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Les travaux pratiques en classe de seconde
IUFM DE BOURGOGNE CONCOURS DE RECRUTEMENT : Professeur certifié en Sciences Physiques Les travaux pratiques en classe de seconde De l’expérience à la construction des savoirs, quelle activité proposer aux élèves ? « Apprendre ! « Je sais apprendre... mais sais-je faire apprendre ? Mais au fait, qu’est-ce qu’"apprendre" ? André Giordan HENON Fabien DISCIPLINE Sciences Physiques DIRECTEUR DE MEMOIRE M. Gérard GOUTHIÈRE ANNEE 2006 N° de Dossier : 0368454 U 1 SOMMAIRE Page 3 INTRODUCTION 4 PREMIERE PARTIE Les objectifs de l’enseignement des sciences physiques et des séances de travaux pratiques tels que les textes officiels les décrivent. I) Les objectifs visés par l’enseignement des sciences physiques. II) Ce qui va être difficile pour les élèves. III) Les compétences transversales à développer. IV) Les rôles des activités expérimentales dans l’enseignement des sciences physiques. V) Les conditions nécessaires pour que l’enseignement expérimental remplisse pleinement son rôle. 4 4 4 5 6 DEUXIEME PARTIE 7 Bilan des activités expérimentales réalisées avec ma clase de seconde. I) La classe de seconde 8. II) L’évaluation des activités expérimentales. III) Ce que les élèves pensent des rôles de TP dans l’enseignement des Sciences Physiques. 7 7 8 13 TROISIEME PARTIE Des activités conçues dans le but de mettre l’élève en situation d’effectuer une véritable démarche scientifique et de construire ses savoirs. I) Préparation d’une séance d’investigation en classe entière. II) Réalisation de la séance d’investigation avec la classe de mon conseiller pédagogique. III) Réalisation de la séance d’investigation avec ma classe. IV) La séance de Travaux Pratiques. V) Cours en classe entière : synthèse du TP. VI) L’histoire des sciences pour expliquer les difficultés que les élèves ont à faire évoluer leurs représentations. 13 14 17 19 21 22 24 QUATRIEME PARTIE Une deuxième activité conçue dans le même but et les problèmes engendrés par cette démarche. I) Le thème de la quantité de matière pour réaliser une autre démarche d’investigation. II) La réalisation de la démarche d’investigation. III) Les problèmes rencontrés pendant cette séance. 24 24 29 30 CONCLUSION 2 INTRODUCTION La physique chimie est une discipline qui propose une interprétation des phénomènes naturels. Enseigner les sciences physiques, c’est permettre aux élèves l’apprentissage des concepts, lois et théories qui régissent ces phénomènes. L’histoire des sciences nous apprend que les savoirs actuels ont fait l’objet d’hypothèses inspirées par l’observation et le questionnement des scientifiques. C’est toujours l’expérience qui a permis de valider ces hypothèses et d’en faire des lois. Il est donc naturel que les activités expérimentales tiennent une place importante dans l’enseignement des sciences physiques. En seconde, quarante pour cent du temps consacré à l’enseignement de cette discipline est dédié aux séances de Travaux Pratiques. Lors de mes premières semaines de pratique professionnelle, j’ai été confronté aux difficultés rencontrées par les élèves à s’approprier les savoirs à acquérir ; difficultés que j’avais moi-même rencontré étant élève. Je me suis alors interrogé sur l’efficacité réelle des séances de travaux pratiques dans cet apprentissage. C’est le problème posé dans cette étude : quelle conduite à suivre en travaux pratiques pour que ces séances constituent un temps fort pendant lequel les élèves ne seraient plus simplement des exécutants passifs et extérieurs à l’activité que j’avais l’habitude de leur proposer. Comment faire en sorte que cette activité leur permette de construire efficacement et solidement leur savoir tout en développant chez eux « l’esprit scientifique » Dans une première partie, il m’ a semblé indispensable de rappeler les objectifs de l’enseignement des sciences physiques et en particulier ceux des séances de travaux pratiques tels que les textes officiels les décrivent. Dans une deuxième partie, je présenterai la classe qui m’est confiée et tenterai de faire un bilan des activités expérimentales déjà réalisées. Dans une troisième partie, je présenterai une activité conçue dans le but de mettre l’élève en situation d’effectuer une véritable démarche scientifique et de construire ses savoirs. Dans une quatrième partie, je présenterai une deuxième activité conçue dans le même but et les problèmes liés à cette démarche. Enfin, je tenterai d’en tirer les conclusions. 3 PREMIERE PARTIE : LES OBJECTIFS DE L’ENSEIGNEMENT DES SCIENCES PHYSIQUES ET DES SEANCES DE TRAVAUX PRATIQUES TELS QUE LES TEXTES OFFICIELS LES DECRIVENT. Préambule Les textes officiels (B.O 2000) précisent : - Les objectifs visés par l’enseignement des sciences physiques - Ce qui va être difficile pour les élèves - Les compétences transversales à développer - Les rôles des activités expérimentales dans l’enseignement des sciences physiques - Les conditions nécessaires pour que l’enseignement expérimental remplisse pleinement son rôle I) Les objectifs visés par l’enseignement des sciences physiques Offrir à chacun, futur scientifique ou pas, une culture de base dans un domaine de la connaissance indispensable à la compréhension du monde qui nous entoure, et ceci à une époque où nous sommes confrontés à des choix de société. - Faire comprendre ce qui différencie la science des autres domaines de la connaissance, par une pratique de la démarche scientifique, - Faire apparaître les liens entre l'activité scientifique et le développement technologique qui conditionne notre vie quotidienne, - Permettre à chaque lycéen de s'orienter, selon ses goûts, vers des études scientifiques jusqu'au baccalauréat et au delà, en tentant d'enrayer une certaine désaffection pour la physique, constatée récemment dans plusieurs pays occidentaux. II) Ce qui va être difficile pour les élèves Par rapport au collège, l'approche de ces disciplines au cours des années de lycée doit marquer une certaine rupture : c'est en effet au lycée qu'il faut amener les élèves à comprendre que le comportement de la nature s'exprime à l'aide de lois générales qui prennent l'expression de relations mathématiques entre grandeurs physiques bien construites. L'utilisation du langage mathématique qui, selon le mot de Galilée, est celui de la nature, mérite un soin particulier : même si, à un stade avancé d'analyse d'une situation physique c'est ce langage qui permet de faire des prédictions quantitatives ou de découvrir des effets qualitatifs inattendus, il ne se substitue pas à l'utilisation de la langue naturelle, qui demeure celle de la question que l'on se pose et de la compréhension qualitative d'un phénomène. Une expérience correspond toujours à une interrogation du type : si, dans telle situation, je fais ceci, que va-t-il se passer et pourquoi ? Apprendre à formuler de telles questions fait déjà partie de l'apprentissage des sciences qui ne doit pas privilégier la manipulation mathématique. La réponse à ces questions implique un double mouvement : du langage naturel au langage formel, puis retour du langage formel au langage naturel, qui caractérise le rôle des mathématiques dans les sciences exactes, et plus particulièrement en physique. 4 III) Les compétences transversales à développer Les compétences à acquérir ne se résument pas à des connaissances et savoir-faire strictement disciplinaires. L'élève doit être également capable d'utiliser d'autres compétences qui, sauf indications contraires, sont à acquérir tout au long du cycle secondaire. - Compétences liées à la langue française : o Trier des informations, décrire une expérience, un phénomène, utiliser un vocabulaire scientifique, rédiger une argumentation en utilisant à bon escient les conjonctions car, donc, si, alors, etc… - Compétences liées au langage mathématique : o Comprendre l'intérêt du calcul littéral, utiliser les puissances de 10, utiliser la relation de proportionnalité, construire un graphique à la main et savoir l'utiliser , utiliser quelques notions de géométrie simple, utiliser les notions simples de statistiques du programme de mathématique (valeur moyenne et largeur). - Compétences liées aux technologies de l'information et de la communication : o Utiliser l'ordinateur pour acquérir des données expérimentales, utiliser un tableur ou un logiciel dédié aux traitements des résultats expérimentaux et les présenter graphiquement, utiliser l'ordinateur pour confronter des résultats expérimentaux à des valeurs théoriques , savoir ce qu'est une simulation et la distinguer clairement de résultats expérimentaux, être capable d'effectuer une recherche documentaire et critique sur un cédérom et sur internet (en ligne et hors ligne), produire des documents (avec éventuellement des liens entre eux) incorporant images et graphiques, être capable, dans le cadre de travaux collectifs, d'échanger ces documents par courrier électronique. Ces compétences doivent être mises en jeu plusieurs fois dans l'année lors des séances de travaux pratiques. IV) Les rôles des activités expérimentales dans l’enseignement des sciences physiques Les activités expérimentales s’articulent autour de deux pôles distincts : - L'expérience de cours - La séance de travaux pratiques au cours de laquelle l'élève doit manipuler seul ou en binôme. - Dans les deux cas l’enseignement expérimental doit offrir la possibilité à l’élève : d’établir un premier rapport entre le réel et sa représentation De répondre à une situation-problème par la mise au point d'un protocole De réaliser ce protocole D'aller-retour entre théorie et expérience, l'exploitation des résultats. De confronter ses représentations avec la réalité. D’observer en éveillant sa curiosité. 5 - De développer l'esprit d'initiative, la ténacité et le sens critique. De réaliser des mesures, de réfléchir sur la précision de ces mesures D'acquérir la connaissance de quelques ordres de grandeur. De s'approprier des lois, des techniques, des démarches et des modes de pensée. De formuler une hypothèse sur : un événement susceptible de se produire ou de s’être produit et un paramètre pouvant jouer un rôle dans un phénomène. De proposer une expérience susceptible de valider ou d’infirmer une hypothèse et répondant à un objectif précis. D’analyser des résultats expérimentaux, les confronter à des résultats théoriques De déterminer le domaine de validité d’un modèle. De respecter les consignes : protection des personnes et de l’environnement. D’agir en suivant un protocole fourni De faire le schéma d’une expérience. De reconnaître, nommer, choisir et utiliser le matériel de laboratoire (verrerie, instruments de mesure…). Exprimer un résultat avec un nombre de chiffres significatifs compatibles avec les conditions de l’expérience. Faire l’étude statistique d’une série de mesures indépendantes en utilisant une calculatrice ou un tableur. Utiliser les technologies de l’information et de la communication. V) Les conditions nécessaires pour que l’enseignement expérimental remplisse pleinement son rôle - - Trois conditions sont nécessaires : Les élèves doivent savoir ce qu'ils cherchent, anticiper (quitte à faire des erreurs) un ou des résultats possibles, agir, expérimenter, conclure et ainsi élaborer leurs connaissances. L'enseignant doit veiller à bien définir les objectifs de contenus et à limiter le nombre des compétences mises en jeu dans une séance de TP afin de bien dégager les notions qu'il veut faire acquérir. Avant toute entrée dans le processus de résolution et d'expérimentation, il doit vérifier, lors du débat, que les élèves ont bien compris la question et/ou les termes du problème à résoudre. La pratique expérimentale dans l'enseignement ne favorise la formation de l'esprit scientifique que si elle est accompagnée d'une pratique du questionnement et de la modélisation. Cette première partie nous montre que les compétences à développer pendant les séances de travaux pratiques sont nombreuses et ambitieuses. Elle met aussi l’accent sur l’importance du questionnement chez l’élève, qui va le placer en situation de recherche de solutions. 6 DEUXIEME PARTIE : BILAN DES ACTIVITES EXPERIMENTALES REALISEES AVEC MA CLASSE DE SECONDE Mon stage en responsabilité s’effectue au lycée Pontus de Tyard de Chalon sur Saône où j’ai en charge une classe de seconde. I) La classe de seconde 8 Informations générales Nombre d’élèves 31 Nombre de redoublants 7 Option majoritairement choisie SES Sections envisagées en début d’année 1ère S 10 1ère SES 12 ère 1 L 2 autres 7 Emploi du temps 1 heure de cours le lundi de 16h à 17h 1 heure de cours le mardi de 15h à 16h 1,5 heure de TP en demi groupe le vendredi de 13h à 16h Analyse des résultats du premier trimestre Moyenne de la classe en physique chimie 12,7 Moyenne la plus haute 5,3 Moyenne la plus basse 18,1 Nombre d’élèves en-dessous de la moyenne 12,7 Cette classe semble très hétérogène du point de vue de l’intérêt et des aptitudes dans cette discipline. Elle a par ailleurs focalisé l’attention des équipes pédagogiques et administratives par le nombre d’interventions rendues nécessaires par les problèmes de discipline. II) L’évaluation des activités expérimentales Les élèves travaillent seuls ou en binômes et rédigent systématiquement un compterendu. A la fin de la séance, je ramasse un compte-rendu par binôme et je leur mets une appréciation. A : Travail excellent (note : 5/5) B : Travail correct (note : 4/5) C : Travail moyen (note : 3/5) D : Travail insuffisant (note : 2/5) A la fin du trimestre, les élèves ont tous une note de TP correspondant à la moyenne des notes reçues pendant le trimestre. Cette note correspond à une évaluation formative qui est prise en compte dans la moyenne trimestrielle sans lui donner un poids très important. 7 Pourquoi ces évaluations formatives ? Les buts sont multiples : - Permettre aux élèves d’avoir des notes de TP motivantes. - Les amener à rédiger avec soin leur compte-rendu de TP. - Me rendre compte du degré de compréhension atteint par les élèves. - Déceler les difficultés rencontrées pour y remédier dans la séance suivante de cours en classe entière Le TP est en général conçu comme une approche des notions à connaître. C’est la séance de cours qui suit dans l’emploi du temps qui me permet d’exploiter les expériences réalisées et de formaliser les savoirs. Le fait de ramasser systématiquement les compte-rendus de TP va me permettre d’adapter le contenu de mon cours. Je peux être amené à reprendre en classe une expérience dont l’interprétation semble avoir posé problème aux élèves. Je suis parfois surpris par le contenu des compte-rendus : les élèves ont souvent de grosses difficultés à formuler leurs observations. La lecture de ces comptes-rendus ainsi que l’observation de l’activité des élèves met en évidence un problème majeur qui contrarie les apprentissages : professeur débutant, je partais du principe que mes élèves maîtrisaient les compétences transversales (Mathématiques et Français en particulier). Or j’ai constaté que dans cette classe ce n’est généralement pas le cas. Ces difficultés ont souvent fait obstacle à la compréhension du phénomène physique que l’expérience aurait du mettre en évidence. Il en résulte pour les élèves m’a-t-il semblé, un décrochage faisant passer l’élève dans une attitude passive. En fait, il ne perçoivent plus leur activité comme un moyen de relier la théorie et le concret. Ils ne saisissent pas la place privilégiée qu’occupe l’expérience dans l’élaboration d’un modèle ou d’une théorie. Ils ne vont donc pas remettre leur conception initiale en question et vont se limiter à faire le travail demandé sans être capables d’interpréter les résultats expérimentaux. Ce constat m’a conduit à questionner les élèves afin de confronter mon sentiment à la perception qu’ils ont de l’activité expérimentale. III) Ce que les élèves pensent des rôles des TP dans l’enseignement des sciencesphysiques Pour connaître le point de vue des élèves sur les rôles des TP dans l’enseignement des sciences physiques, j’ai choisi de leur demander leur avis sous forme d’un questionnaire à remplir. Le questionnaire Ce questionnaire reprend les différents rôles que les activités expérimentales doivent avoir d’après les textes officiels. Cependant dans la formulation des questions, j’ai fait appel à mon souvenir d’élève en tentant de m’approcher de leurs représentations. Ce questionnaire s’intitule « d’après vous, à quoi servent les séances de TP dans l’enseignement des sciences physiques » et il est remis aux élèves le lundi 4 janvier 2006. 8 A ce stade de l’année, les élèves ont déjà réalisé 12 TP (voir annexe n°1) et ils ont donc suffisamment de recul pour pouvoir donner leur opinion. Comme les rôles des activités expérimentales sont nombreux, le questionnaire comporte beaucoup de questions : 16 au total. Pour que ce questionnaire ne soit pas trop compliqué à remplir, je demande aux élèves de répondre par « beaucoup », « un peu », ou « pas du tout » à chaque question. Je leur laisse aussi la possibilité de me donner un exemple pour illustrer leur réponse. Je leur demande enfin si d’après eux, les TP servent à d’autres choses. La présentation du questionnaire aux élèves Je décide de consacrer une dizaine de minutes à la présentation du questionnaire en classe entière. J’explique aux élèves que je réalise une étude sur l’intérêt des TP dans l’enseignement des sciences physiques et que je souhaite connaître leur opinion à ce sujet. Je leur explique alors que je leur ai préparé un questionnaire et que je souhaite qu’ils y répondent sérieusement. Je leur distribue le questionnaire et je leur fais relire les questions pour être sûr qu’ils comprennent bien de quoi il s’agit. Je leur donne ce travail à faire à la maison et ils ont une semaine pour y répondre. Pour être sûr que le travail soit fait sérieusement je leur demande de mettre leur nom en leur précisant bien qu’ils sont libres de marquer ce qu’il leur plaît. Mes craintes au sujet de ce questionnaire J’ai peur que les élèves répondent « beaucoup » à chaque question ce qui ne me permettrait pas d’exploiter leurs réponses. Je pense que les élèves vont avoir du mal à trouver un exemple pour argumenter leur réponse. J’espère quand même qu’ils y parviendront. Les réponses attendues dans ce questionnaire Je pense que les élèves ont conscience des problèmes liés aux compétences transversales rencontrées lors des TP précédents et je m’attends à ce qu’ils répondent « beaucoup » aux questions qui s’y réfèrent. Malgré ces à priori, je reste très impatient de récolter ces informations. 9 L’analyse des réponses du questionnaire La semaine suivante les 31 questionnaires sont récupérés : voir annexe n°2. Je peux commencer l’analyse des réponses. Beaucoup Un peu Pas du tout A ce que l’apprentissage de la physique chimie soit plus agréable 25 5 0 A être plus actif qu’en cours 16 13 1 A travailler en autonomie en suivant des consignes données par écrit 13 13 3 A travailler en binôme 22 8 0 A faire les bons gestes pour manipuler 24 6 0 A apprendre à respecter des règles de sécurité 21 8 1 A vérifier que la théorie apprise en cours se vérifie concrètement 15 13 2 A découvrir un phénomène qui sera ensuite étudié en cours 15 13 1 A observer un phénomène et à l’analyser 20 10 0 A comprendre un phénomène qu’on aura soi même expérimenté 16 12 1 A mieux mémoriser les notions à connaître 20 8 2 A rendre compte de ses observations en rédigeant un compte-rendu 17 10 2 A développer l’esprit critique : être capable de juger si les résultats trouvés sont possibles 5 21 4 A développer des connaissances liées à la langue française 0 15 15 A développer des connaissances liées au langage mathématique 7 23 1 A développer l’informatique 0 18 11 des connaissances liées 10 à Les grandes tendances Les résultats sont en fait assez surprenants, et des grandes tendances semblent ressortir de cette étude. Je décide de regrouper les réponses des élèves en fonction de leur nombre afin de les commenter. - Plus de 20 élèves considèrent que les séances de TP servent beaucoup : A ce que l’apprentissage de la physique chimie soit plus agréable A travailler en binôme A faire les bons gestes pour manipuler A apprendre à respecter des règles de sécurité A observer un phénomène et à l’analyser A mieux mémoriser les notions à connaître Plus de 20 élèves considèrent que les séances de TP ne servent pas du tout : A développer l’esprit critique : être capable de juger si les résultats trouvés sont possibles A développer des connaissances liées au langage mathématique Pour certaines questions, la majorité des élèves est mitigée entre « beaucoup » et « un peu » - A être plus actif qu’en cours - A travailler en autonomie en suivant des consignes données par écrit - A vérifier que la théorie apprise en cours se vérifie concrètement - A découvrir un phénomène qui sera ensuite étudié en cours - A comprendre un phénomène qu’on aura soi même expérimenté - A rendre compte de ses observations en rédigeant un compte-rendu Pour d’autres questions, la majorité des élèves est mitigé entre « un peu » et « pas du tout » - A développer des connaissances liées à la langue française - A développer des connaissances liées à l’informatique Interprétation de certains résultats qui m’ont surpris. Un des points très intéressant est que la majorité des élèves trouvent que l’apprentissage de la physique chimie est plus agréable en TP. Je m’en réjouis car je n’en étais pas persuadé avant de faire cette étude. - Je suis surpris que les élèves dans leur grande majorité pensent que les TP ne servent pas à développer des connaissances en informatique car nous avons réalisé plusieurs TP où nous avons effectué des recherches sur Internet et où nous avons utilisé des logiciels d’exploitation spécifique. - Il en est de même sur les connaissances liées au langage mathématique. J’explique ce résultat par le fait que la question n’a pas été bien comprise. Les mathématiques ne sont probablement pas un langage dans l’esprit des élèves. J’aurais du changer cette question et la remplacer par « mieux maîtriser les mathématiques ». 11 - A la question « pensez-vous que les TP servent à être plus actifs qu’en cours », les réponses confirment malheureusement mes impressions. En effet, la moitié des élèves ne considèrent pas le TP comme une séance où ils sont actifs. - Comme je l’avais imaginé, les élèves n’ont pour la plupart pas pu donner d’exemples pour illustrer leurs réponses. Ils ont par contre fait quelques commentaires (voir annexe n°3) - Ils ne m’ont pas non plus donné d’autres rôles que les TP auraient pu avoir. Pour trois questions différentes, les élèves m’ont expliqué qu’ils avaient du mal à comprendre : « à vérifier que la théorie apprise en cours se vérifie concrètement, à découvrir un phénomène qui sera ensuite étudié en cours, à comprendre un phénomène qu’on aura soi même expérimenté ». Je pense que le terme de phénomène est encore beaucoup trop abstrait pour eux. Conclusion Le TP reste avant tout un moment où on manipule. Les élèves ne semblent pas parvenir à faire le lien entre la théorie et l’expérience, ce sont pour eux deux choses différentes. Ils semblent avoir beaucoup de mal à comprendre ce qu’ils font vraiment en physique chimie : étudier et modéliser les phénomènes naturels. Le terme de phénomène semble être en lui même très difficile à assimiler. 12 TROISIEME PARTIE : DES ACTIVITES CONÇUES DANS LE BUT DE METTRE L’ELEVE EN SITUATION D’EFFECTUER UNE VERITABLE DEMARCHE SCIENTIFIQUE ET DE CONSTRUIRE SES SAVOIRS. Afin d’optimiser l’activité des élèves pendant les séances de TP, mon conseiller pédagogique, m’a proposé de précéder un TP d’une séance d’investigation. L’idée étant de laisser plus de temps aux élèves pour s’approprier un problème et d’arriver à les faire découvrir eux-mêmes les expériences à réaliser pour résoudre ce problème. Ainsi, les élèves trouveraient plus de sens au thème qui leur est proposé et seraient plus actifs pendant les séances de TP. Afin d’analyser au mieux l’impact d’une démarche d’investigation sur les élèves, je décide de décomposer mon étude en trois temps : • Réalisation d’une séance d’investigation en classe entière • Réalisation du TP en demi groupe • Réalisation de la synthèse en classe entière I ) Préparation d’une séance d’investigation en classe entière Comme nous avons tous les deux des classes de seconde assez différentes, nous avons souhaité réaliser cette séance d’investigation avec ces deux classes. Nous pourrions alors avoir un point de vue plus objectif sur cette nouvelle manière d’appréhender l’enseignement de la science physique avec des élèves de seconde. Nous souhaitions aussi voir les effets que cela aurait sur les élèves pendant la séance en classe entière. Mon conseiller pédagogique sera l’acteur et moi l’observateur dans sa classe et cela sera le contraire pour la mienne. Le thème choisi pour la séance d’investigation Mon conseiller pédagogique a choisi d’élaborer une situation problème sur le thème de la relativité du mouvement. le vendredi 6 janvier 2006, nous allions la mettre en pratique avec sa classe, et le lundi 8 janvier 2006 avec la mienne. Les objectifs déclarés de ces séances d’investigation sont doubles - Arriver à ce que les élèves comprennent par eux-même qu’il est nécessaire de définir le référentiel (l’observateur), le système (l’objet dont on veut suivre le mouvement) et la trajectoire d’un point (position successive que va prendre ce point au cours du temps) pour décrire un mouvement. - Faire imaginer aux élèves des expériences à réaliser en TP pour vérifier des mouvements qu’ils auront eux-même imaginés. Les objectifs non déclarés D’autres buts non déclarés sur le papier mais tout aussi importants sont aussi à atteindre : - Leur donner envie de réaliser le TP en lui donnant plus de sens. 13 - Leur faire comprendre un des rôles du TP en physique chimie : Réaliser l’expérience pour voir si ce qu’on s’imagine est juste ou faux. Pour cela, nous devions les confronter à une situation problème simple en apparence mais beaucoup plus compliquée qu’il n’y paraît quand on ne peut qu’imaginer l’expérience. Description de la situation problème: Antoine roulant à bicyclette à vitesse constante sur une piste horizontale lâche une balle B sans la lancer. Aline, immobile sur le trottoir, regarde passer Antoine. 1. Comment Aline et Antoine peuvent-ils décrire le mouvement du point B, centre de la balle, du point G situé sur le guidon et d’un point A situé à la périphérie du pneu ? 2. Quelle expérience avec une caméra proposeriez-vous pour vérifier vos hypothèses ? Seules ces quelques lignes illustrées par un petit dessin (voir annexe n°3) sont distribuées aux élèves de manière à ce que la situation soit la plus claire possible. Cette activité d’une durée d’une heure devait se dérouler en cinq temps : - Présentation de la situation problème - Appropriation du problème par les élèves - Formulation de conjectures, de protocoles - Echange autour des propositions élaborées - Synthèse II) Réalisation de la séance d’investigation avec la classe de mon conseiller pédagogique Contexte Nous sommes dans une grande salle de TP où les élèves peuvent facilement se regrouper pour réfléchir à ces différentes situations. La classe est composée de 26 élèves et la séance a lieu le vendredi de 11 h à 12h. Présentation de la situation problème Mon conseiller pédagogique explique en quoi va consister la séance et distribue l’activité à chaque élève. Pour s’assurer que les élèves ont bien compris le problème, il fait lire la situation à voix haute un élève et les questions posées en demandant si cela leur parait simple. Il divise alors la classe en sept groupes de trois à quatre personnes et il explique que chaque groupe devra désigner un rapporteur. Celui-ci devra aller écrire les différentes propositions au tableau après une vingtaine de minutes de réflexion. Pendant ce temps il explique qu’exceptionnellement nous allions être deux professeurs à passer dans chaque groupe pour les aider à répondre aux questions. La réaction des élèves A priori les élèves ne perçoivent pas de problème et trouvent ça très ludique. Il ne voient d’ailleurs même pas vraiment l’intérêt de ces questions : Il n’y a pas de difficulté à décrire les mouvements d’un cycliste, d’une balle lâchée et d’une roue de vélo. Il n’y a pas 14 non plus de difficulté à imaginer un protocole avec des caméras pour vérifier nos dires et de toute façon à quoi bon, le problème est tellement simple ! Et pourtant, la situation va être bien plus compliquée qu’elle n’y paraît.… Appropriation du problème par les élèves : Nous les laissons alors réfléchir un peu et nous commençons à passer dans les groupes pour vérifier que les élèves ont bien compris le problème. Nous leur demandons alors quels mouvements et quelles expériences le rapporteur va proposer au tableau et là les élèves ont l’air beaucoup plus embêtés. Ils ne sont pas tous d’accord et ils ne voient plus très bien ce qu’on attend d’eux car en fait c’est quoi un mouvement ? Au niveau des différents mouvements Même si pour la plus part des élèves, le mouvement attendu est en fait une trajectoire (qu’il n’appelle pas comme ça), pour d’autres, les réponses sont « il bouge pour Aline et ne bouge pas pour François ». De plus, les élèves ne perçoivent pas directement que les mouvements ne seront pas perçus de la même manière par Aline et François et chaque élève a une idée de mouvement différente. Il faut alors leur faire remarquer que le mouvement du guidon n’est pas le même pour Aline et pour François et qu’il en est de même pour la balle et le point de la roue. Ils arrivent alors assez vite à comprendre qu’ils sont confrontés à six situations et qu’ils ont en fait six trajectoires à décrire. Mouvement / Antoine point B : trajectoire point G : trajectoire point A : trajectoire Mouvement / Aline point B : trajectoire point G : trajectoire Point A : trajectoire Mais les élèves se posent alors d’autres questions auxquelles nous n’avions pas pensé : - Quelle est la direction, le sens et la vitesse du vent ? ! - Y a t-il des bosses sur la route ?! Nous leur répondons alors qu’il n’y a pas de vent et que la route n’a pas de bosse. En continuant notre tour dans les groupes, beaucoup d’élèves veulent représenter la trajectoire de la balle avant et après le rebond, nous leur expliquons alors qu’on s’intéresse uniquement à la trajectoire de la balle avant le rebond. Au niveau des expériences Ce sont à peu près les mêmes réactions que pour les mouvements, à partir du moment où il y a débat dans le groupe, on n’est plus sûr de rien ! certains élèves veulent utiliser 3 caméras (1 par point dont on veut étudier le mouvement), d’autres veulent en utiliser 2, une sur les yeux d’Aline et l’autres sur les yeux de François et ils se rendent alors compte que cela nécessite d’y réfléchir à deux fois ! Formulation de conjectures, de protocoles. Chaque groupe travaille en autonomie et les élèves doivent maintenant débattre sur les différentes propositions qui émergent au sein du groupe. Ils doivent se fixer sur l’idée majoritaire pour l’exposer au tableau. 15 Certains vont alors proposer des dessins et d’autres vont préférer décrire les mouvements avec des mots. Echange autour des propositions élaborées : Après les avoir laissés chercher, s’être approprié le problème, s’être fixé sur six idées de mouvement et avoir établi des protocoles expérimentaux, mon conseiller pédagogique demande aux rapporteurs de venir représenter les idées du groupe au tableau. Le tableau a été au préalable divisé en sept et tous les rapporteurs peuvent écrire simultanément. Une fois le tableau complété, le rapporteur du groupe doit expliquer oralement pourquoi il a choisi d’écrire ou de dessiner telle ou telle trajectoire puis pourquoi il a choisi tel ou tel protocole expérimental. Analyse des propositions au niveau des mouvement - Deux mouvements sont très bien perçus : trajectoire du point G vu par Aline (rectiligne horizontale) et trajectoire du point G vu par Antoine (aucune car immobile) - Par contre certaines propositions sont très surprenantes : La trajectoire décrite par le point A vu par Aline et par Antoine va dépendre de la vitesse du vélo ! Si le vélo va vite la trajectoire dessinée est : Si le vélo va lentement, la trajectoire dessinée est : − Les bonnes propositions (cycloïde pour Aline et circulaire pour Antoine) ne sont pas données. En effet, pour cette dernière trajectoire, les élèves expliquent qu’à certains moments le point va disparaître de la vue d’Antoine pour réapparaître après. − Le mouvement de la balle lâchée par Antoine va elle aussi dépendre de la vitesse du vélo ! La balle va tantôt tomber devant tantôt derrière Antoine et les trajectoires du point B vu par Aline (parabole) et par François (rectiligne verticale) ne sont pas trouvées. Analyse des propositions au niveau des expériences proposées Certains groupes proposent 3 caméras (1 par point). D’autres en proposent deux, une sur la tête d’Antoine et l’autre sur la tête d’Aline. Un élève fait alors une remarque très pertinente : Si les caméras sont sur les têtes d’Antoine et d’Aline, ces derniers ne devront pas tourner leur tête pour suivre du regard le mouvement des différents points! ». Aucun élève n’a pensé à faire tenir une caméra par quelqu’un courant à côté et à la même vitesse du vélo pour étudier le mouvement du point de la roue vu par François. Synthèse A l’issue de cette argumentation, mon conseiller pédagogique amène alors les élèves à définir eux même le système, le référentiel et la trajectoire 16 Bilan de cette séance d’investigation A la fin de cette séance, trois des objectifs semblent être parfaitement atteints : - les élèves ont bien compris qu’il est nécessaire de définir le système, le référentiel et la trajectoire lorsqu’on veut décrire un mouvement. - les élèves ont imaginé eux-même les expériences à réaliser. - les élèves ont vraiment envie de réaliser le TP pour vérifier leurs hypothèses. Le quatrième des objectifs devra être atteint pendant la séance de TP mais les élèves commencent déjà à s’en rendre compte: Le TP va permettre de connaître les vraies trajectoires ! Ce que j’ai trouvé passionnant pendant cette séance Pendant le travail en groupe Au fur et à mesure que les discussions avaient lieu, on sentait les élèves de plus en plus intéressés et captivés ! j’ai été alors très surpris que ce genre d’activité réalisée en groupes de quatre puisse avoir autant d’effets positifs. En effet, j’avais l’habitude de faire travailler les élèves en binôme pendant les séances de TP mais je n’avais encore jamais eu l’occasion de les faire travailler de cette manière. J’ai pu observer une vraie motivation des élèves pour réfléchir au problème, trouver des solutions, débattre, faire valoir leurs idées, les argumenter, écouter leur camarade, respecter l’opinion d’autrui… Les élèves, passionnés, ne semblaient d’ailleurs plus avoir vraiment besoin de nous pour s’intéresser et faire de la physique. Pendant l’exposé des idées au tableau. Ce qui était très intéressant, c’est que tous les élèves se sentaient concernés par le travail d’autrui. Ils voulaient tous savoir si leur proposition était reprise par les autres, s’ils avaient pensé de la même manière ou différemment, si ce que les autres s’étaient imaginés étaient plus cohérents. Tous les élèves recopiaient donc les différentes propositions sur leur classeur car au bout du compte toutes les propositions paraissaient possibles tant qu’ils n’avaient pas réalisé l’expérience ! Et c’est vraiment à ce moment là que les élèves ont compris un des intérêts du TP en physique chimie : faire l’expérience pour vérifier ce qu’on s’imagine ou constater ce que l’on n’arrive pas à s’imaginer. Mon conseiller pédagogique qui les retrouvait l’après-midi m’a d’ailleurs expliqué que les élèves en avaient reparlé à la cantine et qu’ils auraient aimé faire le TP dans la foulée ! III) Réalisation de la séance d’investigation avec ma classe. La séance en tant qu’observateur ayant été très enrichissante, j’étais très impatient de réaliser la même séance en tant qu’acteur cette fois-ci avec ma classe de seconde 8. Mon conseiller pédagogique allait prendre le rôle d’observateur. 17 Contexte Nous sommes dans la même salle de TP que la dernière fois. La classe est composée de 31 élèves et la séance a lieu de 16 h à 17h. Les élèves sont particulièrement agités et un peu plus nombreux que la dernière fois. Déroulement de la séance : Le déroulement de la séance est identique à la précédente et malgré l’agitation ambiante, les élèves ont l’air très enthousiastes et s’approprient très vite le problème. Après s’être regroupés et avoir émis différentes propositions de mouvements, ils les écrivent et les commentent oralement au tableau par l’intermédiaire de leur rapporteur. Les élèves se rendent compte par eux mêmes qu’il est important de définir le système, le référentiel et trajectoire si l’on veut décrire un mouvement et les différents objectifs à atteindre sont validés de la même manière que pendant l’autre séance. Mon opinion sur cette séance : A la fin de la séance, je me suis rendu compte, que contrairement à la fois précédente, j’avais eu du mal, en tant qu’acteur, à avoir un regard objectif sur l’intérêt suscité par cette nouvelle manière de travailler. En effet, passer de groupe en groupe, répéter les consignes, répondre aux questions, recadrer certains élèves etc… faisaient que je n’avais pas pu prendre suffisamment de recul pour voir si tout le monde avait travaillé avec autant d’intérêt que la fois précédente. Même si le travail en groupe est en général moteur pour travailler, il peut aussi permettre à certains élèves de moins travailler que d’autres. La partie de la séquence où les élèves écrivent leur proposition au tableau avait été assez bruyante et j’avais concentré mes efforts sur le maintien d’une atmosphère de travail studieuse. L’opinion de mon conseiller pédagogique sur cette séance Impatient de connaître l’avis de mon conseiller pédagogique, je lui ai demandé ce qu’il en avait pensé et il m’a expliqué que les élèves avaient bien travaillé et qu’ils étaient bien restés concentrés sur le problème pendant toute la séance. Il a remarqué que les propositions de mouvements faites par ma classe ne correspondaient pas toutes à celles émises par la sienne et il a été surpris par un groupe qui avait trouvé toutes les bonnes trajectoires. Les différences avec l’autre classe Les propositions émises par les élèves sont présentes en annexe n°4 J’ai ramassé les différentes propositions et après analyse, je me suis aperçu que les élèves allaient être très surpris par les trajectoires qu’ils allaient obtenir pendant la séance du TP du vendredi. En effet, la différence majeure avec l’autre groupe était sur la forme : les propositions étaient toutes aussi diverses mais les élèves étaient beaucoup plus sur l’affirmative (même s’ils se trompaient). L’autre groupe avait senti le besoin de faire l’expérience pour découvrir les vraies trajectoires alors qu’avec ces élèves, l’expérience n’allait être qu’une formalité. Chacun était sûr de son opinion. En effet, pendant cette séance, je me suis rendu compte que les élèves n’émettaient pas leurs propositions en commençant par « je pense que la trajectoire sera….. » mais par « c’est sûr que la trajectoire sera… » beaucoup étaient persuadés que leur opinion était la bonne et pensaient que l’expérience viendrait forcément confirmer leurs à priori. Cette séance d’investigation allait donc me permettre de faire comprendre aux élèves l’importance de l’expérimentation en sciences physiques : 18 « Vérifier que ce qu’on a imaginé est correct ou faux ». Constater que, malgré la force de nos intuitions, ce qu’on imagine ne correspond pas forcément à la réalité. IV) La séance de TP Après avoir réalisé la séance d’investigation le lundi et les avoir laissés avec leur certitude, j’ai hâte de faire ce TP pour voir les différences avec les autres TP réalisés sans passer par une démarche d’investigation. Les objectifs de la séance affichés sont: − Etudier les mouvements des trois points décrits dans la séance d’investigation. − Expliquer l’expression « relativité du mouvement ». − Comparer les résultats imaginés lors de la séance d’investigation et ceux trouvés par l’expérience. Mais en dehors de ces objectifs affichés, je souhaite : − Voir s’ils sont plus actifs que d’habitude − Qu’ils réalisent à quoi peut servir un TP en science physique : se rendre compte que ce qu’on s’imagine ne correspond pas toujours à la réalité. Mes à priori - Les élèves finissent la semaine par mon TP de physique et je crains qu’ils soient pressés d’être en week-end. - Il s’est écoulé quatre jours entre la séance d’investigation et le TP et je ne sais pas s’ils se souviendront bien des expériences et des trajectoires imaginées pendant la séance d’investigation. Contexte Le TP a lieu le vendredi après-midi de 13h à 16h. Dans ce TP, les élèves travaillent en binôme sur un ordinateur. Ils ne réalisent pas le film mais en exploitent un déjà installé sur les ordinateurs. Les trajectoires sont établis par l’intermédiaire d’un logiciel appelé « Dynamic ». Comment a été réalisé le film : Une seule caméra fixée sur le trottoir filmant François avançant avec son vélo et lâchant une balle. Comment les élèves vont déterminer les trajectoires : Le logiciel « Dynamic » va permettre de tracer les trajectoires des trois points dans les deux référentiels souhaités : Aline et François. La difficulté pour les élèves Il n’y a pas de caméra sur la tête de François. Les trajectoires par rapport à ce référentiel sont déduites mathématiquement des trajectoires trouvées par rapport au référentiel Aline. Le logiciel d’exploitation « Dynamic » permet en effet de réaliser cette transformation. Le début de séance J’explique aux élèves les objectifs du TP et j’essaye de les replonger dans la situation de lundi avant de se lancer dans l’exploitation du film. Je leur demande de ressortir la feuille 19 sur laquelle ils avaient pris les différentes propositions de mouvement et d’expérience pour comparer les résultats imaginés avec ceux qu’ils vont trouver. Je leur distribue la feuille sur laquelle figure le travail à effectuer et je leur explique que je ramasserai les compte-rendu. (voir annexe n°5) Comparaison entre l’expérience imaginée et l’expérience réalisée. Lorsque je leur montre le film et que je leur demande s’il correspond au film qu’ils auraient souhaité réaliser, ils me répondent tous que c’est ce qu’ils auraient fait. Ils ne se rendent pas compte qu’il n’y a qu’une caméra et ils ne se souviennent plus très bien ce qu’ils avaient imaginé. Mes explications Je pense que c’est dû au fait qu’ils n’ont pas pu mettre en œuvre leur propre protocole, se rendre compte par leur propre expérience qu’ils s’étaient trompés ou que ce n’était pas aussi simple que ça. Ils auraient préféré faire l’expérience eux mêmes : Monter sur un vélo, pédaler, lâcher une balle, filmer et ensuite exploiter le film ! Il me semble que ce contexte ne les a pas vraiment convaincu car ils n’avaient pas l’impression de réaliser une expérience. Travailler sur un écran d’ordinateur en cliquant avec une souris n’est pas vraiment « faire une expérience ». Comparaison entre les trajectoires imaginées et les trajectoires réelles (Voir annexe n°5) Les élèves ont été très surpris par les trajectoires du point de la roue et de la balle vues par Aline et Antoine. J’ai alors pu leur demander pourquoi il était important de faire l’expérience et pourquoi il était important de croire en ce qu’on voyait en physique chimie mais les réponses ont été difficiles à sortir. les élèves ont semblé, contrairement à ce que je m’attendais, avoir du mal à répondre à ces questions. Mes explications sur ces difficultés Je pense que ces difficultés proviennent du support utilisé pour les amener à cette conclusion : il est difficile pour un élève de croire ce qu’il voit sur un écran d’ordinateur. En effet, les effets spéciaux sont tellement bien réalisés que l’on ne peut plus croire ce qu’on voit sur un écran télé. L’élève en a conscience (tant mieux !) et je pense que cette difficulté peut s’expliquer de cette manière. Les tours de magie à la télé, les grosses productions hollywoodiennes comme « Jurassik Park » sont tellement bien faites en terme d’effets spéciaux que l’on ne peut plus faire la différence entre une image virtuelle et une image vraie. Conclusion sur l’efficacité du TP Même si je n’avais pas pensé à cet aspect là, les deux séances se sont très bien passées, les élèves ne se sont pas ennuyés et ont été plus actifs que d’habitude. Les élèves ont bien compris pourquoi nous disions que le mouvement était relatif à un référentiel. Ce que je ferai en classe entière lors de la synthèse du TP Afin de mieux faire comprendre aux élèves l’importance de l’expérience pour étudier un phénomène, je décide de consacrer une vingtaine de minutes lors de la prochaine séance en classe entière à un peu d’histoire des sciences sur le rôle de l’expérience dans la validation d’une théorie en physique chimie. 20 Conclusion sur l’efficacité de la séance d’investigation En conclusion, je pense qu’avoir précédé cette séance de TP par une séance d’investigation a été un moyen efficace pour : - rendre les élèves plus actifs en séance de TP. - Justifier l’importance de l’expérience en physique chimie. V) Cours en classe entière: synthèse du TP Préambule En corrigeant les compte-rendus que les élèves m’avaient remis, je me suis rendu compte qu’ils n’avaient toujours pas très bien compris pourquoi l’expérience était importante en physique chimie. Je décide donc de réaliser une expérience qui puisse vraiment les interpeller pour qu’ils comprennent bien un des rôles de l’expérience en physique chimie. Comme les élèves ont déjà bien assimilé les notions à connaître sur le thème de la relativité du mouvement, je décide d’orienter la synthèse de ce TP en classe entière sur un thème plus générale qui est le rôle de l’expérience dans l’élaboration de théorie en Physique chimie. Je choisis d’illustrer mes propos par l’expérience de Galilée sur la chute des corps. Cette expérience, contrairement au film étudié en TP devrait être beaucoup plus probante. En replaçant cette expérience dans son contexte historique, j’espère arriver à faire comprendre aux élèves l’importance de l’expérience dans notre discipline. Contexte Je ne suis pas dans une salle avec des paillasses. L’heure de cours a lieu de 16h à 17h. La salle est petite et la classe est agitée. Le début de la séance. Après leur avoir remis leurs compte-rendus, je les interroge sur les différents travaux que nous avons réalisé sur le thème de la relativité du mouvement. Je leur demande pourquoi il avait été important de réaliser l’expérience d’Antoine sur son vélo et malgré tout le travail préalable ils ont toujours beaucoup de difficultés à me répondre. La réalisation de l’expérience de Galilée devant les élèves J’en appelle alors à leur imagination en leur demandant si ils savent comment vont tomber deux objets de masses différentes et de petite taille lâchées à la même hauteur. Je leur montre un pot de colle que je tiens dans ma main gauche et un morceau de papier compacté qui à la même forme dans l’autre main et je leur demande ce qu’il va se passer si je les lâche en même temps. J’interroge la classe et les élèves ne sont pas d’accord entre eux, les trois quarts sont persuadés que l’objet plus lourd aura une plus grande vitesse que l’objet plus léger et qu’il touchera le sol le premier ! Je réalise donc l’expérience devant eux en lâchant ces deux objets simultanément et là, surprise, les deux objets touchent le sol en même temps… Mais les élèves ne veulent pas croire au résultat de cette expérience… Certains la refont en lâchant une feuille de papier A4 et un stylo :Ils constatent que la feuille de papier plane et ne touche pas le sol au même moment. Les élèves ressentent le besoin de faire cette expérience eux même mais pour essayer de me montrer que ce n’est pas possible ! Un élève m’explique que si on lâchait les objets de très haut alors l’écart se creuserait et on constaterait une différence de vitesse. Je lui explique alors que l’anecdote raconte que 21 Galilée a réalisé cette expérience en lâchant les objets depuis le haut de la tour de Pise en Italie et que malgré cette hauteur, les objets ont touché le sol au même moment. VI) L’histoire des sciences pour expliquer les difficultés que les élèves ont à faire évoluer leurs représentations. La vérité scientifique met du temps pour s’imposer car elle est parfois très difficile à admettre… L’expérience historique de Galilée. Depuis Aristote (philosophe Grec, disciple de Platon, 300 av J.C), les Hommes sont persuadés que deux objets qui n’ont pas la même masse (et de petite taille) ne tombent pas avec la même vitesse si on les lâche en même temps et de la même hauteur. Il faut attendre le XVIIe s que Galilée (1564-1642) réalise cette expérience pour s’apercevoir qu’on se trompait. L’anecdote raconte qu’il serait monté en haut de la tour de Pise pour réaliser cette expérience. Cependant, à cette époque, les personnes qui assistent à l’expérience ou qui la réalisent sont persuadés qu’ils sont victimes d’une illusion d’optique tellement leur esprit refoule cette idée. Ils sont tellement persuadés du contraire qu’ils ne sont pas en mesure d’accepter le résultat de cette expérience. En fait, notre esprit rejette ce résultat car il ne correspond pas aux représentations que nous avons des lois qui régissent la nature : L’objet plus lourd va forcément tomber plus vite que l’objet plus léger, puisque son poids est plus important ! Comment accéder à la vérité scientifique Réussir à casser ces barrières psychologiques et remplacer l’idée fausse présente depuis notre plus tendre enfance par une idée vraie n’est pas chose facile. Deux choses sont nécessaires : - Accepter le résultat d’une expérience même s’il est contraire à notre intuition. - Pouvoir interpréter correctement ce que l’on voit. En effet, dans le TP n°12 sur la conservation des éléments, les élèves doivent plonger un clou dans une solution de sulfate de cuivre, le clou prend une couleur rouille. Les élèves ont tous fait la bonne observation mais ceux qui n’avaient pas bien compris que le cuivre allait se transformer et se déposer sur le clou ont mal interprété leur expérience. Ils étaient persuadé que le clou avait rouillé ! Il est donc aussi important de conserver un esprit critique sur l’interprétation d’une expérience L’interprétation d’une expérience est quelquefois difficile à faire pour les élèves par manque de références et de vocabulaire Quand pouvons-nous dire qu’une théorie est vraie C’est l’expérience qui est reine pour valider une théorie où un modèle. C’est d’ailleurs ainsi que certains éminents scientifiques (Popper) définissent la validité d’un concept. Une théorie n’est vraie que si une expérience peut la valider. Cette conception est à mon sens très intéressante à développer pour les élèves de seconde. Les limites de cette conception Cette conception a des limites : les théories sur l’infiniment petit et l’infiniment grand ne sont pas expérimentables directement (big bang, trou noir, l’atome de Schrödinger…) et 22 sont pourtant acceptées par la communauté scientifique tant qu’elles ne sont pas contredites par des observations nouvelles. Des expériences qui ont révolutionné la pensée humaine. Il existe d’autres exemples à avoir en tête pour faire comprendre leur importance aux élèves de seconde. Il a fallu attendre Copernic (Polonais, 1473-1543) et Galilée pour se rendre compte que ce n’était pas le Soleil qui tournait autour de la terre (géocentrisme) mais bien le contraire. Grâce à sa lunette, Galilée, en analysant et en faisant abstraction de ses propres croyances a pu faire suffisamment d’expériences pour aller à l’encontre du dogme judéochrétien et prouver que la théorie héliocentrique était la bonne. Toutefois, cette vérité mettra des siècles pour être acceptée du grand public en raison du pouvoir de l’église de cette époque. En effet, Galilée, jugé par l’inquisition, a été obligé de réfuter la théorie de l’héliocentrisme qu’il avait lui même démontrée. Il faudra d’ailleurs attendre 1992 pour que le Vatican accepte de fournir au grand public les archives du procès de Galilée. Des expériences qui ont trompé l’esprit humain Pourtant, c’est déjà l’expérience, enfin, l’observation de la course du soleil qui avait conduit Ptolémée (200 ap J.C) à admettre le géocentrisme. Autrement dit une théorie ne reste vraie que tant qu’une nouvelle expérience ne vient pas la contredire. 23 QUATRIEME PARTIE UNE DEUXIEME ACTIVITE CONÇUE DANS LE MEME BUT ET LES PROBLEMES ENGENDRES PAR CETTE DEMARCHE. I) Le thème de la « quantité de matière » pour réaliser une autre démarche d’investigation : La détermination de l’unité de la quantité de matière est une notion très importante en Chimie. En effet, lors d’une réaction chimique, il est très important de connaître les quantités qui vont disparaître ou apparaître. Comme les nombres d’atomes ou de molécules présents dans un échantillon sont énormes, les chimistes ont eu besoin de déterminer une unité de mesure pour simplifier les écritures lors des calculs des quantités mises en jeu. Cette unité, la mole, qui représente un paquet d’atomes très important est une des connaissances fondamentales à transmettre aux élèves pour qu’ils puissent aborder les chapitres suivants sans problèmes. Pour que les élèves comprennent mieux cette notion fondamentale, j’ai décidé d’effectuer une démarche d’investigation sur ce thème. Le but de cette démarche d’investigation serait triple : - Amener l’élève à comprendre par lui même l’utilité d’une autre unité que la particule pour la détermination des quantités de matière. - Amener l’élève à comprendre par lui même le côté pratique du nombre d’Avogadro. - Amener l’élève à savoir déterminer des quantités de matière. Contrairement à la démarche pratiquée sur le thème de la relativité du mouvement où la séance de questionnement avait eu lieu en classe entière, cette démarche d’investigation sera conduite pendant la séance de TP. Cette démarche d’investigation se déroulera en cinq temps (voir annexe n° 6): - Comment déterminer un nombre gigantesque de grains de riz contenu dans un gobelet sans les compter un par un. - Le choix de l’unité de la quantité de matière. - La masse molaire - Comment déterminer une quantité de matière. - Comment préparer une quantité de matière. II) La réalisation de la démarche d’investigation Contexte Il y a quatorze élèves, ce qui représente 7 binômes. Nous sommes dans une salle de TP et comme il ne va pas y avoir de manipulation de produits chimiques, les élèves sont autorisés à ne pas porter de blouses. Début de la séance Les élèves rentrent dans la salle et découvrent en s’installant un gobelet plein de grains de riz sur leur paillasse. Pour introduire l’objectif du TP, je demande aux élèves s’ils se souviennent combien un clou en fer contient d’atomes. Les élèves réfléchissent rapidement avant de me proposer des réponses. Celles-ci sont très surprenantes. En effet ayant déjà traité le chapitre sur 24 l’atomistique, je m’attendais à avoir des réponses cohérentes. Néanmoins des élèves affirment qu’un clou ne contient qu’une dizaine d’atomes ! Je dois donc leur rappeler qu’il y en a des milliards et que cela prendrait des années si on en comptait un par seconde… Je commence déjà à réaliser les grandes difficultés que les élèves vont avoir à appréhender la notion de mole. J’explique alors que la détermination des quantités de matière est très importante en chimie mais que ce ne serait pas simple si on devait toujours parler en milliards d’objets. Ce préambule me permet alors de définir un des objectifs de ce TP : - Réussir à déterminer un très grand nombre d’objets identiques sans avoir à les compter un par un. Première étape : a) Objectif de cette étape : Amener les élèves à se rendre compte qu’il faut passer par la masse d’un paquet de grains de riz pour déterminer la masse d’un nombre important de grains de riz. Pour parvenir à cet objectif, je soumets un problème aux élèves : « êtes vous capables de déterminer en quelques minutes le nombre de grains de riz présents dans le gobelet situé sur votre paillasse » b) Appropriation du problème par les élèves Les élèves se rendent compte alors qu’il ne va pas être possible de les compter un par un et ils demandent s’ils ont droit à du matériel. Je leur explique qu’ils peuvent utiliser tout le matériel déjà utilisé en physique chimie lors des séances de TP. c) Rédaction d’un protocole Avant de distribuer le matériel, je demande à chaque binôme d’écrire un protocole et de m’appeler avant d’obtenir le matériel qu’ils désirent. Ce passage obligé par l’écrit oblige les élèves à effectuer un raisonnement complet avant la manipulation. Le premier groupe à obtenir le matériel désire une balance et les autres groupes suivent. Les élèves qui souhaitent utiliser une balance La plupart des élèves souhaitent dans un premier temps peser un seul grain de riz ! Malheureusement lorsqu’ils posent le grain de riz sur la balance, la valeur affichée est toujours 0g. Il leur faut alors penser à un autre protocole. Ils décident donc de poser des grains de riz jusqu’à ce que la balance affiche 0,1g. Toutefois, deux autres problèmes se posent : ← la répartition de la masse sur la balance ↑ la précision de la mesure 25 - la répartition de la masse sur la balance : Les grains de riz sont posés sur toute la surface du plateau et ils ne pensent pas à utiliser un récipient. Je leur rappelle alors qu’il faut tarer la balance après avoir posé le récipient sur le centre du plateau. - la précision de la mesure : Lorsque la balance affiche 0,1g, l’affichage reste identique lorsqu’ils continuent de rajouter d’autres grains de riz. Les élèves décident alors de compter le nombre de grains de riz qu’il a fallu ajouter pour obtenir 0,2g. Un seul groupe d’élèves choisit de compter un plus grand nombre de grains pour obtenir une valeur de 1g. Une fois cette étape réalisée, ils veulent alors déterminer la masse de tous les grains de riz présents dans le gobelet. Ils ont cette fois-ci besoin d’un gobelet vide pour faire la tare de la balance. Ils réalisent alors la pesée puis par utilisation de la proportionnalité arrivent à déterminer le nombre de grains de riz présent dans le gobelet. Lorsqu’un groupe a réussi à déterminer le nombre de grains de riz présent dans le gobelet, je demande d’écrire le protocole et les résultats au tableau. d) Tableau de quelques résultats groupe Résultats 1 3 Masse de 57 grains de Masse de 10 grains de riz = 1g riz = 0,2 g Masse totale de riz = Masse totale de riz = 105,3 g 112,7 g Nombre de grains de Nombre de grains de riz = 6000 riz = 5635 6 Masse de 10 grains de riz = 0,2g Masse d’un grain = 0,02 g Masse totale de riz = 114,0 g Nombre de grains de riz = 5700 e) Analyse de ces résultats Je demande aux élèves de commenter ces résultats. Je suis très satisfait par ces résultats car l’ordre de grandeur est là mais les élèves ne l’entendent pas ainsi ! Ils disent tous que cette méthode n’est pas bonne car personne ne trouve le même résultat ! Bien que l’objectif de cette partie n’est pas de réfléchir sur la précision des mesures effectuées, je leur demande pour quelles raisons d’après eux ces valeurs ne sont pas toutes identiques. Je souhaite ainsi qu’ils comprennent pourquoi il était nécessaire de peser un paquet de grains de riz suffisamment grand. Les élèves expliquent que la balance n’est pas assez précise. 26 Ils expliquent aussi que les grains ne sont sûrement pas tous identiques et que cela peut poser des problèmes. Les élèves n’ont pas pensé à dire que le nombre de grain par gobelet n’était peut-être pas identique pour tout le monde. Les élèves ont donné alors suffisamment d’explications pour qu’ils comprennent par euxmêmes : - Pourquoi la méthode n’est pas si mauvaise. - Comment faire pour améliorer la précision. Une méthode pas si mauvaise. Je fais remarquer aux élèves que les résultats sont tous assez proches entre 5000 et 6000 grains de riz et que ces méthodes sont donc correctes. Je fais alors remarquer qu’en Physique, contrairement aux mathématiques, on est souvent amené à faire des approximations, que toutes les méthodes de mesure ne sont jamais précises à 100% et que l’important est d’en être conscient. Comment faire pour améliorer la précision. J’explique que pour améliorer la précision des mesures, il aurait fallu prendre un nombre de grains de riz plus important. La précision sur la balance serait meilleure et de plus les différences de masse des grains deviendraient négligeables. f) La « moleriz » J’explique que ce paquet de grain de riz va être appelé dans cet exercice « moleriz » et que grâce à cette « moleriz », les calculs ont été possibles. Je définis alors la même « moleriz » pour tout le monde : c’est le paquet contenant 50 grains de riz. Je demande de déterminer le nombre de « moleriz » qu’il y a dans leur gobelet. Les élèves y arrivent sans difficultés. g) Conclusion J’ai constaté que malgré la nécessité de passer par un « paquet de grains de riz » pour déterminer la masse totale, les élèves avaient tous envie naturellement de repasser par la masse d’un seul grain de riz avant de calculer la masse totale. En effet dans leur calcul, les élèves pèsent 10 grains de riz car ils y étaient contraints par le matériel. Mais ils en déduisent ensuite la masse d’un grain de riz avant de calculer la masse totale ! Je réalise alors que cette activité a soulevé des problèmes intéressants mais je n’ai pas réussi à atteindre l’objectif que je m’étais fixé : l’utilité de la notion de « paquet » lorsqu’il s’agit de petits objets. 2ème étape « l’unité de quantité de matière utilisée en chimie » Je décide de passer à la deuxième étape « l’unité de quantité de matière utilisée en chimie » Cette étape se déroule différemment de la précédente. En effet, je souhaite que les élèves avancent à leur rythme et travaillent en autonomie. Je pourrai ainsi passer plus de temps avec les élèves qui ont des difficultés à comprendre cette notion de mole. Je demande aux élèves de proposer un nombre d’atomes présents dans un paquet d’atomes de fer tel que la masse du paquet soit mesurable en salle de TP. 27 Les élèves choisissent alors de peser 1g pour obtenir une meilleure précision. Connaissant la masse d’un atome de fer, je leur demande le nombre d’atomes contenus dans ce paquet d’atomes de fer. Avec beaucoup de difficultés, les élèves trouvent 1,06 × 1025 atomes. En effet, plusieurs problèmes apparaissent : - Un tel nombre n’a pas de sens concret, l’atome en lui même reste une abstraction contrairement au grain de riz. - La notation scientifique - L’utilisation de la calculatrice Je dois tout de même passer à l’étape suivante malgré ces difficultés. La définition de la « mole de particules » Je donne la valeur du nombre d’Avogadro et la définition de la mole. Je donne la masse d’un nucléon et je demande aux élèves de calculer la masse d’une mole de nucléons. Pour ne pas rajouter de difficulté aux élèves, la masse d’un nucléon est donnée en g. Une fois le calcul effectué, ils constatent que la masse d’une mole de nucléons pèse 1g. Ils doivent maintenant calculer la masse d’une mole d’atomes de fer. L’atome de fer possédant 56 nucléons, ils trouvent 56g. Mais malgré ce calcul, les élèves ont encore du mal à comprendre pourquoi c’est le nombre d’Avogadro qui a été choisi. Les élèves passent malgré tout la troisième étape. 3ème étape : Détermination de la masse molaire atomique et de la masse molaire moléculaire Les élèves peuvent maintenant, connaissant le nombre de nucléons des atomes, déterminer la masse molaire atomique et la masse molaire d’un composé moléculaire. Les élèves déterminent alors la masse molaire moléculaire du sucre de formule (C12H22O11) Ils peuvent alors déterminer et préparer une quantité de matière. 4ème étape : Comment déterminer une quantité de matière L’objectif de cette étape est de déterminer la quantité de matière contenue dans un morceau de sucre. J’explique aux élèves qu’ils doivent déjà rédiger un protocole avant de passer à la manipulation. Comme dans la première partie, les élèves ont du mal à détailler leurs raisonnements. Ils savent que ce n’est pas en déterminant le volume du sucre qu’ils vont y parvenir mais bel et bien en le pesant. La dernière étape est l’inverse, ils doivent proposer un protocole pour disposer de 5×10 mol de sucre en poudre. -3 28 5ème étape : comment préparer une quantité de matière A partir de la masse molaire du sucre, ils peuvent déterminer la masse de sucre en poudre à peser. III) Les problèmes rencontrés pendant cette séance. En dehors des difficultés liées à l’usage de la calculatrice et des mathématiques, deux types de problèmes se sont posés : Le premier est d’ordre didactique : Le transfert la notion de « paquet de grains de riz » ayant une masse accessible à notre instrument de mesure à celle de « paquet d’atomes » s’est avéré difficile. Dans un cas on a affaire à des objets certes petits mais bien tangibles et observables. Les grandeurs concernées restent à l’échelle des élèves et concevables. De même, les nombres qui les mesurent sont d’usage courant et les élèves se les « représentent ». Au contraire, aucun élève n’a jamais vu un atome. Les nombres qu’il faut manipuler pour accéder à la notion de mole sont « inouïs ». Leur écriture n’est pas parlante. Un élève ne m’at-il pas demandé, concernant le nombre d’atomes contenu dans 1 g de fer, s’il s’agissait bien de 1,06 × 1025 et pas plutôt de 1,06 × 10−25. Le second concerne l’animation de la classe : Lorsque j’ai lancé la démarche d’investigation sur le décompte des grains de riz, certains élèves ont trouvé très rapidement la marche à suivre alors que d’autres élèves n’y arrivaient pas du tout. Les élèves plus rapides se sont alors déconcentrés et ont pu perturber le travail d’autrui pendant que je focalisais mon attention sur des élèves en difficulté. Quand j’ai commencé l’activité sur la mole et que je souhaitais passer plus de temps avec les personnes en difficulté, j’avais du mal à distinguer les séquences de discussion et de synthèse au tableau. De plus comme précédemment, les élèves qui avaient fini une étape attendaient les explications de la suivante pour se remettre au travail. Pendant cette séance, j’ai donc eu beaucoup de mal à m’adapter à toutes ces difficultés. 29 CONCLUSION Entre l’intention du professeur lorsqu’il conçoit son activité et la démarche effective de l’élève qui doit réaliser l’activité interviennent de nombreux facteurs : La pertinence de l’activité choisie et du questionnement préparé par l’enseignant bien sûr, mais on peut citer également le vécu antérieur de l’élève, ses compétences transversales plus ou moins maîtrisées, sa disponibilité dans l’instant, l’interaction entre le professeur et la classe . . . Les objectifs visés par les Travaux Pratiques en classe de seconde sont nombreux, divers et ambitieux. Les élèves sont eux-mêmes très différents au sein d’une classe. Chacun privilégie des modes de communication différents : aux « visuels » et « auditifs » décrits par M. Lagaranderie se sont ajoutés les « kinesthésiques » de la P.N.L. Les processus mentaux qui permettent à un individu de s’approprier un savoir sont complexes et variables. Y a-t-il de bonnes et de mauvaises méthodes pédagogiques, particulièrement pour conduire une séance de Travaux Pratiques ? Ma petite expérience ne me permet pas une conclusion magistrale. Sans doute ne faut-il pas tout attendre d’un même type de démarche. Une activité expérimentale guidée où l’élève suivra un protocole défini à l’avance pourra le conduire à acquérir des méthodes de travail, des compétences transversales. Elle le sécurisera dans son activité et si les difficultés « collatérales » sont aplanies, elle pourra lui permettre de concrétiser une loi ou d’approcher une notion nouvelle. Ici aussi on pourra utiliser la discussion des erreurs pour développer l’esprit critique. Si la notion visée s’y prête, une démarche d’investigation sera de nature à stimuler la curiosité des élèves. La situation problème proposée, si elle est pertinente, les placera en situation de « quête » de savoir, et quel plus grand plaisir de se nourrir lorsque l’on est en appétit ? La main à la pâte et l’eau à la bouche : voilà sans doute comment un professeur de sciences physiques peut rêver ses élèves. Cette façon de travailler présente également une vertu non négligeable : celle de favoriser les échanges réels entre les élèves amenés à enrichir la réflexion commune d’une équipe. Et puisque nous parlons d’apprentissages, ils sont nombreux et subtiles, ceux qui restent à faire à l’enseignant débutant. Quels enseignements puis-je tirer de cette étude ? Le questionnement des élèves sur leur vécu des séances de TP m’a permis de recevoir un feed-back direct, qui fait souvent défaut, et préférable aux suppositions « à-priori » que je pouvais seulement faire sur leurs perceptions. L’analyse détaillée des textes officiels en relation avec cette étude m’aura permis de me les approprier davantage que je n’avais pu le faire jusqu’alors. En ce qui concerne le constat établi après les premières séances de TP, il m’est pleinement apparu que si les compétences mathématiques ou de rédaction sont intimement liées à l’activité scientifique, il est impossible de considérer que les élèves de seconde disposent « naturellement » de ces outils. Elles doivent justement faire l’objet des apprentissages visés. Une fiche « méthode » pourrait accompagner le protocole expérimental pour redonner à l’élève son autonomie et son statut d’acteur : « Comment faire » par exemple pour : 30 • • • • • Montrer que deux grandeurs sont proportionnelles Représenter graphiquement une grandeur en fonction d’une autre Déterminer un coefficient de proportionnalité Effectuer un calcul en utilisant la notation scientifique ........ En ce qui concerne la mise en œuvre d’une démarche d’investigation, elle m’a donné l’occasion d’observer avec beaucoup de plaisir et, souvent, d’étonnement, l’activité autonome des élèves, les processus mentaux qui la sous-tendent, les interactions entre les élèves d’une même équipe, entre les équipes, entre le professeur et les équipes qui diffèrent notablement de celles qui existent entre le professeur et un élève pris individuellement. Il m’est apparu qu’une séance conçue dans cet esprit sera d’autant plus profitable que • la situation problème utilisée pose un vrai problème clairement perceptible aux élèves • le problème posé est motivant : les élèves doivent avoir envie d’en trouver la solution • les conjectures émises par les élèves sont bien formulées et consignées. • l’expérience qui viendra valider ou infirmer ces hypothèses est suffisamment concrète, convaincante, et que la technologie utilisée ne constitue pas un écran trop opaque à son interprétation. 31 WEBOGRAPHIE http://edusco.education.fr http://www.education.gouv.fr http://www.cahiers-pédagogiques.com http://www.dijon.iufm.fr http://www.ac-dijon.fr http://www.lamap.fr 32 ANNEXE n°1 : Liste des TP N° du TP Titre du TP Date 1 La pomme 09/09/2005 Mise en évidence de quelques espèces chimiques contenues dans une pomme 2 3 Mesures de longueur à échelle humaine Extraction d’espèces chimiques 16/09/2005 Mesurer une longueur qui n’est pas accessible directement par la méthode de la visée 23/09/2005 Extraire une espèce chimique par hydrodistillation 4 Mesure du rayon de la terre 30/09/2005 Mesure du rayon de la terre par la méthode d’Eratosthène 5 Séparation et identification d’espèces 07/10/2005 Savoir séparer une espèce par chromatographie chimiques Mesure de l’épaisseur d’un cheveu 14/10/2005 Connaître le phénomène de diffraction. Mesurer l’épaisseur d’un cheveu par l’intermédiaire d’une courbe d’étalonnage Synthèse d’un arôme de banane 21/10/2005 Savoir réaliser la synthèse d’une espèce chimique « l’acétate d’isoamyle » 6 7 8 Objectif 9 Détermination de l’ordre de grandeur d’une molécule d’huile d’olive La réfraction de la lumière 04/11/2005 Déterminer l’ordre de grandeur d’une molécule d’huile d’olive 10 L’élément Cuivre 11 Spectre d’émission et d’absorption 18/11/2005 Retrouver la deuxième loi de Descartes « sin i = n sin r » Déterminer l’indice du plexiglas 25/11/2005 Mise en évidence de la conservation d’un élément chimique au cours de transformation chimique 02/12/2005 Savoir distinguer un spectre d’émission et un spectre d’absorption. 12 La classification périodique des éléments 09/12/2005 Savoir classer les 18 premiers éléments chimiques par numéro atomiques croissants 33 ANNEXE n°2 : Réponse d’un élève au questionnaire 34 ANNEXE n°2 bis 35 ANNEXE n°3 : Situation problème 36 ANNEXE n°4 : Mouvements imaginés par les élèves 37 ANNEXE n°5 : Compte-Rendu de TP 38 ANNEXE n°6 : TP La Mole 39 Les travaux pratiques en classe de seconde De l’expérience à la construction des savoirs, quelle activité proposer aux élèves ? RESUME : Les Sciences Physiques sont des sciences expérimentales et quarante pour cent du temps consacré à cette discipline est dédié aux Travaux Pratiques. Ces séances sont-elles productives du point de vue de l’apprentissage des concepts ? Comment les élèves perçoivent-ils leur activité en travaux pratiques ? Quel type d’activités proposer pour optimiser l’enseignement des Sciences Physiques en TP ? MOTS CLES : Travaux Pratiques Expérience Autonomie Démarche d’investigation Apprentissages Lycée Pontus de Tyard 13 rue Gaillardons 71100 CHALON SUR SAONE Classe de seconde 40
