Scienze biologiche

Didattica delle scienze biologiche

Metodologie didattiche

Quale modello utilizzare per la didattica delle scienze? La lezione frontale è un approccio superato, in quanto contribuisce ad ampliare le distanze tra la scienza e la società. Nella lezione frontale, il ruolo attivo è svolto dal docente, mentre gli alunni si pongono in un atteggiamento passivo di ascolto. L'insegnamento delle discipline scientifiche avviene in modo deduttivo, ossia l'insegnante espone i principi generali e poi dà esercitazioni pratiche.

Il metodo deduttivo va dall'universale al particolare, mentre quello induttivo viceversa, parte dall'applicazione pratica, dallo studio di un caso specifico per arrivare a concetti astratti e generali. Un'applicazione di questo metodo è l'inquiry-based learning, una metodologia centrata sullo studente che è protagonista del suo apprendimento. Ha le radici nel costruttivismo ed è associato all'approccio collaborativo e all'apprendimento attivo. Comprende una varietà di metodi che possono variare in base allo stimolo iniziale o al supporto diretto del docente.

Si possono, così, avere l'apprendimento per scoperta, per problemi, per progetti, per studi di caso. L'apprendimento attivo è l'insieme delle diverse metodologie didattiche focalizzate sulle attività condotte dagli studenti in prima persona. L'obiettivo è quello di coinvolgere gli allievi direttamente nel processo di apprendimento. L'insegnante deve essere come un regista dell'azione nella quale gli alunni sono attori.

Una parte della didattica attiva è costituita dalla discussione. Nigris dice che per avere una buona discussione è necessario che ci sia un'esperienza comune che permette l'emergere di più posizioni, e che ci sia una situazione-stimolo problematica da risolvere. È necessario che l'insegnante gestisca i tempi con attenzione, sappia modulare le regole di partecipazione alla discussione, dia la giusta importanza alla composizione del gruppo, predisponga l'ambiente e gli spazi.

Il brainstorming deve permettere di esprimere ciò che si pensa di un problema, in tutta libertà. Serve, quindi, che ci sia un clima empatico e non valutativo, che si possano esprimere le idee anche in modo non formalmente corretto, che ogni idea venga accolta, che i partecipati non critichino gli interventi fatti dagli altri.

Il lavoro di gruppo, soprattutto se questo è formato da pochi membri, deve spingere a esporsi e a provare a sperimentare. Il bambino impara a gestire le modalità di partecipazione e di argomentazione e a sviluppare un pensiero critico. Il lavoro di gruppo favorisce le modalità di apprendimento per scoperta e il pensiero creativo.

Didattica attraverso progetti

Lo scopo è quello di realizzare un prodotto, bisogna legare un'azione pratica a un percorso educativo. Le Indicazioni sottolineano l'importanza dell'esperienza laboratoriale. In biologia molte attività sperimentali richiedono tempi lunghi, spesso non sono alla portata dei bambini, possono essere complessi da organizzare e richiedono di saper utilizzare strumenti e tecniche non adatti ai bambini o non alla loro portata. Il laboratorio non deve essere solo il luogo in cui gli studenti vanno per osservare esperienze realizzate da altri. L'attività laboratoriale riguarda l'intero percorso didattico e comprende anche la condivisione di idee con gli altri.

Nonostante le problematiche, si possono fare attività anche senza un vero laboratorio, che aiutano gli studenti a porsi domande e a formulare risposte. È importante che ci sia un controllo sull'efficacia effettiva dell'attività proposta e bisogna evitare che i bambini percepiscano il laboratorio come una scusa per non fare lezione. È importante anche l'atteggiamento dell'insegnante, che non deve essere freddo, ma coinvolto emozionalmente in ciò che fa. I metodi della scienza non devono essere confusi con le metodologie didattiche, che possono anche rifletterli, ma devono tenere conto dei contesti di apprendimento e dell'età dei soggetti a cui si rivolgono le proposte.

Metodo scientifico

• Il fine della scienza: "Scienza" deriva dal latino e significa "conoscere", soddisfare la curiosità innata dell'uomo nei confronti del mondo naturale. Il desiderio di comprensione è un impulso fondamentale dell'uomo, che si pone domande sul perché e sul come. La scienza comprende elementi di sfida e fortuna, che si collegano alla pianificazione, al ragionamento, alla creatività e alla cooperazione. Il punto di partenza è "osservare e misurare". Bisogna tener conto delle valutazioni soggettive che ognuno può avere. I sensi consentono di conoscere la qualità di una cosa, ma non la quantità, quindi sono un ottimo strumento per osservare, ma non per misurare.
• Definizioni:
  • Vedere = percepire con gli occhi
  • Guardare = soffermare lo sguardo su qualcosa o qualcuno
  • Osservare = esaminare con attenzione motivata da ragioni critiche o da curiosità, con il fine di ottenere una visione completa e dettagliata o per formulare un giudizio
  • Misurare = utilizzare strumenti che attraverso quantificazioni matematiche forniscono un dato universalmente accettato.

Strumenti di osservazione

Gli strumenti di osservazione possono essere considerati come un'estensione dei nostri sensi. Il potere di risoluzione dell'occhio umano è di 0,1mm. Alcuni strumenti di osservazione:

• Stereo microscopio: visualizzare un'immagine tridimensionale
• Microscopio ottico: potere di risoluzione fino a 0,2μm
• Microscopio elettronico: potere di risoluzione fino a 0,2nm.

Misure in biologia

• Micrometri (μm): cellula vegetale, animale, batterio, mitocondrio, cloroplasto
• Nanometri (nm): microtubulo, membrana plasmatica, DNA.

Per ottenere dati precisi, compresi e accettati è necessaria un'analisi quantitativa, ossia una misura. Misurare significa attribuire un dato numerico a una determinata variabile. I dati scientifici sono riportati in forma di rappresentazioni grafiche, come ideogrammi, aerogrammi, istogrammi, diagrammi cartesiani.

Il metodo induttivo

Consente di standardizzare l'osservazione e la raccolta dei dati in modo da rendere l'esperienza ripetibile e comunicabile. Ideato da Francis Bacon alla fine del '500. Si basa sull'osservazione ripetuta e accurata dei fenomeni e si procede dallo specifico verso il generale. Problema: nonostante le numerose osservazioni, il passaggio alla legge universale lascia sempre un certo margine di incertezza, perché ci possono essere eccezioni. Questo metodo viene ancora utilizzato quando le misurazioni non sono possibili. Jane Goodall è un'antropologa inglese nota per la sua ricerca sulla vita sociale e familiare degli scimpanzé sviluppata tramite fotografie e filmati dai quali ha ottenuto dati qualitativi.

Il metodo sperimentale

Ideato da Galileo Galilei nel XVI secolo. Il presupposto essenziale è l'importanza della matematica, i dati devono essere quantitativi, cioè espressi in numeri. Le leggi non sono espresse tramite proposizioni, ma con formule matematiche, equazioni. Il metodo scientifico è anche detto induttivo-deduttivo, in quanto è composto dall'osservazione concreta e dai dati sperimentali, tramite i quali si giunge alla teoria che spiega i fenomeni (parte induttiva) e poi, attraverso la teoria, si deducono altre implicazioni che spiegano altri fenomeni (parte deduttiva). La logica, quindi, procede dal generale allo specifico. Le fasi del metodo sono:

• Osservazione
• Quesito
• Ipotesi
• Previsione
• Esperimento
• Risultato prevedibile.

Le proprietà dell'acqua

Gli elementi chimici e le molecole

Gli esseri viventi sono formati da materia, ossia elementi chimici in forma pura od organizzati in composti. Elemento = unità minima della materia, non decomponibile in altre sostanze. Composto = combinazione chimica fra più elementi, ha caratteristiche chimico-fisiche diverse dagli elementi che lo compongono, non si può separare fisicamente. Miscuglio = combinazione fisica e non chimica fra più composti o elementi.

L'atomo è composto da tre particelle: protoni e neutroni nel nucleo atomico, elettroni che gravitano attorno al nucleo. I protoni e gli elettroni si trovano in numero uguale all'interno dell'atomo, rendendolo elettricamente neutro. In natura ci sono 92 elementi naturali più alcuni artificiali; la vita ne utilizza circa 25 e il 96% della materia vivente è composta da C, H, O e N.

I legami chimici e i composti

Forze attrattive forti:

• Legami covalenti: due o più atomi mettono in condivisione gli elettroni. Il legame è apolare se la condivisione è uguale di forza, polare se c'è uno sbilanciamento verso uno dei due atomi (es. nell'acqua).
• Legami ionici: un atomo cede un elettrone a un altro atomo e si ha la formazione di due ioni, uno carico positivamente (catione), uno negativamente (anione).

Forze attrattive deboli:

• Legami a idrogeno: è implicato un atomo di idrogeno legato in modo covalente a un atomo molto elettronegativo. Questo attira gli elettroni di H e acquisisce una parziale carica negativa lasciando all'H una parziale carica positiva.
• Forze di van del Waals: sono legami deboli e temporanei dovuti a cariche elettriche variabili.

I composti chimici si dividono in organici e inorganici. Quelli organici sono gli idrocarburi, gli alcoli, gli aldeidi e le molecole biologiche. Quelli inorganici sono elementi naturali, acqua, ossigeno e anidride carbonica. La vita si basa su reazioni chimiche in cui i reagenti interagiscono per ottenere prodotti.

L'acqua e le sue caratteristiche

Le proprietà dell'acqua sono dovute principalmente al dipolo magnetico, che crea legami idrogeno. Questo rende possibile la presenza dell'acqua in natura nelle tre forme.

• Regolazione termica: il passaggio di stato comporta la rottura dei legami a idrogeno fra le molecole
• Elevato calore specifico: per 1g di acqua serve 1cal per aumentare o diminuire la temperatura di 1°C. Per questo l'acqua si riscalda e si raffredda lentamente e mantiene di più la temperatura
• Coesione: tendenza delle molecole di acqua a rimanere legate
• Tensione superficiale: è la somma di tutti i legami a idrogeno
• Capacità di solvatazione: l'acqua è in grado di sciogliere tutte le molecole polari (idrofile), ma non quelle apolari (idrofobe)

pH: è una scala di misura dell'acidità o basicità di una soluzione acquosa. Se il pH è minore di 7, allora si hanno soluzioni acide; se è uguale a 7 si hanno soluzioni neutre; se è maggiore di 7 si hanno soluzioni basiche.

Il carbonio

Il carbonio e le sue caratteristiche

Il carbonio è un non metallo, ha 4 elettroni esterni che gli permettono di formare grandi e complesse molecole tramite legami covalenti polari. Costituisce i principali composti organici dei viventi, ossia molecole che contengono atomi di carbonio uniti ad altri atomi: carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici.

Forma diversi legami che permettono alle sostanze di avere proprietà differenti: es. il diamante ha una struttura tridimensionale di atomi fortemente legati e quindi ha il massimo valore di durezza, mentre la grafite ha strati esagonali legati debolmente e che si sciolgono facilmente.

L'anidride carbonica è il prodotto principale della combustione di tutti i prodotti contenenti carbonio. È un gas incolore, con un odore pungente e più pesante dell'aria, è solubile in acqua. La CO₂ viene compressa nelle bombole e utilizzata come refrigerante, come additivo nelle bevande e negli estintori.

I composti del carbonio

I composti più semplici del carbonio sono gli idrocarburi, costituiti da C e H. Un polimero è una lunga molecola costituita da sub unità identiche e ripetute, dette monomeri. Le catene sono costruite tramite reazioni di polimerizzazione: i monomeri si legano con un legame covalente e con una perdita di H₂O. Per ottenere i monomeri dai polimeri, invece, servono reazioni di idrolisi.

Le molecole della vita

Gli zuccheri e i polisaccaridi

Gli zuccheri sono composti idrati del carbonio. Possono avere 3 o più atomi di carbonio e hanno un gruppo OH per ogni carbonio, tranne uno che ha un doppio legame con l'O. Possono essere in forma lineare o ciclica. A seconda del gruppo che contiene la molecola, gli zuccheri possono essere aldosi (CHO) o chetosi (CO).

Possono essere monosaccaridi (glucosio, fruttosio, galattosio), disaccaridi (saccarosio, maltosio, lattosio), polisaccaridi (amido, cellulosa, glicogeno). Il glucosio è il monosaccaride più importante in quanto è la fonte principale di energia delle cellule ed è prodotto dalla fotosintesi clorofilliana. Il fruttosio è diffuso nel regno vegetale, presente nella frutta e nel miele. Il saccarosio si ottiene per estrazione industriale dalla barbabietola da zucchero. Il lattosio si trova solo nel latte dei mammiferi. Può subire fermentazione lattica con alcuni batteri lattici. Il maltosio è presente nel malto o nell'orzo.

L'amido è un polisaccaride di deposito presente nelle piante ed è formato da amilosio e amilopectina. Il glicogeno è sintetizzato dagli animali e viene depositato nelle cellule del fegato e del tessuto muscolare. Viene idrolizzato quando aumenta la richiesta. La cellulosa costituisce la parete cellulare vegetale. Non è digeribile dall'uomo. È il materiale organico più abbondante sulla Terra. La chitina costituisce l'esoscheletro degli artropodi e la parete cellulare rigida di alcuni funghi.

I lipidi

Sono molecole di grandi dimensioni. Sono costituiti da lunghe catene di C e H, sono presenti alcuni legami polari con l'O, non hanno affinità con l'H₂O. Servono come riserva energetica, protezione meccanica per alcuni organi, come isolante termico, impermeabilizzante, hanno funzione strutturale. La molecola di trigliceride è composta da glicerolo e da 3 acidi grassi.

Gli acidi grassi sono lunghe catene di idrocarburi contenenti numero pari di C e un gruppo carbossilico terminale (COOH). Possono essere saturi, quando non possiedono doppi legami tra i C, o insaturi quando hanno doppi legami tra i C. Alcuni non possono essere sintetizzati dall'uomo, perciò sono essenziali e devono essere introdotti con gli alimenti. Sono gli omega-3 e gli omega-6.

Una variante dei trigliceridi sono i fosfolipidi, fondamentali nelle membrane, al posto di un acido grasso c'è un gruppo fosfato. Molti ormoni sono steroidi, cioè lipidi costituiti da anelli carboniosi fusi tra loro. Il colesterolo è alla base di molti altri ormoni. Svolge funzioni essenziali al metabolismo: costituisce le membrane cellulari delle cellule animali, è la molecola di partenza nella sintesi degli ormoni steroidei, è precursore della vitamina D ed è la partenza per la sintesi degli acidi biliari. Le cere sono insolubili in acqua e hanno funzione di rivestimento protettivo e impermeabilizzante.

Gli amminoacidi e le proteine

Le proteine sono polimeri costituiti a partire da 20 amminoacidi, che differiscono per un gruppo funzionale. Gli amminoacidi si legano con un legame peptidico, che comporta la perdita di acqua. Le proteine possono avere strutture diverse:

• Primaria, catena amminoacidica
• Secondaria, conformazione tridimensionale, o pieghettato α-elica o β-foglietto
• Terziaria, strutture globulari
• Quaternaria, aggregazioni di proteine a struttura terziaria.

L'anemia falciforme è una malattia del sangue causata dalla sostituzione di un amminoacido e comporta la perdita di struttura nell'emoglobina. Le proteine hanno funzione: strutturale, di contrazione, di riserva, recettoriale, enzimatica, di trasporto, di segnale tra le cellule, di difesa immunitaria.

Gli acidi nucleici

Sono polimeri lineari di nucleotidi, molecole formate da uno zucchero, da una base azotata e da un gruppo fosforico. Ci sono due tipi: DNA e RNA. Costituiscono il materiale genetico degli organismi, contengono le istruzioni per le attività cellulari, le basi azotate sono verso l'interno e originano un nucleo idrofobico.

La genetica

Gregor Mendel e le leggi dell'ereditarietà: Pisum sativum

Nel 1857, Mendel inizia la coltivazione e l'analisi delle piante di Pisum sativum per studiare le leggi dell'ereditarietà.