Nell’insegnamento delle Scienze naturali al liceo le «scienze dell’ambiente» non sono solitamente inserite nella programmazione: trattando molti fenomeni chimici e/o biologici se ne sottolinea la ricaduta sull’ambiente, un «ambiente» concepito in termini astratti cui si fa «doverosamente» cenno. Innovazione, ricerca e sperimentazione didattica costituiscono il nucleo dell’attività raccontata in questo contributo, un percorso relativo all’acqua ideato per un approccio coinvolgente allo studio delle scienze ambientali, nel rispetto dei nuclei fondanti delle Scienze e considerando la specificità del contesto nel quale si opera – la Liguria e il suo mare. In una fase di concretizzazione della riforma dei licei il docente, superando i molti limiti presenti nei testi didattici di nuova rielaborazione, individua linee operative originali che lo rendono protagonista culturale assieme al proprio gruppo di studenti.
Quando un docente si assume il compito importante di concepire, modulare e attuare percorsi innovativi nel lavoro didattico, ideando strategie educative che rendano i giovani protagonisti del processo di apprendimento e sceglie come tema le «Scienze ambientali» non solo opera in sinergia con la specificità territoriale nella quale svolge la propria attività, ma cammina su strade finora poco esplorate. Infatti non trasferisce nella propria quotidianità schemi e proposte didattiche ideate e importate da contesti molto lontani, ma sviluppa progetti stimolanti, in raccordo con l’evoluzione della scienza e della tecnologia, valorizzando il proprio ruolo.
Si tratta anche di orientare ad acquisire competenze e interessi nei confronti dell’ambiente in cui si vive, a più livelli e in modo integrato, superando la separazione tra le differenti discipline (chimica, biologia, ecologia, scienze della Terra) che portano contributi alle scienze ambientali.
Nelle classi prime del liceo i fondamenti di chimica della materia non risultano di facile apprendimento e le tematiche relative agli equilibri ambientali sono spesso considerate scontate e poco interessanti, in parte svolte nella scuola media. Si può coniugare rigore, interesse, innovazione operativa attingendo anche da progetti di ricerca scientifica internazionali come, per esempio, Census of marine life che fornisce nuove modalità per fare scuola con studenti sempre più attenti alla «cultura dell’immagine» e grazie anche ad essa per educarli alla «cultura della parola».
È una «sfida educativa» proporre conoscenze motivanti, non solo informazioni, facendo riferimento a una cultura tecnico-scientifica operativa, consapevole e ragionata, che utilizza in modo efficace e responsabile le moderne tecnologie informatiche. L’intento è proporre, nella formazione liceale, saperi scientifici che abbiano reale significato per la vita attuale, contenuti che vengano considerati «saperi interessanti» nel presente, ma che avranno anche significative ricadute sulle scelte formative individuali, diventando quindi «saperi orientativi».
Un percorso per l’acqua
L’acqua, componente fondamentale del contesto geografico nel quale ho attuato questo percorso formativo: il mare. Naturale quindi la scelta di un percorso strutturato a molteplici livelli, in modo da proporre saperi chimici, biologici, ecologici e tecnologici realizzando nella classe la modalità operativa di una comunità scientifica che analizza le fonti, interpreta i risultati, li confronta, li elabora per passare dalla fase teorica alla sperimentazione in laboratorio.
L’acqua dunque ottimo solvente per sali di natura polare, ma anche luogo chimico di concentrazione di numerose sostanze inquinanti. Perciò nascono molte domande, che trovano risposte man mano che il percorso procede.
Si passa dunque dal dato bibliografico al dato sperimentale, analizzando sperimentalmente differenti acque presenti in un territorio geograficamente molto eterogeneo, caratterizzato da differenti valli e dalla zona costiera marina. Un percorso per educare anche a una conoscenza motivata di alcuni ecosistemi acquatici e dei relativi disequilibri.
L’acqua di casa nostra
L’acqua è una risorsa molto importante per tutti i viventi, ma contiene alcuni elementi che possono essere nocivi alla salute. Numerosi studi epidemiologici hanno dimostrato che nell’acqua sono spesso presenti tracce di elementi quali: arsenico, rame, piombo, uranio, eccetera che possono causare gravi patologie cardiovascolari e degenerative. Infatti la concentrazione di queste sostanze tossiche deve essere rigidamente monitorata.
Un progetto europeo, cui ha partecipato anche l’Italia, ha esaminato la qualità delle acque che beviamo, sia le acque imbottigliate che quelle del rubinetto. La qualità dell’acqua potabile è condizionata dal tipo di sottosuolo da cui ha origine, dalle condizioni degli acquedotti in cui viene raccolta e dalla struttura delle reti idriche usate per la sua distribuzione.
In natura l’acqua non è mai «pura», la sua composizione è il risultato di ciò che incontra nel suo fluire e, se contiene sostanze tossiche, può causare gravi danni alla salute; per questo l’acqua destinata al consumo umano deve avere particolari requisiti concordati dall’OMS a livello internazionale.
In Italia, la disciplina delle acque potabili è regolata dal Decreto Legislativo 31/2001 (Direttiva Europea 98/83/CE), secondo cui è «Da considerarsi acqua potabile un’acqua destinata al consumo umano che può essere bevuta da tutti e per tutta la vita senza rischi per la salute, batteriologicamente pura, con un giusto grado di mineralizzazione e che abbia determinate caratteristiche chimico-fisiche e organolettiche». Perciò l’acqua è sottoposta a un ampio e regolare controllo per rilevare gli agenti inquinanti potenzialmente nocivi e subisce trattamenti diversi prima di essere distribuita e resa utilizzabile per il consumo umano; il processo di potabilizzazione comprende: disinfezione, sedimentazione, coagulazione, filtrazione, aerazione; invece le acque imbottigliate, che derivano dallo sfruttamento di acque sotterranee, subiscono un trattamento limitato.
Nello studio scientifico analizzato con gli studenti sulle 157 acque di rubinetto analizzate nelle differenti regioni italiane, 138 hanno un basso contenuto di minerali, ma un elevato contenuto di calcio e solo nelle acque della Sardegna, della Sicilia e di altre regioni costiere si è riscontrato un più elevato contenuto di sodio e cloro.
| Il processo di potabilizzazione dell’acqua L’acqua dei nostri rubinetti che proviene da diverse fonti è sottoposta successivamente a un processo di potabilizzazione che comprende numerose fasi elencate di seguito. – Chiarificazione La chiarificazione è il primo procedimento, in grado di ridurre la torbidità rimuovendo le particelle di maggiori dimensioni: si può utilizzare la sedimentazione (primaria) lasciando per almeno un ora l’acqua ferma permettendo alle particelle sospese di depositarsi per gravità. Altre tecniche comprendono la coagulazione (mediante colloidi) o la flocculazione mediante sali di alluminio, composti chimici (contenenti calcio, magnesio o sali di ferro), fino al lievito in polvere o alla cenere in casi di emergenza. – Purificazione Consiste nella rimozione di sostanze organiche e inorganiche in modo da migliorare le caratteristiche organolettiche dell’acqua. Non significa necessariamente che l’acqua ottenuta sia microbiologicamente sicura. La purificazione può essere ottenuta mediante l’impiego di carbone attivato (quello utilizzato nella maggior parte dei filtri portatili). Pur non eliminando i microrganismi permette di ridurre in modo considerevole le sostanze organiche e gli inorganici chimici migliorando le qualità dell’acqua. Occorre ricordarsi di utilizzare i filtri secondo le istruzioni e di operare la necessaria manutenzione. I filtri trattenendo i batteri vengono facilmente colonizzati. – Disinfezione
– Sedimentazione È utilizzata soprattutto per le acque superficiali e consente di eliminare la torbidità e la colorazione causata dalle particelle in sospensione. – Coagulazione |
La qualità dell’acqua
Uno studio condotto da diversi autori (7) ha analizzato campioni di acqua di rubinetto prelevati da 157 località italiane, suddivise per Regione, per un totale di 105 Province su 111 e rappresentativi dei consumi quotidiani.
Sono stati esaminati i dati relativi alle diverse regioni ed è emersa eterogeneità sia per motivi naturali (sono diversi i sottosuoli da cui ha origine), sia per le condizioni delle reti idriche in cui viene raccolta, sia per il numero di inquinanti che in essa si possono accumulare.
Dall’analisi comparativa dei dati sono emerse le seguenti conclusioni.
In generale l’acqua è buona in quasi tutta l’Italia; le poche situazioni anomale riscontrate non sono al momento di univoca interpretazione scientifica.
La maggior parte delle acque di rubinetto analizzate ha un basso contenuto di minerali.
Il grado di acidità (pH) è nella norma per tutti i campioni ed è sempre superiore al valore 7.
Il valore di conducibilità elettrica è sempre inferiore ai limiti consigliati.
Il confronto con le acque minerali non mostra significative differenze dal punto di vista qualitativo.
I 157 campioni analizzati sono rappresentativi dell’acqua del rubinetto, non di quella che entra nelle reti di distribuzione. I fenomeni di corrosione dei sistemi di distribuzione a causa del degrado delle tubature possono rilasciare nell’acqua quantità anche significative di diversi elementi (ferro, zinco, rame, piombo, eccetera) che ne alterano la qualità ottenuta con il trattamento di depurazione.
Per quanto riguarda l’alluminio, la legge italiana non fissa un valore di concentrazione minimo, perciò l’indagine si è basata sui valori guida dell’OMS.
Come si vede nell’immagine seguente, il dato rassicurante è che la media riscontrata nelle acque di rubinetto è decisamente inferiore rispetto ai valori guida dell’OMS (16,6 μg/litro invece di 200). Valore anomalo riscontrato a Caronia (ME) 454 μg/litro.
Concentrazione di alluminio nelle acque potabili di alcune città italiane
Concentrazione di piombo nelle acque potabili di alcune città italiane
Si riflette con gli studenti sul fatto che, in alcune regioni, i limiti imposti dalla normativa italiana per le acque potabili vengono innalzati poiché le particolari formazioni rocciose presenti in esse determinano un aumento di alcuni elementi.
In Campania sono stati innalzati per il fluoro; nel Lazio per l’arsenico, il fluoro, il selenio e il vanadio; in Lombardia e in Trentino per l’arsenico; in Piemonte per l’arsenico e l’azoto; in Sardegna per il vanadio e in Toscana per il boro e l’arsenico.
| Chimica nanotech per la depurazione delle acque Una modernissima tecnica per la potabilizzazione dell’acqua sfrutta le nanotecnologie. Essa consiste nella filtrazione indotta da una forte pressione attraverso membrane provviste di nanofori. |
L’acqua per lo sviluppo della vita
L’analisi delle relazioni alimentari nei biotopi acquatici si rivela utile per introdurre argomenti relativi alla fitta rete di interazioni materiali, energetiche e informazionali, di natura retroattiva, che avvengono in natura ponendo gli studenti nelle condizioni di descrivere le principali interazioni tra i vari livelli di organizzazione nelle quali si manifesta il fenomeno vita.
La progettazione di una lezione relativa alle reti alimentari nei biotopi acquatici presuppone un precedente percorso formativo di ecologia di base, sui differenti livelli di organizzazione della vita biologica (cellule procariote e cellule eucariote) e sui livelli trofici ed energetici (organismi autotrofi ed eterotrofi). In una riflessione condivisa con gli studenti sulle caratteristiche fondamentali dei viventi si è rivelato particolarmente formativo evidenziare il rapporto tra vivente ed energia in termini di complessità evolutiva (molecole e organuli cellulari coinvolti con riferimenti ai processi di fermentazione, respirazione e fotosintesi) analizzando in particolare il ruolo dell’acqua come luogo di nascita di complesse interazioni tra viventi. Chiarendo anche che gli ambienti acquatici (mare, lago, fiume o stagno) sono caratterizzati da elevati livelli di biodiversità tra loro integrati che possono modificarsi come conseguenze delle attività umane.
Come riferito in seguito, utilizzando attività sperimentali «sul campo», gli studenti hanno individuato e descritto le caratteristiche dell’ambiente lacustre. E, in modo interessante, le hanno poi confrontate con le caratteristiche di un altro ambiente acquatico, il mare, analizzando le ultime acquisizioni del progetto internazionale Census of marine life che si è concluso nel 2010.
Le attività svolte sono state finalizzate a promuovere atteggiamenti di rispetto verso la natura analizzando in modo scientifico e critico il ruolo dell’uomo nello studiarla e preservarla.
Una presentazione che, interpretando i fenomeni nell’ottica di un rapporto tra i differenti saperi (ecologia, chimica, biologia cellulare), supera i limiti disciplinari e genera negli studenti curiosità e interesse per lo studio dell’ambiente aprendo anche alla valutazione dei fattori che determinano squilibri ambientali negli ecosistemi acquatici.
La vita nel lago … e nei mari
In una classe prima liceo lo studio dell’ambiente acquatico privilegia l’uso di attività sperimentali: l’analisi di una catena alimentare nel biotopo di un lago del territorio e il confronto con l’ambiente del mare.
Gli studenti sono guidati a effettuare alcuni prelievi di plancton e procedono alla successiva analisi microscopica di individuazione degli organismi utilizzando schede guida.
Inoltre si analizzano le caratteristiche attraverso differenti parametri (pH, biomassa e condizioni di prelievo, classificazione di organismi con identificazione al microscopio ottico, differenze tra eterotrofi e autotrofi). In particolare, può essere interessante valutare la concentrazione di anidride carbonica, fondamentale per la fotosintesi, quella dell’ossigeno per la respirazione e la concentrazione di sali che possono derivare dalla disgregazione della roccia di fondo, delle sponde o delle attività degli organismi che demoliscono la sostanza organica.
Al microscopio è possibile identificare i produttori (fitoplancton) che vivono nello strato di acqua più superficiale e rappresentano il nutrimento dello zooplancton che costituisce a sua volta il nutrimento di pesci, anfibi, insetti/consumatori erbivori e consumatori carnivori. Importante sottolineare il ruolo dei decompositori: batteri e funghi compiono le trasformazioni fino a sostanze minerali.
Diventa più chiaro agli studenti che un ecosistema è determinato dalla morfologia e dalla geochimica dell’ambiente, dalle variazioni di temperatura, di pressione e di umidità, dalla struttura trofica e dalla tipologia degli esseri viventi. Inoltre, gli argomenti in gioco permettono di chiarire che tutti i viventi hanno bisogno di energia e che l’energia della biosfera proviene originariamente dalle radiazioni luminose che dal Sole giungono sulla Terra, viene catturata dagli organismi fotosintetici e trasformata in energia chimica e passa da una forma di vivente all’altra attraverso le complesse interazioni alimentari.
Un progetto per la cultura del mare: Census of marine life
Partendo dalla conoscenza delle attività di monitoraggio per il controllo delle acque, applicato in Liguria in 26 aree che si estendono dalla linea di costa fino a una distanza massima di 3 Km.
Uno studio integrato che prevede l’analisi di parametri chimico-fisici e biologici per la determinazione dell’indice di qualità batteriologica utile per valutare la balneabilità delle acque.
Come si studia il mare? Quali conoscenze della biodiversità marina? Census of marine life è uno dei più importanti progetti interdisciplinari di ricerca scientifica mai concepiti dedicato al censimento delle specie marine. L’obiettivo del progetto condotto dall’impegno di 2700 scienziati con un totale di 9000 spedizioni in mare, era quello di quantificare le specie presenti nelle 25 regioni nelle quali sono state divise le acque e valutare l’abbondanza relativa degli esemplari marini e la loro distribuzione. Coinvolti 80 paesi, identificate 7000 nuove specie delle circa 230.000 specie sino ad ora conosciute.
Un progetto affascinante, con un sito dedicato, da cui è possibile ricavare moltissimi materiali analitici e interessanti filmati scientifici con immagini suggestive, un modo per guidare gli studenti alla scoperta delle bellezze naturali dei nostri mari, focalizzando in particolare l’attenzione sul mare Mediterraneo, una delle aree del pianeta più ricche di biodiversità, attualmente a rischio a causa di differenti fattori che stanno modificando il rapporto tra le molte specie endemiche.
L’analisi dei contenuti di questo progetto aiuta a sviluppare un aspetto spesso trascurato nella didattica delle Scienze, il procedere in modo interdisciplinare di fronte a problemi che richiedono la competenza di più discipline (fisica, chimica, biologia, matematica, statistica, ecologia, diritto ambientale), una modalità di lavoro che la scuola dovrebbe imparare dal mondo della ricerca.
Si è rivelato utile elemento di motivazione guidare gli studenti ad analizzare le numerose immagini degli strani organismi scoperti nell’ambito del progetto selezionando il più curioso e interessante e motivandone la scelta.
Nel complesso, l’approccio al progetto attraverso l’esplorazione del sito dedicato (www.coml.org) ha esemplificato un utilizzo consapevole di Internet, guidando a individuare e apprezzare la ricchezza di contenuti e di affascinanti immagini presenti in alcuni siti scientifici.
Principali cause dell’inquinamento delle acque marine
In linea generale si parla di inquinamento diretto se proviene dagli scarichi emessi da navi o piattaforme petrolifere e di inquinamento indiretto se proviene dagli scarichi delle terre emerse portate a mare attraverso i fiumi.
In termini più specifici si segue lo schema di classificazione riportato in tabella.
| Tipo di inquinamento | Causa | Effetti |
| Organico | Scarico in mare dei liquami del sistema fognario delle città senza depurazione | Malattie infettive quali salmonellosi, tifo o colera; eutrofizzazione delle acque del mare (proliferazione di microscopici organismi che consumando ossigeno rallentano i tempi di decomposizione; mucillagine (ammassi gelatinosi che impediscono la respirazione e la riproduzione degli organismi acquatici) |
| Chimico | Scarico in mare di prodotti di scarto delle industrie, quali solventi, derivati del petrolio, metalli pesanti (mercurio, cromo, piombo, arsenico) | Distruzione della flora e della fauna costiera; accumulo nelle rete alimentari fino a raggiungere l’uomo |
| Termico | Aumento della temperatura per lo scarico in mare delle acque calde delle centrali termoelettriche o degli impianti industriali | Distruzione degli habitat marini in particolare delle barriere coralline |
| da Idrocarburi | Perdita in mare del greggio durante l’estrazione di petrolio nelle piattaforme marine per incidenti o per il lavaggio delle cisterne vuote | Formazione di vaste chiazze galleggianti che riducono gli scambi gassosi con l’atmosfera, invischiano le ali degli uccelli, compromettono la pesca e ricoprono le spiagge |
Per contrastare gli effetti descritti si può intervenire in molti modi.
Per esempio, dal punto di vista chimico sono state messe a punto modalità di depurazione innovative che utilizzano speciali membrane in grado di filtrare molecole di grandi dimensioni ma di trattenere molecole di piccole dimensioni.
Si lavora anche per individuare sostanze in grado di eliminare i depositi di materiali calcarei o salini che si depositano sulle imbarcazioni.
Invece, dal punto di vista biologico si tenta di modificare geneticamente alcuni batteri che si trasformano in biodecompositori delle sostanze petrolifere e che potrebbero essere utilizzati per combattere l’inquinamento.
Si lavora anche per individuare la possibilità di inserire negli ecosistemi organismi competitori in grado di eliminare i microrganismi patogeni
| Un semplice esperimento: costruire un modello per le correnti Acqua e correnti marine: un semplice esperimento per verificare sperimentalmente le condizioni nelle quali si origina una corrente. Una modalità operativa che coinvolge direttamente gli studenti nel ricercare i materiali, nel progettare, realizzare l’attività verificandone i risultati e documentandoli. Materiali Modalità operativa Procedimento Esecuzione Analisi e conclusioni |
Per essere nella scuola attori e testimoni
Ideare e attuare percorsi didattici affascinanti per i giovani che dovremmo educare alla bellezza della conoscenza, è una significativa modalità di rendere attivo il ruolo del docente, un docente-ricercatore che si rimotiva cercando e selezionando fonti scientifiche, proponendo notizie e informazioni che, pur provenendo da differenti discipline, cooperano a costruire la conoscenza di un determinato argomento.
Un docente che in questo modo si riappropria pienamente del proprio ruolo, non è solo un facilitatore, ma un testimone di competenze formative aggiornate che individua anche necessarie relazioni di consulenza o integrazione con realtà scientifiche esterne sempre nell’ottica di un preciso percorso ideato responsabilmente per la situazione specifica in cui opera.
Non dunque la semplice adozione di pacchetti informativi preconfezionati che arrivano spesso numerosi nelle scuole, ricchi di contenuti di ecologia e modalità operative, che rendono però il docente solo un fruitore di servizi scientifici ideati da altri, in realtà solo un «referente» di attività, perdendo così il gusto della creatività culturale e del confronto formativo che sono l’essenza del lavoro del docente. Rischio che si ripresenta anche nell’utilizzo prevalente dell’impostazione di libri di testo che, soprattutto nell’avvio della riforma liceale, propongono percorsi precostituiti e materiali informativi integrativi già definiti utilizzando i quali il docente si adegua ad attuare ciò che viene concepito e ideato da altri, esterni al contesto del fare scuola nella quotidianità operativa, lavorando da soggetto passivo della cultura scientifica.
Il gusto operativo del «fare scuola» oggi è spesso oggetto di significative riflessioni sul ruolo del docente, che sempre più si interpreta come mediatore di saperi rielaborati da altri, quasi limitato a un solo ruolo di scelta degli stessi. Invece occorre ideare nuove modalità di apprendimento e di comunicazione delle specifiche tematiche scientifiche, facendo riferimento alle caratteristiche della scienza e alla modalità di lavoro del mondo della ricerca. In questo modo il docente può realmente proporre in modo efficace i saperi rendendoli conoscenze durature e testimonianze scientifiche significative per i propri studenti, può calibrare i saperi in relazione alla realtà operativa ideando strategie di comunicazione, rielaborazione e riflessione critica, può dunque rendere la conoscenza scolastica reale cultura di profondo significato per la persona.
Marina Minoli
(Docente di Scienze presso il Liceo Scientifico Statale”G. Marconi” di Chiavari (Genova))
Indicazioni bibliografiche e sitografiche
- M. Minoli, Nuovi medicamenti dal mare, Corriere del Ticino, 12/11/1988.
- M. Minoli, L’osservatorio abissale, Le Scienze, 11/2001.
- M. Minoli, La nascita della vita, Il Corriere del Ticino, 17/12/1998.
- R. Danovaro, Al lavoro negli abissi, Linx Magazine, gennaio 2011.
- M. Minoli, L’enigma del declino degli anfibi, Le Scienze, agosto 1999.
- M. Minoli, Insegnare Biologia oggi. Elementi di innovazione nella didattica della Scienza della Vita, Emmeciquadro n° 37 – Dicembre 2009
- B. DeVivo, M. Birke, E. Dinelli, P. Valera, Acqua di casa nostra, Le Scienze, 12/2010.
- F. Boero, A. Gennari, T. Tresca, A.M. Miglietta, La biodiversità marina ed il funzionamento degli ecosistemi, Caspur-Ciberpublishing 2010.
- Census of marine life: www.coml.org
© Pubblicato sul n° 45 di Emmeciquadro