in modo ricorsivo nei diversi livelli gerarchici del vivente. 6. Cosa si intende per approccio sistemico? Si intende un approccio complementare a quello analitico, dal momento che quest’ultimo non è più sufficiente per spiegare la dinamica e l’evoluzione dei sistemi complessi, gli equilibri, le retroazioni, l’autorganizzazione e l’aumento della diversità, seppur indispensabile per fondare la scienza. L’approccio sistemico ricombina la complessità a partire dai suoi elementi distinti, tenendo conto delle loro interdipendenze e della loro evoluzione nel tempo. Infatti, la sistemica non concepisce mai un elemento come isolato, ma sempre rapporto con il livello che precede, quello che lo segue e il suo ambiente globale. Essa è uscita dalla convergenza di cibernetica, biologia e teoria dell'informazione. Al contrario, l'approccio analitico consiste nel suddividere la complessità in elementi distinti. Un sistema è un insieme di elementi in interazione dinamica organizzati in funzione di una finalità, che è la conservazione della struttura del sistema, sia che si tratti di una cellula, del corpo umano, di una città, di una società di insetti o di un ecosistema. L'approccio sistemico è all'origine di un cambiamento profondo nel nostro rapporto con il mondo, infatti, oggi si inizia a fare riferimento al paradigma sistemico. La sistemica si apre alla logica della complementarietà, a differenza dell'analitica che ha portato alla logica dell'esclusione. Infatti, l'interdipendenza risulta essere più importante dell'isolamento, così come la complementarietà più dell'esclusione. Inoltre, il metodo sistemico modifica radicalmente il processo di apprendimento e di acquisizione delle conoscenze. Possiamo fare riferimento al paradigma del grattacielo e della sfera, dove la sfera simboleggia l'approccio sistemico, mentre il grattacielo simboleggia il procedimento enciclopedico; l’approccio analitico e quello sistemico sono complementari e il legame tra loro si chiama caos. Oggi analitica e sistemica vengono fondate nel cuore delle scienze della complessità: tale approccio alla natura deriva dalla teoria del caos in fisica, ossia il caos deterministico scoperto da Poincaré nel 1889 e ripreso dopo circa 70 anni dal meteorologo Edward Lorenz. Le reti di relazione di cui fa parte l'essere vivente possono essere comprese solo in relazione al contesto di cui fanno parte e che contribuiscono a strutturare. L'approccio sistemico, all'interno del paradigma ecologico, afferma che lo studio delle parti non possa essere scisso dallo studio dell'unità organizzativa nel suo insieme.

È quindi diventato essenziale il concetto di rete, il quale spinge a concepire la natura come trama di relazioni che creano a loro volta strutture reticolari. Per cui, pensare per reti significa rappresentarsi un ecosistema come una rete fatta da alcuni nodi, ognuno dei quali rappresenta un organismo concepibile a sua volta come una rete. 7. Quali sono i metodi scientifici approcciabili nell'insegnamento? L’indagine sui metodi scientifici si è rinnovata nel primo Novecento per mezzo dell' epistemologia. Essi sono il metodo induttivo, adottato dagli scienziati per descrivere la natura e quello ipoteticodeduttivo, che gli scienziati utilizzano per cercare di spiegare i fenomeni naturali. Il primo metodo, in biologia, permette di conoscere la vita ai suoi diversi livelli, dagli ecosistemi fino alle cellule e alle molecole; i dati su cui è basato questo metodo sono osservazioni e misurazioni verificabili. In esso, si applica un approccio logico, chiamato ragionamento induttivo, utile a dedurre principi generali a partire da osservazioni specifiche. Un esempio di questo principio è il principio secondo cui tutti gli organismi sono fatti di cellule: infatti, i biologi hanno lavorato due secoli per scoprire che sono presenti cellule in tutti i campioni biologici osservati al microscopio. Il secondo metodo, cioè quello ipotetico-deduttivo, comprende una serie di passaggi. Uno di questi è la formulazione di ipotesi, cioè possibili spiegazioni provvisorie, che provengono da una serie di osservazioni. Una volta formulata l'ipotesi, si può ideare un esperimento per verificarla. Questo metodo è diverso da quello induttivo, poiché nella deduzione il ragionamento procede dal generale al particolare (in quello induttivo accadeva il contrario). Quindi , da premesse generali vengono dedotti risultati particolari che ci aspetteremmo di osservare se le premesse fossero vere. I passaggi del ragionamento deduttivo sono: Osservazione: l'auto si è fermata. Domanda: che cosa è successo all'auto? Ipotesi: la benzina è finita. Previsione: se faccio benzina, l'auto ripartirà. Esperimento: faccio benzina. Risultato previsto: l'auto dovrebbe ripartire. 8. Come si passa dall'evoluzione abiologica alla evoluzione cellulare? La comparsa e l'evoluzione della vita sulla terra, cioè l'evoluzione biologica, sono state precedute da un'evoluzione a-biologica e condizionate dalle condizioni chimico-fisiche dell'ambiente. Le condizioni chimico-fisiche dell'ambiente sono state condizionate, a loro volta, dall'evoluzione della vita. L'evoluzione biologica inizia 10-15 miliardi di anni fa in seguito al Big Bang e alla successiva formazione di una nube di idrogeno. (Seguono nuovi elementi chimici che si formano per fusione nucleare.) In seguito a ciò avviene la formazione di corpi celesti, dove sia nuovi elementi chimici si formano per fusione nucleare (isotermica) sia ammassi di materia incandescente vengono proiettati negli spazi siderali dando origine ai pianeti. Successivamente prese il via l'evoluzione cellulare, grazie all'ossigeno che inizió ad aumentare nell'ambiente quando alcuni procarioti, i cianobatteri, acquisirono la capacità di usare l'acqua come

sorgente di ioni H+ nella fotosintesi. L’ossigeno è il prodotto di scarto, che in acqua reagisce con il ferro e insieme formano gli ossidi di ferro che si accumulano nelle rocce. Gli organismi fotosintetizzanti continuarono a rilasciare ossigeno che iniziò ad accumularsi nell'atmosfera. A testimoniare la presenza e l'organizzazione dei cianobatteri fotosintetizzanti vi sono i fossili di stromatoliti. Quindi, la disponibilità di ossigeno libero avvia l'utilizzo di reazioni di ossidazione come fonte di energia per sintesi di ATP. L'aumento di ossigeno ebbe un fortissimo impatto sulla vita dei procarioti indirizzando alcuni gruppi verso l'estinzione, altri alla vita in condizioni anaerobiche ed altri ancora alla respirazione cellulare, con l'utilizzo di ossigeno per ricavare l'energia contenuta nelle molecole organiche. Le variazioni della disponibilità di ossigeno hanno avuto un impatto anche nell'evoluzione e nella diversificazione degli eucarioti. 9. Cosa sono l'ipotesi del brodo ancestrale e l'ipotesi metabolistica? Si tratta di due ipotesi sull'origine delle cellule. La prima parte dal presupposto che i composti organici si siano originati nell'ambiente riducente della terra primordiale, in condizioni energetiche favorevoli. Poi, i composti, non essendo utilizzati, si sono accumulati negli oceani. I fenomeni di polimerizzazione producono macromolecole complesse in grado di catalizzare le repliche di loro stesse: si tratta delle prime entità molecolari capaci di moltiplicazione, grazie alle quali sono comparsi i fenomeni di eredità. Gli acidi grassi ed esteri del glicerolo formano microsfere capaci di segregare selettivamente molecole al loro interno, le prime membrane cellulari; in questo modo, prende avvio un metabolismo energetico di tipo cellulare. Infine, quando le molecole capaci di assorbire energia solare, cioè le porfirine, vengono inglobate nelle membrane delle microsfere, vi è la possibilità di generare gradienti elettrochimici per i protoni, ovvero la premessa per la realizzazione di pre-cellulari, i protobionti. Questi ultimi, sono in grado di autosostenersi, poiché continuamente riforniti di energia. Quindi, sostanze organiche provenienti dallo spazio avrebbero dato origine a reazioni di sintesi abiotiche sulla terra primitiva, alle quali è seguita l'ipotesi del brodo ancestrale, che ha dato origine a polimeri pre-biologici. Essi hanno permesso la formazione dell'RNA e grazie alla replicazione (molecole di RNA presenti all'interno possono fare da stampo a polimerizzazioni di nuovo RNA) si sono formate proteine e DNA che hanno dato origine alla cellula. La teoria del brodo primordiale non ha avuto ipotesi alternative fino agli anni Settanta, quando sono stati scoperti i camini vulcanici sui fondali oceanici; in seguito a ciò, è nata l'ipotesi metabolistica, secondo cui la vita sarebbe nata come insieme di reazioni di ossidoriduzione, che costituiscono un primitivo metabolismo all'interno di particolari comparti delimitati. La vita sarebbe nata in prossimità di sorgenti idrotermali sottomarine. Più nello specifico, l'idrogeno molecolare emesso dalle sorgenti spinge la sintesi di vari composti organici a partire da composti più semplici (soprattutto CO2 E CO). Le reazioni vengono catalizzate da solfuri metallici all'interno di compartimenti generati spontaneamente ed i prodotti organici sono trattenuti nel sistema di compartimentazione dove possono raggiungere concentrazioni elevate, sufficienti a nuove polimerizzazioni, ma non esiste ancora una cellula libera. Infatti, l'ipotesi dell'origine dei procarioti propone l'emergenza di due linee procariotiche da un antenato pre-cellulare che non conduceva vita libera non aveva una membrana cellulare.

10. Come inizia la vita sulla terra? La terra si è formata nel disco di accrescimento del Sole 4.5 Ga (giga anni) fa. Inizialmente fu bombardata da meteoriti e comete, ma dopo poche centinaia di milioni di anni diventò abbastanza fredda e stabile per ospitare la vita. Inoltre, nelle rocce australiane e sudafricane datate 3.5 Ga fa sono presenti le più antiche evidenze di attività vitale. Queste sono degli stromatoliti fossili, dei quali esistono ancora oggi esempi viventi e sono formate da stratificazioni di colonie batteriche, su precedenti litificate. Grazie all'attività dei cianobatteri 2,4 Ga fa il contenuto di ossigeno nell'atmosfera è iniziato ad aumentare. Essendo molti degli organismi presenti allora anaerobici, per sopravvivere si sono dovuti attrezzare e hanno dovuto collaborare con batteri che, attraverso la simbiosi, sono diventati mitocondri negli eucarioti e cloroplasti nelle alghe e nelle piante; questo perché per loro l'ossigeno era tossico. I predecessori degli eucarioti nel frattempo si erano differenziati, infatti ne è sopravvissuto un solo modello. 11. Cosa è l'evoluzione? L'evoluzione è un fatto che inizia dalla materia inanimata. La vita si è "evoluta" per sopravvivere adeguandosi alla competizione ed usando la collaborazione, simbiosi e simbiogenesi. Sará afferma che l'insieme dell'evoluzione sia aperto e creativo; inoltre, essa è un insieme di potenzialità che viene applicato con fantasia creatrice, non secondo un programma predefinito. Inoltre, il collegamento tra gli eventi evolutivi esiste ma può essere riconosciuto solo a posteriori e comporta dei salti, almeno con il metro della logica umana. Gould e Eldredge hanno proposto la teoria degli "equilibri punteggiati" negli anni Settanta, per giustificare le lunghe stasi delle specie, seguite da rapidi salti evolutivi. Tale teoria è giustificata dall'epigenetica, che consente un veloce e costante adeguamento alle esigenze e alle condizioni ambientali. La vita è stata costretta a passare dai batteri agli eucarioti e poi agli organismi pluricellulari per fronteggiare le sfide che l'ambiente le poneva. Quando si è trovata in un ambiente protetto, privo di predatori e forse con cibo limitato, ha ridotto la complessità e le dimensioni. Ciò è accaduto ad esempio a diversi animali nelle isole (nanismo insulare), come nel caso degli elefanti nani siciliani di 500000 anni fa. Ancora oggi questo fenomeno si verifica nelle grotte prive di luce, ma anche per i parassiti e i simbionti che sfruttano o delegano il metabolismo del loro ospite o collaboratore. 12. Cosa sono i mitocondri? Ed a cosa servono nella cellula? I mitocondri sono degli organelli presenti all'interno delle cellule eucariote e derivano da batteri ancestrali per simbiogenesi. Essi servono per produrre ATP, cioè la molecola utilizzata come "moneta" energetica universale. L'ATP è formato da ADP + P, utilizzando l'energia rilasciata dal metabolismo del piruvato (C3H403), che viene prodotto dal glucosio, a sua volta sintetizzato principalmente dall'attività clorofilliana. Quando un gruppo fosfato (P) viene liberato dall'ATP e trasformato in ADP, si cede energia. L'assemblaggio ATP+P avviene in complessi rotanti, inser...