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Chapitre 6. Quelle est l'appropriation du domaine source par les élèves ?

6.2. Les élèves s'approprient-ils facilement l'artefact lors des entretiens ?

6.2.1. Données utilisées et méthode d'analyse

Pour étudier le degré d'appropriation de l'instrument par les élèves, nous avons mené des entretiens avec des élèves. L'analyse de ces entretiens va nous permettre de savoir plus précisément quels sont les points pour lesquels l'artefact présente des difficultés de compréhension pour les élèves et ceux pour lesquels il n'en présente pas.

À partir des transcriptions de sept entretiens, nous avons regroupé les informations qui concernent l'appropriation de l'artefact dans le tableau 35. Ici encore, lorsque nous avons barré le numéro de l'intervention, il s'agit d'une défaillance dans l'appropriation de l'artefact. Lorsque le numéro de

l'intervention n'est pas barré, alors l'appropriation de l'artefact est considérée correcte c'est-à-dire en accord avec le fonctionnement de l'artefact tel que décrit dans le chapitre 3.1.

6.2.2. Résultats

Appropriation du domaine source Entr. 1Interv. Entr. 2 Interv. Entr. 3 Interv. Entr. 4 Interv. Entr. 5 Interv. Entr. 6 Interv. Entr. 7 Interv. Observations avec le pince-corde (équivalent de la résistance)

La masse a fait tourner la corde

autour des poulies 9 9 21, 23 10 6, 9

Plus de tension d’un côté du pince-

corde que de l'autre 45 85 23

Lorsqu'un pincement infini est réalisé, la vitesse de la corde est nulle

116 57

Si l'intensité du pincement augmente alors la vitesse de la corde est plus faible et il y a plus de frottement

42 et 45 14,15,17, 19 155, 68 25 59, 61 La vitesse de la corde est la même

avant et après le pincement 57 67 79 27 70

Si la masse augmente alors la vitesse de circulation de la corde augmente

79, 85 179 144, 146159, 164151 130 à132 233 L'état de tension de la corde est le

même en différents points de la corde si on se positionne du même côté d’un dipôle mécanique ou si aucun obstacle

99 139, 141130, 66, 85

On mesure une différence d’états de tension de la corde de part et d'autre

du « pince-corde infini » 130 45 à 49 182

La différence d’états de tension de la corde du « pince-corde infini » est la même que la différence d’états de tension de corde de l'ensemble « masse + poulie »

135 168, 170 115, 117

Observations avec les ressorts (équivalent du condensateur)

La bague se déplace avec la ficelle

et comprime un ressort 151 201

181 à

185 203,204 204 160 242

Lorsque le ressort est comprimé la masse est accrochée mais plus de

circulation de la corde 207

L'énergie est stockée par compression, énergie stockée dans

114 245 224 à

230

le ressort

L'énergie provient de la masse et est

transférée par la corde 119, 121

253 et 258 232 à 240 326 268, 270 260, 262, 264 Le sens de circulation de la corde

change entre la compression et la décompression

116, 195 304 432, 439

Si la masse augmente alors l'énergie

augmente 155 276 243

333 à 341 Si la masse augmente alors la

vitesse augmente 246 285

Pour « décharger » le ressort il faut

enlever le poids 188

Pas de différence de tension de la corde avant la charge puis différence de tension de la corde une fois le ressort comprimé

294 La corde va à la même vitesse avant

et après condensateur 331

219 229,233

Observations avec le volant d’inertie (équivalent de la bobine)

La vitesse de rotation de la corde avec volant est moins élevée que sans le volant

238 Pas fait

La corde va à la même vitesse avant

et après le volant 274

La vitesse de rotation du volant d’inertie augmente au cours de la chute de la masse jusqu'à une vitesse limite

308 341 286 à

292, 310 362 318

Le volant continue de tourner une fois la masse au sol, perte d'inertie acquise, restitution énergie emmagasinée

242,

254, 277366, 379362, 317, 319307, 479 à490 373, 383324, 327322, Si le volant d’inertie est plus léger

alors il y a moins de ret ard au

départ Pas fait

409 à

411 583

Différence de tension de la corde

avant de laisser tomber masse 301 382 Si le volant est plus léger alors la

vitesse est plus élevée Pas fait 498

Pour le même volant d’inertie et une masse plus grande, la vitesse de

circulation de la corde augmente Pas fait 373 246 413 Pour un même volant d’inertie et

une masse plus grande, l'énergie augmente

243 Le sens de circulation de la corde

ne change pas lors de tout le fonctionnement du volant d'inertie

340 409 395 à

L'énergie est amenée par la corde et

créée par la masse Pas fait 436 à446 625 à631

Difficultés liées à l'artefact lui-même

Problème de sensation au toucher de la tension de la corde (cf. tableaux 37, 38 et 39)

160 75, 76 27 105 66

Confusion entre fil (corde)

mécanique et fil électrique 71

Interrogation des élèves : est-ce que le volant d'inertie continuera encore plus longtemps de tourner après que la masse soit tombée par terre ?

378 et 379

Tableau 35 : Synthèse de l'appropriation du domaine source à partir des entretiens élèves après enseignement de l'électricité.

Il apparaît que les élèves s’approprient correctement l'artefact dans l’ensemble (tableau 35). En effet, nous pouvons relever 29 observations correctes recensées contre seulement six observations incorrectes.

Lors de deux entretiens sur sept, les élèves ne parvenaient pas au début à expliquer simplement ce qu'ils observaient.

Personne Intervention

19 Élèves Le poids il est tombé, enfin la masse. 20 Interlocuteur 1 Ok, la masse est tombée.

21 Élèves Enfin, c’est le fil qui génère si le poids tombe ou pas.

22 Interlocuteur 1 C’est-à-dire, est-ce que tu peux juste expliquer un tout petit peu plus ? 23 Élèves C’est la force qu’on applique sur le fil qui fait que le poids descend ou

non.

Tableau 36 : Extrait de l'entretien 5 sur une difficulté à comprendre la chute de la masse Les élèves analysaient l'artefact en terme de forces et donc expliquaient que la masse ne chutait pas car un fil la retenait : selon nous, les élèves faisaient référence au pincement que l'on peut exercer ou non sur la corde en boucle fermée, un pincement important empêchant la masse de tomber. Une fois le contexte reposé, les élèves n'ont pas eu de difficultés pour s'approprier l'artefact. Cet extrait confirme la nécessité de différencier corde et ficelle.

Par ailleurs, un problème apparaît dans la sensation de tension de la corde (corde positionnée autour des quatre poulies et qui peut circuler) en différents points du circuit mécanique. En effet, dans cinq des sept entretiens, nous pouvons relever des propos qui montrent une certaine hésitation sur ce point (tableaux 37 à 39).

Personne Intervention

73 Interlocuteur 2 Donc maintenant, si l’on refait le pincement, on va tester les différentes tensions du corde. Donc allez-y, essayez de tester. Vous me dites si la tension de la corde ici est la même que là, est plus ou moins ?

74 Interlocuteur 1 D’après vous déjà ? 75 Élève 6 C’est la même. 76 Élève 5 Oui, c’est la même.

77 Interlocuteur 2 C’est la même pour vous ? 78 Interlocuteur 3 Essayez de soulever.

79 Interlocuteur 1 Utilise tes deux mains, c’est peut-être plus simple pour voir. 80 Élève 6 Il y a plus de tension ici que là.

81 Interlocuteur 2 Oui, et toi tu le sens ?

82 Élève 5 Oui, un petit peu ; c’est à cause de la poulie, non ? Je ne sais pas... Tableau 37 : Extrait de l'entretien 3 sur les difficultés à percevoir la tension du corde

Personne Intervention

25 Interlocuteur 1 […] Là je pince le plus fort possible jusqu’à bloquer. Donc d’après vous est-ce que la tension donc si vous regardez de chaque coté la tension. Tu peux toucher le corde de toute façon.

26 Interlocuteur 2 Touchez touchez … il n'y a que comme ça 27 Élève 8 C'est la même. Non ce n’est pas la même. 28 Élève 7 Là ça tire…

29 Élève 8 Là ça tire de ce côté, parce que ça tourne dans ce sens ; tu es sûr que ce n’est pas la même chose.

Tableau 38 : Extrait de l'entretien 4 sur les difficultés à percevoir la tension de la corde

Personne Intervention

104 Interlocuteur 1 Là, on va faire un pince-corde ; donc moi je vais donc mettre la masse, je vais vous laisser vous rapprocher de Interlocuteur 2 et regarder la tension. Au simple toucher, avant et après le pince-corde.

105 Élève 9 C’est pareil là.

106 Interlocuteur 2 C’est pareil ? Essayez de regarder.

107 Élève 10 Pour moi non ; je trouve que là c’est plus tendu que là moi. Oui, là c’est plus tendu.

Tableau 39 : Extrait de l'entretien 5 des difficultés à percevoir la tension de la corde

Nous pouvons noter que lors de ces trois entretiens, les élèves ont dû s’y prendre à deux fois pour observer la différence de tension de la corde. Bien que perceptible au toucher, cette différence de tension de la corde n’est pas facilement perceptible. Suite à ces entretiens, des modifications techniques ont été apportées sur l'artefact pour faciliter la différenciation de la tension de la corde. En effet, pour mesurer la tension de la corde lorsqu'elle est à l'arrêt, il est possible de disposer des dynamomètres et ainsi obtenir une valeur de tension en Newton17 (illustration 5). Dans le premier

17 La mesure telle qu'elle est présentée dans l'illustration 5 nécessite de positionner les dynamomètres à la même hauteur et à égale distance des poulies et du pince-corde. De plus, cette façon de mesurer la différence de tension de

prototype, la poulie du générateur glissait autour de la corde en boucle fermée, sauf si cette dernière était suffisamment tendue, ce qui en retour, empêchait de repérer par le toucher la différence de tension produite par le générateur. La poulie du générateur a été modifiée en couvrant la gorge d'une matière avec un fort coefficient de frottement (caoutchouc), ce qui permet d'éviter le glissement de la gorge de la poulie sur la corde, sans pour autant la tendre de manière trop importante. Avec ce nouveau générateur, la partie de la corde en boucle fermée non tendue peut être totalement souple (tension nulle). Cette solution technique devrait faciliter la perception des élèves de la tension de la corde et donc l'apprentissage de son équivalent en électricité.

6.2.3. Conclusion partielle sur l'appropriation du dispositif lors des entretiens

Hormis les problèmes de perception de la différence de tension de la corde, le domaine source semble assez intuitif et les élèves ne rencontrent pas de problème pour en saisir le fonctionnement. En effet, les élèves parviennent sans difficultés à établir des relations correctes dans le domaine source. Par exemple, ils établissent facilement le fait que la corde est ralentie si le pince-corde serre davantage la corde. De même, ils parviennent facilement à identifier les transferts d’énergie et à établir des relations de variations de différentes grandeurs (par exemple, si la masse augmente, la vitesse de la corde augmente) au sein du système mécanique.