il giusto equilibrio engineer - museoscienza.org · sviluppate per supportare l'apprendimento delle scienze attraverso svariate sfide di progettazione sul tema dell'ingegneria. Le

Il presente documento è stato prodotto in conformità al contratto CE n. 288989 È proprietà dei Partner del progetto ENGINEER e la sua distribuzione o riproduzione non sarà consentita senza la previa

autorizzazione formale.

Il giusto equilibrio Costruire una scultura sospesa

Ingegneria meccanica Equilibrio e forze

Unità per studenti dai 9 ai 12 anni

2 Il presente documento è stato prodotto in conformità al contratto CE n. 288989

È proprietà dei Partner del progetto ENGINEER e la sua distribuzione o riproduzione non sarà consentita senza la previa autorizzazione formale.

Introduzione "Il giusto equilibrio" è una delle dieci unità didattiche per la scuola primaria e secondaria di I grado sviluppate per supportare l'apprendimento delle scienze attraverso svariate sfide di progettazione sul tema dell'ingegneria. Le sfide riprendono il modello di apprendimento basato sull’indagine Engineering is Elementary®, ("L’ingegneria è elementare"), sviluppato con successo dal Museo della Scienza di Boston. Ciascuna unità affronta un diverso ambito scientifico e un diverso settore dell’ingegneria, richiede solo materiali economici e ha l’obbiettivo di supportare lo studente nell’esplorazione scientifica e nella progettazione di tipo problem-solving. Le unità sono state sviluppate per incuriosire una grande varietà di studenti e per mettere alla prova gli stereotipi sull'ingegneria e sugli ingegneri, migliorando l’interesse sia degli studenti che delle studentesse verso la scienza, la tecnologia e l'ingegneria. Il nostro approccio pedagogico In ogni unità le attività sono organizzate seguendo le 5 fasi del processo di progettazione ingegneristico: formula domande, immagina, pianifica, realizza e migliora. Prestare attenzione a queste 5 fasi aiuta gli insegnanti a formulare domande, e gli studenti a stimolare la propria creatività rimanendo liberi di sviluppare le proprie abilità di problem-solving, testare le possibili alternative, interpretare i risultati e valutare le soluzioni. I compiti e le sfide sono stati progettati per poter avere molteplici soluzioni e per evitare le "risposte giuste". In particolare, gli ideatori delle unità, hanno cercato di evitare situazioni che enfatizzassero la competizione, che può scoraggiare alcuni studenti, cercando però di mantenere viva la motivazione a voler risolvere un problema. Un obiettivo importante in tutte le unità è quello di massimizzare le opportunità di lavorare in gruppo per favorire gli studenti nell’apprendere lavorando insieme e nel comunicare efficacemente le proprie idee. Mentre esaminano un nuovo problema, è fondamentale per gli studenti discutere le proprie idee, individuare le conoscenze necessarie, condividere i risultati ottenuti, progettare le soluzioni e quindi migliorarle. Come sono organizzate le unità Ogni unità inizia con una lezione generale preparatoria, comune a tutte le dieci: la lezione 0. Gli insegnanti che scelgono di utilizzare più di un’unità dovranno cominciare con questa lezione la prima volta e con la lezione 1 nelle unità successive. La Lezione 1 introduce un contesto narrativo o un problema che prepara a quello che avviene in seguito: la lezione 2 che è incentrata sull'esplorazione dell’ambito scientifico che gli studenti devono approfondire per risolvere il problema. Nella Lezione 3 gli studenti progettano e realizzano la soluzione proposta. Infine la Lezione 4 dà agli studenti l'opportunità di valutare, presentare e discutere quello che hanno fatto. Ciascuna unità è comunque unica, alcune sono più impegnative in termini di comprensione scientifica, e quindi il tempo richiesto per ciascuna può variare. Nella presentazione di ogni unità sono riportati i tempi indicativi e le età di riferimento degli studenti. Le unità sono progettate per essere flessibili e gli insegnanti possono scegliere quali attività preferiscono svolgere; le unità offrono inoltre la possibilità agli insegnanti di differenziare le attività in modo da dare spazio a un’ampia gamma di abilità.

Assistenza per gli insegnanti Ciascuna unità è stata scritta per fornire un appropriato supporto scientifico, tecnico e pedagogico a insegnanti con diversi livelli di esperienza e competenza. Ogni lezione fornisce suggerimenti e consigli



per favorire l’apprendimento basato sull'indagine, l'organizzazione e la preparazione della classe. Le attività scientifiche e di costruzione sono illustrate con fotografie. Le note di pedagogia scientifica in Appendice spiegano e discutono la scienza trattata nell'unità e come facilitare la comprensione dei concetti fondamentali per studenti di quella fascia d'età. Le schede didattiche forniscono anche le risposte e possono essere fotocopiate.



Sommario Introduzione .................................................................................................................................................... 2 Presentazione dell'unità ................................................................................................................................. 6 Risorse ............................................................................................................................................................. 7 Lezione 0 – Progettare una busta ................................................................................................................. 10

0.1 Introduzione - 10 minuti - in gruppi e discussione con la classe .......................................................... 11 0.2 Attività 1 - Che cos’è una busta? - 5 minuti - in gruppi e discussione con la classe .............................. 11 0.3 Attività 2 - Abbinare le buste agli oggetti - 15 minuti - in gruppi e discussione con la classe ............... 12 0.4 Attività di approfondimento - facoltativa - 10-30 minuti - in gruppi ................................................... 12 0.5 Conclusione - 10 minuti - discussione con la classe ............................................................................ 13 0.6 Risultati dell'apprendimento - per valutazione opzionale................................................................... 14

Lezione 1 – Qual è il problema ingegneristico? ............................................................................................ 15 1.1 Attività introduttiva - disposizione in cerchio - 15 minuti ................................................................... 16 1.2 Raccogliere le domande - in gruppi - 10 minuti .................................................................................. 16 1.3 Costruire un modellino di scultura sospesa - lavoro in gruppi - 45 minuti ........................................... 17 1.4 Conclusione - 20 minuti .................................................................................................................... 18

Lezione 2 – Cosa dobbiamo sapere? ............................................................................................................. 19 2.1 Attività introduttiva - disposizione in cerchio - 10 minuti ................................................................... 20 2.2 Esperimenti - lavoro a coppie - 45 minuti (65 minuti con l’esperimento facoltativo dell’altalena a carosello) ................................................................................................................................................... 20 2.3 Discussione guidata e conclusione della lezione - 45 minuti ............................................................... 23

Lezione 3 – Costruiamo! ................................................................................................................................ 26 3.1 Attività introduttiva - disposizione in cerchio - 15 minuti ................................................................... 27 3.2 Costruire una scultura sospesa - lavoro a coppie - 60 minuti .............................................................. 27 3.3 Conclusione - 30 minuti .................................................................................................................... 28

Lezione 4 – Come ci siamo riusciti? ............................................................................................................... 29 4.1 Attività introduttiva - 10 minuti ......................................................................................................... 30 4.2 Modifica delle sculture sospese - lavoro a coppie - 45 minuti............................................................. 30 4.3 Scrivere un manuale d’istruzioni - lavoro autonomo - 30 minuti ........................................................ 30 4.4 Conclusioni finali - discussione con la classe - 15 minuti..................................................................... 31

Appendici ...................................................................................................................................................... 32 Appendice 1 Processo di progettazione ingegneristico .............................................................................................. 32 Appendice 2 La storia per creare il contesto ............................................................................................................. 33 Appendice 3 Cenni sui mobile .................................................................................................................................. 34 Schede didattiche e Schede delle risposte ................................................................................................................ 36

Scheda didattica 1 - Lezione 0 - Ingegneria? ............................................................................................... 37 Scheda didattica 1 - Lezione 0 - Ingegneria? - Note pedagogiche per l'insegnante ....................................... 38 Scheda didattica 1 - Lezione 1 - Immagini di sculture sospese 1 .................................................................. 39 Scheda didattica 2 - Lezione 1 - Immagini di sculture sospese 2 .................................................................. 40 Scheda didattica 3 - Lezione 1 - Immagini di sculture sospese 3 .................................................................. 41 Scheda didattica 4 - Lezione 2 - Altalena a carosello realizzata con un righello ............................................ 42 Scheda didattica 5 - Lezione 2 - Gruccia ...................................................................................................... 43 Scheda didattica 6 - Lezione 2- Scopa ......................................................................................................... 44 Scheda didattica 7 - Lezione 2- Altalena a carosello .................................................................................... 45 Scheda didattica 8 - Lezione 2 - Scheda di osservazione - Altalena a carosello realizzata con un righello...... 46 Scheda didattica 9 - Lezione 2 - Scheda di osservazione - Scopa .................................................................. 47 Scheda didattica 10 - Lezione 2 - Scheda di osservazione - Gruccia ............................................................. 48 Scheda didattica 11 - Lezione 2 - Scheda di osservazione - Altalena a carosello ........................................... 49 Scheda didattica 12 - Lezione 2 - Immagine della gru .................................................................................. 50



Scheda didattica 13 - Lezione 2- La gru ....................................................................................................... 51 Scheda didattica 14 - Lezione 2 - Scheda delle risposte - La gru ................................................................... 52 Scheda didattica 15 - Lezione 3 - carta di personalizzazione 1 ..................................................................... 53 Scheda didattica 16 - Lezione 3 - carta di personalizzazione 2 ..................................................................... 54 Scheda didattica 17 - Lezione 3 - carta di personalizzazione 3 ..................................................................... 55 Scheda didattica 18 - Lezione 3 - carta di personalizzazione 4 ..................................................................... 56 Scheda didattica 19 - Lezione 3 - carta di personalizzazione 5 ..................................................................... 57 Scheda didattica 20 - Lezione 3 - carta di personalizzazione 6 ..................................................................... 58 Scheda didattica 21 - Lezione 3 - carta di personalizzazione 7 ..................................................................... 59 Scheda didattica 22 - Lezione 3 - carta di personalizzazione 8 ..................................................................... 60

Note scientifiche per gli insegnanti su equilibrio, forze e ingegneria meccanica .......................................................... 61 Alcune idee dei bambini sulla scienza dell’equilibrio e delle forze ............................................................................... 64 Glossario dei termini utilizzati in quest’unità ............................................................................................................ 66 Partner ................................................................................................................................................................. 67



Presentazione dell'unità Durata: 3 ore e 20 minuti (più 20 minuti in più per attività facoltativa) Gruppo target: studenti dai 9 ai 12 anni Descrizione: Questa unità presenterà agli studenti il settore dell’ingegneria meccanica, sia dal punto di vista della tecnologia che dal punto di vista professionale. Conosceranno i concetti scientifici di equilibrio e di forza. La storia che fa da cornice a quest’unità e che introduce il problema ingegneristico, ha come protagonista un artista che chiede a un ingegnere di aiutarlo a realizzare una scultura sospesa destinata ad abbellire l’aula magna di una scuola. La sfida, basata su un problema e sulle azioni da compiere, sprona gli studenti verso il lavoro autonomo e verso un approccio aperto e costruttivo. Gli studenti migliorano le proprie conoscenze in materia di pianificazione e costruzione di sculture sospese coinvolgendo i principi fisici di forza ed equilibrio. Cominciano a scoprire la cooperazione interdisciplinare tra ingegneri e altri professionisti, in questo caso tra ingegnere e artista.

Ambito scientifico: quest’unità fa riferimento ai concetti scientifici di equilibrio e di forza; si concentra su strumenti e materiali, costruzione tecnica e edifici. Settore ingegneristico: quest’unità presenta agli studenti il settore dell'ingegneria meccanica. Obiettivi: in quest’unità gli studenti impareranno: • a usare il processo di progettazione ingegneristico per aumentare le loro competenze nella progettazione e

nella costruzione di un prodotto di design; • a sviluppare un approccio aperto, collaborativo, costruttivo e curioso verso i problemi e le sfide; • l’importanza dei concetti scientifici di equilibrio, gravità, forza e forza contraria nei progetti strutturali.

Le lezioni in quest’unità: La lezione generale preparatoria mira a far comprendere quanto l’ingegneria sia fondamentale nella vita di tutti i giorni, anche se non sempre è evidente. La lezione 1 introduce il problema ingegneristico, il suo contesto e il processo di progettazione ingegneristico. Gli studenti studiano le proprietà delle sculture sospese e ricevono l’incarico di costruirne una, che sia in equilibrio su più livelli. Formulano delle ipotesi riguardo a questo tipo di sculture e ne costruiscono dei modellini in piccoli gruppi. Nella lezione 2 si entra nella fase "formula domande" del processo di progettazione ingegneristico, che porta allo studio dei concetti fisici di forza e di equilibrio. Attraverso diverse attività sperimentali gli studenti studieranno le proprietà della forza, della forza contraria, dell’equilibrio e del centro di gravità (o baricentro); impareranno a utilizzare questi termini in relazione al funzionamento di una gru. Nella lezione 3 gli studenti sono coinvolti in modo attivo nell’applicazione del processo di progettazione ingegneristico per risolvere il problema, ovvero costruire una scultura sospesa in equilibrio: lavoreranno a coppie progettando e costruendo una scultura sospesa e sviluppando una loro idea. In questo processo gli studenti dovranno raccogliere e procurarsi tutti gli oggetti necessari al loro progetto. La lezione 4 è l’occasione di riflettere sulla progettazione e la realizzazione delle sculture sospese in equilibrio. Gli studenti dovranno dimostrare di avere soddisfatto tutti i requisiti stabiliti. Potranno apportare dei miglioramenti e condividerli, e discuteranno dei problemi incontrati durante la costruzione. Ogni gruppo potrà suggerire i miglioramenti da apportare. Infine, le sculture realizzate, verranno esposte e gli studenti dovranno descrivere le fasi del processo di progettazione ingegneristico che hanno seguito durante il loro lavoro.



Risorse Elenco di tutti i materiali e le quantità necessarie per 30 studenti. Materiale Quantità

totale Lezione 1 Lezione 2 Lezione 3 Lezione 4

Diari di documentazione (formato A4) – raccoglitore ad anelli o un quaderno vuoto

30 (gli stessi per ogni lezione)

30 30 30 30

Schede di ricambio per schedari (formato A5 o 9,5 x 20,5 cm)

ca. 60 ca. 60

Matite 30 30 30 30 30 Matite a sezione non tonda 5 - 15 5 - 15 Righello (della lunghezza di circa 20 - 30 cm)

5 - 15 5 - 15

Pedine da dama (diametro circa 3 cm)

50 - 150 50 - 150

Gruccia (realizzata in filo di metallo)

2 - 15 5 - 15

Mollette 20 – 300 50 - 150 Qualcosa a cui appendere le sculture, come un appendiabiti, un gancio, corda …

x x x x

Filo 1 rotolo 1 rotolo Scopa 5 5 Altalena a carosello (facoltativa) 1 1 Macchina fotografica (facoltativa) 1 1 Oggetti da appendere (raccolti dagli studenti stessi)

x

Misurino 2 2 Materiali per il fissaggio per costruire le sculture

o Nastro adesivo 15 5 5 5



o Colla liquida 5 5 5 5 o Filo metallico (dello spessore di

circa 0,25 cm) 10 2 5 2

o Graffette 150 50 50 50 Strumenti per costruire le sculture

o Forbici adatte ai bambini 30 30 30 30 o Pinze con tagliafilo (attenzione:

c’è il rischio di farsi male!)

10 10 10 10

o Trapano a mano/punteruolo (attenzione: c’è il rischio di farsi male!)

5 5 5 5

Bastoncini per costruire le sculture o Stuzzicadenti per spiedini

(lunghezza 20 cm) 150 50 50 50

o Cannucce (lunghezza 20 cm) 150 50 50 50 o Stuzzicadenti di legno

(lunghezza 6,5 cm) 150 50 50 50

o Legno di balsa rotondo o non rotondo (lunghezza: 20 / 30 cm)

30 20 10

o Legno massiccio (faggio etc.) (lunghezza 20 / 30 cm)

30 20 10

o Plastica (lunghezza: 20 / 30 cm) 30 20 10 Fili per costruire le sculture (selezionatene alcuni)

o Rafia 2 2 2 2



o Filato di cotone o misto cotone 2 2 2 2 o Corda da pacchi (in fibra

naturale) / spago (spessore circa 2,0 mm)

2 2 2 2

o Filo / filato per cucire (misura 50) 2 2 2 2 o Nylon (spessore 0,15 mm) 2 2 2 2 o Filo da ricamo in seta 2 2 2 2 o Lana 2 2 2 2

Oggetti da appendere alle sculture (selezionatene alcuni)

o Perline di cristallo (diametro 6 – 12 mm)

250 100 100 50

o Perline di legno (diametro 6 – 12 mm)

250 100 100 50

o Palloncini 60 30 20 10 o Oggetti naturali quali pietre,

conchiglie, nocciole, ghiande, foglie o rami

30 30

o Cartoline (formato A5 – A7) 50 20 20 10 o Viti (lunghezza 2 – 5 cm) 20 - 30 10 - 20 10 o Dadi per viti (diametro 1 – 2 cm) 20 - 30 10 - 20 10 o Sfere di polistirolo (diametro 3 –

6 cm) 30 - 50 10 - 20 10 - 20 circa 10

o Tappi di sughero 30 - 50 10 - 20 10 - 20 circa 10 Schede Didattiche No. 1 - 3 Immagini di sculture appese 1 di

ognuna 1 di ognuna

No. 4 - 7 Guida per esperimenti 30 di ognuna

30 di ognuna

No. 8 - 11 Schede di osservazione per gli esperimenti

30 di ognuna

30 di ognuna

No. 12 Immagine di una gru 1 1 No. 13 Scheda didattica "La gru" 30 30 No. 14 Scheda delle risposte "La gru" 1 1 No. 15 - 22 Carte di personalizzazione 1 di

ognuna 1 di

ognuna



Lezione 0 – Progettare una busta Che cos’è l'ingegneria? Durata: potete scegliere quanto tempo dedicare a questa lezione in base al livello di esperienza degli studenti. L'introduzione, le attività principali e le conclusioni richiederanno fino a 40 minuti; per eventuali attività di approfondimento saranno necessari altri 10-30 minuti. Obiettivi: in questa unità gli studenti impareranno che • gli ingegneri progettano soluzioni ai problemi utilizzando una serie di tecnologie diverse; • le tecnologie da impiegare per risolvere un determinato problema dipendono dal contesto e dai materiali

disponibili; • gli oggetti costruiti sono stati progettati per risolvere problemi; • gli ingegneri possono essere sia uomini che donne. Risorse (per 30 studenti) ð 8 blocchetti di post-it ð 8 set di almeno 5 tipi diversi di buste ð 8 set di almeno 5 oggetti diversi

ð 8 set di confezioni/imballi (per le attività di approfondimento opzionali)

ð Cartoncino, carta, colla, forbici (per le attività di approfondimento opzionali)

Preparazione • Raggruppate una serie di buste e confezioni

diversi • Stampate copie della Scheda Didattica 1 • Raccogliete le immagini per l'attività

introduttiva

Metodo di lavoro • Piccoli gruppi • Discussione con l'intera classe

Contesto e background Questa lezione è comune a tutte le unità ed è volta a incoraggiare gli studenti a riflettere su cosa sia la tecnologia e a superare gli stereotipi sugli ingegneri (in particolare quelli di genere) e sull’ingegneria. Il suo scopo è stimolare la consapevolezza che gli oggetti costruiti sono stati progettati per un particolare scopo e che la tecnologia in senso lato riguarda qualsiasi oggetto, sistema o processo che è stato progettato e modificato per risolvere un certo problema o soddisfare una necessità particolare. Gli studenti hanno la possibilità di riflettere su questo concetto discutendo insieme su quale problema si propone di risolvere un determinato oggetto tecnologico (nel caso specifico, una busta). In questa lezione gli studenti discuteranno della varietà di tecnologie che vengono utilizzate per progettare una busta per un uso specifico. Altro obiettivo di questa lezione è quello di evitare giudizi di valore in merito a tecnologie più avanzate, o "high tech", rispetto a quelle meno avanzate, o "low tech", e incoraggiare gli studenti a rendersi conto che quello che conta è che una certa tecnologia sia appropriata a un particolare contesto: la gamma dei materiali disponibili determinerà il tipo di tecnologia che l’ingegnere utilizza per risolvere un determinato problema.


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0.1 Introduzione - 10 minuti - in gruppi e discussione con la classe Dividete la classe in gruppi di 4 studenti ciascuno e date a ogni gruppo un blocchetto di post-it. Chiedete ai gruppi di discutere tutti gli aspetti che associano ai termini "ingegneria" e "tecnologia". Assicuratevi che, durante la discussione, ciascun membro dei vari gruppi contribuisca scrivendo almeno un'idea sul post-it. Invitate tutti i gruppi ad attaccare i post-it su un cartellone e a spiegare brevemente le loro scelte al resto della classe. Conservate la lista di idee per una revisione al termine della lezione.

Assistenza ulteriore per la discussione Questa parte della lezione può essere ampliata mostrando agli studenti immagini di esempi stereotipici e insoliti di ingegneria, e chiedendo loro poi di raggruppare le immagini a seconda che le associno o no all’ingegneria. Per quest’attività potete utilizzare la Scheda Didattica 1 oppure potete disporre le immagini su un tavolo, in modo da farle vedere a tutta la classe. Fate lavorare gli studenti a coppie e fategli decidere quali immagini pensano che siano associate all'ingegneria e quali no, facendogli motivare la loro decisione. A questo punto ogni coppia di studenti deve confrontarsi con un’altra coppia e discutere di eventuali differenze o punti in comune delle proprie idee. Potete usare queste idee come punto di partenza per una discussione con l’intera classe; è necessario incoraggiare gli studenti ad ampliare il loro modo di pensare in merito a cosa sia l’ingegneria e quali possano essere i soggetti coinvolti.

0.2 Attività 1 - Che cos’è una busta? - 5 minuti - in gruppi e discussione con la classe Organizzate gli studenti in piccoli gruppi per discutere su cosa sia una busta e quali sono i suoi aspetti costitutivi. Per facilitare la discussione, presentate una serie di esempi di buste che servono a coprire e/o proteggere oggetti o materiali per un determinato scopo (vedi immagini).

Una parte importante di quest’attività è quella di incoraggiare gli studenti a rendersi conto che vi sono numerose interpretazioni del concetto di busta. Nelle immagini sono presenti alcuni esempi che possono mettere in discussione l'idea di "busta": essi comprendono interpretazioni più ampie su cosa sia effettivamente una busta, in altre parole qualcosa che "ospita", "protegge", "tiene fermo", "copre", "nasconde" o persino "rivela" una serie di oggetti diversi.



0.3 Attività 2 - Abbinare le buste agli oggetti - 15 minuti - in gruppi e discussione con la classe Dividete la classe in gruppi di 4 studenti ciascuno e date loro una serie di buste e oggetti che potrebbero essere inseriti nelle buste. Chiedete agli studenti di scegliere quali sono le buste più adatte agli oggetti e di spiegare il perché.

Gli oggetti in questione possono essere un paio di occhiali, un certificato, una fotografia che non deve essere piegata, un gioiello fragile, un DVD, una serie di documenti riservati, un paio di forbici. La gamma di oggetti e di buste può variare in base al contesto e alle disponibilità.

Le domande seguenti possono essere utili per guidare la discussione: ─ In quale materiale è realizzata la busta? ─ Quali elementi di fissaggio e chiusura sono utilizzati nella busta? ─ Per quale serie o quali tipi di oggetti si potrebbe utilizzare la busta? ─ Con quali altri materiali potrebbe essere fabbricata? Ciascun gruppo riferirà poi le proprie idee alla classe.

A questo punto potete scegliere di guidare la discussione e di illustrare le varie tecnologie utilizzate per la realizzazione ogni tipo di busta, compresi i tipi di strutture, i fissaggi e le chiusure utilizzate (per es. fissaggi riutilizzabili o permanenti, aree rinforzate, materiali interni ed esterni, sigilli degli spigoli). Questa è un'attività di valutazione attraverso cui ci si può riallacciare al processo di progettazione ingegneristico: la discussione potrebbe comprendere una riflessione riguardo al processo in cui sono coinvolti gli ingegneri quando creano un oggetto destinato a risolvere un problema particolare.

0.4 Attività di approfondimento - facoltativa - 10-30 minuti - in gruppi 1. Date agli studenti una serie di buste e chiedete loro di valutarne la progettazione in termini di adeguatezza allo scopo (vedi figura). Si potrebbe fare un confronto tra le varie buste in base ai tipi di fissaggi e di rinforzi utilizzati e in base ai tipi di materiali utilizzati (per es. l'imbottitura a bolle d'aria, l’assorbenza, la robustezza, o la resistenza allo strappo). Si potrebbe integrare quest’attività esaminando diversi tipi di confezioni/imballi in relazione alla presenza di alette e in quale modo esse vengono utilizzate per ridurre (o eliminare del tutto) la presenza di sostanze adesive nel processo di produzione. Nelle 3 immagini seguenti si vedono esempi di confezioni senza adesivi: la loro realizzazione prevede quindi l’utilizzo di un solo materiale dato che come elementi di fissaggio vengono usati tagli e pieghe.



2. Organizzate gli studenti in piccoli gruppi per progettare e/o realizzare una busta adatta a contenere un particolare oggetto. I componenti dei vari gruppi dovranno attingere alle loro conoscenze in materia di materiali e processi produttivi per realizzare esempi di progetti alternativi. I progetti possono essere valutati in seguito discutendone con l’intera classe.

0.5 Conclusione - 10 minuti - discussione con la classe Attraverso una discussione con tutta la classe, riprendete i post-it utilizzati in precedenza (e, se è il caso, i raggruppamenti di immagini abbinate o meno al concetto di ingegneria) e analizzate insieme agli studenti in che modo sono eventualmente cambiate le loro convinzioni iniziali. Chiedete loro quindi di riflettere su quale sia il ruolo dell’ingegnere e cosa sia la tecnologia. ─ Fate notare agli studenti che la maggior parte degli oggetti che utilizziamo è realizzata

per adempiere a uno scopo ben preciso e che gli ingegneri utilizzano una serie di abilità diverse per trovare soluzioni ai problemi.

─ Ciò comporta la necessità di riflettere sulle soluzioni per risolvere determinati problemi: alcune funzionano, altre hanno meno successo; il processo di progettazione ingegneristico comprende la fase di valutazione e di miglioramento.



─ Ciò che veramente conta non è che la tecnologia sia "low tech" o high tech", quanto che sia appropriata – gli ingegneri devono prendere in considerazione il loro contesto e le loro risorse.

─ Vi sono molti settori ingegneristici e molti tipi di persone differenti, provenienti da tutto il mondo, tanto uomini quanto donne possono essere ingegneri.

Si possono individuare svariate definizioni per i termini "ingegnere" e "tecnologia"; questi termini sono spesso utilizzati in modo interscambiabile: l’ingegneria può essere considerata come l'utilizzo della tecnologia per la risoluzione di problemi. Parlando del rapporto tra ingegneria, scienza e tecnologia, si incoraggiano gli studenti a riflettere su come gli ingegneri, nel processo di realizzazione degli oggetti per trovare soluzioni a determinati problemi, utilizzino una serie di tecnologie (compresi fissaggi e rinforzi, tipi di materiali e componenti diversi), e conoscenze scientifiche diverse. Questa è un’opportunità per iniziare una discussione su come e da chi sono fatti gli oggetti, e quali sono gli aspetti coinvolti nel processo di ricerca di soluzioni di problemi.

Risultati dell'apprendimento - per valutazione opzionale Al termine di questa lezione gli studenti dovrebbero essere in grado di: ─ Riconoscere come vengono utilizzati in modi diversi un'ampia gamma di sistemi,

meccanismi, strutture, fissaggi e chiusure nella realizzazione di manufatti per risolvere problemi.

─ Comprendere che la tecnologia appropriata dipende spesso dal contesto e dai materiali disponibili.

─ Riconoscere che gli ingegneri si avvalgono di svariate abilità per individuare le soluzioni ai problemi.

─ Riconoscere che ci sono diversi tipi di persone con interessi e capacità differenti possono diventare ingegneri.



Lezione 1 – Qual è il problema ingegneristico? Alla scoperta della sfida

Durata: 90 minuti Obiettivi: in questa lezione gli studenti impareranno a: • comprendere la natura di un problema ingegneristico e come quest’unità affronta tali problemi; • sviluppare delle ipotesi su come costruire una scultura sospesa; • descrivere cosa sia una scultura sospesa. Risorse (per 30 studenti) ð Schede didattiche No 1-3 (Immagini di

sculture sospese) ð 60 schede di ricambio per schedari ð 30 diari di documentazione ð 30 matite ð Qualcosa a cui attaccare le sculture ð Materiali per il fissaggio per costruire le

sculture o 5 rotoli di nastro adesivo o 5 tubetti di colla liquida o 2 rotoli di filo metallico o 50 graffette

ð Strumenti per costruire le sculture o 30 forbici adatte ai bambini o 10 pinze con tagliafilo

(attenzione: c’è il rischio di farsi male!)

o 5 trapani a mano (attenzione: c’è il rischio di farsi male!)

ð Bastoncini per costruire le sculture o 50 stuzzicadenti per spiedini o 50 cannucce

o 50 stuzzicadenti di legno

ð Fili per costruire le sculture (selezionatene alcuni)

o 2 rotoli di rafia o 2 rotoli di filato di cotone o di

misto cotone o 2 rotoli di corda da pacchi o 2 rocchetti di filo/ filato da cucire o 2 rotoli di nylon o 2 rocchetti di filo da ricamo in

seta o 2 rotoli di filo di lana

ð Oggetti per le sculture (selezionatene alcuni) o 100 perline di cristallo o 100 perline di legno o 30 palloncini o 30 oggetti naturali o 20 cartoline o 30 sfere di polistirolo o 10-20 tappi di sughero

Preparazione • Raccogliete i materiali • Stampate e fotocopiate le Schede Didattiche

Metodo di lavoro • Disposizione a cerchio / Plenaria • Piccoli gruppi

Contesto e background La fase "formula domande" del processo di progettazione ingegneristico presenta agli studenti la problematica delle sculture sospese. Viene loro assegnato il compito di costruire una scultura sospesa in equilibrio; basandosi sui risultati delle attività pratiche, gli studenti devono sviluppare delle idee per risolvere il problema.



1.1 Attività introduttiva - disposizione in cerchio - 15 minuti Raccontate la storia che introduce la sfida ingegneristica (vedi Appendice 2). Poi fate disporre gli studenti in cerchio su sedie, sgabelli o cuscini poggiati sul pavimento.

Il vantaggio della disposizione a cerchio è che tutti vedono tutti e tutti sono uguali. Disporsi in cerchio è particolarmente indicato quando bisogna concentrarsi su un argomento, fare una discussione comune, o presentare un oggetto a tutta la classe, mettendolo ad esempio al centro. Potete altrimenti sollevare l’oggetto per mostrarlo a tutti o consegnarlo a uno studente per farlo passare di mano in mano per permettere a tutti di vederlo. In cerchio gli studenti imparano meglio l’interazione sociale: una buona convivenza presuppone determinate regole e convenzioni, che possono essere negoziate in maniera più efficace se disposti in cerchio. “Durante le prossime lezioni parleremo di sculture sospese perché Paolo vuole costruirne una. Dovete organizzarvi a coppie e costruire una scultura sospesa in equilibrio”.

Distribuite le immagini di sculture sospese che trovate nella Lezione 1 Scheda didattica n. 1-3 e dite agli studenti: "Dobbiamo capire come riconoscere una scultura appesa in equilibrio. Cosa notate?". Trovate altre immagini di sculture appese alla pagina: http://pinterest.com/search/pins/?q=mobile Quello che stiamo cercando di proporvi viene chiamato impulso silenzioso della lezione. Gli impulsi silenziosi possono assumere varie forme: possono essere dei concetti o, come in questo caso, delle immagini che hanno lo scopo di stimolare la discussione libera tra gli studenti. L’insegnante rimane in disparte e ascolta le idee degli studenti, prestando attenzione a tutte le loro idee, i loro pensieri e i loro suggerimenti. Regola fondamentale: nessuna idea è sbagliata, niente è proibito, ed è lecito pensare e condividere qualunque cosa.

Annotate alla lavagna le caratteristiche delle sculture sospese elencate dagli studenti. Consiglio: gli elementi caratteristici delle sculture sospese, quali fili, oggetti sospesi e equilibrio, verranno ulteriormente presi in considerazione nella Scheda didattica di quest’unità. Ricordate agli studenti il processo di progettazione ingegneristico, che comincia ponendosi delle domande. Questo imposta la fase successiva della lezione: gli studenti non saranno più in cerchio ma si organizzano in gruppi di 4.

1.2 Raccogliere le domande - in gruppi - 10 minuti

L’attività principale della Lezione 1 si svolge in piccoli gruppi, scelti dall’insegnante e composti al massimo da 4 studenti l’uno. Incominciate dicendo agli studenti: "Il vostro compito è quello di annotare sulle schede da schedario le domande che il vostro gruppo ha riguardo alla costruzione di una scultura sospesa. Quando torneremo in cerchio, disporremo le schede a terra in centro, e metteremo i doppioni uno sopra l’altro."

http://pinterest.com/search/pins/?q=mobile



"Abbiamo raccolto molte domande. Chi è in grado di rispondere a una di queste domande?" Attaccate le schede scelte alla lavagna: a queste domande si risponderà in seguito, durante la seconda o terza lezione, o alla fine dell’unità. Cercate di tenerle sempre presenti e di discutetele con gli studenti quando l'argomento si addice al tema che state trattando. Le domande possono essere suddivise secondo l’argomento trattato:

− materiali da costruzione; − oggetti; − metodi per attaccare; − bastoncini/aste; − strumenti necessari; − concetti scientifici che bisogna conoscere; − comprensione dei principi base.

1.3 Costruire un modellino di scultura sospesa - lavoro in gruppi - 45 minuti

Nella prossima fase gli studenti eseguiranno i loro primi tentativi di costruzione di una scultura sospesa usando materiali semplici. Presentate agli studenti sia i materiali per la costruzione delle sculture che i diari di documentazione che serviranno per documentare passo dopo passo il procedere del loro lavoro.

I diari di documentazione tengono traccia del percorso di apprendimento individuale degli studenti e sono un importante strumento di valutazione per l’insegnante. Lavorando con i diari di documentazione, gli studenti imparano a esporre i loro pensieri in una maniera comprensibile, e a confrontare le proprie idee con quelle degli altri.

I diari vengono presentati adesso per poter passare alla fase successiva. − "Nella prossima lezione userete dei diari di documentazione, dove potrete annotare le

vostre idee, le vostre strategie di soluzione, le vostre invenzioni e le vostre riflessioni su ciò che avete imparato, e così via. Proprio come lavorerebbe Ivana Ingegni, l’ingegnere della nostra storia."

− "La sfida consiste nel costruire un primo modellino di scultura sospesa: • Come prima cosa annotate o fate un disegno della vostra idea nel diario di

documentazione. • Poi attuate la vostra idea. Potete modificarla se vi vengono in mente altre

idee su come migliorare la vostra scultura di prova. • Avete circa 25 minuti di tempo. • Alla fine esamineremo le sculture sospese".

Dopo circa 25 minuti decidete quale gruppo dovrà presentare per primo la propria scultura appesa. Ecco i criteri di selezione che potrete usare: − soluzioni meglio riuscite; − soluzioni controverse; − soluzioni diverse che dimostrano come si può ottimizzare l’equilibrio di una scultura

appesa.



1.4 Conclusione - 20 minuti Ricollegatevi alla storia introduttiva: mentre stava costruendo la sua scultura sospesa, l’artista Paolo Pennelli non è riuscito a farla stare in equilibrio. Alcuni gruppi scelti dall’insegnante presentano all’intera classe le loro risposte alle seguenti domande: - La vostra scultura rimane in equilibrio? - Quali problemi avete incontrato? - Come avete risolto questi problemi? - Dove avete ancora bisogno di aiuto? "Avete trovato molte buone soluzioni per costruire una scultura sospesa in equilibrio attraverso il metodo di lavoro di "prova ed errore". Nella prossima lezione faremo degli esperimenti sull’equilibrio, sul centro di massa (baricentro), sulle forze e sulle forze contrarie, per arrivare a costruire delle sculture sospese in equilibrio proprio come lo farebbe un ingegnere".



Lezione 2 – Cosa dobbiamo sapere? Scopriamo l’equilibrio, le forze e l’ingegneria meccanica Durata: 100 minuti (120 con esperimento aggiuntivo) Obiettivi: in questa lezione gli studenti impareranno: • alcuni concetti scientifici base tra i quali la forza, la forza contraria, l’equilibrio e il centro di massa (o

baricentro); • a collegare questi concetti per affrontare la sfida ingegneristica; • a utilizzare i diari di documentazione come efficaci strumenti di apprendimento. Risorse (per 30 studenti) ð 30 diari di documentazione ð 30 matite ð 30 Schede didattiche n. 4-7

(guida per gli esperimenti) ð 30 Schede didattiche n. 8-11

(schede di documentazione per esperimenti) ð 1 Schede didattiche n. 12 (immagine di gru) ð 30 Schede didattiche n. 13 "La gru" ð 1 Scheda delle risposte n. 14 ("La gru") ð 5 scope

ð 5-15 matite a sezione non tonda ð 20-150 pedine da dama in legno ð 5-15 grucce (realizzate in filo di metallo) ð 50-150 mollette ð filo ð qualcosa a cui appendere le sculture, come un

appendiabiti, un gancio, corda … ð 1 altalena a carosello (facoltativa)

Preparazione • Raccogliete i materiali • Stampate e fotocopiate le Schede didattiche • Preparate l’ambiente di lavoro per eseguire gli

esperimenti • Tenete a portata di mano un set di materiali

per gli esperimenti per discuterne con la classe • Tenete a portata di mano l’immagine e la

Scheda delle risposte della gru.

Metodo di lavoro • Disposizione a cerchio • Esperimenti • Discussione guidata • Lavoro in coppia

Contesto e background Nella Lezione 2 continuiamo a esaminare le fasi "formula domande" e "immagina". Verranno poste le basi di fisica teorica, per poter procedere con la fase "pianifica". In diverse postazioni, gli studenti condurranno che trattano i concetti fisici di equilibrio, forza, forza contraria e centro di massa (o baricentro); cominceranno a comprendere gli effetti fisici fondamentali che dovranno considerare durante la fase di costruzione. Nella fase successiva, i concetti approfonditi dagli studenti verranno rafforzati e applicati al funzionamento di una gru. Infine, basandosi su questi principi, gli studenti saranno in grado di progettare e costruire una scultura sospesa in equilibrio.

Il presente documento è stato prodotto in conformità al contratto CE n. 288989 Documento distribuito con licenza Creative Commons Attribuzione - Non commerciale 4.0 Internazionale.

2.1 Attività introduttiva - disposizione in cerchio - 10 minuti Aiutate gli studenti a fare il punto sulle loro conoscenze riguardo alle sculture sospese.

Mentre sono seduti in cerchio, ricordate agli studenti la sfida: costruire una scultura sospesa. Ricollegatevi alla storia introduttiva: l’artista Paolo Pennelli chiede a Ivana Ingegno, ingegnere e mamma di uno degli studenti, di aiutarlo nella costruzione di una scultura sospesa. A questo proposito vengono condotti degli esperimenti su forza, forza contraria, equilibrio e centro di massa (o baricentro).

Fate lavorare gli studenti a coppie e spiegate la procedura: − Verranno fatti tre esperimenti in classe (più uno facoltativo se nel cortile della scuola c’è

un’altalena a carosello). − Per ogni esperimento ci sono le guide - Lezione 2 Scheda didattica n- 4-7 e le schede di

documentazione (Scheda didattica n. 8 - 11) da mettere nei diari di documentazione: gli studenti devono usarle per riportare quello che fanno in ogni esperimento.

Avete tre possibilità per condurre la lezione, e la scelta sarà determinata da quanto gli studenti sono abituati a svolgere esperimenti in maniera autonoma: − Gli studenti sono liberi di scegliere l’ordine nel quale condurranno gli esperimenti; ogni

coppia decide quanto tempo dedicare a ciascun esperimento. − Gli esperimenti vengono svolti in un ordine definito (ciclico): le coppie passano da un

esperimento all’altro su indicazione dell’insegnante. − Gli studenti rimangono ai loro posti mentre svolgono un esperimento dopo l’altro.

Quando finiscono con un esperimento lasciano i loro materiali al gruppo successivo.

2.2 Esperimenti - lavoro a coppie - 45 minuti (65 minuti con l’esperimento facoltativo dell’altalena a carosello)

L’attività principale della lezione è svolgere degli esperimenti per scoprire i principi più importanti della fisica riguardo i concetti di forza, forza contraria, equilibrio e centro di massa (o baricentro).

Gli esperimenti sono:

Altalena a carosello fatta con un righello Materiale: matita a sezione non tonda, righello, pedine da dama. Compito: posizionare la matita sotto il righello di modo che stia in equilibrio. Porre delle pedine da dama alle estremità del righello in modo tale che rimanga ancora in equilibrio. Obiettivo: determinare il punto di equilibrio di un oggetto in movimento quando ci sono delle forze che agiscono su di esso (fenomeno dell’equilibrio – applicabile alle sculture sospese). Nota: potete rendere un po’ più complicato l’esperimento mettendo le pedine una sopra l’altra o usando sassolini al posto delle pedine.



Gruccia Materiale: gruccia realizzata in filo di metallo, mollette, un pezzetto di corda e qualcosa a cui appendere la gruccia. Compito: viene sospesa con un filo. Attaccare a entrambi i lati un numero diverso di mollette. La gruccia deve rimanere sempre in equilibrio. Obiettivo: determinare il punto di equilibrio di un oggetto in movimento quando ci sono delle forze che agiscono su di esso (fenomeno dell’equilibrio – applicabile alle sculture sospese). Scopa Materiale: scopa. Compito: distendete bene le braccia; un compagno posiziona la scopa sulle mani stando attento a farla stare in equilibrio. Potete corredare questo esperimento con le seguenti domande: − Riuscite a unire le mani avvicinando le braccia l’una all’altra e a mettere le dita in

corrispondenza del centro della scopa? − Riuscite a muovere entrambe le mani contemporaneamente?



− È più difficile muovere entrambe le mani piuttosto che una? Se si quale delle due mani è più facile spostare? Perché?

− Verso che lato pende la scopa? Perché? − Perché le due mani non si trovano al centro della scope nonostante essa sia in equilibrio?

Obiettivo: determinare il centro di massa (o baricentro) di un oggetto non omogeneo. Consiglio: per questo esperimento è importante avere spazio a sufficienza per evitare che qualcuno possa farsi male nel caso in cui la scope cada o si inclini. Il centro di massa (o baricentro) si trova nel manico appena prima dello spazzolone.

Nota: il centro di massa (o baricentro) di un oggetto non corrisponde per forza alla sua parte centrale. Il centro è una definizione geometrica: il punto equidistante da tutte le estremità di un determinato corpo. Il centro di massa (o baricentro) è il punto in cui convergono tutte le forze e le forze contrarie che agiscono su un corpo, e ne determina il punto di equilibrio, dove tutte le forze che agiscono sono uguali.

:



Altalena a carosello (facoltativa) Materiale: altalena a carosello. Compito: l’altalena deve essere messa in posizione di equilibrio facendo salire diversi bambini da una parte e dall’altra. Obiettivo: determinare l’equilibrio; notare come il cambio di massa influisce sulle forze in azione. Consiglio: questo esperimento può essere svolto tutta la classe al completo. Assumete il ruolo dell’osservatore. Potete preparare il vostro intervento concentrandovi sui punti seguenti: − problemi /difficoltà; − esperimenti riusciti; − spiegazioni efficaci. Siate sempre disponibili ad aiutare gli studenti in caso di necessità: − per leggere e comprendere le istruzioni; − per annotare gli esperimenti sulle schede di documentazione; − per scegliere l’esperimento successivo tra quelli disponibili.

2.3 Discussione guidata e conclusione della lezione - 45 minuti Gli studenti si dispongono in cerchio e appoggiano le loro schede di documentazione sul pavimento. Discutete i singoli esperimenti con tutta la classe. Parlate dei tre esperimenti rispondendo alle seguenti domande:



− Cosa abbiamo fatto in questo esperimento? − Cosa abbiamo notato? − Perché è successo? − In che modo questo ha a che fare con la costruzione di una scultura sospesa? Discutete e completate le risposte ripetendo i termini tecnici importanti che emergono da ciascun esperimento o invitando gli studenti a individuarli. I termini sono i seguenti: − forza; − forza contraria; − centro di massa (o baricentro); − equilibrio. Tenete tutte le schede di documentazione nel vostro diario di documentazione per un controllo continuo.

L’impulso silenzioso adesso è l’immagine di una gru (Scheda didattica n. 12). Gli studenti sono invitati a commentarla. Portate l’attenzione sul tema della lezione. "Che cosa c’entra la gru con i vari esperimenti della scorsa lezione?".

Ripetete di nuovo i termini tecnici di "forza", "forza contraria", "equilibrio" e "centro di massa (o baricentro)" e fate un riassunto. Serve ad assicurare che gli studenti riescano a rispondere alle domande seguenti– Lezione 2 scheda delle risposte n. 14: - Dove agiscono le forze? - Cos’è una forza? - Cos’è una forza contraria? - Cos’è l’equilibrio? - Cos’è il centro di massa (o baricentro)? Potete dare agli studenti la scheda sulla gru come compito a casa – Lezione 2 Scheda didattica n. 13, o potete compilarla durante la lezione. Nella scheda c’è l’immagine di una gru e gli studenti devono indicare dove sia il centro di massa (o baricentro), la forza, la forza contraria e il punto di equilibrio. Consiglio: si possono prendere in considerazione anche altri esempi di gru a torre in merito ai concetti di fisica e statica. Potete trovare alcune immagini nelle seguenti pagine web: (ultima visita 31.7.2013): http://commons.wikimedia.org/w/index.php?search=turmdrehkran&title=Special%3ASearch http://commons.wikimedia.org/w/index.php?search=tower+crane&title=Special%3ASearch Come ultima cosa invitate gli studenti a cercare altre cose nella vita di tutti i giorni che hanno a che fare con l’equilibrio. Ad esempio: − Funambolismo – il funambolo cammina su una corda tesa tenendosi in equilibrio con le

braccia o con una lunga asta usata come bilanciere. Quando la corda è costituita da una fettuccia più larga e allentata è il movimento "su e giù" della corda ad aiutare il funambolo a mantenersi in equilibrio.

− Spada – il centro di massa (o baricentro) delle spade è più vicino all’impugnatura che alla punta (proprio come nelle scope). Quando si forgia una spada, si fa in modo che il centro

http://commons.wikimedia.org/w/index.php?search=turmdrehkran&title=Special%3ASearch

http://commons.wikimedia.org/w/index.php?search=tower+crane&title=Special%3ASearch



di massa (o baricentro) sia posizionato più o meno vicino all’impugnatura, a seconda della caratteristica tecnica desiderata, che sia rispettivamente forza oppure precisione.

− Ruspa – la forza esercitata dal carico sollevato viene bilanciata dal peso della stessa motrice.

− Bilancia a due piatti – la bilancia è costituita da una trave avente come fulcro il suo asse orizzontale, alle cui estremità sono attaccati due piatti. Gli oggetti posizionati sui piatti esercitano delle forze che ne determinano l’equilibrio o il disequilibrio.

Chiedete agli studenti di portare da casa gli oggetti che serviranno per la Lezione 3: "Usiamo le nostre conoscenze per costruire una scultura sospesa; procuratevi degli oggetti da appendere, come sassolini, giocattoli, souvenir, oggetti trovati in natura. Potete anche scegliere un tema particolare per la vostra scultura come ad esempio "spiaggia", "giocattoli", "animali", "foresta", "spazio", "scuola" o "gite di classe"".



Lezione 3 – Costruiamo! Progettazione della scultura sospesa Durata: 105 minuti Obiettivi: in questa lezione gli studenti impareranno: • a usare gli strumenti nel modo appropriato e a sviluppare le proprie capacità motorie;

• a mettere in pratica efficacemente le fasi "pianifica" e "realizza" del processo di progettazione ingegneristico;

• che la collaborazione implica un buon livello di capacità organizzativa e una buona dose di determinazione.

Risorse (per 30 studenti) ð 30 diari di documentazione ð 30 matite ð Schede didattiche n. 15-22 (Carte di

differenziazione) ð Macchina fotografica (facoltativa) ð Materiale per il fissaggio per costruire le

sculture: o 5 rotoli di nastro adesivo o 5 tubetti di colla liquida o 5 rotoli di filo metallico o 50 graffette

ð Strumenti per costruire le sculture: o 30 forbici adatte ai bambini o 10 pinze con tagliafilo

(attenzione: c’è il rischio di farsi male)

o 5 trapani a mano (attenzione: c’è il rischio di farsi male)

ð Bastoncini per costruire le sculture: o 50 bastoncini per spiedini o 50 cannucce o 50 stuzzicadenti di legno o 20 bastoncini di legno di balsa o 20 bastoncini di legno massiccio o 20 bastoncini di plastica

ð Fili per costruire le sculture (selezionatene

alcuni): o 2 rotoli di rafia o 2 rotoli di filato di cotone o di

misto cotone o 2 rotoli di corda da pacchi o 2 rocchetti di filo/filato per cucire o 2 rotoli di nylon o 2 rocchetti di filo da ricamo in

seta o 2 rotoli di filo di lana

ð Oggetti da appendere alle sculture (selezionatene alcuni):

o 100 perline di cristallo o 100 perline di legno o 30 palloncini o 20 cartoline o 30 sfere di polistirolo o 10-20 viti o 10-20 dadi per viti o 10-20 tappi di sughero o oggetti portati dagli studenti

Preparazione • Raccogliete i materiali. • Stampate e fotocopiate le Schede didattiche. • Preparate qualcosa a cui appendere le

sculture.

Metodo di lavoro • In cerchio • A coppie

Contesto e background Durante la Lezione 3 gli studenti mettono in pratica quello che hanno imparato e realizzano le loro sculture sospese. Siamo quindi arrivati alla fase "pianifica" e "realizza" del processo di progettazione ingegneristico.

Il presente documento è stato prodotto in conformità al contratto CE n. 288989 Documento distribuito con licenza Creative Commons Attribuzione - Non commerciale 4.0 Internazionale.

3.1 Attività introduttiva - disposizione in cerchio - 15 minuti Fate disporre gli studenti in cerchio attorno ai materiali e riprendete la storia introduttiva: Ivana Ingegni ha illustrato all’artista Paolo Pennelli i fenomeni di forza, forza contraria, equilibrio e centro di massa (o baricentro). Gli studenti hanno imparato a conoscere questi concetti attraverso gli esperimenti. Ci sono dei requisiti che la scultura sospesa dell’artista deve soddisfare, spiegateli agli studenti: − Livelli: la scultura sospesa deve avere almeno due livelli. − Ogni livello deve essere in equilibrio. Ricordate alla classe il processo di progettazione ingegneristico domandando in quale fase pensano di trovarsi a questo punto (la risposta è "pianifica" e "realizza"). Sottolineate l’importanza dei concetti scientifici dai quali dipenderà il loro successo come ingegneri: quali concetti della fisica conosciamo? − Forza. − Forza contraria. − Equilibrio. − Centro di massa (o baricentro). Consigli per la sicurezza: − Fate bene i nodi: eseguite una dimostrazione su come stringerli bene. − Fate attenzione durante l’utilizzo degli strumenti: fate sempre una dimostrazione di come

utilizzarli, per assicurarsi che gli studenti lo facciano nel modo giusto.

3.2 Costruire una scultura sospesa - lavoro a coppie - 60 minuti Lavorando a coppie gli studenti iniziano a costruire le loro sculture sospese. Possono testarle e verificare che soddisfino i requisiti stabiliti. Gli studenti devono decidere come verificare se la scultura sospesa sia in equilibrio. Consiglio: un modo per verificare se le parti sospese sono o meno in equilibrio è quello di confrontarle con delle linee orizzontali disegnate sulla lavagna o su un poster. Questo procedimento potrebbe stimolare alcune riflessioni interessanti sull’equilibrio e sulle forze che agiscono sulle varie parti della scultura. Istruzioni per gli studenti: − Lavorate a coppie. − Costruite una scultura sospesa in equilibrio con i materiali a disposizione. − Tenete conto dei requisiti fondamentali. − Appendete la vostra scultura una volta pronta. Controllate che ogni livello sia in

equilibrio. − Dopo ogni passaggio riportate i risultati nei vostri diari di documentazione. − Potete anche apportare delle migliorie alle vostre sculture.



Dite agli studenti di testare le sculture sospese appendendole a un gancio, e di annotare i risultati di ogni singolo passaggio, per poterli utilizzare in caso di modifiche.

Consiglio: prima di iniziare ad apportare le migliorie alle sculture, fate delle foto per documentare lo "stato attuale dei lavori". In questo modo registrerete i passaggi intermedi della costruzione.

Se una coppia di studenti finisce prima delle altre, c’è sempre la possibilità di apportare delle modifiche seguendo le indicazioni delle carte di personalizzazione (Schede didattiche n. 15 - 22): − Aggiungi un livello − Aggiungi due livelli − Aggiungi 2, 3, 4...oggetti − Sistema la scultura in modo che gli oggetti si possano scambiare di posto ma rimangano

liberi di muoversi − Decora gli oggetti sospesi − Togli un livello − Prova ad attaccare un oggetto pesante e uno leggero allo stesso livello

3.3 Conclusione - 30 minuti

Le coppie devono presentare alla classe le loro idee individuali e i percorsi di soluzione seguiti. Chiedete alle varie coppie di presentare la loro scultura e incoraggiate il dibattito: "Descrivete il processo, i miglioramenti e il risultato. Dite agli altri studenti quali materiali avete usato. Come avete costruito la vostra scultura? Ci sono stati problemi? Avete qualche suggerimento su come risolvere questi problemi? Quali strumenti avete usato? Sono stati facili da usare?". Assicuratevi che gli studenti utilizzino correttamente i termini tecnici di "forza", "forza contraria", "equilibrio" e "centro di massa (o baricentro)". È fondamentale incoraggiare gli studenti a pensare in termini di miglioramento. Come possono essere migliorate le loro sculture? Realizzare delle sculture più elaborate dal punto di vista artistico renderà necessario ripensare ai concetti scientifici? Questa discussione sarà la base della lezione finale.



Lezione 4 – Come ci siamo riusciti? L’obiettivo della sfida è stato raggiunto? Durata: 100 minuti Obiettivi: in questa lezione gli studenti impareranno a: • utilizzare i termini "forza", "forza contraria", "equilibrio" e "centro di massa (o baricentro)" in maniera

appropriata, sicura ed indipendente; • riconoscere che questi concetti scientifici sono importanti per superare la sfida ingegneristica realizzando

una scultura sospesa in equilibrio; • seguire il processo di progettazione ingegneristico per potenziare le loro abilità ingegneristiche e

migliorare le loro sculture sospese. Risorse (per 30 studenti) ð 30 diari di documentazione ð 30 matite ð Schede didattiche n. 15-22 (carte di

personalizzazione) ð Materiale di fissaggio per costruire le sculture

ð Strumenti per costruire le sculture ð Bastoncini per costruire le sculture ð Fili per costruire le sculture ð Oggetti per costruire le sculture

Preparazione • Raccogliete i materiali • Posizionate le sculture in mezzo al cerchio • Sistemate le schede didattiche

Metodo di lavoro • A coppie • Seduti in cerchio • Lavoro autonomo

Contesto e background Arrivati a questa fase gli studenti hanno appreso le basi scientifiche e hanno realizzato le loro sculture sospese. Ora devono passare alla fase "migliora" del processo di progettazione ingegneristica, per perfezionare le loro creazioni.



4.1 Attività introduttiva - 10 minuti Gli studenti si siedono in cerchio per rivedere tutte le sculture realizzate durante la lezione precedente. Complimentatevi con loro per il lavoro che hanno svolto e riprendete le ipotesi e i suggerimenti formulati alla fine della Lezione 3. Invitate gli studenti a proporre nuove idee per migliorare le loro sculture. Discutete dei requisiti che devono rispettare (forza, forza contraria, equilibrio, centro di massa) in modo che gli studenti possano verificare che tutti e quattro siano stati rispettati. Fate in modo che non ci sia competizione tra i gruppi e che ogni progetto rispetti i requisiti in maniera originale. Domandate agli studenti in quale fase del processo di progettazione ingegneristico si trovano in questo momento (la risposta è "migliora"). A questo punto gli studenti hanno acquisito le conoscenze necessarie per migliorare le loro sculture sospese. Istruzioni per il lavoro: "Ora sapete come fare per migliorare le sculture. Lavorate a coppie e provate a mettere in pratica le nuove idee".

4.2 Modifica delle sculture sospese - lavoro a coppie - 45 minuti

Ogni coppia lavora al miglioramento della propria scultura seguendo le istruzioni suggerite precedentemente. Facoltativo: fotografate le sculture ad ogni passaggio intermedio. Gli studenti annotano i miglioramenti nei loro diari di documentazione: − Cosa avete migliorato? − Perché? − Qual era il problema? − Fate un disegno a colori di come è diventata la vostra scultura dopo aver apportato i

miglioramenti .

Potete chiedere agli studenti di pensare alle varianti indicate nelle carte di personalizzazione – vedi Lezione 3 Schede didattiche n. 15-22.

4.3 Scrivere un manuale d’istruzioni – lavoro autonomo – 30 minuti

Presentate l’attività finale facendo riferimento a come gli ingegneri, come la nostra Ivana Ingegni, trasmettono le proprie conoscenze agli altri. Gli studenti proveranno a farlo in forma di manuale d’istruzioni rivolto ad altri studenti, come ad esempio: - altre classi che devono affrontare quest’unità; - amici, fratelli o sorelle; - altri gruppi di bambini interessati nella costruzione di sculture sospese.



Scrivendo un manuale d’istruzioni gli studenti devono riflettere e descrivere i procedimenti che hanno attuato e le fasi che hanno attraversato per realizzare le loro sculture. In questo modo ripercorrono virtualmente il processo di progettazione ingegneristico. Facoltativo: è possibile collegarsi alle lezioni di Arte (vedi l’Appendice: Cenni sui mobile).

4.4 Conclusioni finali – discussione con la classe - 15 minuti Dedicate un po’ di tempo per riprendere insieme agli studenti i concetti che hanno appreso e i risultati che hanno raggiunto nel corso dell’unità. Sottolineate i passaggi chiave: " Avete utilizzato e applicato i concetti di forza, centro di massa (o baricentro), equilibrio e forza contraria e avete registrato le modifiche apportate alle sculture". (Potete leggere degli esempi presi dai manuali di costruzione a sostegno di questo passaggio). "Avete lavorato come ingegneri e avete seguito il processo di progettazione ingegneristico". "Avete lavorato bene a coppie e avete capito quanto sia importante la collaborazione per affrontare compiti di questo genere".



Appendici Appendice 1 Processo di progettazione ingegneristico



Appendice 2 La storia per creare il contesto

Lo staff, il direttore e gli studenti hanno deciso di rifare il look alla scuola: vogliono che diventi l’edificio più bello della città e, all’artista locale Paolo Pennelli, hanno affidato il compito di rinnovare l’aula magna con un scultura sospesa. Vari oggetti differenti dovrebbero decorare questa scultura, e Paolo sa che, affinché la scultura stia in equilibrio, questi oggetti devono essere bilanciati.

Paolo ha già costruito un modellino nel suo studio, ma sta incontrando delle difficoltà a tenere in equilibrio la scultura con tutti gli oggetti attaccati. A scuola gli studenti sono molto curiosi di quello che sta succedendo in aula magna e lo bombardano di domande e suggerimenti nel tentativo di aiutarlo. Paolo si rende conto di avere bisogno dell’assistenza di un professionista. Fortunatamente conosce la mamma di uno degli studenti, la signora Ivana Ingegno, ingegnere, e le chiede aiuto. Ivana Ingegno si reca a scuola e, insieme a Paolo e a tutti gli studenti, illustra i concetti scientifici alla base dell’equilibrio per poter costruire una bella scultura sospesa. A questo punto gli studenti cominciano a costruire dei modellini di possibili sculture per far scegliere a Paolo quella da posizionare in aula magna.



Appendice 3 Cenni sui mobile Gli esempi più famosi di mobile sono giocattoli. Sono stati realizzati per la prima volta negli anni ‘20 come opere d’arte e sono diventati nuovamente popolari nel mondo dell’arte durante gli anni ‘50 e ‘60. Fanno parte del genere dell’arte cinetica. La caratteristica principale delle sculture sospese è che si muovono senza aver bisogno di un motore. Il termine mobile venne coniato da Marcel Duchamp nel 1913, che lo utilizzò per definire il suo primo readymade "Roue de bicyclette" (Ruota di bicicletta). In seguito Duchamp usò questo termine per descrivere le opere di Alexander Calder. Marcel Duchamp (1887-1968), artista franco-americano, comincia la sua carriera a quindici anni come pittore impressionista. Il suo stile cambiò radicalmente dopo il 1912, in seguito alla visita al Deutsches Museum di Monaco, in Germania, e al Paris Air Show, in Francia. La tecnologia e la produzione industriale lo ispirarono al punto di infrangere le convenzioni tradizionali e realizzare i primi cosiddetti readymade (anglicismo che significa "già fatto", "pronto all’uso"). La scelta di un oggetto costituiva un atto di ispirazione in sé, che portava direttamente all’opera d’arte finale; con questo tipo di approccio ha suscitato un ampio dibattito nello scenario artistico. I readymade sono oggetti di uso quotidiano trasformati in opere d’arte grazie a piccoli interventi e modifiche o attraverso un cambio di contesto. Alexander Calder (1898-1976) fu un ingegnere, scultore e artista statunitense. Nella sua produzione artistica provò a combinare l’astrazione con il movimento. Le sue prime sculture in movimento erano giocattoli, realizzati con filo di metallo e una grande varietà di oggetti, da mostrare agli amici. Influenzato dallo scenario artistico parigino, ha iniziato a costruire i suoi primi mobile dal 1930. Alexander Calder realizzò tre tipi diversi di mobile:

- appoggiati a terra; - sospesi, - appesi al muro.

L’arte cinetica (kinesis in greco significa movimento) è una forma d’arte che intende il movimento come parte integrante dell’opera. Il moto viene generato sia da forze naturali quali il vento o l’acqua o sia da mezzi meccanici o controllati da computer. L’artista spesso inserisce all’interno delle sue opere, elementi scientifici o tecnici. All’inizio degli anni ’20, alcuni artisti cominciarono a sperimentare l’arte cinetica. In un periodo di rapido sviluppo tecnologico, con una crescente industrializzazione e la diffusione del trasporto di massa grazie alle auto e agli aerei, gli artisti cominciarono a trasformare le opera d’arte statiche: hanno cercato di incorporare il movimento e di utilizzare il tempo come elemento espressivo. Questo approccio metteva alla prova l’osservatore: gli veniva richiesto un coinvolgimento attivo per poter apprezzare pienamente queste nuove opere d’arte. Quest’idea pedagogica di coinvolgimento attivo, che scaturiva anche dal movimento verso l’istruzione di massa, era già stata implementata da Oskar von Miller nel Deutsches Museum. Fondato nel 1903, questo museo ospitava numerosi esperimenti "push button" (dove si premevano semplici pulsanti), precursori dei moderni esperimenti "hands on", ovvero attività manuali.



La prima opera d’arte cinetica meccanica viene abitualmente attribuita all’artista russo Naum Gabo. Artisti cinetici famosi:

- Marcel Duchamp (scultura appesa) (1887-1968) - Alexander Calder (1898-1976) - George Rickey (1907-2002) - Adolf Luther (1912-1990) - Nicolas Schöffer (1912-1992) - Jean Tinguely (1925-1991) - Jörg-Tilmann Hinz (*1947)

Opera d’arte cinetica famose:

- Roue de bicyclette (Marcel Duchamp) - Rote Reliefs (Marcel Duchamp) - Standing Wave (Naum Gabo) - Kronos 15 – Stadthaus / Bonn (Nicolas Schöffer) - Eos xk III – Israel Museum / Gerusalemme (Jean Tinguely) - St. Thomas Fountain - Londra (Naum Gabo) - Vier Vierecke im Geviert (George Rickey) - Indian feathers (Alexander Calder) - Light-Space Modulator (Laszló Moholy-Nagy)



Schede Didattiche e schede delle risposte Immagini di sculture sospese (Lezione 1)

1. Immagini di sculture sospese 1 2. Immagini di sculture sospese 2 3. Immagini di sculture sospese 3

Guida per esperimenti (Lezione 2)

4. Altalena a carosello realizzata con un righello 5. Gruccia 6. Scopa 7. Altalena a carosello

Schede di documentazione (Lezione 2)

8. Altalena a carosello realizzata con un righello 9. Gruccia 10. Scopa 11. Altalena a carosello

Gru (Lezione 2)

12. Immagine della gru 13. Scheda didattica – La gru 14. Scheda delle risposte – La gru

Carte di personalizzazione (Lezione 3, 4)

15. Carta di personalizzazione 1 16. Carta di personalizzazione 2 17. Carta di personalizzazione 3 18. Carta di personalizzazione 4 19. Carta di personalizzazione 5 20. Carta di personalizzazione 6 21. Carta di personalizzazione 7 22. Carta di personalizzazione 8



Scheda didattica 1 - Lezione 0 - Ingegneria?



Scheda didattica 1 - Lezione 0 - Ingegneria? - Note pedagogiche per l'insegnante

Le immagini riportate nella Scheda Didattica servono a favorire la discussione tra gli studenti su cosa sia l'ingegneria, cosa facciano gli ingegneri e chi potrebbe essere coinvolto nei vari settori dell'ingegneria.

Le immagini del ragno e della lumaca presentano alcuni spunti interessanti: gli studenti potrebbero infatti riconoscere che il ragno, tessendo la sua ragnatela, svolga un vero e proprio lavoro ingegneristico, e da questo si può arrivare ad altri esempi di applicazioni "ingegneristiche" del mondo animale (ad esempio il castoro che costruisce una diga). È interessante sottolineare che è opinione comune pensare che l'ingegneria si riferisca solo agli oggetti costruiti, invece possiamo imparare tanto anche dallo studio della natura e dell'ambiente: per esempio, il materiale che utilizzano i ragni per tessere le ragnatele è stato copiato dall’uomo per realizzare un materiale molto resistente - il Kevlar - che possiede molte qualità utili. Allo stesso modo la lumaca ha sviluppato una strategia utile per spostarsi sopra le superfici ruvide e proteggere dai danni il proprio corpo molle; sarebbe quindi interessante domandarsi se questo accorgimento potrebbe risultare utile per risolvere qualche problema nel mondo umano (come ad esempio è successo col Velcro, che è stato inventato prendendo spunto dalle proprietà dei fiori di bardana).

Anche i giocattoli possono essere considerati dei manufatti ingegneristici, dato che non sono altro che l’insieme di diversi meccanismi; tuttavia è interessante domandarsi di quali materiali potrebbero essere fatti e chi effettivamente li costruisce. Questi interrogativi potrebbero generare una discussione sulla parità dei generi (molti studenti della classe potrebbero infatti pensare che i designer di giocattoli per bambini siano uomini).

Allo stesso modo potrebbe esserci il pregiudizio che i capi d'abbigliamento realizzati a maglia e i cibi pronti siano fatti solo da donne e che non siano invece prodotti dell'ingegneria.

Alcune immagini di sculture e opere d'arte potrebbero essere percepite come non ingegneristiche e prive di un reale scopo pratico. Ciò solleverà la questione sui collegamenti tra l'ingegneria e l'arte e se sussista o meno la necessità che ci sia uno scopo pratico per definire ingegneristici degli oggetti costruiti.

Le immagini sono finalizzate a stimolare il coinvolgimento e il dialogo sull'ingegneria; ciò potrebbe portare a una discussione su tutto ciò che è legato al concetto di ingegneria, e a questo punto potreste decidere di presentare il processo di progettazione ingegneristico.

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Scheda didattica 1 - Lezione 1 - Immagini di sculture sospese 1

Sculture mobili in stile Alexander Calder

Fonte: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:mobile.jpg (28.8.2012)

Artista: Solipsist

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Scheda didattica 4 - Lezione 2 - Altalena a carosello

realizzata con un righello Nome: Data: Di cosa hai bisogno:

- righello

- matita non a sezione tonda

- dieci pedine da dama Al lavoro!

1. Per prima cosa leggi queste istruzioni. Poi trascrivi le tue ipotesi.

2. Poggia il righello sopra la matita e mettilo in equilibrio.

3. Metti una pedina su entrambe le estremità del righello. Sposta le pedine finché

l’altalena non rimane in equilibrio.

4. Riesci a far stare in equilibrio l’altalena con un numero diverso di pedine alle due

estremità?

5. Compila la scheda di osservazione.

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Scheda didattica 5 - Lezione 2 - Gruccia Nome: Data:

Di cosa hai bisogno:

- gruccia realizzata in filo di metallo

- un pezzetto di corda

- un posto a cui appenderla, tipo un gancio

- 10 mollette

Al lavoro!


2. Usando un pezzetto di corda, appendi la gruccia a un gancio.

3. Metti in equilibrio la gruccia con due mollette, una a ogni estremità.

4. Riesci a far stare in equilibrio la gruccia con un numero diverso di mollette alle due

estremità?


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Scheda didattica 6 - Lezione 2- Scopa Nome: Data:


- scopa

Al lavoro!


2. Metti la scopa in orizzontale sulle mani assicurandoti che riesca a spostarsi

liberamente. Distendi le braccia il più possibile.

3. Adesso sposta insieme le mani verso il centro.

4. Prova a ipotizzare: Verso che lato penderà o si muoverà la scopa? Dal lato dello

spazzolone o dall’altro?


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Scheda didattica 7 - Lezione 2- Altalena a carosello Nome: Data:


- altalena a carosello

- tanti bambini

Al lavoro!


2. Mettete in equilibrio l’altalena prima con due bambini.

3. Seguite le illustrazione da A a C.


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Scheda didattica 8 - Lezione 2 - Scheda di osservazione - Altalena a carosello realizzata con un righello Nome: Data: Hai qualche idea di come disporre le pedine per mettere in equilibrio il righello?

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Al lavoro! Disegna: Come puoi mettere in equilibrio il righello? Dove devi disporre le pedine?

Descrizivi: Come puoi mettere in equilibrio il righello? Dove devi disporre le pedine?

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Hai una spiegazione?

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Scheda didattica 9 - Lezione 2 - Scheda di osservazione - Scopa Nome: Data: Ipotizzo che

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Al lavoro! Esegui l’esperimento. Scrivi le tue osservazioni. _______________________________________________________________________________

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Prova a formulare una spiegazione.

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Scheda didattica 10 - Lezione 2 - Scheda di osservazione - Gruccia Nome: Data: Fai un’ipotesi su dove attaccare le mollette nella gruccia per farla stare in equilibrio:

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Al lavoro! Disegna: Come puoi mettere in equilibrio la gruccia? Dove devi attaccare le mollette?

Descrizione:

Come puoi mettere in equilibrio la gruccia? Dove devi attaccare le mollette? ____________________________________________________________________________

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Scheda didattica 11 - Lezione 2 - Scheda di osservazione - Altalena a carosello Nome: Data: Sapresti ipotizzare come far sedere i bambini per mettere in equilibrio l’altalena?

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Al lavoro! Disegna: Come puoi mettere in equilibrio l’altalena? Dove devono sedersi i bambini? Descrizione: Come puoi mettere in equilibrio l’altalena? Dove devono sedersi i bambini? ______________________________________________________________________________

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Scheda didattica 12 - Lezione 2 - Immagine della gru

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Scheda didattica 13 - Lezione 2- La gru Nome: Data: Hai eseguito degli esperimenti sulla forza, la forza contraria, l’equilibrio e il centro di massa (o baricentro). Puoi ritrovare tutti questi concetti nella vita di tutti i giorni, ad esempio nel caso di una gru. Al lavoro! 1. A coppie, osservate il disegno della gru e discutete sulle seguenti domande.

- Riuscite a individuare il centro di massa (o baricentro)? - Dove agisce la forza? E la forza contraria? Qual è la funzione della forza contraria? - La gru è bilanciata?

2. Indica correttamente nel disegno dove si trovano: forza/ forza contraria / centro di massa (o baricentro)

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force

Scheda didattica 14 - Lezione 2 - Scheda delle risposte - La gru Nome: Data: Avete eseguito degli esperimenti sulla forza, la forza contraria, l’equilibrio e il centro di massa (o baricentro). Puoi ritrovare tutti questi concetti nella vita di tutti i giorni, ad esempio nel caso di una gru. Al lavoro! 1. A coppie, osservate il disegno della gru e discutete sulle seguenti domande.

- Riuscite a individuare il centro di massa? - Dove agisce la forza? E la forza contraria? Qual è la funzione della forza contraria? - La gru è bilanciata?

3. Indica correttamente nel disegno dove si trovano: forza/ forza contraria / centro di massa (o baricentro)

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Scheda didattica 15 - Lezione 3 - carta di personalizzazione 1

Aggiungi un livello

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Aggiungi due livelli

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Aggiungi 2, 3, 4 ... oggetti

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Sistema gli oggetti in modo tale che possano scambiare di posto ma siano ancora liberi di muoversi

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Sposta il centro di massa di uno dei livelli

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Decora gli oggetti sospesi

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Togli un livello

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Prova ad attaccare un oggetto pesante e uno leggero allo stesso

livello



Note scientifiche per gli insegnanti su equilibrio, forze e ingegneria meccanica

Concetti scientifici chiave utilizzati nella Lezione 2

• le forze agiscono sugli oggetti; • le forze spesso agiscono in coppia; • quando le forze che agiscono sono equilibrate, l’oggetto non modifica il suo stato (che può essere il

moto a velocità costante nella stessa direzione o una condizione statica); • momento torcente; • il peso è una forza; • centro di massa (o baricentro).

Il processo ingegneristico sviluppato in quest’unità offre agli studenti l’opportunità di immaginare soluzioni creative per affrontare una sfida ingegneristica. Vengono incoraggiati a presentare e mettere in discussione i loro approcci e a valutare le creazioni degli altri studenti in modo critico, facendo proposte di miglioramento. Forze in equilibrio Un concetto scientifico chiave della Lezione 2 riguarda le forze in equilibrio: esse agiscono sia sugli oggetti in moto che su quelli statici. Entrambi i casi possono essere di difficile comprensione per gli studenti. Spesso per gli studenti è difficile spiegare cosa sono le forze, mentre riescono più facilmente a riconoscere la loro azione sugli oggetti. Per esperienza sanno che le forze fanno muovere gli oggetti e che questo comprende accelerazione e rallentamento; sanno anche che le forze possono modificare la direzione di un oggetto in movimento e la sua forma. Nel realizzare un mobile, gli studenti devono mettere in pratica le loro conoscenze su dove agiscono le forze in una scultura sospesa. Per avere un’idea di ciò che s’intende, si può provare a mettere in equilibrio un righello appoggiandolo su un dito: il peso del righello è distribuito in maniera omogenea in tutta la sua lunghezza. Nonostante la spinta della gravità agisca su tutta la sua lunghezza, quando il righello si trova in equilibrio sul dito, sembra che la gravità agisca solo sul punto al centro. Questo punto si chiama centro di massa (o baricentro). Si trova in punti diversi a seconda dell’oggetto, e questo viene dimostrato nell’esperimento della scopa nella Lezione 2. Per fare rimanere il mobile in equilibrio, la somma delle e forze che agiscono sui vari punti, deve essere bilanciata. Momento torcente Per questa sfida ingegneristica gli studenti devono mettere in pratica le loro conoscenze in materia di momento torcente. Qualunque oggetto sottoposto a una forza può ruotare; per esempio gli studenti sanno, per esperienza, che un bambino leggero può bilanciarne uno più pesante su un’altalena a carosello semplicemente sedendosi più lontano dal fulcro. Il peso di ogni persona esercita una forza rotatoria attorno al fulcro. Quando il peso di ciascun oggetto ai due lati del fulcro è lo stesso, la forza rotatoria attorno al fulcro è uguale se essi sono alla stessa distanza dal centro (vedi Figura 1). Se pensate a forze che agiscono attorno a un centro di rotazione allora state immaginando forze che agiscono in direzioni opposte: il lato sinistro in senso antiorario e il destro in senso orario. Affinché il sistema sia in equilibrio, queste due forze devono essere uguali; la forza esercitata su ogni lato non è una semplice conseguenza del peso. La forza totale su ogni lato è il prodotto del peso e della distanza da fulcro (Figura 2). Un cambiamento di peso o di distanza dal fulcro, comporterà una modifica del punto di equilibrio.



Figura 1. Forze uguali che agiscono attorno a un fulcro centrale (il peso di ogni oggetto e la distanza degli oggetti dal fulcro sono uguali).

Può essere difficile trasferire l’idea delle forze in equilibrio da un contesto all’altro. La cosa importante da ricordare è che si possono raggiungere nuovi punti di equilibrio a condizione che la forza netta totale rimanga uguale.

Se si aumenta il peso su un lato, occorre aumentare la forza rotatoria dall’altro. Questo si può ottenere aumentando la distanza tra il punto in cui grava il peso e il fulcro. La Figura 3 illustra questo principio, in cui viene creato un nuovo punto di equilibrio. Quando gli studenti realizzano i loro mobile, sperimentano la relazione tra il peso e la distanza e capiscono che l’effetto rotante delle forze deve essere bilanciato. Questa idea viene espressa nel principio del momento delle forze, che afferma che in qualunque corpo in equilibrio la somma del momento in senso orario (forza rotatoria) attorno a un fulcro deve essere uguale al momento in senso antiorario (forza rotatoria) attorno al fulcro. Esaminando nella pratica questa relazione gli studenti cominceranno a rendersene conto e ad apportare le giuste modifiche mettendo pesi diversi in posti diversi.

forza forza fulcro

forza forza fulcro

forza forza fulcro

Figura 2. Un nuovo punto di equilibrio: l’aumento di peso sul lato sinistro deve essere bilanciato aumentando la distanza dal fulcro del pero a destra.

Figura 1. Forze uguali che agiscono attorno a un fulcro centrale (il peso di ogni oggetto e la distanza degli oggetti dal fulcro sono uguali).

Figura 3. aumentando ulteriormente il peso bisogna cambiare la posizione del fulcro.



In tutte le costruzioni ingegneristiche, che si tratti di macchine, edifici o simili, le forze e le forze contrarie devono essere bilanciate. Una gru, ad esempio, si ribalterebbe se non avesse un contrappeso a bilanciare il carico sospeso.



Alcune idee dei bambini sulla scienza dell’equilibrio e delle forze Le convinzioni che i bambini hanno sul mondo della natura derivano dalle loro esperienze quotidiane, che possono non rappresentare il punto di vista riconosciuto dalla scienza, ma che provengono da ragionamenti di buon senso basati sull'osservazione e sull'interazione. Offrire ai bambini l’opportunità di mettere in discussione il loro modo di pensare mediante proponendogli un'attività pratica, modificherà in maniera più efficace le loro convinzioni piuttosto che impartendo una serie di nozioni teoriche, ciò non di meno comporta un importante e arduo compito pedagogico. È molto impegnativo per gli studenti di tutti i livelli e di tutte le età accettare idee nuove riguardo un particolare fenomeno, specialmente quando queste sembrano contraddire ragionamenti di buon senso. Nonostante la ricerca ci abbia fornito un’idea più chiara di ciò che probabilmente pensano i bambini in materia di alcuni settori scientifici, resta il fatto che spesso hanno difficoltà ad articolare il loro pensiero; per questo bisogna essere molto cauti a formulare delle ipotesi sul loro modo di ragionare. Proprio per questo è fondamentale offrire ai bambini l’opportunità di mettere in discussione il loro modo di pensare attraverso l’attività pratica. Il peso è una forza Il concetto di peso nelle scienze si riferisce a una forza (l’attrazione gravitazionale tra un oggetto e la Terra), che si misura in Newton. Spesso, nel linguaggio comune, quando si usa la parola peso si intende erroneamente massa. La massa è la misura della quantità di materia presente in un corpo e si misura in chilogrammi. Per intenderci: quando gli astronauti vanno sulla Luna la loro massa resta invariata, perché la quantità di materia all’interno del loro corpo rimane la stessa, ma il loro peso diminuisce. Questo avviene perché sulla Luna la forza di gravità è minore, quindi la forza che li attira alla superficie della Luna è minore; per questo motivo chi si trova sulla Luna riesce a saltare più facilmente. Non bisogna sottovalutare la difficoltà di questo concetto, e potrebbe anche accadere che gli studenti non riescano a cogliere pienamente il significato di questo principio fino a uno stadio avanzato della loro istruzione. L’insegnante dovrà decidere come spiegare in maniera appropriata questa distinzione a seconda del livello di preparazione degli studenti con i quali stanno lavorando. È stato dimostrato che gli studenti definiscono la "gravità" come la ragione per cui gli oggetti che si trovano in aria, cadono, ma possono avere idee diverse sulla gravità stessa (1). Spesso la considerano come una forza "attrattiva" o "che attira verso il basso"; altri pensano che la gravità "spinga" gli oggetti verso il basso. A volte la associano con l’aria ma non col peso (o la pesantezza) di un oggetto. La "Nuffield Primary Science Teachers’ Guide on Forces" (1), una guida sulle forze per insegnanti di scuola primaria, cita l’esempio molto interessante di uno studente che illustra le forze che agiscono su un deltaplano: il ragazzo spiega come "l’attrazione verso il basso della gravità (che impedisce che il deltaplano vada su), si oppone alla spinta verso l’alto dell’aria sotto le ali (che impedisce che il deltaplano cada giù)". Lo studente però afferma anche che quella "spinta poi si esaurisce", intendendo quindi che crede che la forza iniziale che ha dato origine al movimento, finisca (cioè, che la forza venga consumata dal moto dell’oggetto e non che agisca sull’oggetto). Questo punto di vista intuitivo non è scientificamente corretto. Sia gli oggetti statici che gli oggetti in movimento presentano delle difficoltà di comprensione per quanto riguarda le forze. Forze in equilibrio: strutture statiche Spesso i bambini credono che non ci sono forze che agiscono sugli oggetti statici e non riconoscono che le forze sono necessarie per mantenere un oggetto in una posizione stazionaria. È utile dare loro la possibilità di effettuare esperimenti di tipo tattile per sperimentare che esistono forze che agiscono sugli oggetti non in movimento, così da riuscire a mettere in discussione le loro convinzioni. È utile indagare l’equilibrio in una serie di oggetti, cambiare il loro baricentro per sentire come agiscono le forze o anche sperimentare la forza di



galleggiamento che agisce su un pallone quando viene spinto sott’acqua. Non è l’assenza di forze a far sì che un oggetto rimanga in posizione statica, al contrario: l’oggetto rimane in quella posizione perché le forze che agiscono su di lui sono bilanciate. Perciò, le forze che agiscono su un oggetto che galleggia sulla superficie dell’acqua sono il suo peso, che esercita una spinta verso il basso, e la forza di galleggiamento che esercita una spinta verso l’alto. Queste due forze sono uguali e bilanciate. Un esempio ancora più chiaro si vede giocando al tiro alla fune quando, nonostante tutte e due le squadre stiano esercitando una forza tirando, non c’è alcun movimento in nessuna delle direzioni se le forze sono uguali e bilanciate. È inoltre difficile rendersi conto che le forze che agiscono su una struttura statica si trasmettono all’interno della stessa, proprio perché la trasmissione delle forze è difficile da visualizzare negli oggetti statici. Anche in questo caso, se possibile, è importante mostrare o far sentire ai bambini le forze che agiscono nelle strutture statiche, magari sperimentando il bilanciamento del peso su modellini di ponti in miniatura o di altre strutture. Forze in equilibrio: oggetti in movimento Esercitare una forza su un oggetto statico per farlo muovere può indurre gli studenti a pensare che, dopo che si imprime una forza a un oggetto per metterlo in movimento, quest’oggetto continuerà a muoversi finché la forza non si esaurisce. Lanciando una palla verso l’alto, ad esempio, potrebbero pensare che la forza che hanno impresso alla palla rimanga con essa finché non si esaurisce (pensano quindi che la forza venga consumata dal moto dell’oggetto invece di agire su di esso). Questo è un’idea intuitiva dovuta all’osservazione, ma in contrasto con la scienza. Le forze non fanno parte degli oggetti, piuttosto agiscono su di loro. Le forze che agiscono su un oggetto che si muove in linea retta e che mantiene costante la sua velocità, sono bilanciate. Comprendere ciò, non è immediato perché a volte è difficile riconoscere quali forze agiscono sull’oggetto in movimento o se l’oggetto mantiene costante o meno la propria velocità. Quando le forze che agiscono su un oggetto in movimento non sono bilanciate, l’oggetto accelera, rallenta o cambia direzione. Per aiutare la comprensione, potete riportare agli studenti qualche esempio pratico: ad esempio sanno cosa succede quando si percorre una discesa in bicicletta: "bisogna premere costantemente sui freni per imprimere una forza di attrito sulle ruote e far rallentare la bicicletta". Questo esempio è molto efficace perché fa capire che per far rallentare un oggetto in movimento bisogna imprimere una forza (costantemente) e la cosa vale anche per farlo accelerare: ci deve essere una forza che agisce su di esso di continuo. Quando si percorre in bicicletta una superficie piana è necessario pedalare di continuo per mantenere costante l’accelerazione. Un oggetto in caduta libera è continuamente soggetto alla forza di gravità che lo attira verso il basso accelerandone la caduta; ciò significa che l’oggetto continuerebbe ad accelerare sempre di più finché non tocca il suolo, ma questo non succede perché entra in gioco un’altra forza, la resistenza dell’aria, che bilancia gli effetti della spinta gravitazionale. Per comprendere questo concetto può essere d’aiuto prendere in esame il volo di un paracadutista. La presente unità offre agli studenti una serie di esperimenti per mettere alla prova le loro idee sulle forze in contesti diversi. Si può sfruttare questa opportunità per fargli capire ancora meglio come gli ingegneri usano le loro conoscenze nel campo delle forze per progettare e realizzare semplici macchinari per svolgere determinati compiti. Nell’affrontare queste sfide gli studenti possono ampliare i loro orizzonti su come vengono trasmesse le forze, su come macchinari semplici possono trasformare il movimento per svolgere compiti particolari e come i meccanismi possano accelerare o rallentare il movimento. Nella maggior parte degli esempi presentati in quest’unità, la possibilità di realizzare e toccare con mano i loro modellini, permetterà agli studenti di capire come agiscono le forze. Riferimenti (1) Nuffield Primary Science Teachers’ Guide: Forces and Movement. Ages 7-12. (1995) HarperCollins Publishers: London.



Glossario dei termini utilizzati in quest’unità Equilibrio - stato nel quale si trova una struttura o un sistema quando è a riposo o in moto uniforme, grazie alle forze in equilibrio. Centro di massa (o baricentro) - punto di un corpo nel quale agisce la forza di gravità. Forza contraria- nella maggior parte dei casi le forze agiscono in coppia e agiscono in direzioni opposte. La forza che agisce nella direzione opposta viene detta forza contraria; forza e forza contraria agiscono in direzioni opposte e il risultato di forza e forza contraria equivalenti è un equilibrio di forze. Ingegnere- persona che usa la sua creatività e le sue conoscenze su materiali, strumenti, matematica e scienze per progettare oggetti che risolvono i problemi o rendono la vita più semplice. Processo di progettazione ingegneristico - ciclo utilizzato dagli ingegneri per risolvere un problema. È composto da cinque fasi: "Formula domande", "Immagina", "Pianifica", "Realizza" e "Migliora". Ingegneria meccanica - disciplina ingegneristica che si occupa della progettazione e realizzazione di macchine e macchinari. Stabilità -capacità di una struttura o di un sistema di mantenersi nello stesso stato quando su di esso agiscono delle forze o di ritornare allo stato iniziale senza subire eccessive oscillazioni.



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