MAtematica per COnoscere e per SApere
Impostazione e Guida per gli insegnanti
Presentazione del progetto MaCoSa
1. Finalità del progetto
2. Impostazione del progetto
3. I contenuti matematici
4. Le schede di lavoro
Guide alle
unità didattiche
Presentazione del progetto MaCoSa
1. Finalità del progetto
MaCoSa è un progetto complessivo per l'insegnamento della matematica nella scuola secondaria superiore che il nucleo di ricerca didattica omonimo ha iniziato a elaborare e sperimentare da vari anni. Perché questa scelta? I motivi sono vari.
(1) I programmi scolastici attuali sono molto diversi da quelli di vari decenni fa, ma molti libri di testo (sempre più voluminosi) e molti insegnanti continuano a leggerli come frutto di un'aggiunta di temi nuovi a temi già presenti, senza cogliere i cambiamenti e le riduzioni (drastiche) che dovrebbero investire i temi vecchi. Per far fronte a ciò ci è sembrato opportuno mettere in luce la necessità di un'attività di programmazione che disarticoli e riaggreghi i temi elencati nei programmi in itinerari didattici che colgano le interazioni tra i vari temi, ne sfruttino le reciproche motivazioni e occasioni di esercizio e consolidamento tecnico, realizzino economie e sinergie fondendo o integrando argomenti matematici diversi (nel fare probabilità si fa anche algebra, l'uso delle coordinate comporta attività con le equazioni e offre possibilità per introduzioni alternative e più efficaci di molti concetti geometrici, l'uso della nozione di funzione permette di semplificare e raccordare vari concetti, per non parlare delle possibilità che offre l'uso dei mezzi di calcolo).
(2) I temi "nuovi" creano problemi anche perché di per sé comportano un insegnamento meno "tradizionale" in quanto il loro sviluppo necessariamente deve passare attraverso attività di matematizzazione (ogni problema probabilistico comporta la modellizzazione di un fenomeno casuale, mettere a punto un programma di argomento matematico per il calcolatore comporta spesso la schematizzazione in un modello matematico di una situazione problematica e, in ogni caso, la precisazione sotto forma di algoritmo di qualche procedimento e la sua traduzione in un linguaggio formale, ).
(3) La natura della matematica e dei suoi modelli (ruolo delle definizioni e delle argomentazioni in matematica, caratteristiche dei modelli matematici rispetto ai modelli organizzati nelle altre discipline, organizzazione interna della disciplina, ) sono comprensibili gradualmente attraverso la costruzione di una rete complessa di riferimenti culturali ed esperienziali.
Per questi motivi abbiamo ritenuto opportuno tentare la strada di
riorganizzare temi e metodi matematici, e di riflettere sui problemi
del loro insegnamento, all'interno di itinerari didattici di più
ampio respiro conoscitivo, dando rilievo sia ai momenti della
matematizzazione e della discussione dei limiti dei modelli
matematici che a quello della analisi e messa a punto di
collegamenti, descrizioni, ragionamenti,
di tipo interno alla
matematica.
Del resto MACOSA è un acronimo per "Matematica
per Conoscere e per Sapere", etichetta con cui si vuole indicare
la finalizzazione della nostra attività al miglioramento
dell'insegnamento della matematica nella scuola secondaria superiore,
del quale spesso sono poco curati sia gli aspetti conoscitivi
(modelli matematici nella lettura e interpretazione della realtà)
che gli aspetti culturali (la padronanza della matematica non solo
"operativa", ma sapiente, cioè consapevole
della sua natura, dei suoi concetti e dei suoi metodi).
Del progetto sono stati elaborati e sperimenati
itinerari didattici e schede di lavoro, in modo da renderlo adottabile
come "libro di testo" on-line.
(1) Per realizzare l'intreccio tra riflessioni interne e
uso di modelli matematici abbiamo organizzato il progetto in
itinerari didattici di ampio respiro,
a volte
riferiti a situazioni "reali" in cui introdurre,
sviluppare,
modellizzazioni di tipo matematico, facendo
anche riferimento a concetti di altre discipline (in genere le
applicazioni della matematica sono mediate dai modelli delle altre
discipline: la matematica non ha in sé tutti gli strumenti per
"contatti fisici" diretti),
a volte riferiti a temi
esplicitamente matematici (riflessioni sulla disciplina
"matematica": linguaggi per descrivere i vari tipi di
modelli, generalizzazioni, proprietà dei modelli, relazioni
tra modelli matematici diversi, modelli matematici che astraggono
proprietà di altri modelli matematici,
).
(2) Come obiettivi prioritari dell'insegnamento della matematica abbiamo assunto i seguenti:
a) | rendere gli alunni consapevoli del ruolo e della natura dei modelli matematici |
b) | far loro raggiungere un certo livello di abilità nell'applicare, elaborare, confrontare modelli matematici (attività da riferire al modo in cui si fa e si usa la matematica ai nostri giorni: delega ai mezzi di calcolo degli aspetti più meccanici, capacità di orientarsi, di scegliere i modelli matematici appropriati, di consultare manuali, più che saper far calcoli "meccanici" e ricordare "ricette") |
c) | renderli consci delle interazioni (oggi e nella storia) della matematica con il "resto", |
d) | far percepire la scuola come sede di formazione culturale, |
e) | concorrere all'educazione a leggere, scrivere, organizzarsi, dubitare, |
Gli obiettivi a-c sono
essenziali sia per chi non proseguirà gli studi (ruolo e uso
della matematica nelle professioni), sia per chi proseguirà
(scelte consapevoli degli studi successivi).
Gli obiettivi d-e sono da
perseguire attraverso le scelte di impostazione culturale - vedi (1)
- e le scelte metodologiche - vedi (3) -. Essi sono essenziali per
interagire concettualmente con gli alunni (come mettono in luce anche
le ricerche sui processi di apprendimento):
(3) Per quanto riguarda i materiali didattici e altri
aspetti metodologici:
si è scelto di organizzare gli itinerari
didattici in unità didattiche composte ciascuna da più schede di
lavoro:
tutte le unità didattiche prevedono spunti per attività al calcolatore (in aula computer, in aula normale col proiettore, a casa da parte degli alunni, , a seconda dei casi e delle scelte dell'insegnante), tutte con software online; le schede sono in formato Html, ingrandibile e usabile facilmente in aule scolastiche dotate di proiettore o di megaschermo-tv;
alle unità didattiche si affianca un eserciziario (gli esercizi sono utilizzabili durante o dopo - per ripassi o consolidamenti - lo svolgimento delle schede ai cui temi si riferiscono, possono essere impiegati per compiti a casa, per compiti in classe, per attività di consolidamento mirate su qualche alunno, ) e vari altri materiali, accessibili da rete.
Il progetto assume come riferimento i temi previsti dai programmi, che ricalcano quelli dei
programmi dei livelli scolastici precedenti. Ricordiamo che l'ordine di elencazione dei temi e, all'interno
di questi, dei vari contenuti, non intende suggerire alcun ordine di
svolgimento: nelle indicazioni didattiche presenti nei
programmi si sottolinea che l'insegnante deve disaggregare i
programmi e riaggregarne e riordinarne i contenuti secondo opportuni
itinerari didattici.
Nel seguito, tema per tema, espliciteremo alcune osservazioni
critiche e le scelte, interpretative, che
abbiamo operato nella nostra attività (finalizzata anche a indurre innovazioni migliorative dei
percorsi formativi).
La scheda 3 dell'unità didattica La matematica
e i suoi modelli illustra in maniera abbastanza esauriente
l'immagine della matematica e gli atteggiamenti verso di
essa che cerchiamo di "costruire" con la nostra
proposta didattica.
Nel seguito illustriamo brevemente come abbiamo deciso di svilupparne i contenuti nel primo biennio, rinviando a parti specifiche delle guide alle varie unità didattiche per approfondimenti.
La geometria del piano e dello spazio
Essendo, ovviamente, impraticabile una presentazione assiomatica della
geometria, abbiamo deciso di introdurre alcuni concetti geometrici
per via analitica:
riferendosi al piano: punto come coppia di numeri
reali, figura come insieme di punti, traslazione
come particolare funzione numerica a 2 input e 2 output, distanza
come opportuna funzione numerica a 4 input 1 output, direzione
come elemento dell'intervallo [0°,360°),
e, poi, di introdurre altri concetti e affrontare problemi e
dimostrazioni a volte analiticamente, a volte sinteticamente (ad
esempio una semiretta, invece che analiticamente, mediante un
sistema equazione+disequazione, può essere descritta come
l'insieme di punti in cui un punto dato può essere trasformato
mediante traslazioni di direzione fissata).
Questi concetti vengono introdotti man mano come modelli
matematici che astraggono e generalizzano concetti "fisici"
(dalle posizioni su righe e su superfici individuate con strumenti di
misura ai punti come n-uple di numeri, dalle direzioni
scandite da un goniometro alla associazione di un intervallo [a,b) ai
punti del cerchio x²+y²=1,
), dopo lo
svolgimento di riflessioni e attività operative (con strumenti
da disegno e di misura) in situazioni "concrete".
Questa impostazione dovrebbe essere riferita ad un insegnamento geometrico che anche nei
livelli scolastici precedenti sia stato impostato in maniera simile, seguendo le indicazioni dei programmi. Le schede di lavoro, comunque,
sono inpostate in modo da rivedere/ricostruire il significato della geometria anche nel caso di alunni a cui sia
stato impartito un insegnamento che non tenesse conto di tali indicazioni.
In questa impostazione, il piano euclideo è introdotto come R² dotato
della distanza euclidea. Rinunciando a una presentazione assiomatica, non si vede come se ne possa dare una
presentazione diversa da questa (ossia come piano
cartesiano introdotto per "modellizzare matematicamente" il concetto
pre-matematico di piano euclideo).
Il cerchio, in quanto è il luogo geometrico più
facile e più "significativo", è un concetto geometrico
introdotto tra i primi e su di esso poggia l'introduzione di vari
altri concetti (direzione, funzioni trigonometriche,
).
Le funzioni trigonometriche (anche la funzione tangente)
vengono introdotte precocemente e non solo per gli angoli convessi, in quanto ciò, oltre ad essere una
scelta secondo noi didatticamente poco efficace, sarebbe
difficilmente conciliabile con l'introduzione delle rotazioni, con i
riferimenti alle applicazioni extra-matematiche, con l'uso dei mezzi
di calcolo,
.
Le direzioni (e le misure di angoli) e le misure di aree e lunghezze sono introdotte
mediante un uso non formalizzato del concetto di limite (non con considerazioni su "classi contigue" o simili), in accordo
con l'impostazione - vedi più avanti - con cui sono stati introdotti i numeri reali.
Le coniche sono introdotte a partire dal cerchio e dai grafici delle
funzioni x → ax² e x → a/x, utilizzando i movimenti piani. Vengono introdotte anche altre trasformazioni geometriche, intrecciando in modo opportuno caratterizzazioni sintetiche e analitiche.
Accanto al piano euclideo, si presentano subito, senza approfondimenti, altri spazi matematici: spazi finiti, spazi con altre metriche, spazi con altre dimensioni,
per mettere meglio a fuoco la natura "astratta" (e le connesse potenzialità
di modellizzazione) dei concetti geometrici. Si mettono gradualmente a fuoco le differenze tra argomentazioni intutive e dimostrazioni,
si evidenziano i conflitti tra terminologia matematica e linguaggio comune (i diversi significati di angolo, direzione, distanza,
curva, ...).
Questi concetti verranno ripresi e
approfonditi negli anni successivi, nell'ottica di una ripresa a "spirale"
degli argomenti, e tenendo conto che per gli stessi argomenti si possono prevedere diversi livelli
di approfondimento: non si tratta di fare degli "anticipi", ma di
utilizzare, in modi opportuni, terminologie e concetti che trovano
naturali intrecci con altri concetti e di
porre le basi per la costruzione di successivi
livelli di formalizzazione. Ci pare fondamentale questo aspetto,
sia per dare una immagine corretta e "viva" della
matematica, sia per non favorire irrigidimenti mentali che identificano
i concetti con particolari definizioni, particolari procedimenti di
calcolo,
e li classificano in aree (la geometria,
l'algebra, l'analisi, la probabilità,
) non comunicanti.
Verranno anche introdotte riflessioni più generali su definizioni e dimostrazioni, la geometria tridimensionale, intrecciata anche alla problematica
della rappresentazione piana di solidi e di superfici curve, lo studio dei volumi e gli
intrecci col calcolo integrale.
La presentazione delle tematiche geometriche è
fortemente intrecciata a quella di altri argomenti: funzioni,
equazioni, numeri, uso del calcolatore,
Insiemi numerici e calcolo - Relazioni e funzioni
Per l'introduzione dei numeri abbiamo scelto un
approccio costruttivista; in breve:
numeri reali come opportune successioni di caratteri
(cifre, "." e ""), con una opportuna
relazione di "eguaglianza" (3.7999
=3.8000
,
ecc.),
definizione algoritmica delle operazioni sui numeri
decimali limitati,
estensione di queste ai numeri reali mediante i concetti
di approssimazione e, senza formalizzazioni, di limite/funzione
continua (es.: per ottenere il risultato di x·y con una certa
precisione basta operare su intervalli di indeterminazione per x e
per y sufficientemente piccoli).
I numeri naturali, interi, periodici/razionali, decimali
limitati e limitati in altre basi vengono studiati come particolari
sottoinsiemi di R chiusi rispetto ad alcune operazioni.
Non si è ritenuto opportuno né, ovviamente,
introdurre i numeri reali per via assiomatica, né presentare
la costruzione dei vari insiemi numerici a partire da N:
sarebbe dispendioso e difficile introdurre gli strumenti
algebrico-logico-insiemistici per effettuare "correttamente"
la costruzione anche il solo passaggio agli interi
e, soprattutto, a questo livello, non se ne vedono
motivazioni "didattiche" (in un corso universitario di algebra la
costruzione di Q a partire da N può essere invece
un'occasione di applicazione di concetti come partizione, immersione,
) o "culturali" (in un corso universitario sui fondamenti della
matematica può essere invece significativo costruire con
tecniche insiemistiche a partire dall'aritmetica di Peano un modello
per gli assiomi dei numeri reali).
L'introduzione dei numeri viene proposta intrecciata ad
argomenti di statistica, a riflessioni sull'uso dei mezzi
di calcolo, sui codici,
Tra i primi concetti viene introdotto quello di
funzione, sotto forma sia di algoritmo che di tabella e di
grafico. Pur in assenza di esplicite definizioni (come: "dicesi
funzione un insieme di coppie (x,y) tale che
") si tratta
di presentazioni sufficientemente rigorose (il concetto di algoritmo
può essere precisato riferendosi a un linguaggio di
programmazione, il grafico e la tabella sono insiemi di coppie
o di n-uple di numeri tali che
). Il concetto di
funzione viene meglio formalizzato in unità didattiche successive.
Il riferimento a questo concetto, inevitabile in una visione
non "preistorica" della matematica e dei suoi usi, entra in
gioco nella definizione dei termini (espressioni algebriche) e, quindi, delle formule (equazioni e disequazioni).
Abbiamo dato particolare rilievo all'analisi della struttura dei termini (che ci
pare importante per impostare su basi solide l'uso dei linguaggio
algebrico e dei linguaggi formali) e alla messa a punto di un lessico
"algebrico" generale, più vicino alla
terminologia impiegata dalle applicazioni per il calcolo simbolico
che a quella "scolastica".
Le riflessioni, di approfondimento e di sintesi, sulla risoluzione
(grafica, numerica e simbolica) di equazioni, sistemi e
disequazioni e sulle funzioni polinomiali sono volte non tanto alla messa a punto di specifiche
tecniche, quanto alla individuazione di metodi basati sull'uso, più
o meno formalizzato, di alcuni concetti generali (funzione
inversa, funzione iniettiva, continuità, connettivi logici,
).
Sono previsti riferimenti all'uso del computer, sia
per la rappresentazione e lo studio grafico di funzioni ed equazioni
che per attività di calcolo simbolico. L'uso del computer è importante anche per motivare, esercitare e
inquadrare in un contesto più generale l'uso dei formali, di
cui l'usuale linguaggio algebrico è solo un esempio (vedi, più
avanti, i commenti al tema "elementi di logica e informatica").
Vengono affrontate sin dalle prime unità didattiche vari tipi di funzioni
(e di equazioni), anche se all'inizio ne vengono studiate più a fondo solo alcune (senza questo inquadramento più generale non si potrebbero mettere in luce, per contrasto, le
caratteristiche di queste ultime).
Nello studio funzioni ed equazioni si è
evitato di introdurre tecniche ad hoc per questioni che possono
essere affrontate con metodi più generali e di
sviluppare su casi particolari aspetti che, senza dispendio e con
maggiore significatività, possono essere visti in contesti
più generali.
Si propongono, quindi, risoluzioni per via grafica/numerica anche
di equazioni, disequazioni e sistemi di cui non si studiano ancora
procedimenti risolutivi di tipo simbolico (cioè "algebrico"),
si considerano i radicali quadratici come casi particolari di elevamenti
alla potenza, si studiano procedimenti generali per trasformare termini
in termini equivalenti, comporre e operare con funzioni di vario
genere (non solo nei casi particolari delle funzioni polinomiali,
delle traslazioni,
), si individuano "analogie strutturali"
tra funzioni e tra relazioni diverse,
Vengono messe
in luce, precocemente, alcune differenze e analogie tra strutture
(numeriche e non) diverse (insiemi numerici, insiemi di funzioni,
connettivi,
)
Elementi di probabilità e di statistica
Sin dall'inizio viene dato ampio spazio alla
statistica descrittiva, in quanto tema che si presta
all'introduzione e alla revisione in contesti significativi
di molti concetti matematici di base, dai numeri al calcolo
approssimato, dal concetto di funzione alla costruzione e all'uso
delle formule, dalle rappresentazioni grafiche di relazioni numeriche
alla lettura e alla messa a punto di algoritmi.
Gli strumenti di statistica descrittiva servono poi come punti di riferimento per l'introduzione alla
probabilità (concetto di distribuzione, proprietà
della funzione-probabilità,
). Cenni di calcolo combinatorio sono presentati nella classe seconda in quanto utili per affrontare alcuni esempi
significativi di calcolo delle probabilità (ma se ne è data una presentazione indipendente,
per non favorire l'idea che il calcolo combinatorio sia fondamentale o sia una
specie di "capitolo zero" del calcolo delle probabilità).
Il concetto di probabilità è stato presentato mettendone a fuoco le proprietà come "misura", evitando di ricorrere a
"definizioni" non-assiomatiche note come "classica", "frequentista" e
"soggettivista" che tali non sono, ma sono solo approcci alla determinazione di alcuni valori di probabilità (farle passare per
"definizioni matematiche" contribuirebbe a oscurare la
comprensione sia della natura dei modelli matematici che del ruolo
del calcolo delle probabilità; altro conto sarebbe inquadrare storicamente queste "definizioni"
come tentativi definitori tipici di un periodo in cui la matematica
non aveva ancora assunto un proprio status autonomo).
Variabili casuali ed eventi sono introdotti con un approccio non insiemistico.
Elementi di logica e di informatica
La "logica", a un primo livello, non può che essere intesa in senso lato, come educazione
all'attenzione agli aspetti linguistici, all'esposizione
comprensibile delle argomentazioni,
. La riflessione sulle questioni linguistiche è
diffusa in quasi tutte le voci.
Grande rilievo, in molte schede, viene dato alla discussione
delle analogie e delle differenze tra linguaggio formale e
linguaggi artificiali, aspetto centrale anche per l'avvio all'uso dei linguaggi di
programmazione e di altro software.
Alla costruzione e alla rappresentazione di algoritmi
e all'uso del computer per analizzare e
risolvere problemi si ricorre in varie voci, così come accade nel normale lavoro di quasi
tutti i matematici e di chi usa la matematica in altre scienze,
tecniche o mestieri.
In varie voci, specificamente dedicate al calcolatore, viene svolta anche una riflessione sugli automatismi,
sulle differenze tra questi e altre "macchine", sull'importanza di un uso consapevole dei mezzi di calcolo, sul ruolo della matematica (come
"linguaggio" e "strumento" per realizzare sistemi
automatici),
Per una descrizione sintetica dell'articolazione del progetto rimandiamo al seguente sommario.
Nelle guide alle varie unità didattiche sono date
indicazioni più complete sulla gestione del materiale
(tempi di svolgimento, collegamenti fra schede, parti opzionali,
)
In breve, possiamo dire che nel caso delle classi con programma "forte", la
scheda 2 di "Per strada" può essere affrontata sia
in classe prima che in seconda. Nel caso delle altre scuole questa
scheda è prevista per la classe seconda; se lo si ritiene il
caso, si può lasciare per la seconda anche la scheda 1 di "La
matematica e lo spazio", o, addirittura, la scheda 1 di Per
strada.
Molte schede si prestano ad attività di collaborazione
con insegnanti di altre discipline (del resto l'esame di stato prevede anche verifiche in questa direzione) o,
quanto meno, alla segnalazione di collegamenti con
altre discipline: dall'Italiano (non solo per le riflessioni sui
linguaggi, ma anche per attività di lettura, sintesi,
che l'insegnante di lettere può far svolgere su schede di
lavoro del progetto) alla Fisica e alla Chimica, dal Disegno (geometria, uso del calcolatore) alle Scienze
della Terra o alla Geografia (coordinate, trasformazioni geometriche,
scale,
), dalla Biologia (grafici, probabilità, fattori
di scala,
) a Diritto ed Ecomomia (modelli matematici per
l'economia e le scienze sociali),
Nelle guide di varie unità didattica (e, in particolare,
nella guida alla prima unità didattica), sono segnalati
problemi relativi al raccordo con la scuola secondaria inferiore.
L'indice per voci, utile agli studenti per rivedere i vari temi affrontati, mette in luce come i contenuti matematici siano affrontati in più schede, confermando le caratteristiche del progetto (integrazione di argomenti comuni a più aree matematiche, ripresa a spirale dei contenuti con diversi livelli di applicazione e di formalizzazione, ). È utile all'insegnante tener conto di questo aspetto sia per calibrare e distribuire nei vari anni i livelli di approfondimento e consolidamento e per evidenziare agli alunni collegamenti con idee, applicazioni, riflessioni, su un certo argomento già avviate in schede precedenti.
Questa parte è utile ai soli insegnanti. I docenti interessati
possono accedere ad essa utilizzando questo link.