Analyse des deuxième et troisième phases (N41c et N43a) : l’étude de l’ébullition

Contextualisation de l’Extrait A3

Après l’introduction de la catégorisation des états de l’eau, certaines propriétés de l’état liquide et des transitions liquide - solide ont été étudiées. Pendant cette étude, l’état gazeux n’a pas été mentionné. Amélie reprend son étude en demandant aux élèves de représenter et de décrire une expérience dans laquelle de l’eau liquide se transforme en eau sous forme gazeuse. Après que les élèves se soient essayés individuellement à cet exercice, Amélie recueille les idées d’expérience en collectif. C’est à ce moment que démarre l’extrait suivant.

Analyse a priori de la situation

Le déroulement de la tâche de catégorisation des objets / phénomènes liés à l’eau n’a pas permis de faire évoluer les rapports à l’objet « gaz » vers un point de vue scientifique et au contraire, a pu conforter certains élèves dans le bien-fondé de leur critère de reconnaissance de l’état gazeux de l’eau. Si les élèves restent sur leurs références premières pour distinguer la vapeur

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d’eau et continuent de l’assimiler à la brume, au brouillard ou aux nuages, l’expérience de transition liquide-gaz qu’ils sont en mesure de proposer risque bien de faire apparaître de nouveau ces objets / phénomènes.

Le travail de gestion du milieu que l’enseignante va devoir accomplir est très important puisqu’elle va devoir faire évoluer en parallèle les rapports à plusieurs objets cruciaux : l’objet « vapeur d’eau », l’objet « état gazeux de l’eau », l’objet « eau liquide » et l’objet « changement de l’état liquide vers l’état gazeux de l’eau ».

Extrait A3 : Choix d’une expérience de transition eau liquide – eau sous forme de gaz

279. Ens: donnez-moi vos idées d'abord par rapport à comment je peux transformer mon eau en eau gaz/ ton idée↑

280. Jod: ben moi je sais pas si c’est bien en fait/ mais on allume du feu et ça fait du gaz

281. Ens: t'allumes du feu et ça fait du gaz/ t'as besoin de l'eau ou pas↑

282. Jod: euh ben oui un peu/ parce que (xxx) et si on veut que ce soit un peu plus fort/un peu plus de feu (fait des gestes de fumée) tu mets un peu plus d’eau et ça enfin

283. Ens: d'accord mais moi/ alors ce que t'es en train de dire c'est que le feu lui-même il fait du gaz c'est ça↑/ mais est-ce que c'est du gaz de l'eau↑

284. Jod: ben oui on met un peu d'eau et

285. Ens: quand tu la rajoutes encore par-dessus

286. Jod: ouais et ça prend plus

287. Ens: moi je voudrais être sûre que c'est cette eau là (désigne son gobelet) qui est en gaz/ je veux vraiment transformer mon eau du robinet là en gaz/ t’es pas loin mais il manque une précision quand même pour être sûr que ce soit l'eau que j'ai choisi que je voulais transformer en gaz/ moi je veux choisir/ je veux savoir laquelle d’eau je transforme en gaz

288. Thi: (xxx) une décharge électrique

289. Ens: une décharge électrique/ tu penses si je fais une décharge électrique sur mon verre d'eau ça peut me le transformer

290. Thi: sur l'eau

291. Ens: dans l'eau je mets des câbles dans l'eau c'est ça que t'as fait↑

292. Thi: euh ouais

293. Ens: ouais/ une décharge électrique dans l'eau et puis ça te ferait du gaz/ c'est une hypothèse c'est une idée d'expérience/ oui↑

294. Tob: tu fais bouillir l’eau/tu mets dehors au chaud par exemple l’été quand il fait chaud et au bout d'un moment ben ça va faire évaporer

295. Ens: ah toi tu dis que c'est la chaleur qui va faire transformer mon eau en gaz et qu'elle va/ t'as utilisé quel mot tu m'as dit↑/ t'as dit↑ elle va↑/vas-y

296. Tob: elle va s'évaporer

297. Ens: elle va s'évaporer tu m'as dis d'accord/ ok ok/(…) Chiara↑

298. Chiara: ben il faut allumer la cuisinière

299. Ens: chut on s'écoute

300. Chiara: on met chaud/on met de l’eau dans une casserole/ on met l’eau sur la

301. Ens: cuisinière

302. Chiara: oui sur la cuisinière et on laisse un bout de temps/ ça va faire évaporer

303. Ens: ça va faire évaporer mon eau/ c'est mon eau qui va devenir du gaz/ d'accord oui

304. El: l’eau tu dois l’enfermer dans un truc très chaud

305. Ens: mon eau elle doit être dans quelque chose de très chaud pour que ça marche/ c'est ça que tu dis/ oui

306. Mar: en fait tu prends l’eau chaude/ et après tu vas dans une salle par exemple et après t’as de l’eau chaude qui commence à s’évaporer

307. Ens: alors toi tu parles du sauna/ ou du hammam↑/ non c'est pas ça↑

308. Mar: genre tu vas dans une salle/ et quand tu te douches si tu mets de l’eau chaude ben t’as de la vapeur

309. Ens: ah tu fais chauffer de l'eau très très chaud et ça fait de la vapeur/ c'est ça que t'es en train de dire/ d'accord (…)/ok/ donc j'entends plusieurs choses/ j'ai entendu plusieurs fois le mot chaleur/ j'ai entendu plusieurs fois le mot évaporé/ hein j'ai entendu chaleur il faut chauffer l'eau/ évaporer/ d'accord après ça

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Extrait A3 : Choix d’une expérience de transition eau liquide – eau sous forme de gaz – S3 [(1:03:00) - (1:10:00)]

Analyse [méso/topo/chronogenèse]

La référence commune est principalement nourrie des idées d’expériences des élèves afin de provoquer le changement d’état de l’eau liquide en eau sous forme de gaz :

- D’après Jodie, il faut allumer « un feu », ce qui produit « du gaz » (TdP 280).

- D’après Thibault, il suffit de mettre des câbles électriques dans l’eau afin de provoquer une « décharge électrique » (TdP 288-293).

- D’après Tobin, il faut placer l’eau dans un endroit chaud l’été, ce qui va la faire « bouillir » et « évaporer » (TdP 294).

- D’après Chiara, on peut « chauffer une casserole d’eau sur la cuisinière », ce qui permet de la faire « s’évaporer » (TdP 298, 300, 302).

- D’après Marina, « l’eau chaude s’évapore » et crée de « la vapeur » lorsque l’on est sous la douche dans la salle de bains (TdP 306, 308).

Dans un premier temps, Amélie recueille les différents protocoles des élèves depuis une posture topogénétique basse d’accompagnement. Elle ne travaille pas sur ces objets et se contente de les juxtaposer dans le milieu. Puis, lorsque ce recueil touche à sa fin, elle prend une position davantage surplombante et resserre le milieu autour de certains traits pertinents :

- La plupart des protocoles proposés par les élèves font appel à la chaleur pour imaginer la transformation demandée (TdP 309).

fait du gaz/ j'ai entendu le mot vapeur aussi/(…) d'accord/ je vais choisir une de vos expériences qui va être faisable en classe/ d'accord on va en prendre une pour vos expériences qu'on va faire la semaine prochaine une expérience dans ce qui a été proposé parce qu'effectivement vous avez remarqué chut/ ce qui a fait qu'on a pu transformer du liquide en solide ou du solide en liquide c'était un changement de température/ on a vu que en dessous de zéro degrés l'état change par rapport à en-dessous de zéro degrés et vous avez aussi conscience qu'il faut chauffer cette eau pour pouvoir lui faire changer son état donc on va être dans des températures plus élevées mais combien on sait pas/ d'accord/donc l'expérience qu'on va pouvoir faire la semaine prochaine c'est que je vais pouvoir amener (écrit)/// ça c'est une des possibles/ y a deux possibilités/ on va choisir entre les deux en fonction/ enfin je verrai avec le matériel que j'ai ici en classe/ une des possibilités si je pars avec une plaque électrique (…) donc/ avec ma bouilloire ou ma plaque électrique et ma casserole je vais pouvoir faire chauffer de l'eau/ la question qu'on va se poser la semaine prochaine/à quelle température/ quelle température (écrit)// mon eau/// va t-elle// devenir gaz/ alors hypothèse à quelle température↑ (…)

310. El: septante

311. Ens : septante degrés

312. Kev: (xxx) soit il faut que la température soit très très basse/ ou une température très très haute

313. Ens: ah tu penses que ça s'évapore aussi quand c'est très très très froid/ tu penses aussi que si je mettais dans un congélateur ça finirait par s'évaporer dans très très froid/ mais laisse-lui expliquer c'est ses hypothèses à lui/ ça m'intéresse moi/ je suis contente que vous ayez pas tous le même avis/ vas-y// t'hésites/ je te laisse réfléchir un petit peu et puis tu me redis ce que t'en penses/ Marina↑

314. Mar: dix-sept

315. Ens: dix-sept degrés déjà/ à dix-sept degrés ça s'évapore/ oui

316. Day: ben oui Kevin a raison parce quand elle est froide t’as un truc qui sort

317. Ens: pardon↑

318. Day: y a un truc qui sort quand t’as de l’eau froide

319. Ens: quand t'as de l'eau froide là y a un truc qui sort↑/ c'est ça↑

320. Day: de la fumée

321. Ens : ah quand l'eau est très très froide/ d'accord/ on discutera de pourquoi il y a ça/ ouais ouais ok je vois de quoi vous voulez parler/ ok

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- Un changement de température est donc déterminant pour déclencher la transition entre l’eau liquide et l’eau sous forme de gaz (TdP 309). C’est d’ailleurs de cette manière qu’a eu lieu le changement entre l’état liquide et l’état solide de l’eau, étudié lors des séances précédentes (TdP 309).

- Une des expériences proposées sera choisie pour être mise en place la semaine suivante, à condition qu’elle soit faisable en classe (TdP 309). Il est probable que cette expérience fasse intervenir une bouilloire ou une plaque électrique (TdP 309).

Tout comme l’extrait précédent, il est possible de se demander si le surplomb dont elle fait preuve à ce moment-là est atténué par le fait qu’elle opère sur une matière première constituée des idées d’expériences que les élèves viennent de développer dans le milieu. C’est ce qu’Amélie laisse entendre quand elle suggère que la chaleur est le dénominateur commun de l’ensemble des propositions d’élèves et que son apport dans le milieu n’est que le prolongement d’une idée prédominante. Nous laissons cette question du topos de l’enseignante en suspens pour y revenir dans la synthèse ci-dessous. Au niveau chronogénétique, l’avancée des savoirs réside principalement dans la validation des paramètres « chaleur » et « changement de température » pour provoquer le changement d’état désiré et sur l’anticipation de l’expérience d’ébullition.

Un dernier objet significatif émerge du milieu : en prenant le contre-pied de ce que l’enseignante vient de développer, Kevin assure qu’une température très froide produit également de l’eau sous forme de gaz (TdP 312). Dayanna surenchérit en attestant que, dans ce cas, on observe bien de la fumée qui s’échappe de l’eau froide (TdP 316, 318, 320). Dans une posture d’accompagnement, Amélie admet les phénomènes évoqués, sans se prononcer sur le bien-fondé de cette proposition contradictoire avec son discours ni sur la nature de ce qui s’échappe de l’eau froide (TdP 321).

Interprétation de l’Extrait A3

Nous commençons par analyser la nature des protocoles imaginés par les élèves. Nous pouvons classer les rapports à l’objet « changement d’état liquide - gaz » des élèves en fonction des critères qu’ils se donnent pour reconnaître la présence de l’état gazeux (qui restent implicites). - Aucun propos de Jodie ne laisse penser qu’elle se situe au-delà d’une vision naïve de l’état gazeux : en particulier, il est possible d’affirmer que, selon elle, la fumée, créée par le feu qu’elle préconise d’allumer, est synonyme de gaz.

- Thibault envisage de provoquer une décharge électrique dans l’eau. Il est difficile de remonter à la rationalité de cette proposition : il faudrait cartographier l’ensemble des rapports à l’objet « décharge électrique » déjà établi par cet élève. Peut-être que, selon lui, les décharges électriques sont associées aux surchauffes de circuit électrique ou à la foudre, ce qui peut entraîner brûlure, départ de feu ou fumée. Dans ce cas, l’état gazeux serait signifié par la présence de fumée, comme pour Jodie.

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- Tobin et Chiara suggèrent de placer l’eau dans un endroit chaud (au soleil ou sur la cuisinière). Ces deux élèves font correspondre les termes « évaporer » et « bouillir » à cette situation.

- Marina évoque la vapeur d’eau créée par l’eau chaude dans la salle de bains. Il est probable qu’elle se réfère à la brume ou à la buée qui apparaissent dans ces circonstances et qui signent, selon elle, la présence de l’eau à l’état gazeux.

- Kevin et Dayanna affirment qu’il est possible qu’une température extrêmement froide produise également de la « fumée » (qui correspondrait à de l’eau sous l’état gazeux, selon eux). Ces élèves font peut-être référence au brouillard qui apparaît lorsque de l’eau liquide chaude est introduite dans une atmosphère très froide (par exemple, une tasse de thé amenée à l’extérieur l’hiver). Il est également possible qu’ils évoquent les volutes blanches qui deviennent visibles lors de la manipulation de l’azote liquide à très basse température : l’azote liquide est utilisé dans certaines circonstances potentiellement familières aux élèves, comme pour le traitement de petites lésions dermatologiques. Ces volutes blanches proviennent de la condensation en fines gouttelettes de l'humidité atmosphérique au contact de l'azote gazeux froid qui se dégage dans cette situation. Dans le cas de Marina, Kevin et Dayanna, ce sont des situations de condensation, c’est-à-dire des transitions de l’état gazeux de l’eau (vapeur invisible) vers l’état liquide qui sont l’objet du discours des élèves.

En résumé, les critères que la plupart des élèves se donnent selon nous pour répondre à la demande de l’enseignante témoignent d’une vision du rapport à l’objet « gaz » et l’objet « état gazeux de l’eau » issue de la vie quotidienne : pour Jodie (et peut-être Thibault), le gaz est assimilé à la fumée. Pour Marina, Kevin et Dayanna, la brume, la buée signent l’état gazeux de l’eau : d’un point de vue scientifique, ces élèves proposent une expérience de changement d’état inverse de celle demandée (c’est-à-dire de condensation au lieu de vaporisation). Soulignons que Dayanna appelle également la brume « fumée ». Nous avons discuté des raisons qui sous-tendent ces éléments de décalage avec l’explication scientifique dans l’analyse des obstacles épistémologiques (cf. 6.2). Ce décalage a été renforcé par le traitement de l’objet « état gazeux de l’eau » dans la tâche de classification des 20 photographies.

Nous explorons à présent la dynamique de co-construction des savoirs qui permet d’aboutir à l’expérience de changement d’état liquide-gaz qui va être choisie pour être mise en place la semaine d’après (l’expérience d’ébullition de l’eau à l’aide d’une bouilloire électrique). Pour amener dans le milieu cette expérience, le principal argument d’Amélie consiste à valoriser une caractéristique présente dans la plupart des propositions des élèves : les expériences envisagées font souvent intervenir une augmentation de température et/ou une présence de chaleur. Amélie compte sur la récurrence de ce dénominateur commun pour asseoir le bien-fondé de l’expérience qu’elle promeut. Cependant, de façon très similaire à l’extrait précédent, cette évolution du milieu ressemble davantage à un tour de passe-passe rhétorique qu’à une réelle prise en compte des rapports aux objets des élèves : Jodie évoque bien la chaleur mais il s’agit de celle du feu qu’elle envisage d’allumer, feu qui produit de la fumée qu’elle assimile à du gaz

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! Marina évoque également l’eau chaude de la salle de bains mais ce sont les volutes blanches de brume produites dans cette pièce (de l’eau liquide, donc) qu’elle associe à de la vapeur d’eau. En d’autres termes, ce n’est pas parce que les élèves ont amené l’idée de chaleur qu’ils maîtrisent les savoirs liés à la reconnaissance de la vapeur d’eau. La convergence entre ces propositions d’élèves et les conditions nécessaires au changement d’état eau liquide / vapeur d’eau ne peut apparaitre que fortuite. Or, l’enseignant se base sur cet élément contingent du milieu (le fait que les élèves ont souvent évoqué la chaleur) pour introduire l’expérience dont elle (et elle seule) sait qu’elle permet effectivement le changement d’état désiré. Ce geste s’accompagne d’une déformation du sens que les élèves accordent à certains objets du milieu : la vapeur d’eau, le gaz ou la chaleur.

D’autre part, du point de vue des élèves, ce geste est susceptible de provoquer des ambigüités. En effet, malgré une incompatibilité fondamentale, Jodie, Marina et d’autres peuvent estimer favorablement la pertinence de leur proposition d’expérience par rapport à l’enjeu visé : ce risque est d’autant plus grand que l’enseignante affirme choisir « une de [leurs] expériences qui va être faisable en classe », sous-entendant ainsi que toutes les idées d’expériences sont satisfaisantes sur le plan conceptuel mais que seules quelques-unes sont réalisables à l’intérieur des contraintes de la classe (matériel, temps à disposition, etc.). Il s’avère difficile pour les élèves de situer leurs idées par rapport aux attentes de l’enseignante.

Enfin, l’expérience de changement d’état liquide-gaz choisie (la bouilloire électrique) exclue les idées des élèves qui apparaissent vers la fin de l’extrait et qui évoquent des conditions contraires : Kevin et Dayanna, qui pensent que de l’eau très froide dégage aussi de la vapeur d’eau, voient d’autorité leur idée écartée du champ des possibles, puisque l’enseignante ne reviendra pas sur ces propositions dans la suite de la séquence.

Ce passage d’une phase dialogique qui juxtapose les idées des élèves sans les négocier à une phase autoritative (avec une illusion de continuité purement rhétorique) paraît être une des constantes de la dynamique de progression des savoirs chez cette enseignante : nous discuterons de ses racines et de ses implications sur l’action conjointe plus bas.

Contextualisation de l’Extrait 4

Entre le moment où l’expérience d’ébullition a été imaginée (cf. Extrait A3 précédent) et celle où elle a été réalisée en classe (cf. Extrait A4 suivant), une courte étude de l’évaporation a été menée. Cette étude s’est basée sur des constatations établies à partir du comportement de l’eau dans trois contenants (bol, verre, bouteille fermée) à une

semaine d’intervalle. En une semaine, l’eau du bol a totalement disparu ; le niveau de l’eau du verre a fortement diminué ; celui de l’eau de la bouteille fermée n’a quasiment pas changé et des gouttes d’eau sont apparues en haut de la bouteille.

La modélisation du phénomène s’est limitée à l’affirmation que l’eau liquide s’est évaporée dans les deux premières situations.

Figure 17 : Expérience qui a servi de support à l’étude de l’évaporation

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Plusieurs élèves ont associé l’eau qui s’évapore à une sortie, une montée de l’eau à l’extérieur du contenant, sans pour autant l’assimiler à un changement d’état. Même si Tobin a introduit l’idée d’« eau sous forme de gaz » dans le milieu, Amélie n’a pas validé clairement que l’évaporation correspondait à la transformation de l’eau liquide en vapeur d’eau. De plus, n’ont pas été abordées les caractéristiques de l’état gazeux (par exemple, la déformabilité et la répartition dans tout le volume disponible) ; les caractéristiques spécifiques de la vapeur d’eau (invisibilité, présence constante dans l’atmosphère) ; les propriétés des transitions de phase de l’eau (conservation de la matière, maintien de l’identité de l’eau, réversibilité).

Certains paramètres du phénomène ont été explorés (rôle de l’air, de la chaleur, de la surface libre).

Puis, l’expérience de l’ébullition est menée : de l’eau est mise à chauffer dans une bouilloire. Plusieurs constats émergent : au début, des petites bulles remontent ; une « espèce de crépitement » se fait entendre ; des gouttes de buée apparaissent en haut de la bouilloire. C’est à ce moment-là que l’enseignante commence à interroger les élèves sur la vapeur d’eau et que démarre l’extrait suivant.

Extrait A4 : L’enseignante établit que l’eau sous forme de gaz est invisible

204. Ens: mais je vois rien sortir/ vous me dites que y a de la vapeur/ que y a du gaz mais je le vois pas/ c'est