Scherzi di capodanno

Nel dicembre 2021 a Ulcinj (Dulcigno), in Montenegro, è stata montata una decorazione stradale per festeggiare l’arrivo del nuovo anno. Pare che alcuni baldi giovani di notte abbiano cambiato la posizione delle cifre luminose, sicché al mattino gli abitanti di Dulcigno si sono improvvisamente trovati ad attendere il 2202, con un balzo in avanti nel tempo di 180 anni!

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Le confezioni della BestEraser

Per condividere con gli alunni il video che presenta questo problema, fornire il seguente link:
https://youtu.be/R5FFWDh5GoE

Domande e risposte

La gomma per cancellare descritta nel video-problema è un parallelepipedo i cui spigoli misurano 3,5 cm, 1,8 cm e 1,1 cm.
La ditta che produce queste gomme vuole imballarle in confezioni da dieci gomme ciascuna e sta valutando la possibilità di usare delle scatole già disponibili a magazzino: le scatole rosse (parallelepipedi di dimensioni 7,2 cm, 5,7 cm e 1,9 cm), le scatole blu (parallelepipedi di dimensioni 12 cm, 6,5 cm e 1,5 cm) o le scatole gialle (parallelepipedi di dimensioni 7,4 cm, 3,5 cm e 2,5 cm).
Ai ragazzi si chiede, in particolare, se c’è qualche scatola in cui si riescono a sistemare 10 gomme. Viene anche chiesto di descrivere il procedimento utilizzato per rispondere.

Per cominciare, si può calcolare il volume di una gomma e delle diverse scatole:

  • il volume di una gomma è 3,5 cm x 1,8 cm x 1,1 cm = 6,93 cm3 (quindi il volume di 10 gomme è 69,3 cm3);
  • il volume della scatola rossa è 7,2 cm x 5,7 cm x 1,9 cm = 77,976 cm3;
  • il volume della scatola blu è 12 cm x 6,5 cm x 1,5 cm = 117 cm3;
  • il volume della scatola gialla è 7,4 cm x 3,5 cm x 2,5 cm = 64,75 cm3.

In base a questi calcoli si può essere certi che la scatola gialla non riesce a contenere 10 gomme, dato che 64,75 < 69,3.

Non è però possibile, solo dal confronto dei volumi, stabilire molto altro. In particolare, il fatto che il volume della scatola rossa e quello della scatola blu siano maggiori del volume occupato da 10 gomme non basta per poter dire che queste scatole possano contenere 10 gomme, perché le gomme non sono un fluido che può essere versato nella confezione assumendone la forma!

La scatola rossa può contenere effettivamente 10 gomme: possiamo disporle in due file da 5 gomme ciascuna in modo che il lato da 1,8 cm della gomma sia in verticale (e possiamo farlo perché l’altezza della scatola è 1,9 cm e 1,8<1,9). Il fatto che 5×1,1<5,7 ci garantisce che lungo il lato da 5,7 cm ci stanno i lati da 1,1 cm di 5 gomme; il fatto che 2×3,5<7,2 ci garantisce che lungo il lato da 7,2 cm ci stanno i lati da 3,5 cm di 2 gomme.

Per quanto il volume della scatola blu sia ancora più grande di quello della scatola rossa, la scatola blu non può contenere 10 gomme. L’altezza della scatola (1,5 cm) infatti rende obbligatorio disporre le gomme in modo che il lato da 1,1 cm sia in verticale (gli altri lati della gomma infatti sono entrambi più lunghi di 1,5 cm). Con qualche tentativo, non è difficile rendersi conto che più di 9 gomme non possono essere inserite nella scatola blu.

Commenti

L’idea per Le confezioni della BestEraser è nata dalla discussione sorta tra alcuni insegnanti in merito a questo problema (tratto da un sussidiario per la scuola primaria):

In una cassa cubica con lo spigolo di 48 cm si mettono delle scatole che hanno il volume pari a 96 cm3 ciascuna. Quante scatole ci staranno?

Per alcuni degli insegnanti che hanno partecipato alla discussione, il problema così posto non poteva essere risolto, perché  nulla si dice sulla forma delle scatole; altri giungevano alla stessa conclusione, dando però per scontato che le scatole fossero dei parallelepipedi e lamentando il fatto di non conoscerne le dimensioni; altri ancora calcolavano il volume della cassa cubica (48 cm x 48 cm x 48 cm =  110592 cm3) e lo dividevano per il volume della singola scatola (110592 cm3 : 96 cm3 = 1152).
È bastato poco, tra colleghi, per trovare quale errore e quale “pregiudizio” si nascondesse sotto la sicurezza di chi sosteneva che nella cassa si potessero inserire 1152 scatole, indipendentemente dalla loro forma; è bastato chiudere gli occhi e cercare di immaginarsi la situazione, per capire che se le scatole da inserire sono sferiche o cilindriche, o hanno forme poliedriche ma bislacche, si “perde” un sacco di spazio. La discussione è proseguita poi per cercare di costruire per gli alunni un problema con un testo meno “perentorio”, che di per sé li invitasse a discutere e a non dare troppe cose per scontate.

Un problema significativo

Quanto raccontato nel video-problema non è un puro espediente, ma corrisponde a un problema reale, che si pone spesso a coloro che si occupano di attività produttive e commerciali: quello di impacchettare un certo numero di prodotti in una confezione oppure di ottimizzare la maniera di caricare in un camion un certo numero di scatole, magari anche di forme e dimensioni diverse.
I problemi di impacchettamento possono diventare davvero difficili, ma anche questo – nella sua relativa semplicità – è significativo perché fa capire come non sia sufficiente ragionare col volume degli oggetti e del contenitore in questione (nel nostro caso le gomme e le scatole), ma è necessario tenere conto della loro forma e dei differenti modi per disporre gli oggetti nel contenitore.

Se avessimo a che fare con fialette contenenti 6,93 cm3 di un certo liquido e volessimo riversare questo liquido in una bottiglietta della capacità di 117 cm3, basterebbe calcolare 117:6,93 per sapere che potremmo svuotare nella bottiglietta più di 16 ma meno di 17 fialette. Però se 6,93 cm3 è il volume di una gomma e 117 cm3 quello di una scatola, il risultato di questa divisione non ci dice molto.

Il volume ci dà effettivamente delle informazioni. E possono anche essere informazioni che tagliano la testa al toro in modo molto comodo: per esempio, è bastato calcolare il volume della scatolina gialla per dire che essa non può contenere 10 gomme (perché il suo volume è minore di quello di 10 gomme). In generale, il fatto che una scatola abbia il volume maggiore del volume di 10 gomme è una condizione necessaria affinché la scatola contenga 10 gomme.
Non è però una condizione sufficiente. Lo si può capire facilmente pensando ad una scatola anche dal volume enorme, con due dimensioni enormi, ma con la terza dimensione minore di 1 cm (e quindi più corta dello spigolo più piccolo della gomma, lungo 1,1 cm): in una scatola di questo tipo, per quanto il suo volume possa essere arbitrariamente grande, non si riesce a infilare nemmeno una gomma!

Da questa osservazione è possibile ricavare una condizione sufficiente (ma non necessaria) affinché si possano inserire 10 gomme in una scatola: se una delle dimensioni della scatola è (anche di poco) più grande di una delle dimensioni della gomma moltiplicata per 10, basta che ciascuna delle altre due dimensioni della scatola sia (anche di poco) più grande di una delle altre due dimensioni della gomma; in questo caso le gomme si potranno inserire nella scatola in una unica fila formata da 10 gomme.
Un’altra condizione sufficiente (ma, ancora, non necessaria) affinché si possano inserire 10 gomme in una scatola potrebbe essere questa: se una delle dimensioni della scatola è (anche di poco) più grande di una delle dimensioni della gomma moltiplicata per 5, e un’altra dimensione della scatola è (anche di poco) più grande del doppio di un’altra dimensione della gomma, basta che la terza dimensione della scatola sia (anche di poco) più grande della terza dimensione della gomma; in questo caso le gomme si potranno inserire nella scatola in due file sovrapposte formate da 5 gomme ciascuna.
Queste condizioni sono facili da verificare con i conti o con il righello (che misura lunghezze e non volumi!) come suggerito nel video, anche senza costruire in cartoncino 10 modellini di gomme: conti o righello possono essere utilizzati per controllare quante volte le dimensioni della gomma siano contenute in quelle delle scatoline, focalizzando l’attenzione sulle dimensioni lineari.
Chiaramente nessuna di queste due condizioni è necessaria, dal momento che non si richiede che tutte le gomme siano riposte “nello stesso modo” all’interno della scatola. Con questo intendiamo dire che, per quanto quelle di questo tipo siano le disposizioni con le quali ci viene più “naturale” fare i primi tentativi, non è detto che gli spigoli delle gomme di uguale lunghezza debbano essere tutti paralleli e quindi molte altre disposizioni sono possibili.

Strategie risolutive diverse

Possiamo prevedere, accettare e addirittura stimolare sia un approccio molto concreto a questo problema (quello di chi costruisce i modellini in cartoncino e va per tentativi) sia un approccio più astratto (quello di chi si mette a ragionare direttamente sulle misure).
Se in una classe gruppi di alunni diversi useranno diversi approcci, confrontarli durante la discussione finale sarà un arricchimento per tutti.

Potrebbero inoltre emergere modi diversi di sistemare lo stesso numero di gomme all’interno della stessa scatola. Anche questa molteplicità di proposte sarà da valorizzare: spesso abbiamo (e più noi adulti dei ragazzi…!) un modo di pensare molto rigido e stereotipato per cui, se siamo abituati a vedere la gomma appoggiata al tavolo in un certo modo, tendiamo a pensarla solo in quella posizione anche quando dobbiamo immaginare come riporla nella scatola. Se qualche gruppo non riuscisse a inserire 10 gomme nella scatola rossa, ciò potrebbe essere dovuto proprio al continuare a pensare alle gomme appoggiate al fondo della scatola sulla loro faccia “più estesa”:  vedere le 10 gomme inscatolate dai loro compagni potrà aiutarli  a superare questa rigidità.

Un problema aperto

Sono tante le domande che potrebbero nascere nei ragazzi, o che l’insegnante potrebbe porre loro per continuare a riflettere sui nodi proposti da questo problema o per verificarne l’effettiva comprensione. Ad esempio:

  • sapreste progettare altre scatole a forma di parallelepipedo, che contengano 10 gomme uguali a quelle descritte nel video-problema?
  • sapreste immaginare una scatola a forma di parallelepipedo, con un volume maggiore di quello di 10 gomme (cioè un volume maggiore di 69,3 cm3), dove però non si riesca a far stare nemmeno una gomma di quelle descritte nel video-problema?
  • sapreste immaginare una gomma, sempre a forma di parallelepipedo, sempre con un volume di 6,93 cm3 che però, anche da sola, non possa essere contenuta in alcuna delle tre scatole descritte nel video-problema?

Scenari possibili

Questo video-problema può essere tranquillamente proposto in una classe terza della scuola secondaria di primo grado.

Ma può essere proposto pure in una classe quinta della scuola primaria, anche senza dover dare a ciascun gruppo di lavoro le dieci gomme e le tre scatoline, a patto di averli fatti lavorare in precedenza su alcuni esempi concreti: quante risme di carta ci stanno nel cassetto della cattedra? Quante scatole di un certo tipo ci stanno nell’armadio della classe? Quanti volumi dell’enciclopedia ci stanno nello scaffale della libreria della biblioteca? Quanti pacchetti di fazzolettini di carta ci stanno nella scatola che la maestra ha portato per tenerli in classe?

Materiale necessario

Come già specificato, non è necessario che ogni gruppo di lavoro abbia a disposizione le tre scatole e le 10 gomme, anzi: il fatto di non averle (o di essere sufficientemente pigri per non aver voglia di costruirsene dei modelli in cartoncino) può spronare verso il ragionamento e l’astrazione.

È però importante che venga lasciata la possibilità a chi ne sente l’esigenza di costruirsi questi modelli in cartoncino, in modo da verificare le proprie ipotesi o da avere abbastanza elementi per formularne di nuove.

Un modello concreto costruito dall’insegnante, o le foto riportate in questo articolo, o alcuni disegni ben fatti possono essere d’aiuto per convincere alunni particolarmente scettici e particolarmente in difficoltà.

Problemi collegati

Tra i Problemi per matematici in erba ce n’è un altro, sempre legato a come alcuni parallelepipedi possano essere inscatolati in un parallelepipedo più grande: La fabbrica di saponette.
I due problemi, per quanto simili, offrono spunti di riflessione diversi e complementari.


Poligoni regolari e frazioni

Antonio, uno studente di seconda media, qualche giorno fa non aveva molta voglia di ascoltare la lezione. Annoiato, stava fissando una pagina vuota del suo quaderno quando all’improvviso, quasi senza rendersene conto, ha esclamato: “Ma guarda! Intorno a ogni punto ci sono esattamente quattro quadrati! Quindi l’angolo del quadrato è 1/4 dell’angolo giro.

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  • Poligoni regolari • 651 kB • 637 click
    Poligoni regolari da stampare su cartoncino e ritagliare
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Il rombo di carta


Per condividere con gli alunni il video che presenta questo problema, fornire il seguente link:
https://youtu.be/pOAilmWhhEQ

Domande e risposte

Questo video-problema incomincia con il far osservare ai ragazzi che cosa succede quando si piega un foglio di carta rettangolare con i lati di lunghezze diverse (cioè che non sia un quadrato) lungo una delle sue diagonali e prosegue dando le istruzioni per costruire un rombo.
La professoressa piega a metà il foglio rettangolare (lungo l’asse di due lati), poi piega ulteriormente a metà (con una piega perpendicolare alla prima): ottiene così un rettangolo le cui dimensioni sono la metà di quelle del foglio di partenza.
Piega poi questo rettangolo lungo una delle due diagonali, fingendo di aspettarsi di ottenere un rombo: quando apre il foglio, però, si accorge che le pieghe tracciate disegnano, alla riapertura del foglio, le diagonali e gli assi del rettangolo di partenza, ma… niente rombo!
Ripete (apparentemente) la stessa procedura, ottenendo finalmente un rombo. La domanda che pone, di conseguenza, è questa: “Che cosa è successo? Perché prima non è venuto un rombo? Dove ho sbagliato?”

Il punto è che, riferendosi al rettangolo piccolo ottenuto con le prime due pieghe, non è indifferente piegare lungo l’una o lungo l’altra delle due diagonali. Infatti, se si tiene presente il foglio da cui siamo partiti, la situazione non è più simmetrica:

  • una delle due diagonali passa per quel vertice (del rettangolo piccolo) che corrisponde al centro del foglio di partenza; la piega fatta lungo questa diagonale produce le diagonali del foglio rettangolare;
  • l’altra diagonale non passa per quel vertice; la piega fatta lungo questa diagonale produce il rombo che ha vertici nei punti medi dei lati del foglio.

Tutte le domande poste successivamente, in realtà, trovano risposta nel video stesso e sono, più che dei problemi da risolvere, degli stimoli a ripensare a quanto visto e sentito, soprattutto se l’insegnante chiederà agli alunni di motivare le proprie risposte. Questi ripensamenti sono volti in particolare a far riconoscere ai ragazzi che la prima impressione visiva che hanno sul quadrilatero ottenuto dalle pieghe, cioè che si tratti di un rombo, è effettivamente corretta: sono proprio le pieghe a garantirci che questo quadrilatero gode delle proprietà che caratterizzano il rombo.

  • Come sono i lati del quadrilatero ottenuto? Uguali o diversi? Questo ci basta per dire che si tratta di un rombo?
    Il quadrilatero ottenuto con la terza piega ha tutti i 4 lati uguali, perché per l’appunto corrispondono tutti alla stessa piega: proprio per questo motivo siamo sicuri che si tratta di un rombo.
  • Che angolo formano le diagonali del quadrilatero ottenuto? Lo possiamo stabilire solo grazie al fatto che sappiamo che si tratta di un rombo o anche per come sono state fatte le pieghe?
    Le diagonali del quadrilatero ottenuto sono perpendicolari; avendo già stabilito che si tratta di un rombo, non ci sarebbe bisogno di verificarlo, ma si potrebbe anche anticipare questa osservazione e notare che l’angolo tra le diagonali è retto perché esse corrispondono alle prime due pieghe, che sono tra loro perpendicolari.
  • Come sono gli angoli di questo rombo? Uguali o diversi?
    Gli angoli del rombo corrispondono, nel foglio rettangolare di partenza, agli angoli che formano  fra di loro le due diagonali. E, se il rettangolo non è un quadrato, questi non sono angoli retti.
  • Com’è la superficie del rombo così ottenuto in rapporto a quella del foglio rettangolare da cui siamo partiti?
    La superficie del rombo è la metà di quella del foglio di partenza;  infatti, ciascuno dei quattro rettangoli in cui il foglio di partenza risulta diviso dalle prime due pieghe viene diviso a sua volta dalla terza piega in due triangoli uguali fra loro (la terza piega li sovrappone!) e quindi di uguale area, uno dei quali interno e l’altro esterno rispetto al rombo.

Commenti

Il problema descritto in questo video, per quanto apparentemente sia costruito “solo” attorno alle proprietà del rombo, vuole essere anche una occasione per riflettere sulla simmetria.

La domanda concretamente rivolta agli alunni è solo una, ma vengono proposti molti altri spunti: starà all’insegnante decidere, a seconda della classe che ha di fronte, quanto entrare in profondità sulle diverse questioni che il problema apre.

Un problema significativo

All’inizio del video l’insegnante fa osservare ai ragazzi che, piegando un rettangolo (con i lati consecutivi diversi fra loro) lungo una delle sue diagonali, i vertici opposti che non stanno sulla piega non vanno a sovrapporsi. Non è raro che questo fatto sorprenda i ragazzi: a priori essi sono spesso convinti che, quando si piega il foglio rettangolare lungo la diagonale, le due metà del foglio si sovrappongano.

In effetti, la retta che contiene la diagonale non è un asse di simmetria del rettangolo.

Può sembrare un’osservazione banale, per noi adulti abituati a riconoscere le simmetrie, ma non è detto che lo sia anche per i ragazzini, che spesso invece associano l’idea di asse di simmetria a quella di “retta che divide a metà”, cadendo così in errore, anche sulla diagonale del rettangolo.

Piegando un foglio rettangolare lungo una diagonale, gli angoli opposti che non stanno sulla piega non vanno a sovrapporsi

Metacognizione

Attraverso le domande che vengono poste agli alunni, non ci si limita qui a fornire delle istruzioni affinché loro, diligenti esecutori, facciano determinate operazioni, ma si stimolano i ragazzi a riflettere su ciò che si sta facendo, a essere consapevoli delle conseguenze di ciascuna azione e del perché si agisce in un modo piuttosto che in un altro.

Questa può essere una buona lezione sull’imparare: non si è imparato qualcosa fino in fondo se non si è capito (oltre al “come” si fa) anche il “perché” si fa in quel modo.

Un percorso a ritroso

Questo problema si può anche considerare un percorso a ritroso, dal momento in cui, volendo motivare le nostre affermazioni, dobbiamo, dopo aver effettuato la costruzione, tornare indietro per comprendere quali sono state le conseguenze delle singole pieghe sulle proprietà delle figure ottenute.

Un problema aperto

ricerca di quadrilateri simmetrici

Il primo fatto che, attraverso il video, l’insegnante pone all’attenzione dei ragazzi è questo: piegando un foglio rettangolare lungo una diagonale, i vertici opposti non finiscono uno sull’altro, non vanno a sovrapporsi. A partire da questa osservazione, come abbiamo visto, possono nascere considerazioni sul tipo di simmetria del rettangolo, ma si può anche ampliare il problema ponendo altre domande, o dando voce alle domande che possono sorgere dai ragazzi.

In particolare, si può chiedere agli alunni: quale forma potrebbe avere un quadrilatero di carta, per essere sicuri che, piegando lungo una diagonale (una qualsiasi? tutt’e due?), i vertici opposti che non stanno sulla piega finiscano col sovrapporsi?
È una domanda che può sembrare banale, ma che – nelle classi in cui l’abbiamo posta – ci ha permesso di tornare su tanti concetti, di dare valore alle immagini che si formano nella mente dei nostri ragazzi quando pensano alla simmetria, ma anche di dare valore alle parole del linguaggio specifico della matematica.

La risposta corretta che più volte abbiamo ricevuto è questa: il foglio potrebbe avere forma quadrata.

Piegando un foglio di forma quadrata lungo una delle diagonali, i vertici opposti che non stanno sulla piega vanno a sovrapporsi - problema sulla simmetria dei quadrilateri

Alcuni alunni però si sono spinti anche oltre, proponendo di utilizzare un foglio a forma di rombo.

Piegando un foglio a forma di rombo lungo una delle diagonali, i vertici opposti che non stanno sulla piega vanno a sovrapporsi - problema sulla simmetria dei quadrilateri

Chi ha avuto la possibilità di coltivare di più la propria immaginazione, riesce a pensare anche a quadrilateri più “strani”. Alcuni alunni, per esempio, hanno pensato a un “quadrilatero formato da due triangoli isosceli attaccati”. Ecco allora che, a partire da risposte come questa, si possono sollecitare interessanti discussioni: è corretta? è sbagliata? va specificato meglio come i due triangoli vanno attaccati? va specificato meglio lungo quale diagonale si piegano?

Come spesso accade, è dalle risposte sbagliate che possono prendere spunto le discussioni più interessanti ed è dalle discussioni attorno alle risposte sbagliate che tutti – insegnanti e alunni – possono acquisire più consapevolezza.
Nelle classi in è stata posta questa domanda, ad esempio, si è andati oltre all’iniziale quadrilatero e alcuni alunni hanno risposto che il foglio poteva avere forma di triangolo isoscele (pensando – giustamente – che il triangolo isoscele ha un asse di simmetria) o poteva essere circolare (pensando – anche in questo caso giustamente – di poter piegare lungo un qualsiasi diametro facendo combaciare esattamente ogni punto di un semicerchio con un punto dell’altro semicerchio). Questa è stata l’occasione per riparlare di diagonali (un concetto tanto semplice quanto facile ad essere frainteso e soggetto a stereotipi), di vertici e di vertici opposti.

considerazioni sulla simmetria del rettangolo

Quando abbiamo chiesto, in classe, di motivare perché, piegando il foglio di carta rettangolare, i vertici opposti che non stanno sulla piega non finiscano col sovrapporsi, non pochi alunni hanno pensato di giustificare il fatto in questione dicendo che “il rettangolo non è un poligono regolare”.
Una risposta di questo genere può essere l’occasione per far riflettere i ragazzi  in modo “concreto” sull’implicazione: è vero che il rettangolo non è un poligono regolare e che, quando lo pieghiamo lungo una diagonale, i vertici opposti non vanno a sovrapporsi; è vero anche che il quadrato, invece, è un poligono regolare e che, quando lo pieghiamo lungo una diagonale, i vertici opposti vanno a sovrapporsi; ma… come la mettiamo, per esempio, con il rombo, o con l’aquilone (un quadrilatero con due coppie di lati consecutivi congruenti), che non sono poligoni regolari ma che si possono piegare lungo una diagonale in modo da far combaciare i vertici opposti?
Allenare i ragazzi a questi esempi e controesempi, a distinguere i nessi di causalità dalle semplici concomitanze è una delle occasioni da non perdere che possono essere date da questo problema.

C’è anche un altro motivo per cui ci pare significativo usare la simmetria del rettangolo per giustificare il comportamento del foglio rettangolare quando lo si piega.

Nei percorsi di apprendimento, non sempre viene utilizzata la piegatura della carta per fornire un modello di riflessione: a volte per esempio vengono utilizzati gli specchi, altre volte si fa riferimento solo ai disegni, magari su carta a quadretti. Naturalmente, una volta che il concetto astratto di riflessione si è consolidato, sarà facile passare con agilità da un modello all’altro, ma altrettanto naturalmente non è così quando il concetto si sta formando. Come docenti dobbiamo tenere presente che il confronto fra modelli diversi può essere per i ragazzi una difficoltà non irrilevante e che però è proprio da questo confronto che nasce poi il concetto astratto, sicché è assolutamente importante non stereotipare un concetto su un solo modello, ma cercare di sciogliere, nel tempo, la difficoltà insita nel passaggio da un modello all’altro.

il numero di pieghe e il numero di parti

Nelle classi in cui abbiamo proposto questa attività è stato interessante notare come, dopo aver visto il video, alla richiesta “In quante parti è stato diviso il foglio iniziale dalle 3 pieghe effettuate dall’insegnante?” le risposte non siano state univoche.

Nel video viene ampiamente mostrato il foglio riaperto dopo le tre pieghe: sia nel primo che nel secondo caso esso è diviso in otto triangoli rettangoli uguali fra loro. Eppure, terminato il video, alcuni ragazzi hanno affermato che “il foglio viene diviso in 3 parti, perché sono state fatte 3 pieghe”; e altri hanno ribattuto dicendo che “le parti sono 6, perché ciascuna delle 3 pieghe divide il foglio in due parti e 3 per 2 fa 6”. Cosicché la domanda, posta semplicemente con l’intento di riflettere sul rapporto tra l’area del rombo e quella del rettangolo, ha aperto la discussione in tutt’altra direzione: quella della corrispondenza tra il numero di volte in cui un pezzo di carta viene tagliato a metà e il numero di parti in cui il foglio stesso risulta diviso dalle pieghe.

Le risposte strampalate che abbiamo citato prima possono essere l’occasione anche per un’ulteriore riflessione. Forse i ragazzi di seconda media che hanno risposto in questo modo avevano guardato il video con poca attenzione, probabilmente non avevano provato a riprodurre le pieghe su un foglio, o forse hanno semplicemente attivato quella che a volte ci sembra di poter chiamare la “modalità cervello: off”. È triste, e dal nostro punto di vista paradossale, ma è sotto gli occhi di tutti gli insegnanti il fatto che, a volte, quando i ragazzi sentono una domanda “di matematica”, smettono di ragionare, non pensano più a ciò che hanno visto con i loro occhi o a ciò che potrebbero immaginare a buon senso, e si sentono semplicemente in dovere di usare i numeri che hanno a disposizione per fare un calcolo, non importa quale esso sia.
Del resto, questa strana idea della matematica come qualcosa in cui non serva il ragionamento è molto diffusa, non solo a scuola e non solo tra gli alunni. Quale idea della matematica traspare dalla “Prova di intelligenza” pubblicata su “La Settimana enigmistica” che riportiamo qui sotto?

Anche la "Settimana enigmistica" sembra essere del parere che matematica e ragionamento stiano agli antipodi! "Il numero esatto. 2207-esima prova d'intelligenza. Si tratta di determinare un cento numero basandosi solo sul ragionamento, e cioè senza alcun ricorso alla matematica..."

Uno degli obiettivi che l’insegnante si può porre proponendo problemi su problemi ai propri matematici in erba è proprio quello di sfatare questo falso mito sulla matematica.

Un problema di matematica con effetto sorpresa

Malgrado questo problema probabilmente non stupisca con effetti speciali, una sorpresa c’è ed è proprio all’inizio, nel momento in cui la professoressa sbaglia!
Non che sia sorprendente che una professoressa faccia errori, ma potrebbe esserlo il fatto che lo ammetta, senza spaventarsi, e che – anzi – chieda aiuto agli alunni per comprendere il motivo dei propri errori.

Il fatto che i ragazzi si stupiscano o meno di questo atteggiamento dipende, naturalmente, da come sono abituati: in ogni caso crediamo che sia uno stratagemma che, usato ad arte anche in altre occasioni, può spesso essere utile per richiamare l’attenzione dei ragazzi e quindi anche motivarli a trovare una risposta (magari… “per essere più bravi della prof…”).

Scenari possibili

L’attività di manipolazione proposta in questo video-problema è semplice, per chi ha un minimo di confidenza con la piegatura della carta.
Per bambini della scuola primaria anche il fatto di seguire le istruzioni date per riprodurre le pieghe in modo corretto può non essere banale; per ragazzi della scuola secondaria di primo grado, invece, ad essere sfidanti possono essere le richieste di motivazione.

Materiale necessario

Sarebbe bene che gli alunni guardassero il video avendo a disposizione almeno un paio di fogli di carta rettangolari.

Problemi collegati

Un altro video-problema che ha a che vedere con i rombi e con le piegature della carta è “Una cornice fatta di rombi“, di prossima pubblicazione. Se qui il rombo è il punto di partenza per parlare di simmetria, là diventa l’occasione per parlare di similitudini.


Un taglio a effetto

Per condividere con gli alunni il video che presenta questo problema, fornire il seguente link:
https://youtu.be/HSvPk-GAxEk

Soluzione

Per condividere con gli alunni il video con la soluzione del problema, fornire il seguente link:
https://youtu.be/RwQ3uHWNmS8

Commenti

“Un taglio ad effetto” è un bel problema senza numeri: niente dati, niente operazioni, niente diagrammi di flusso… L’unica cosa che serve per risolverlo è  una buona dose di immaginazione.

Un problema significativo

Per quanto il problema sia ambientato in una cucina e sia presentato attraverso un linguaggio semplice, esso tratta di argomenti di tutto rispetto: il cilindro, le sezioni piane di un solido, la circonferenza, l’ellisse, le linee rette, le linee curve. Addirittura spunterà una sinusoide: naturalmente, il problema non richiede che i ragazzi già la conoscano, né si pone l’obiettivo di farla loro conoscere; possiamo però cominciare a farla osservare, il che faciliterà loro la vita quando più avanti la incontreranno.

Un problema memorabile

Difficilmente ci si può dimenticare di un problema di questo tipo, un po’ per come è presentato (attraverso oggetti concreti molto familiari ai ragazzi e di fronte ai quali di solito non pensano alla matematica), un po’ per il fatto che la soluzione è davvero sorprendente.

Soprattutto diventa impossibile dimenticarsene, come spesso accade, se si è davvero passato un po’ di tempo a cercare di risolverlo, a immaginarsi a cosa potrebbe assomigliare il foglio arrotolato attorno al würstel, tagliato e srotolato.

Non c’è un motivo specifico “in sé” che renda importante sapere (soprattutto per ragazzini della scuola media) come appare il foglio quando lo srotoliamo. In altre parole, il motivo per cui presentiamo il problema non è tanto il risultato, ma tutta una serie di “piccole cose” che possono derivare dal tentativo di immaginare la soluzione e che riguardano il modo di imparare la matematica, attraverso un processo di ricerca.  È di queste cose che parleremo nel prossimo paragrafo.

Metacognizione

Affrontare problemi come questo può aiutare i ragazzi a farsi un’idea della matematica e del come impararla un po’ più corrispondente al vero di quanto non lo siano stereotipi molto diffusi:

  • la matematica è certamente una materia astratta, fatta di idee più che di oggetti concreti; ma si tratta di idee piene di significato, che hanno a che fare con il mondo reale e che ci permettono di conoscerlo e descriverlo;
  • sia la realtà che la matematica sono piene di fatti e di situazioni sorprendenti che meritano di essere osservati, studiati, compresi… molto più di quanto non sembri da certi libri di scuola;
  • se la realtà e la matematica non ci sorprendono, può essere colpa del fatto che non ci poniamo domande significative al loro riguardo; a volte porsi delle buone domande è molto più interessante ed entusiasmante che conoscere le risposte;
  • per imparare la matematica non basta imparare e applicare regole ferree: occorre anche allenare la nostra immaginazione.

Un problema aperto

Perché il taglio va “su e giù”?

Il secondo video, quello in cui viene presentata la risposta al quesito posto dal problema, termina con una domanda: una volta scoperto com’è fatto il taglio, riusciamo a capire perché è fatto proprio così?
Potrebbe essere questa una delle prime direzioni verso le quali puntare con i ragazzi, sia nel caso in cui qualcuno fosse riuscito ad immaginare il giusto “profilo” del taglio, sia nel caso in cui tutti avessero pensato ad un “profilo” sbagliato, o non fossero riusciti ad immaginare alcunché.

Due osservazioni possono essere alla portata anche dei ragazzini della scuola secondaria di primo grado, o degli ultimi anni della scuola primaria.

  • Quando il coltello (e quindi il taglio) è perpendicolare all’asse del würstel, è anche parallelo al bordo del foglio; quindi tutti i punti del taglio sono equidistanti dal bordo del foglio, che è rettilineo, e quindi anch’essi stanno su una retta (parallela al bordo del foglio).
    Quando invece il coltello (e quindi il taglio) non è perpendicolare all’asse del würstel, non è nemmeno parallelo al bordo del foglio; quindi i punti del taglio sono alcuni più vicini ed alcuni più lontani dal bordo del foglio.
    Inoltre siccome il foglio gira attorno al würstel, se immaginiamo un punto muoversi lungo il taglio lo vedremo prima allontanarsi dal bordo e poi avvicinarsi di nuovo.
  • Il foglio non compie un unico giro attorno al würstel: essendo arrotolato attorno al würstel, finito un giro ne fa un altro, e poi un altro, e un altro ancora… Per questo motivo, il punto che si muove lungo il taglio e che abbiamo visto prima allontanarsi e poi avvicinarsi al bordo del foglio ripete questo movimento più e più volte, andando “su e giù” sempre nello stesso modo.

Fatte queste osservazioni, un buon modo per verificare se tutti le hanno interiorizzate può essere quello di chiedere ai ragazzini di disegnare come immaginano il profilo del taglio sul foglio srotolato quando il coltello fosse più o meno inclinato rispetto all’asse del würstel: che cosa rimane uguale a prima? che cosa cambia? come cambia?

Dall’oggetto concreto all’ente matematico

Più sono grandi i ragazzi ai quali ci rivolgiamo, più avrà senso usare i termini specifici del linguaggio della matematica per descrivere i “personaggi” di questo problema:  ecco allora che il würstel diventerà un cilindro, il coltello una sezione piana del cilindro, la “circonferenza allungata” una ellisse, il “profilo” del taglio sul foglio srotolato una sinusoide.

Per i ragazzi della scuola secondaria di secondo grado potrebbe essere un problema interessante quello di determinare la funzione il cui grafico corrisponda al “profilo” del taglio. A chi conosce già un po’ di trigonometria, verranno sicuramente in mente le funzioni seno e coseno, ma… si tratta solo di una somiglianza, o la curva che vogliamo descrivere è proprio una sinusoide? ascissa e ordinata dei punti di questa curva, a cosa dovranno corrispondere sul cilindro? quale funzione lega  l’ascissa e l’ordinata di questi punti? da quali parametri potrebbe dipendere il grafico della funzione trovata?

Cliccando sull’immagine qui sotto, si accederà ad una risorsa condivisa sul portale GeoGebra in cui abbiamo cercato di evidenziare le corrispondenze descritte poco sopra.

e se al posto del würstel mettessimo un altro oggetto?

Una volta compreso perché il foglio tagliato e srotolato mostra un certo “profilo”, avrà senso chiedere (anche a ragazzini più piccoli):

  • e se invece di arrotolare il foglio attorno a un würstel lo arrotolassimo attorno ad un prisma a base rettangolare (ad esempio, una scatola di torrone), quale “profilo” otterremmo con un taglio perpendicolare all’asse del torrone? e con un taglio non perpendicolare all’asse?
  • e se il foglio lo arrotolassimo attorno a una scatola di Toblerone (un prisma a base triangolare) quali “profili” otterremmo nei due casi?

Grazie a domande come queste, l’insegnante potrà capire se gli alunni si sono impadroniti della situazione, se hanno interiorizzato le riflessioni condivise sul perché il profilo del taglio è fatto in un certo modo.
Dal canto loro, i ragazzi potrebbero fare esperienza di una realtà fondamentale: se immaginare la curva nella situazione proposta dal problema sarà stato difficile (o, per qualcuno, impossibile), l’avere analizzato la situazione con occhi da matematici in erba permetterà loro di immaginare adesso situazioni diverse, con maggior consapevolezza e con maggior probabilità di successo.
E, grazie alle stesse domande, gli insegnanti potrebbero capire quanto gli alunni hanno interiorizzato

Un problema di matematica con effetto sorpresa

L’effetto sorpresa di questo problema è quasi garantito e, di fatto, già nei paragrafi precedenti ne abbiamo parlato.

Sotto la supervisione di un adulto sarebbe anche bene che gli alunni potessero sperimentare l’emozione di “fare una sorpresa” a qualcun altro: ai compagni di scuola di altre classi o, a casa, ai fratelli e agli ignari genitori.

L’emozione di “sapere come va a finire” una storia che gli altri non conoscono è una emozione positiva, che infonde sicurezza in chi la prova e che troppo raramente alcuni alunni riescono a provare: questa potrebbe essere l’occasione giusta!

Scenari possibili

I bambini della scuola primaria possono comprendere la richiesta del problema, possono usare la propria immaginazione e poi confrontare il prodotto della propria fantasia con il foglio effettivamente tagliato. Se saranno sinceri, difficilmente ci diranno di aver immaginato correttamente l’effetto del taglio sul foglio di carta, ma non per questo il problema sarà stato per loro poco significativo, anzi! Tutto ciò che si diceva prima a proposito dell’effetto sorpresa sarà sicuramente valido.

I ragazzi della scuola media potranno, probabilmente, descrivere meglio in termini matematici la situazione concreta: il würstel potrà diventare un cilindro, il coltello un piano, il foglio srotolato potrà diventare un altro piano, l’effetto del taglio sul foglio srotolato potrà essere considerato una curva piana. In base alla nostra esperienza, però, ci sentiamo di dire che tutto questo avverrà solo “a posteriori” e che anche per gli alunni della scuola secondaria di primo grado l’effetto sorpresa è garantito.

Studenti di scuola superiore ben abituati a “pensare geometricamente” potrebbero immaginare senza difficoltà la curva generata dalla sezione, ma sono davvero tanti i nostri alunni abituati al “pensiero geometrico”? Se così non fosse, questo problema può essere un primo tassello per aiutarli a riscoprirlo.

Materiale necessario

Non è necessario che gli alunni svolgano in prima persona l’attività descritta in questo problema (ed è comunque sconsigliabile che lo facciano da soli).

Sotto la supervisione di un adulto, però, potrebbe essere interessante che confermassero o falsificassero da soli le proprie ipotesi. In questo caso avranno bisogno di un würstel, un foglio di carta, un tagliere e un coltello.

Problema tratto da…

L’attività che qui abbiamo proposto sotto forma di problema è presentata, con alcune varianti, anche su alcune “fonti autorevoli” che ci piace qui citare.

La prima è Matematica per istantanee di Hugo Steinhaus (Zanichelli, 1994, traduzione italiana di Mathematical Snapshot, la cui prima edizione è del 1938): l’autore proponeva di avvolgere il foglio attorno ad una candela (invece che ad un würstel), ma il problema era sostanzialmente lo stesso.

Un taglio a effetto si ottiene anche se, invece del wurstel, si usa una candela, come proposto da Hugo Steinhaus in Mathematicla Snapshot - Un problema sul cilindro e lo sviluppo sul piano di una sua sezione

La seconda è l’articolo Unwrapping Curves from Cylinders and Cones di Tom M. Apostol e Mamikon A. Mnatsakanian (The Mathematical Association of America, monthly 114, May 2007), in cui viene proposta una variante che sarebbe bello qualche alunno provasse a realizzare, magari riprendendosi in un video. Immergendo parzialmente un rullo in una vaschetta di pittura (in modo che l’asse del rullo non sia né perpendicolare né parallelo al piano della superficie della pittura) e facendo poi scorrere il rullo su una superficie piana, si può ugualmente ottenere il profilo di una sinusoide.

Immergendo un rullo nella pittura si può ottenere una sinusoide, come illustrato da Apostol e Mnatsakanian


I pasticcini

Per un mercatino di beneficenza Luisa si è offerta di preparare dei pasticcini, e con gli ingredienti che aveva in casa è riuscita a farne 38.

Sta pensando a come trasportarli e scopre che si incastrano proprio bene in quei portauova che hanno posto esattamente per 6 uova, perché ogni pasticcino ha dimensione e forma più o meno come un uovo. Decide quindi di usare i portauova come vassoi, perché ne ha in casa tanti e così i pasticcini non si rovinano.

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La calcolatrice ha sempre ragione?

Paolo deve risolvere questo problema:

27 persone devono andare all’aeroporto in taxi. Ogni taxi può trasportare al massimo 5 persone. Quanti taxi bisognerà chiamare?

Paolo fa il calcolo usando la calcolatrice e poi scrive:

Bisognerà chiamare 5,4 taxi.

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Il fregio di Halloween

Le maestre hanno deciso di decorare la scuola primaria di Tuttinfesta, in occasione della festa di Halloween, con un unico lunghissimo fregio che corre sulle pareti dei corridoi e delle aule.

Fregio formato da un modulo di 9 figure che si ripetono con regolarità
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