Le attività proposte fanno parte di un percorso di 15 incontri di 90 minuti ciascuno, realizzato nell'ambito di un laboratorio frequentato da alunni provenienti da diverse classi seconde, nell'anno scolastico 2000-01 presso la scuola media Paolo Sarpi di Settimo Milanese.

I lavori  si sono svolti con la seguente articolazione:
1. analisi di una situazione problematica 
2. discussione collettiva per individuare possibili ipotesi
3. progettazione di esperimenti
4. realizzazione degli stessi in gruppi di lavoro
5. confronto e discussione dei risultati
6. esplicitazione delle conclusioni, articolate in: 
- cosa abbiamo imparato
- questioni rimaste aperte
In ogni fase di lavoro è stata sempre sollecitata la partecipazione attiva dei ragazzi, senza fornite istruzioni a priori, lasciando gli alunni liberi di ipotizzare e sperimentare. In allegato si trovano i verbali degli alunni.

Per facilitare il confronto con le altre classi che hanno lavorato su "Temperatura e Calore" , nell'ambito del progetto SENIS, le attività sviluppate durante il percorso possono essere ricondotte a cinque temi:
1. Le rappresentazioni mentali e le preconoscenze
2. Temperatura termometri e scale termometriche
3. L'equilibrio Termico
4. Proprietà termiche dei corpi e delle sostanze
5. Costruzione di modelli e primi elementi di formalizzazione

Nel testo che segue sono segnalate con un quadrato contrassegnato da una M le situazioni in cui il formalismo matematico ha avuto un ruolo significativo. 
 

 

L'indagine sulle preconoscenze ha dato l'avvio ai lavori (verbale 1).
E' interessante osservare come è stato istintivo nei ragazzi attribuire un significato diverso alle parole "Calore" e "Temperatura". Tuttavia quando è stato loro richiesto di spiegare il perchè, nessuna delle spiegazioni che hanno fornito li ha convinti tutti e quindi hanno deciso di lasciare aperta questa questione.

Gli incontri relativi al tema in esame si sono svolti all'inizio del percorso, dopo l'indagine sulle preconoscenze.
Sono stati affrontati i seguenti argomenti:
- soggettività delle esperienze sensoriali e necessità di uno strumento di misura (verbale 2a);
- osservazione di termometri (verbale 2b);
- il termometro necessita di tempo per andare a regime (verbale 3a); 
- il termometro perturba il sistema (verbale 3b).

3. L'EQUILIBRIO TERMICO

Le attività relative al tema in questione sono state realizzate dopo l'indagine sulle proprietà termiche delle sostanze, descritte nel "paragrafo 3".
Proprio in quell'ambito sono emerse le prime riflessioni sull'equilibrio termico che hanno costituito il punto di partenza per un lavoro più specifico.

Nel primo incontro (verbale 9) ai ragazzi è stato chiesto di:
- effettuare una previsione sulla temperatura finale di un campione ottenuto mescolando quantità uguali di acqua a temperatura diversa
- motivare la propria ipotesi 
- verificarla sperimentalmente

I gruppi di lavoro hanno formulato tre ipotesi: una errata e due corrette, diverse solo nella formalizzazione matematica.
E' stato interessante notare che l'ipotesi errata (Tfin = T1-T2) è stata formulata da quasi metà dei ragazzi (un paio dei quali hanno truccato i dati sperimentali per giustificarla)
Le ipotesi corrette sono state motivate utilizzando tre modelli diversi.

Nel secondo incontro (verbale 10) ai ragazzi è stato chiesto di:
- effettuare una previsione sulla temperatura finale di un campione ottenuto mescolando due quantità di acqua in rapporto definito e a temperatura diversa
- motivare la propria ipotesi 
- verificarla sperimentalmente
 
 

4. PROPRIETA' TERMICHE DELLE SOSTANZE

Gli incontri relativi al tema in esame si sono svolti dopo le attività riguardanti i termometri nel modo seguente:
1. Nel primo incontro si è discusso sulle possibili modalità di riscaldamento di un liquido; il problema apparentemente banale è risultato coinvolgente in quanto si lavorava in un laboratorio sprovvisto di impianto di erogazione del gas.
I ragazzi hanno individuato come possibili soluzioni: il calorifero, un fornello elettrico portato da casa, una bacinella con acqua a temperatura più calda di quella del liquido da scaldare. 
Già in questa fase alcuni avevano osservato che il tipo di contenitore poteva influire.
2. I ragazzi divisi in gruppi, hanno indagato sulle situazioni evidenziate precedentemente.
I gruppi , dotati di materiali diversi, avevano l'incarico di scaldare una certa quantità di acqua, misurandone la temperatura ad intervalli regolari:
- Gruppo 1 e 2  bacinella di acqua molto calda, contenitore di plastica contenitore di vetro, 3 termometri cronometro
- Gruppo 3 e 4  calorifero, contenitori di plastica, contenitore di vetro, 2 termometri, cronometro
- Gruppo 5 e 6  fornello elettrico, pentolino in cui scaldare a "bagno maria" un bicchiere di ceramica ed un  contenitore di vetro, 3 termometri, cronometro (questi gruppi hanno dovuto spegnere il fornello, per motivi di sicurezza, prima della conclusione dell'esperimento con ovvie ripercussioni sui risultati ottenuti; è stato comunque possibile riflettere in modo produttivo sui dati raccolti)
3. Nell'incontro successivo i ragazzi hanno rappresentato graficamente i dati raccolti e steso le relazioni; ogni gruppo ha presentato il proprio lavoro e la discussione collettiva ha evidenziato che: (verbale 4)
- Esistono diversi tipi di sorgenti
- Esiste una relazione tra la temperatura raggiunta ed il tempo di contatto con la sorgente
- Esistono materiali isolanti e conduttori
Sono stati messi in luce alcuni interrogativi sui fattori che possono influenzare i fenomeni di riscaldamento e che hanno costituito il campo di indagine delle esperienze successive (quantità di materiale, tipo di materiale)

4. Nell'incontro successivo i ragazzi hanno riscaldato di 10° C quantità diverse di acqua, misurando il tempo impiegato e rappresentando i dati in un grafico "tempo di riscaldamento in funzione della quantità di acqua". 
Nell'analizzare gli esiti dell'esperienza i ragazzi si sono accorti che (verbale 5):
- tutti i punti si trovavano su una retta tranne l'ultimo
- le rette ottenute non passavano per l'origine.
I ragazzi disturbati dal punto anomalo hanno voluto riesaminare l'apparato sperimentale e hanno trovato una spiegazione ragionevole.
La discussione sul perché la retta non passava per l'origine ha portato all'ipotesi che un po' di tempo serve per scaldare il contenitore. 5. Nell'incontro successivo i ragazzi hanno verificato l'ipotesi formulata, ripetendo l'esperienza precedente con contenitori diversi. (verbale 6)
In questa fase del lavoro la mancanza di attrezzature si è fatta pesantemente sentire: le ultime due esperienze danno risultati significativi se la temperatura iniziale e quella finale sono le stesse per tutti i campioni.
I ragazzi lavoravano con bagni termici non termostatati ed erano quindi costretti a immergere contemporaneamente tutti i campioni nella stessa bacinella, leggendo contemporaneamente la loro temperatura: il numero massimo di campioni contemporanei su cui sono riusciti a lavorare è stato quattro.
Questo fatto spiega il numero limitato di punti nel grafico del verbale.
6. Nell'incontro successivo i ragazzi hanno riscaldato uguali quantità di liquidi diversi (verbale 7)
7. Nell'incontro successivo i ragazzi hanno indagato sulla dilatazione dei materiali in seguito al loro riscaldamento (verbale 8)

 

5. COSTRUZIONE DI MODELLI E PRIMI ELEMENTI DI FORMALIZZAZIONE

La rappresentazione dei dati sperimentali e l'uso del formalismo matematico ha pervaso tutta l'attività; si possono individuare alcuni aspetti significativi:
1. L'utilizzo di grafici qualitativi come strumento per visualizzare l'andamento di un fenomeno (verbale 3a)
2. L'utilizzo di grafici come strumento di lettura dei dati sperimentali  (verbale 4)
3. La questione della relazione di proporzionalità diretta tra quantità di acqua (X) e tempo (Y) di riscaldamento ha suscitato discussioni interessanti (verbale 5 e verbale 6):
- I ragazzi si aspettavano rapporti Y/X costanti 
- Sperimentalmente si è trovata invece una retta che non passava per l'origine.
E' emersa una riflessione piuttosto formale sui coefficienti angolari di rette parallele

Nella nostra attività i modelli sono intervenuti a due livelli diversi:

1) Rappresentazioni grafiche di vario tipo costruite dai ragazzi per motivare le ipotesi da loro formulate (verbale9, verbale 10)

2) Il MODELLO per la descrizione dei fenomeni termici.
Nel nostro percorso sperimentale non è stato possibile, per mancanza di tempo, guidare i ragazzi alla formulazione autonoma di questo modello.
Non avendo la possibilità di riaprire il discorso con gli stessi alunni nell'anno successivo, abbiamo deciso di fornire noi il "modello molecolare"; è seguita una discussione collettiva durante la quale tutte le fasi del percorso sono state rianalizzate per verificarne la compatibilità con il modello proposto.