Esperienze di apprendimento STEAM: pensare oltre il fare

Aurora Mangiarotti mangiarott.aurora@gmail.com
Rosangela Mapelli rosymappy@gmail.com

L’insegnamento delle  STEAM (Science, Technology, Engineering, Arts, Mathematics) ha carattere interdisciplinare ed è un’opportunità che rende la matematica e le scienze  collegate alla realtà e alla vita. Un percorso STEAM richiede di creare connessioni e sinergie tra le scienze e le altre discipline, favorendo lo spirito critico e la creatività degli alunni.
Quando si sviluppano programmi STEAM in una scuola, il rischio è investire troppe risorse nella progettazione di “STEAM Lab” allestendo spazi particolarmente ricchi, e non focalizzare abbastanza le competenze che gli studenti devono maturare in quegli ambienti, a causa di scelte metodologico-didattiche non adeguate.
E’ importante adottare un approccio di indagine, privilegiando l’apprendimento per problemi (metodo PBL, Problem Based Learning) e per investigazione (metodo  IBL, Inquiry Based Learning). 
Definiamo la questione che dà l’avvio al  percorso di apprendimento in modo che gli studenti scoprano di aver bisogno di nuove conoscenze per comprenderla e  affrontarla collaborando; scegliamo di non dare tutti gli strumenti per poter risolvere il problema, renderemo gli studenti più consapevoli  del loro apprendimento e della funzione della nuova conoscenza. Quando gli alunni lavorano in gruppo in modo efficace, acquisiscono l’attitudine ad organizzare i concetti e i risultati parziali ottenuti, in vista delle successive attività; le osservazioni, le elaborazioni e le conclusioni dei vari gruppi sono poi messe a confronto, sistematizzate con il supporto del docente,  e documentate attraverso un artefatto (presentazione, infografica, ebook, video, ecc.). Nella fase della documentazione gli alunni possono dare spazio alla creatività e alla loro capacità artistica: ad esempio, un’infografica è un prodotto finale che mostra le abilità acquisite nella rappresentazione visuale di dati e nell’interpretazione di risultati scientifici, abilità costruite in un percorso didattico interdisciplinare di alfabetizzazione visiva. 

Riprendendo il tema dell’approccio didattico alle discipline  STEAM, la prima sfida che affrontiamo è quella di ideare “una buona situazione-problema”. Di seguito  un esempio proposto dal Prof. B. D’amore : “Siamo una classe di 18 allievi e vogliamo andare in gita noleggiando un pullmino che costa 40 euro; 2 di noi, però, non possono pagare. Se i restanti 16 versano 3 euro a testa, ce la possiamo fare.”
Il contesto è quello scolastico, la situazione presentata porta ad una questione che va risolta; la domanda è implicita: è vero o non è vero che ce la possiamo fare?
Implicite od esplicite, le domande devono essere di senso, coinvolgenti ed efficaci per stimolare la discussione tra pari e incoraggiare gli studenti all’esplorazione e alla piena comprensione dei concetti chiave disciplinari.
Grazie a lezioni adeguatamente progettate, poniamo le condizioni perché gli studenti affrontino situazioni reali, interiorizzino  concetti e maturino comprensione profonda. 
L’attività di progettazione consiste nel definire i traguardi, nel predisporre le modalità di valutazione, nello stabilire i prodotti degli studenti, nel selezionare materiali e risorse e nell’organizzare il percorso di apprendimento.  Creiamo un clima d’aula favorevole all’impegno e alla responsabilizzazione, adeguando stimoli e richieste al contesto classe. La preparazione o l’adattamento di schede di lavoro è necessaria per guidare gli alunni e per raccogliere le loro osservazioni, domande, elaborazioni, soluzioni e argomentazioni. Manteniamo gli studenti focalizzati sul problema perchè non si perdano nelle diverse fasi del processo. Ad esempio, essi potrebbero condurre ricerche che li portano lontano  dall’obiettivo finale, oppure fondare le loro deduzioni su presupposti non coerenti: in questi casi è essenziale l’intervento del docente che non fornisce suggerimenti, ma attraverso domande e osservazioni, porta il gruppo ad individuare le incongruenze del proprio ragionamento, facendo capire che l’errore è solo una tappa del processo risolutivo e va considerato come una opportunità. 
Come valutare questo tipo di attività? Per attestare le competenze maturate dagli alunni, non limitiamoci alla valutazione del report di laboratorio, ma prendiamo in considerazione altri elementi quali la qualità dell’attività esplorativa e di indagine dei gruppi (tramite l’osservazione attenta del loro processo  di investigazione), la natura della collaborazione all’interno dei gruppi, l’accuratezza delle argomentazioni esposte in fase di discussione di classe, il livello di conoscenza dei contenuti; quando previsto, valutiamo il prodotto finale dei gruppi che documenta l’attività svolta. Un ulteriore indicatore che non dobbiamo trascurare è il coinvolgimento degli alunni nel processo di autovalutazione, coinvolgimento che si alimenta mostrando un effettivo interesse per lo sviluppo personale di ognuno e fornendo numerosi e articolati feedback

L’ambiente PHET

L’insegnamento delle STEM richiede approcci didattici innovativi, la conoscenza e la pratica d’uso di applicativi e strumenti digitali mobili quali smartphone e tablet che, grazie a sensori di moto, di luce, di suono ecc., permettono la realizzazione di esperimenti scientifici, prima proponibili solo in un attrezzato laboratorio di fisica. Mentre di alcune APP parleremo in un prossimo numero di Bricks dedicato al tema “Smartphone in classe”, in questo articolo vogliamo presentare esperienze didattiche realizzate con PHET. Phet è un applicativo ideato dalla Colorado University per promuovere lo studio e l’apprendimento delle materie scientifiche.  Il sito è consultabile senza account, e propone una gran varietà di simulazioni di fisica, chimica, biologia e matematica, che gli studenti possono esplorare in autonomia. Ha buone potenzialità didattiche: favorisce un approccio esplorativo, mette a disposizione materiali già pronti o adattabili validati, facilita l’introduzione in classe di pratiche di insegnamento per investigazioni e per problemi. Le simulazioni rappresentano un primo passo per  preparare gli studenti ad affrontare problemi più complessi del mondo reale. La maggior parte  delle simulazioni è disponibile in formato HTML5 e quindi fruibile da qualsiasi devices, ma anche scaricabili su pc.  Per capire come funziona una simulazione sono consultabili, previa registrazione, un breve video ed una sintetica guida testuale, entrambi  in inglese; sono inoltre presenti risorse (lezioni, schede di lavoro) prodotte dagli esperti di PHET, ma anche da insegnanti. Collegandosi con il proprio account, non solo si possono visionare le risorse presenti, ma anche proporne delle proprie che potranno essere pubblicate solo dopo aver superato una validazione interna. Gli alunni, con il supporto di schede  appositamente predisposte, sono guidati nell’analisi dei fenomeni fisici, chimici, biologici e matematici. Essi effettuano osservazioni, fanno congetture, rilevano dati, formulano leggi e le verificano, applicando di fatto il metodo scientifico, in modalità collaborativa. Il sito, anche se non può considerarsi alternativo alle reali esperienze realizzate in laboratorio, rappresenta un valido aiuto per i docenti che  intendano proporre una didattica orientata allo sviluppo delle competenze scientifiche. Di seguito presentiamo due esempi di lezioni in ambient PHET, la prima di fisica, la seconda di matematica.

Fisica: In Pressione 

La simulazione utilizzata ha come titolo In Pressione: l’attività che descriviamo è stata proposta in classe prima di scuola secondaria di secondo grado di un Istituto commerciale, ma è adattabile per qualsiasi  bienno. Lo scopo è quello di far scoprire la relazione esistente tra le grandezze fisiche: pressione, densità, profondità e costante gravitazionale, quindi formulare la Legge di Stevino. L’ambiente offre la possibilità di fare misure di pressione, utilizzando tipi di liquidi diversi, di simulare l’esperimento su più pianeti  e di scoprire la natura di un liquido non noto, ricavando dalla legge di Stevino la sua densità. 

Fig. 1 – Come si presenta la simulazione.

L’attività
Gli alunni si confrontano con la seguente situazione-problema: Il sottomarino che scende troppo in profondità corre seri rischi, potrebbe succedere che i rivetti cominciano a saltar via, l’acqua inizia a filtrare all’interno per cui il capitano deve tenere sotto stretto controllo il misuratore di profondità. Ma qual è la causa dell’aumento di pressione quando il sottomarino si immerge e di quanto aumenta la pressione al crescere della profondità?
L’attività è stata svolta seguendo un approccio di indagine, in laboratorio di informatica. In mancanza di PC o device personali, l’attività può anche essere svolta in classe individualmente, utilizzando la LIM e con il coordinamento del docente.
La classe è stata suddivisa  in gruppi di quattro componenti; all’inizio della lezione gli alunni hanno esplorato autonomamente l’ambiente per conoscerlo e per sperimentare. Successivamente una scheda di lavoro ha guidato i gruppi nel percorso di raccolta dati ed elaborazione di grafici al fine di  formulare la legge fisica. Una volta scoperta la relazione, i gruppi l’hanno verificata e utilizzata per individuare, tramite procedura inversa, la densità di un liquido sconosciuto. 

Fig. 2 – Ricerca del fluido sconosciuto.

La Scheda di lavoro  guida gli alunni nella scoperta del tipo di relazione esistente tra la pressione in un liquido e le grandezze: densità del fluido (d) , profondità (h),  gravità (g); si distinguono quattro fasi, ciascuna corredata da domande e stimoli a cui gli studenti devono rispondere:

  1. Completamento di una tabella e creazione di un grafico pressione (P) e  profondità (h), con esperimento simulato sulla terra e mantenendo costante il fluido (acqua).
  2. Completamento di  una tabella e creazione di un grafico pressione (P) e  densità (d), con esperimento simulato sulla terra e mantenendo costante la profondità. L’applicazione permette la scelta solo di tre tipi di liquidi.
  3. Completamento di una tabella e creazione di un grafico pressione (P) e  gravità (g): ci portiamo su altri pianeti, mantenendo costante il fluido e la profondità. In questo caso l’applicazione permette la scelta solo di corpi celesti.
  4. Calcolo della densità (d) di un fluido sconosciuto. Gli alunni scelgono l’icona con il punto interrogativo (?), fissano il valore della costante di gravità, la profondità, misurano la pressione e attraverso la relazione trovata sono in grado di calcolare la densità e quindi di risalire alla natura del fluido.

Il lavoro viene poi ripreso in classe, ogni gruppo porta il suo contributo rispetto ai risultati ottenuti. Si arriva così a formulare la legge di Stevino. 

Fig. 3 – Alunni in classe durante l’attività.

Matematica: Area giochi e proporzioni  

La simulazione di matematica che proponiamo è Area giochi e proporzioni, per il primo ciclo.

Fig. 4 – I due ambienti.

Si tratta di una attività di gamification in cui gli alunni sono stimolati a realizzare oggetti contenenti due tipi di elementi in proporzioni stabilite o, noto l’oggetto, a scoprire il rapporto dei suoi due costituenti. Lo scopo è  consolidare il concetto di rapporto, sviluppare il ragionamento proporzionale per risolvere problemi, scoprire sequenze e regolarità. 
La simulazione presenta due ambienti: nel primo chiamato “Esplora” gli studenti manipolano oggetti virtuali (perline e cubetti per realizzare collane, colori da miscelare per ottenere tinte di diverse gradazioni); nel secondo ambiente “Fai una previsione” vengono proposti gli stessi contesti, ma  gli alunni devono prevedere i rapporti e le caratteristiche degli oggetti facendo ragionamenti; infine possono verificare le loro previsioni attraverso la visualizzazione dei rapporti che è possibile premendo un apposito tasto. 

L’attività
Gli alunni si confrontano con la seguente situazione-problema: Luca vuole dipingere il garage: crea il colore mescolando 2 misurini di vernice blu e 3 di vernice gialla. Si accorge però di aver commesso un errore, infatti  la tonalità scelta richiede 3 misurini di blu e due di giallo. Poiché non vuole buttare il miscuglio già preparato, quanti misurini di giallo e di blu deve aggiungere per ottenere il colore voluto?
La domanda viene proposta alla LIM come anticipazione all’attività di simulazione con PHET.
Per favorire il processo di problem solving, il percorso prevede esplorazioni e costruzioni: gli alunni creano collane, utilizzando elementi di vario tipo (perline rosse e cubetti blu) o miscugli di colori, secondo differenti proporzioni. 

Di seguito riportiamo alcune osservazioni sulla scheda di lavoro.
La simulazione è realizzata  con perline rosse e cubetti blu. 

Fig. 5 – La simulazione con le perline.

Agli alunni è  richiesto di disegnare due collane, la prima  con rapporto tra perline e cubetti indicato dalla coppia di  numeri (3,1), la seconda dalla coppia (4,6), e di scrivere sotto forma di frazione in quale proporzione stanno gli elementi (perline e cubetti) in entrambe le collane.  Il disegno realizzato dagli alunni è un’interpretazione visuale delle scritture (3,1) e (4,6), i rapporti in forma di frazione evidenziano la conoscenza dell’oggetto matematico “frazione”. Gli alunni devono osservare  che nella seconda collana il rapporto perline/cubetti è 4/6 cioè 2/3.
Con un clic sull’icona gialla verificano le loro ipotesi relative sia alle collane sia ai due rapporti  presentati in forma visuale.

Fig. 6 – La visualizzazione delle collane.

Un aspetto didattico interessante della simulazione: la collana in cui il rapporto perline/cubetti è 4/6, è costruita come sequenza (2 perline e 3 cubetti) ripetuta due volte, essendo il rapporto perline/cubetti pari  a 2/3. 
E’ questo un modo originale per visualizzare il concetto di frazioni equivalenti: la rappresentazione mediante una sequenza che si ripete più volte.
Nell’immagine seguente si ha la la rappresentazione visuale  delle frazioni equivalenti: 5/2=15/6, infatti il rapporto è lo stesso 5/2, ma nella seconda collana, la sequenza di 5 rosse e 2 blu si ripete 3 volte.

Fig. 7 – Il riconoscimento delle sequenze.

Osservazioni conclusive

Nella didattica problem based, poniamo un’attenzione particolare nella scelta dei percorsi e delle situazioni-problema che devono superare i seguenti  filtri:

  • questa situazione può essere affrontata con gli attuali prerequisiti in possesso degli studenti?
  • questa situazione favorisce l’interiorizzazione dei concetti chiave che gli alunni stanno imparando?
  • questa situazione stimolerà la discussione tra pari?

Cerchiamo di individuare contesti significativi e poniamo domande che stimolino gli studenti a: 

  • spiegare la causa di un evento o il perché si è verificata  una determinata situazione,
  • esplicitare il ragionamento che ha portato ad una determinata soluzione o conclusione,
  • confrontare situazioni, punti di vista, persone o oggetti,
  • descrivere procedure impiegate per realizzare un prodotto,
  • fare inferenze prevedendo quello che potrà succedere nell’evolversi di un fenomeno,
  • ragionare su nuove ipotesi e nuove spiegazioni di un fenomeno.

L’insegnamento/apprendimento delle materie STEAM basato sui problemi richiede un approccio molto diverso dalla metodologia frontale o anche da una didattica laboratoriale impostata sulla verifica delle leggi fisiche. Servono competenze progettuali ed autoriali: infatti le attività studiate devono prevedere la conoscenza di ambienti e strumenti digitali, il riuso o la produzione di nuovi contenuti (problemi, schede di lavoro), modalità differenti di valutazione/autovalutazione individuale o di gruppo, ecc.. E’ molto importante la collaborazione tra docenti a livello disciplinare e interdisciplinare: il lavoro in team e il sostegno tra pari, alimenta la fiducia nelle proprie capacità di innovare e sperimentare nuove strade per un reale insegnamento  per competenze.     

Bibliositografia

Wiggins e McTighe Fare progettazione, Lab Roma, 2004

Bush, Cook, Step Into STEAM, Grades K-5 Cornwin, 2019

Rivoltella, Fare didattica con gli EAS, La scuola, 2013

D’ambrosio, Scienze con gli EAS, Morcelliana, 2018

http://ec.europa.eu/research/science-society/document_library/pdf_06/report-rocard-on-science-education_en.pdf

http://ec.europa.eu/research/swafs/pdf/pub_science_education/KI-NA-26-893-EN-N.pdf

https://www.stem.org.uk/

Le autrici

Maria Aurora Mangiarotti
Formatrice in corsi PNSD nelle aree competenze, valutazione, progettazione didattica e STEAM.  Già docente di matematica, ha ricoperto i ruoli di esperto INVALSI (profilo A2 – progetto Valutazione e Miglioramento), animatore digitale, funzione strumentale per la formazione, referente per progetti di integrazione delle tecnologie nella didattica.

Rosangela Mapelli
Docente di matematica e fisica. Formatrice in corsi PNSD, Ambiti, GW, nelle aree: Didattica con le tecnologie, Nuovi ambienti di apprendimento, Inclusione e STEAM. Ha ricoperto i ruoli di progettista sito scuola e progetti PON, Funzione strumentale area informatica, Referente per progetti di integrazione delle tecnologie nella didattica, docente Etwinning. Tutor online in progetti su piattaforme moodle. Autrice di learning object nel progetto ministeriale DigiScuola.