Équilibre, quatrième phase, seconde activité de groupe Déroulement

Après avoir demandé aux étudiants leur avis sur les raisons qui font que l’application de la définition trouvée ne fonctionne pas « telle quelle », on les laisse réfléchir un moment et échanger leurs points de vue (groupe classe), jusqu’à ce que le mot « temps » surgisse (la définition trouvée et l’expérience choisie y faisant clairement référence, cet aspect est assez rapidement identifié). On distribue alors une planche montrant les mêmes systèmes au bout d’un temps fini (présenté en annexe), et le quatrième formulaire où l’on demande (1) si la définition précédente permet bien d’englober ces nouveaux cas d’équilibre, (2) les raisons qui font que la définition précédente permet ou non cela et (3), le cas échéant, les modifications à apporter à la définition pour qu’elle englobe tous les cas présentés. Pour les groupes qui s’étaient accordés sur une définition basée sur l’immobilité, l’appli- cation de celle-ci à ce nouveau système doit conduire rapidement à la conclusion qu’elle n’était pas opérationnelle ici. Cependant, ce n’est pas le cas pour tous.

L’enseignant doit alors aider chaque groupe à bien penser à vérifier sa définition, avant de se lancer dans des discussions pouvant faire intervenir d’autre critères que ceux pré- sents dans celle-ci (comme l’énergie).

On observe que dans tous les groupes, les discussions principales tournent autour de la définition d’un référentiel (donc indirectement, du choix de variables d’intérêt) et des perturbations. Dans le groupe des « mécaniciens », on peut par exemple observer l’évo- lution entre la confrontation des avis divergents juste après le questionnaire et la prise de conscience qui permet de s’accorder sur une formulation commune :

— J’ai mis qu’ils n’étaient pas en équilibre

— Aïe, j’ai mis que oui. J’ai mis qu’ils pouvaient être en équilibre si les deux étaient au repos ou si certains se déplaçaient à vitesse constante — Alors, il doit y avoir une accélération

— ça peut se faire…il ne peut pas avoir de vitesse…enfin oui…mais ça marche pas…celui-là devrait être accéléré

…

— Là, alors le pendule peut être en équilibre…il serait au repos — Et s’ils demandent pour le chariot ?

— ça dépend du référentiel initial, si on le met sur le pendule, alors le chariot est en équilibre par rapport au pendule, si on le met sur le chariot, le pendule est en équilibre par rapport au chariot mais si on le met sur le sol, aucun n’est en équilibre

— Alors, l’équilibre dépend du référentiel

— Comme les mesures…Tout dépend du référentiel […] (IMEC, 40 :48)

La question des perturbations vient généralement seulement ensuite.

Il faut cependant veiller à ce que les débats des étudiants conduisent à faire le point sur certaines conceptions erronée lorsqu’elles se présentent. On peut en effet voir surgir les idées liées aux déplacements (force = vitesse) ou aux changements de référentiels. Les débats dans le groupe doivent permettre de sortir de ces idées communes, comme ici :

— La définition proposée avant n’est pas correcte […] on a dit a moins que se présente une force externe qui le perturbe , cette force se serait pas représentée par la vitesse ?

— Non, premièrement le système n’est pas en équilibre puisque la vitesse va changer.

— Oui, je dirais ça aussi.

— Mais quand …il y a une force externe, ce qu’il y a c’est une accélération. Et il se maintient avec la même accélération. Si c’est la même accélération, c’est toujours la même force.

— Donc ça c’est pas une perturbation, on avait dit que ça changerait pas d’état dans le temps à moins qu’il y ait quelque chose qui le perturbe. — Une perturbation qui le sortirait de son équilibre […]

— Pour le chariot ça peut arriver mais pour le pendule, non […] (IQUI, 42 :22)

Pour certains groupes, la définition s’applique sans problème apparent, en particulier pour ceux qui ont une définition faisant déjà intervenir l’état ou une variable d’intérêt du système. Comme nous l’avons déjà fait remarquer, il est cependant important, lorsque c’est le cas, de les amener à réfléchir au sens exact de ces termes, pour qu’ils ne s’en servent pas comme de termes « fourre-tout » ou bien qu’ils restent avec une définition pas suffisamment explicite.

Ce fut le cas par exemple pour le groupe mixte GM3 : « L’équilibre c’est quand un système maintient ses propriétés durant un temps déterminé (position, température,

vitesse, etc.) ». En fait, il ont commencé l’activité avec des avis divergents (attestés par le formulaire individuel) qui ont été formulés dans le groupe mais qui n’ont pas donné lieu à un vrai débat. Ils ont fini par conclure rapidement et « collectivement », que leur première définition était « parfaite » (GM3, 54 :50) et qu’il n’y avait pas à la modifier.

Analyse

Quelque soit le degré de précision de la définition trouvée dans la phase précédente, on remarque que les étudiants sont amenés à réfléchir au sens des termes employés et par conséquent, à préciser la signification de ce qui est appelé « le système » et « les perturbations ». Ceci est un point de passage obligé dans la démarche de définition mais l’agencement de la séquence, en fait aussi un point de passage « naturel » que les élèves rencontrent sans aide de l’enseignant, au cours de leurs échanges (dans la majorité des cas). C’était justement l’effet escompté qui valide l’indicateur de la deuxième hypothèse de notre ingénierie, I2e.

Il ne faut cependant pas laisser les doutes s’installer ou les questions ouvertes, sans proposer des éléments pour y répondre, le groupe n’ayant pas toujours les ressources disponibles pour y faire face de manière spontanée (généralement, par le seul biais de questions d’approfondissement bien choisies, ces éléments surgissent). L’exemple des perturbation est très représentatif : ce concept, qui peut paraître évident aux yeux des étudiants, suscite beaucoup de discussions. Il faut préciser que l’entrée d’un système commandé ne fait pas partie des perturbations pour éviter que les phrases souvent proposées par les étudiants comme « en l’absence de perturbation », ne se transforme pas en « en l’absence d’entrée sur le système ».

Au niveau technique, la situation présentée peut paraître « compliqué » ou « dure »22 _de

prime abord. Il faut donc prendre le temps de bien présenter la situation, par exemple insister sur la caractère rigide de la tige du pendule et sur le fait que le chariot est doté d’un dispositif lui permettant d’avancer (un moteur qui imprime un couple sur les roues, par exemple, ou une force directe sur celui-ci).

On peut déplorer un écueil majeur dans cette partie : Au niveau des débats de groupe, on remarque que lorsqu’il n’est pas possible de suivre chaque groupe (passer et poser des questions pour faire avancer le débat), tout repose seulement sur la motivation des étudiants et leur degré d’implication dans la tâche pour avancer dans la construction des définitions demandées. Dans le groupe de taille maximale, on remarque que malgré

l’enregistrement (vite oublié), on ne peut garantir une implication pleine et entière de tous les membres d’un même sous-groupe, ce qui dans ce cas anéantit presque tout l’intérêt de l’activité pour ces étudiants-là.

7.5.6 Stabilité, première phase, premier questionnaire individuel