CAPITOLO V

5.2 Il ruolo dell'esperimento e l'uso del laboratorio

Se partiamo dall'idea che la dimensione empirica della Fisica è un elemento fondamentale della didattica della Fisica, allora l'esperimento assume una doppia valenza.  In primo luogo, perchè una teoria scientifica può avere  la portata  che ha solo se viene messa in relazione ad  un  contatto  col mondo reale che ne dimostri la validità e la significatività. In secondo luogo, perchè la costruzione scientifica è costituita da un incessante, mutuo, fertile e oscillante rapporto  tra momento teorico e momento sperimentale.      

Un esperimento scientifico è un procedimento che consiste nel far apparire un determinato effetto, investigabile ed analizzabile, in circostanze preparate  secondo un piano `reciso e in funzione di certe ipotesi relative  ai possibili effetti. Caso tipico  d'esperimento  è far  emergere una dipendenza funzionale  fra  grandezze variabili. Se  c'è motivo di ritenere, per via di talune  ipotesi, che una data grandezza B dipenda da una grandezza A, in un  dato sistema che può in generale comportare  altre grandezze,  e se si desidera precisare la natura  della relazione fra le grandezze A e B, si fa variare in modo sistematico la grandezza A, mantenendo fisse le altre o comunque  neutralizzandole, e si osserva quali  sono  i valori assunti dalla grandezza A. Si può allora  sulla base dei dati numerici raccolti, trovare per approssimazione la funzione che meglio rappresenta la funzione studiata. [1]

Lo  scopo principale di un esperimento di Fisica, dunque,  è specificamente quello di tracciare un itinerario didattico signi­ficativo che permetta di pervenire alla legge di un fenomeno  fisico partendo da una serie di misure di grandezze fisiche rilevate  sperimentalmente durante una esercitazione di laboratorio  di fisica. Ci si propone, cioè,  l'obiettivo di ricercare  sperimentalmente la correlazione fisico-matematica esistente fra  alcune variabili caratteristiche del fenomeno in esame, attraverso  pro­cedimenti induttivi che evidenzino, in maniera chiara e  signifi­cativa, la natura empirica della fisica.

In una prospettiva più ambiziosa e culturalmente più  signi­ficativa, l'intento è quello di porre l'accento sui caratteri distintivi della scienza fisica, cercando di far vedere quest'ultima  come  un progresso di idee tendente ad  una  rappresentazione concettuale sempre più unificata della realtà, che non deduce  da principi a priori le leggi della natura, ma piuttosto come ordine di concetti, che scaturiscono da una opportuna collaborazione  di considerazioni sperimentali (esperienze), di argomentazioni  teo­riche e di intuizioni elementari eletti a sistemi di ipotesi.  In una logica epistemologica corretta, poi, queste asserzioni ipotetiche, queste congetture, si cimentano e si correggono in un  costante  interscambio di flussi conoscitivi nella verifica  delle conseguenze dedotte, nella conferma di risultati previsti, cedendo così ad induzioni sempre più precise e comprensive.

Com'è noto il presupposto della Fisica come scienza empirica è  il 'metodo sperimentale' posto a fondamento  dell'attività  di indagine nella costruzione del sapere scientifico. Molto brevemente, l'essenza del metodo consiste nel  concetto di variabile indipendente come variabile manipolata dallo speri­mentatore  in situazione controllata, nell'intento  di  stabilire l'esistenza  di  una relazione di interdipendenza,  espressa  con linguaggio matematico, fra l'andamento di questa variabile fisica l'andamento di un'altra grandezza, chiamata variabile dipendente, entrambe caratterizzanti l'evoluzione  del sistema fisico  n studio. Definito quest'ultimo come un insieme di elementi che  si trovano in interazione si può affermare che l'oggetto dell'indagine empirica è il fenomeno che si manifesta nella realtà indagata. Realtà che ha una sua struttura e che deve essere investigata sia con la costruzione di un modello fisico, sia con la formulazione  di ipotesi di comportamento fisico, sia mediante  attività di indagine di tipo quantitativo-operazionale, basata su meccanismi operativi di misurazione e attraverso rilevazione di informazioni  numeriche (dati), in maniera tale da costruire  una  forma oggettiva di conoscenza (legge del fenomeno) che permette di comprendere, spiegare e prevedere il complesso mutamento degli  ele­menti del sistema che esprimono il fenomeno indagato.  

In questa prospettiva, il ruolo del Laboratorio nella didat­tica  di  un corso triennale liceale, è in stretto  rapporto  con l'esigenza di mettere a fuoco le implicazioni di carattere  metodologico  che riguardano la gestione delle attività empiriche  in un  laboratorio e le procedure più strettamente tecniche (metodo dei  minimi quadrati, metodo grafico di anamorfosi,  propagazione degli errori, test del χ², [2] che caratterizzano la fase di elaborazione dei dati per la conferma, o meno, del modello proposto.

Non si dimentichi mai che l'attività sperimentale di labora­torio,  cioè gli esperimenti, costituiscono l'elemento forse  più significativo e peculiare che caratterizza la Fisica come  disciplina scientifica di tipo empirico rispetto alla discipline  umanistiche e della stessa Matematica.

Duplice  è, dunque, il ruolo che svolge il Laboratorio :  da un  lato v'è il tentativo di evidenziare tematiche  di  carattere generale molto importanti, volte a costruire processi che si pon­gano lo scopo di ricercare, mediante una attività di  riscoperta guidata,  le  leggi dei fenomeni in studio. Dall'altro,  v'è  la consapevolezza dell'importanza di far emergere nuclei di contenuto fisico che collochino al centro dell'indagine scolastica l'uso intelligente degli strumenti fisico-matematici al servizio di una attività di tipo empirico nel panorama della ricerca scientifica. 

L'esperimento non deve essere episodico, ma deve  avere carattere di continuità, perchè si vuole che gli alunni diventino degli operatori nel laboratorio. Inoltre deve essere inserito  in  un  piano di lavoro predeterminato nelle sue grandi linee, possibilmente insieme  agli al­tri insegnanti sia della stessa materia sia delle altre discipline.[3]

L'esperimento, qualunque esso sia, è essenzialmente uno stu­dio fisico di un fenomeno, ottenuto analizzando il fenomeno stes­so  in termini di indagine quantitativa. La peculiarità  che   lo contraddistingue è semplicemente quella di proporre un  "percorso culturale"  completo, capace di esaminare e spiegare, in  termini di  sintesi unificatrice, una classe di fenomeni  anche  diversi. Esso  in  definitiva,  si  propone  di  polarizzare  l'attenzione dell'allievo più che sulla precisione conseguita, sui processi  e le metodologie afferenti al mondo della elaborazione dati che costituiscono, a giudizio dei più, il discorso scientifico portante delle scienze empiriche.Particolarmente significativo sembra poi il tipo di  approccio che si userà, basato sul concetto di integrazione tra  teoria e pratica di laboratorio, tra metodologie  matematico-statistiche e procedimenti induttivi, tra tematiche teoriche e processi empirici.

Nell'uso del laboratorio, M. Mayer evidenzia ciò che il  laboratorio non deve essere:

non  deve essere un luogo di verifica di leggi,  nè  di dimostrazioni, dato che le verifiche, limitate poi a un solo esperimento, non hanno senso; nè può essere ridotto, se vogliamo che sia un laboratorio scientifico,  ad un luogo in cui si collezionano dati o osservazioni. Ma può essere il luogo in cui ipotesi già discusse cercano il loro riscontro sperimentale; in cui teorie  proposte dagli studenti, elementari e ingenue certo, si confrontano;  in cui i dati raccolti vengono organizzati  in leggi  dei cui limiti di validità si è consapevoli;  in cui si progetta l'esperimento, e non solo lo si esegue. D'altra parte se il controllo sperimentale delle ipotesi  non fosse necessario, in che cosa  Galileo sarebbe diverso dagli aristotelici, e la filosofia, o anche  la matematica,  sarebbero diverse dalle scienze  naturali? Il laboratorio ha quindi un senso, anche  epistemologi­co, se è chiaramente un luogo di ricerca, in cui la di­scussione, le domande e le risposte, non avvengono solo tra gli studenti, o tra gli studenti e l'insegnante, ma tra studenti e fenomeni, oggetti, fatti, sensazioni.

La modalità di svolgimento del lavoro è essenzialmente  centrata sul metodo della riscoperta guidata della legge di un feno­meno  piuttosto  che sulla generica verifica  sperimentale  della legge stessa, al fine di evitare una banale e meccanica  attività di verifica. Più esplicitamente il percorso didattico prevede alcune fasi ben  precise e determinate : lo studio dei problemi  scientifici, l'analisi di situazioni problematiche, l'organizzazione dei  dati (tabelle e grafici), [4] la formulazione di ipotesi esplicative, la costruzione di modelli interpretativi, la conferma di correlazioni tra grandezze, la comparazione tra modelli e dati, il confronto tra il comportamento sperimentale, il comportamento  descritto dal modello e il comportamento previsto dalla legge.

Per  conseguire questo obiettivo, si procederà  utilizzando un approccio metodologico basato su fasi successive, nelle  quali si possono individuare, a grandi linee, i seguenti momenti di riflessione specifica :

- analisi preliminare del fenomeno con assunzione di  alcune ipotesi generali che costituiscono il modello in esame;

- formulazione di una ipotesi inerente alla dipendenza  funzionale tra le varie grandezze fisiche in esame;

 - progettazione ed esecuzione dell'esperimento, in modo tale da rilevare tutti i dati necessari e le informazioni che  riusci­ranno utili nella successiva fase. In particolare si userà  ripetutamente  il metodo della 'separazione delle variabili',  attraverso il quale si tengono fisse alcune grandezze fisiche e si fa variare  una delle altre per vedere la loro influenza  su  quelle rimanenti;

 - elaborazione dei dati forniti dall'esperienza, prima  con carta e matita eseguita dall'allievo e, successivamente, se  pos­sibile,  mediante l'uso del mezzo informatico  (generalmente  mediante Lotus 1-2-3, [5]  o mathcad). Si 'manipoleranno' così le  informazioni numeriche, riassumendole in tabelle ordinate di  dati, in  grafici  cartesiani ed equazioni, dai quali, in  seguito,  si confermerà l'ipotesi formulata in precedenza  corroborandone  la legge fisica;

  - discussione dei risultati, limiti di validità della  legge 'scoperta', considerazioni critiche e conclusioni.

A conclusione di questa serie di argomentazioni è necessario osservare,  tuttavia, che un esperimento di Fisica  non  consiste soltanto nel registrare quel che succede al banco di un'aula sperimentale. Così come nell'esperimento, la fase della registrazione dei dati non è la sola che ha significato, ma  forse è più importante tutto quello che precede e segue la fase di  rilevazione delle informazioni quantitative perchè sembra manifestamente  ovvio che per ottenere qualche effetto fenomenico, è necessario attuare tutta una serie di interventi e di preparativi che  permetteranno  poi allo sperimentatore a manipolare e ripetere più  volte il fenomeno eliminando quelle cause che ne possono perturbare lo svolgimento, cioè in condizioni più adatte  alla ricerca. Da questo punto di vista l'esperimento può essere  definito come una ripetizione artificiale del fenomeno in  condizioni controllate  col presupposto di un inquadramento preliminare  di tutta la serie di interventi empirici, teorici e strumentali.

Un  aspetto che didatticamente non è da trascurare,  ma  che viceversa è esplicitamente da evidenziare, è quello che  riguarda l'immagine  che in genere i giovani hanno a proposito dell'attività sperimentale di laboratorio. Essi,  del lavoro empirico in laboratorio, tendono ad  avere una immagine distorta e falsata da miti ormai superati. Gli  studenti quasi sempre sono del parere che in un laboratorio di Fisica non devono esistere imprevisti e che non sia immaginabile  che esperimenti  programmati con cura possano poi produrre  risultati inaspettati o peggio non corretti.

A questi convincimenti si lavorerà concretamente nella  pratica per far capire loro che la prassi didattica prevede possibili pieghe impreviste che possono manifestarsi in un laboratorio, e che anzi questa rappresenta da un lato una costante e una peculiarità  della dimensione empirica della disciplina e  dall'altro una ricchezza e una potenzialità formativa da sviluppare opportunamente.

[1] J.LADRIERE,  I rischi della razionalità. La  sfida della scienza e della tecnologia alle culture,  Torino, SEI, 1977, p.30.

[2] F.MENZINGER,  Le basi del metodo sperimentale.  Il Laboratorio di Fisica, Urbino, La Nuova Italia Scienti­fica, 1992, pp.87-91 etc.

[3]  Documento redatto dai partecipanti al Seminario per collaboratori  nei laboratori centralizzati di  Fisica, Chimica,  Scienze per insegnanti di Scuole secondarie, in  La Fisica nella Scuola, Anno XII,  n.1, Gennaio-Marzo 1979, pp.1-56.

[4] F.LA PENNA,Strumenti, errori e grafici nella sperimentazione fisica, in F. LA PENNA-P.PANI-R.RENZETTI-A.TADDEINI, Il Laboratorio di Fisica. Metodologia,  errori e grafici, esperienze, Roma, Edizioni A.I.F.  Sezione romana, 1980, pp.16-75.

[5] S.PARACCHINI-L.RIGHI, Esplorare la Fisica con Lotus 1-2-3, Milano, Principato, 1989

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