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Un gioco didattico interdisciplinare per guidare un rover su Marte capendo in modo divertente i problemi relativi al ritardo temporale nelle comunicazioni dell’esplorazione del Sistema Solare. Con questo gioco di simulazione di gruppo, gli studenti toccano con mano l’importanza di un buon lavoro di squadra e della pianificazione, identificando la strategia ottimale delle operazioni a distanza necessarie nella ricerca di acqua su Marte.
Per realizzare l'attività occorrono:
A ciascun gruppo viene distribuito:
E' possibile utilizzare materiali prodotti in proprio al posto degli allegati relativi alle agenzie spaziali.
I segnali radio, gli stessi che si usano per alcune comunicazioni sulla Terra viaggiano alla velocità della luce, che non è infinita, ma molto elevata: circa 300.000 km/s. Così come quando accendiamo una lampadina non ci accorgiamo del tempo che passa tra lo scatto dell’interruttore e la ricezione del segnale luminoso, allo stesso modo quando inviamo un segnale radio sulla Terra, questo copre distanze molto ampie in tempi brevissimi, tanto che ci sembra che l’arrivo a destinazione sia istantaneo: quando guidiamo una macchinina radiocomandata, vediamo che essa risponde istantaneamente ai nostri comandi. Questo è molto comodo: se la macchina radiocomandata sta correndo verso un muro, basterà darle il comando di frenata o sterzata.
La situazione cambia se dobbiamo invece inviare segnali radio ad un rover che si trova sul pianeta Marte: esso, infatti, si trova a 54,6 milioni di km quando è più vicino alla Terra, e a 401 milioni di km quando è più distante.
Questo implica che, per andare dalla Terra a Marte, un segnale radio impiega da 4 a 20 minuti a seconda della posizione reciproca fra i due pianeti (lo stesso ritardo con cui vediamo l’immagine di Marte, se lo osserviamo con un telescopio: non vediamo il pianeta come è adesso, ma come era 4-20 minuti fa). Per tornare sull'esempio di prima, se una macchina radioguidata su Marte sta correndo verso il muro e ci manda un messaggio per chiedere aiuto, noi ce ne accorgiamo con un ritardo tale che, probabilmente, la nostra auto avrà subito l'incidente!
Di grande importanza nell’attuale esplorazione del Sistema Solare è la ricerca di acqua sotto la superficie rocciosa di Marte (2, 3) per mezzo dei rover, che vengono comandati da Terra proprio tramite segnali radio.
Per la vita sul nostro pianeta, infatti, l’acqua è di fondamentale importanza: trovare acqua su un altro pianeta indicherebbe la possibilità che esso sia stato o sia attualmente abitato da esseri viventi, anche molto semplici.
Sempre più numerose sono infatti le evidenze scientifiche che riguardano la presenza di fiumi e laghi nel passato del Pianeta Rosso: le immagini raccolte dalle sonde spaziali mostrano quelli che, dopo un’attenta analisi morfologica, sono stati identificati come letti di antichi fiumi, laghi e mari. Inoltre è recente la scoperta di acqua liquida in laghi sotterranei nelle regioni polari, tramite le osservazioni del radar italiano Marsis dalla sonda Mars Express, dello stesso tipo delle osservazioni che si utilizzano sulla Terra durante le esplorazioni dell’antartide. Questo è reso possibile grazie alle condizioni eccezionali di salinità e pressione (0).
I rover che vengono inviati da Terra sono frutto di collaborazioni spesso internazionali, che comportano il lavoro congiunto di ampi team di scienziati. Una volta abbandonata la Terra, essi potranno essere solamente comandati a distanza e inviare informazioni: in caso di rotture o problemi di altro genere, infatti, non è possibile, per ora, inviare scienziati a ripararli. Molto importante, quindi, è l’adeguata pianificazione del sistema di comunicazione tra rover e centro di controllo, in modo che gli scambi di informazioni siano il più possibile rapidi ed efficaci e che si possano prevenire incidenti.
Le agenzie spaziali si occupano di progettare e attuare queste esplorazioni spaziali. Le più famose in Italia sono la statunitense NASA (1) e l’europea ESA (4,5). Altre agenzie spaziali molto importanti sono la giapponese JAXA e la russa ROSCOSMOS. Il più famoso rover NASA si chiama Curiosity (6), mentre quello ESA, il cui atterraggio è previsto nel 2020, è parte della missione Exomars (7,8).
Il più famoso centro di controllo della NASA si trova a Houston, mentre il centro di controllo per Exomars si trova a Torino (5).
Si preparano i materiali e gli spazi costruendo un rover usando un cartone, forbici, taglierini, colla, nastro adesivo, tempera, pennelli e logo dell’agenzia spaziale preferita. Lo scatolone deve essere aperto sopra e sotto e avere due aperture sui lati per far passare le braccia, oppure vengono realizzate delle bretelle con lo spago.
Si prova il sistema di comunicazione fra rover e centro di controllo in un’area molto limitata (per esempio un’aula o una stanza). Vi si distribuiscono pochi ostacoli e alcune tessere tipo memory acqua-terra, a faccia in giù, nei pressi della zona del Controllo Missione, opportunamente delimitata.
Fasi successive. Si distribuiscono molti ostacoli per tutta l’area di gioco, opportunamente lontana dal Controllo Missione, e molte tessere tipo memory acqua-terra, a faccia in giù.
Aspetti generali. Lo scopo del gioco è trovare l’acqua su Marte. I bambini potranno scegliere fra tre tipi di ruoli: il controllo missione, il rover e i messaggeri, e saranno identificati dai tesserini. Controllo Missione e rover dovranno aiutarsi a vicenda, tramite messaggi con cui il controllo missione darà istruzioni al rover, e il rover comunicherà al controllo missione informazioni sulle caratteristiche del luogo in cui si trova, per raggiungere lo scopo finale.
La comunicazione tra loro avviene tramite dei messaggeri che dovranno fare spola da uno all’altro spostandosi velocemente per portare i messaggi. Il rover dovrà muoversi sul suolo marziano e verificare la presenza di acqua (girando le tessere tipo memory propriamente distribuite) di volta in volta su istruzione del controllo missione quando raggiunge le tessere.
Si spiega alla squadra la missione: far muovere il rover sul suolo marziano alla ricerca dell’acqua, e si invitano i bambini ad accordarsi sulle comunicazioni che verranno scambiate tra rover e centro di controllo. In questa fase si vuole far riflettere gli studenti su un caratteristica peculiare nelle missioni spaziali ovvero l’importanza di una progettazione a Terra, in quanto una volta lanciata la sonda non sarà più possibile intervenire in loco in caso di guasti o malfunzionamenti. Si spiega che nelle missioni reali viene sempre effettuata una prova a Terra, evidenziando che, con questa attività, si ripercorrono correttamente le operazioni effettuate dagli scienziati.
Prima di inviare il rover su Marte, si propone una fase di test sulla Terra: il centro di controllo dovrà inviare alcuni messaggi al rover poco distante da loro, sempre intermediati dal messaggero. Questa fase simula lo scambio di segnali sulla Terra, dove il messaggio arriva molto rapidamente a destinazione e il centro di controllo ha modo di vedere in tempo reale gli effetti delle istruzioni, quindi la possibilità di effettuare correzioni.
Le istruzioni andranno comunque comunicate tramite il messaggero, per evidenziare che la modalità di trasmissione dei segnali è la stessa. In riferimento a questa fase si può raccontare del Rover sovietico a Chernobyl (Vedi sezione “Ulteriori Approfondimenti”).
Gli studenti sono in principio stimolati a definire le regole di comunicazione fra il centro di controllo ed il rover marziano, dando priorità, per esempio, all’incolumità della sonda.
Il rover viene portato sul suolo marziano (la zona lontana dal Controllo Missione) assieme ad almeno un messaggero. Gli viene data istruzione di segnalare al controllo missione di essere atterrato e di essere in buone condizioni. Il rover scrive quindi il primo messaggio al controllo missione e lo spedisce tramite il messaggero, aggiungendo ogni dettaglio che ritiene adeguato.
A questo punto, il controllo missione deve indicare al rover come muoversi in base alle informazioni ricevute dal rover stesso. Viene data piena libertà ai partecipanti di scegliere le informazioni da inviare nei messaggi ed il percorso da seguire. Gli studenti saranno portati ad analizzare la situazione in un’ottica collaborativa fra gruppo “centro di controllo”, gruppo “rover” e gruppo “messaggeri”, al fine di raggiungere l’obiettivo finale nel minor tempo possibile. Qualora il rover segnali di trovarsi in prossimità di un punto adatto alla ricerca di acqua (tessera memory “acqua-roccia”), il controllo missione può dare istruzione di eseguire la ricerca (girare la tessera).
Se il rover urta un ostacolo, è necessario lo scambio di due messaggi di andata e due messaggi di ritorno prima di poter ripartire, per emulare il tempo necessario a capire eventuali danni al rover.
Nel momento in cui l’acqua viene trovata, la missione è conclusa con successo. Se dopo il tempo massimo l’acqua non è stata trovata, il gioco viene fermato.
L’insegnante analizza, insieme agli studenti, le criticità e i punti di forza delle diverse fasi di gioco e dei diversi gruppi di lavoro, suggerendo eventualmente un modo più efficace di procedere con le operazioni. Si chiede ai bambini di ragionare sulle complicazioni insorte anche rispetto alla Fase 1, in cui il rover era ancora sulla Terra. (Vedi “Supplementary material”)
Viene quindi proposta una nuova “manche” per appurare che le criticità nella comunicazione fra i diversi gruppi siano state superate (ripetizione delle fasi 2 e 3) con un tempo di esecuzione minore. In questa nuova manche i ruoli possono essere cambiati o rimanere gli stessi.
Le conoscenze acquisite vengono consolidate attraverso una conversazione e riflessione nello stile del dialogo matematico con l’insegnante basata sulle seguenti domande:
Con l’insegnante, fare un parallelo tra i problemi visti durante il gioco e le situazioni reali che possono presentarsi nella missione spaziale.
Domande come queste possono in alternativa essere poste sotto forma di verifica scritta a risposta multipla o aperta.
L’attività può essere inserita direttamente all’interno del programma di Scienze delle scuole Primarie o Secondarie Inferiori
Questa attività presenta molti aspetti di multidisciplinarietà e può essere ad esempio inserita all’interno di un progetto sullo spazio in quanto unisce aspetti scientifici e geografici con l’attività motoria e può essere anche un laboratorio di lingua italiana (nella sua fase di pianificazione e composizione dei messaggi).
La parte di preparazione dei rover può essere proposta agli studenti (tecnologia-arte).
Si riportano qui sotto aspetti contenuti nelle linee Guida Nazionali per la classe quinta della scuola primaria che vengono toccati da questa attività. - la formazione della classe come gruppo, la promozione dei legami cooperativi fra i suoi componenti, la gestione degli inevitabili conflitti indotti dalla socializzazione. - fornire stimoli per sviluppare il pensiero analitico e critico, imparare ad imparare, coltivare la fantasia e il pensiero originale, confrontarsi per ricercare significati e condividere possibili schemi di comprensione della realtà, riflettendo sul senso e le conseguenze delle proprie scelte. - ITALIANO: Padroneggia e applica in situazioni diverse le conoscenze fondamentali relative all’organizzazione logico-sintattica della frase semplice, alle parti del discorso (o categorie lessicali) e ai principali connettivi. Usa un registro linguistico appropriato alle diverse situazioni. GEOGRAFIA: Gli allievi devono attrezzarsi di coordinate spaziali per orientarsi nel territorio, abituandosi ad analizzare ogni elemento nel suo contesto spaziale e in modo multiscalare. L’alunno si orienta nello spazio circostante utilizzando riferimenti topologici e punti cardinali
MATEMATICA: Le conoscenze matematiche contribuiscono alla formazione culturale delle persone e delle comunità, sviluppando le capacità di mettere in stretto rapporto il «pensare» e il «fare» e offrendo strumenti adatti a percepire, interpretare e collegare tra loro fenomeni naturali, contribuisce a sviluppare la capacità di comunicare e discutere, di argomentare in modo corretto, di comprendere i punti di vista e le argomentazioni degli altri. Nella scuola primaria si potrà utilizzare il gioco, che ha un ruolo cruciale nella comunicazione, nell’educazione al rispetto di regole condivise, nell’elaborazione di strategie adatte a contesti diversi. Descrive, denomina e classifica figure in base a caratteristiche geometriche, ne determina misure,
SCIENZE: L’osservazione dei fatti e lo spirito di ricerca dovrebbero caratterizzare anche un efficace insegnamento delle scienze e dovrebbero essere attuati attraverso un coinvolgimento diretto degli alunni incoraggiandoli a progettare esperimenti/esplorazioni seguendo ipotesi di lavoro e a costruire i loro modelli interpretativi. La ricerca sperimentale, individuale e di gruppo, rafforza nei ragazzi la fiducia nelle proprie capacità di pensiero, la disponibilità a dare e ricevere aiuto, l’imparare dagli errori propri e altrui, l’apertura ad opinioni diverse e la capacità di argomentare le proprie. Le esperienze concrete potranno essere realizzate in aula o in spazi adatti: laboratorio scolastico, ma anche spazi naturali o ambienti raggiungibili facilmente. L’alunno sviluppa atteggiamenti di curiosità e modi di guardare il mondo che lo stimolano a cercare spiegazioni di quello che vede succedere.
EDUCAZIONE FISICA: Nel primo ciclo l’educazione fisica promuove la conoscenza di sé e delle proprie potenzialità nella costante relazione con l’ambiente, gli altri, gli oggetti. L’attività sportiva promuove il valore del rispetto di regole concordate e condivise e i valori etici che sono alla base della convivenza civile. Sperimenta una pluralità di esperienze che permettono di maturare competenze di giocosport.
L’attività può essere adattata a un target diverso, per ragazzi di scuole secondarie inferiori o superiori. In tal caso, è possibile sostituire l’invio di messaggi verbali con un’attività di programmazione informatica o crittografia.
Con questa attività abbiamo voluto far capire in modo giocoso i problemi relativi al ritardo temporale nell’esplorazione del Sistema Solare, in particolare nella ricerca di acqua su Marte. I ragazzi hanno toccato con mano l’importanza di una buona progettazione e di una strategia ottimale nella pianificazione di operazioni a distanza.
L’auto-educazione e l’auto-apprendimento tra i ragazzi rappresenta il mezzo principale attraverso il quale questa esperienza didattica viene svolta.
Fatti realmente accaduti: - Soluzione del problema relativo alla “talpa” della sonda Insight: https://tech.everyeye.it/notizie/talpa-marte-ce-fatta-sottoterra-450552.html- Problema relativo alla conversione di unità di misura del Mars Climate Orbiter: https://it.wikipedia.org/wiki/Mars_Climate_Orbiter- Tentativo di liquidazione dei detriti radioattivi di Chernobyl tramite il rover lunare sovietico Lunokhod: https://it.wikipedia.org/wiki/Mars_Climate_Orbiter
Finzione cinematografica: - Il protagonista del film “The Martian” recupera la sonda Pathfinder per inquadrare cartelli e comunicare con la Terra: https://www.youtube.com/watch?v=DqfnMzDhi38
Informazioni di background: https://www.focus.it/scienza/scienze/velocita-della-luce-newshttps://www.jpl.nasa.gov/news/fact_sheets/mars-science-laboratory.pdf
