DES EXPERIENCES QUANTITATIVES, POUR QUOI FAIRE ?

Dans les six séances de travaux pratiques, nous avons vu que la confrontation résultats expérimentaux - théorie représente une idée-force dans les activités proposées aux élèves.

Mais notre analyse a d'abord montré que la part de l'élève dans la globalité de la démarche restait très limitée, qu'il n'accédait pas à l'ensemble des étapes qui la constituent ni à leur articulation : le questionnement, le choix des dispositifs et des méthodes de mesure et d'analyse, la référence théorique restent à la charge de l'enseignant.

L'analyse que nous avons faite ensuite sur la validité scientifique des méthodes devant permettre une réelle confrontation, avec la rigueur et les enjeux que cela implique, a montré que l'exigence scientifique en était ignorée : en particulier, la prise en compte des incertitudes est absente des démarches de modélisation.

De plus, il est apparu que ces démarches autour de la modélisation, et en particulier la phase de "confrontation" se réduisaient chez les élèves à obtenir des valeurs numériques ou des représentations graphiques et, éventuellement, à constater que les écarts entre résultats expérimentaux et théorie restent "faibles" et acceptables, (c'est-à-dire qu'ils ne remettent pas en cause la conclusion attendue).

À l'écart entre les pratiques scientifiques et les expériences conçues par l'enseignant, s'ajoute donc un écart entre la construction par l'enseignant de la situation expérimentale parfois complexe et la simplicité, la limpidité de la situation dévolue aux élèves : les élèves ne connaissent pas les difficultés techniques qui ont été aplanies, ne discutent pas des conditions expérimentales ou des limites des appareils, etc. Leur contribution consiste essentiellement à réaliser le montage expérimental, obtenir les mesures, conduire leur exploitation mathématique pour établir une relation descriptive.

Cette part instrumentale de l'activité est donc elle-même réduite, et notre dernière analyse a montré que ceci était directement lié à l'utilisation des dispositifs, notamment lorsqu'il s'agit de dispositifs didactiques ad hoc.

Lors de l'entretien final (annexes 20 et 21) que nous avons conduit avec les enseignants à l'issue de ces séances de travaux pratiques, nous avons naturellement cherché à confirmer ces éléments, à savoir s'ils correspondent à des choix ou positions générales, et à savoir comment ces aspects apparemment contradictoires étaient perçus, analysés, ou contrôlés par les enseignants. Nous leur avons demandé de commenter et expliquer leur pratique à un niveau plus général, indépendamment des particularités et ce en nous appuyant sur des éléments généraux relatifs aux activités expérimentales bien connus des enseignants : la liste des objectifs assignés aux travaux pratiques (IGEN, 1996).

a) Les objectifs

En particulier, à la proposition « s'initier dans des situations concrètes à la démarche expérimentale : formuler une hypothèse, élaborer un protocole permettant de la tester, mettre en œuvre un protocole expérimental, analyser les résultats, tirer les conclusions », quels sont les commentaires ?

Les enseignantes sont plutôt favorables à ces objectifs mais notent qu'elles font peu pratiquer ce type de démarche à leurs élèves, essentiellement pour des raisons de temps. Par exemple :

F1-174 : Je suis pour, mais c'est pas facile à faire, je suis tout à fait pour. Quand on a le temps et puis quand ça tombe assez bien par rapport à ce que l'on souhaite faire parce que le cours avance et les contrôles et que ceci [...]

F2-124 : [...]." bon j'en ai fait un petit peu, j'ai essayé de faire, on va dire, quand tu es venue sur la vaporisation, la chaleur latente, j'avais fait un petit quelque chose là-dessus, c'était tout simple ! ils ont eu un mal fou, bon

Ces enseignantes indiquent également le caractère limité des situations qui restent "simples", et leurs difficultés à les concevoir, les construire :

F2-126 : [...] sur les forces, c'était tout bête "proposez et réalisez une expérience ou une série d'expériences permettant de retrouver la relation vue au collège P = mg et précisez la valeur de g" [...] F2-134 : (élaborer et mettre en œuvre un protocole) C'est quelque chose que j'aimerais bien faire plus souvent, c'est quelque chose que j'ai du mal à concrétiser, donc en terminale pour des raisons de temps parce que je crois que ça prend beaucoup plus de temps qu'un TP ordinaire, on va dire et autrement j'ai du mal à le rédiger quoi, à savoir comment amener les élèves à faire

Pourtant les deux reconnaissent bien l'intérêt pour les élèves de ces activités :

F2-138 : ben je dirais que en fait c'est la différence entre l'exécutant et l'intelligent entre guillemets parce qu'en fait les TP qu'on fait habituellement c'est des TP d'exécutants, je dis pas qu'il faut pas être scientifique pour les faire ça c'est pas vrai, il y a quand même des capacités scientifiques à utiliser mais ça va pas très très loin mais là c'est là qu'on va détecter quelqu'un qui est capable de pratiquer une démarche scientifique je pense [...] je pense que j'en fais pas assez

F1-174 : [...] parce que c'est là où je vois vraiment, j'arrive à voir leurs qualités en fait, tu vois, leur inventivité, [...] parce que quand tu leur dis, premièrement deuxièmement troisièmement faites ceci, bon ils le font, ils sont gentils, mais j'arrive à voir le soin qu'ils vont mettre dans l'élaboration du protocole et puis à réaliser après ensuite, l'organisation, l'entente aussi entre les élèves, il y a beaucoup de choses quoi, et j'aime bien mais je reconnais que je ne le fais pas très très souvent

Ces répliques montrent que l'intérêt des enseignants ne porte pas sur les articulations de la démarche, ses différentes étapes, mais sur les qualités que les élèves peuvent développer lors de la mise en œuvre des activités liées à la démarche expérimentale.

La question de la définition même d'une démarche scientifique est d'ailleurs soulevée : quand on étudie les exemples qu'en donne l'enseignante P2, c'est « choisir les grandeurs à mesurer » qui représente l'élaboration d'un protocole, utiliser un appareil "scientifique" nouveau, un support nouveau qui représentent la démarche :

F1-234 : Eh bien qu'ils apprennent quelque chose de nouveau, soit une démarche qu'on n'a pas faite, genre mettre un ordinateur de plus, tu vois, enfin apporter quelque chose de nouveau [...]

Nous retrouvons ainsi, en dehors du contexte de construction d'un TP particulier, l'écart avec la démarche scientifique que nous avons déjà relevé ; les enseignants ne sont pas, face aux élèves, dans une logique de scientifique mais bien dans une logique d'enseignement.

b) La raison des mesures

Mais alors la question du pourquoi fait-on faire des mesures, tant de mesures aux élèves dans l'enseignement de la physique se pose naturellement.

L'éventail des réponses apportées par les deux professeurs est très large et va de l'apprentissage de techniques manipulatoires, à l'apprentissage de concepts, à la prise en compte globale de l'élève etc. Nous reprenons quelques courts extraits des entretiens finals afin d'illustrer les potentialités que les enseignants accordent aux activités quantitatives.

• Des expériences quantitatives pour acquérir des techniques et maîtriser des outils :

F1-200 : Maîtrise technique d'un multimètre de base, d'un pHmètre en chimie, bon, c'est quand même important, on y passe du temps mine de rien, en seconde on y passe du temps, en terminale au début on y passe du temps, ça a rajouter

F1-290 : [...] sinon moi j'y vois souvent, pas toujours, l'occasion si tu veux de pratiquer l'expérimentation, la mesure n'étant pas forcément la finalité, tu vois d'arriver à Lf, c'était pas le plus important ; c'était tout ce qu'il y avait autour, comment on allait faire comment on allait, comment dire, utiliser le matériel dont on disposait pour le mieux, [...] c'est pas forcément le résultat numérique qui était le plus important [...]

• Des mesures qui s'inscrivent dans les démarches

F1-282 : Oui parce que je pense qu'il faut faire un peu, un peu des deux, c'est à dire pas seulement faire une mesure par-ci par-là et croire que cette mesure est universelle, tu vois qu'elle est reproductible, faut qu'ils aient un peu conscience justement de la difficulté de reproduire des mesures, de tirer, ce qu'on disait là, je sais plus, prendre conscience des difficultés des mesures et à partir d'une série de mesures essayer de vérifier une loi, de calquer un modèle etc. ce qui est quand même différent comme démarche. [...]

• Des mesures pour valoriser les élèves

F2-216 : [...]peut-être dire aux élèves "voyez avec des choses simples on peut retrouver les grandes valeurs de la physique" c'est à dire on n'a pas besoin d'être un grand scientifique pour trouver que g = 9.81

F2-220 : Mais bon c'est, non je crois que c'est, enfin, ils acceptent de trouver 10.5 ou 11 "oh ! oui bon c'est 10 ou 9.81 il y a pas de problème" oui c'est valorisant pour les élèves, je sais pas, oh je dis pas qu'ils sont fiers mais, "oui nous aussi on a trouvé ça", je pense que si on mesurait quelque chose dont ils n'ont jamais entendu parler, ils y attacheraient moins d'intérêt

• Des expériences quantitatives pour concrétiser, pour acquérir des connaissances :

F1-222 : Ah ! oui la notion de chaleur latente entre autres je pense que si on faisait pas les fameux TP de mesure de chaleur latente, ils nous les oublieraient systématiquement enfin bon, moi je pense F1-224 : Oui mais ils ont pas fait attention jusque là, ils savent faire mais aux échanges d'énergie ils y ont pas fait attention, c'est un peu normal, donc ils se sont pas rendus compte que le fait que ça change d'état ça correspondait à un échange d'énergie, bon moi je pense que le fait de mesurer ça permet effectivement de mieux fixer [...]

F2-168 : [...] j'avais fait discuter les gens qui pensaient une chose et les gens qui pensaient le contraire, chacun avait essayé de donner ses arguments et puis je leur avais dit "bon maintenant puisque vous pensez ça, qu'est-ce que vous allez faire comme expériences pour convaincre les autres ?" donc ils avaient fait les expériences, puis "vous nous montrez les résultats et puis maintenant qu'est-ce qu'on obtient comme conclusion ?", (c'était assez intéressant mais bon, j'avais passé beaucoup de temps, beaucoup plus de temps que ce qu'il faudrait normalement passer sur la simple conservation de l'électricité dans un circuit série quoi,)

• Des mesures pour convaincre :

F1-288 : Bon pour certains c'est quand même important parce qu'ils ont quelques fois tendance à pas croire ce qu'on leur raconte quand même ! ils ont le droit hein !

F1-290 : Oui, une espèce de preuve entre guillemets [...]

F2-228 : Oui, oui parce qu'il y a des moments où je dis "mais vous gobez tout" et non je crois que, quand les élèves pour lesquels, souvent en terminale, quand ils ont une bobine sur laquelle R est noté, ceux qui ont pas R marqué sur leur bobine "eh ben oui mais nous comment on peut savoir si c'est vrai ?"[...] F2-206 : (faire des mesures) ça donne une image de sérieux, je pense que ça donne aux élèves une image de sérieux, beaucoup plus que de leur dire "qu'est-ce qui va se passer si vous faites ça [...]

Dans le contexte de la classe, les activités quantitatives menées en classe n'ont pas pour les enseignants le statut du mesurage pour les scientifiques, et donc en cohérence les incertitudes sur les mesures n'ont pas de place :

F1-302 [...] c'est pour ça que, faut pas attacher, moi je pense une importance extrême à ce fameux résultat numérique de la fin du TP [...]

Si aucune des deux n'introduit les incertitudes sur les mesures, par contre les deux font calculer des écarts (relatifs) entre valeur obtenue et résultat attendu et discutent avec les élèves des chiffres significatifs :

f1-168 : pas en première (calcul d'incertitudes), non, non, non [...] c'est vrai que j'aime bien quand même quand on fait une vérification d'une valeur connue ou autres, de manière générale, j'aime bien quand même qu'ils aient une idée, au moins du pourcentage d'erreur par rapport à ce qui était attendu

F2-114 : Ça je fais très peu, très peu, je fais pas les incertitudes, j'en parle peut-être pour expliquer finalement le résultat qu'ils obtiennent, je parle un petit, je leur fais calculer un petit peu le pourcentage, [...] j'ai jamais, je collecte jamais l'ensemble des résultats pour faire un traitement statistique,[...]

Pour les deux enseignantes, les raisons qui justifient la mise en œuvre des expériences quantitatives en TP sont très variées (raisons pédagogiques, raisons d'enseignement de la physique, raisons liées

à la formation etc.), très imbriquées. Elles ont en commun, de ne pas prendre en référence explicite les activités du physicien, mais d'avoir un point de convergence : l'élève. Ce sont des références professionnelles, d'enseignant de physique, qu'elles ont dévoilées, détaillées. Toutes les activités menées concourent au "bon" déroulement d'ensemble, à la bonne organisation pour l'acquisition des connaissances du programme par les élèves.

c) Rôle des résultats obtenus par les élèves dans les TP

Dans ces constructions complexes où l'élève est central, les démarches mises en place par les enseignants apparaissent alors proches de la "monstration" (Johsua et al., 1993) : les appareils ou dispositifs sont adaptés de façon à laisser la part la plus grande aux manipulations et mesures en relation étroite avec le phénomène à étudier, les activités sont orientées de façon à faire obtenir les valeurs et les graphiques escomptés. Les élèves doivent voir ce qu'il y a à voir sans être perturbés par des aspects techniques et doivent obtenir la valeur numérique ou la courbe "institutionnelle". Ce qui est particulier et intéressant ici c'est que dans ces situations de travaux pratiques, cette monstration est en quelque sorte dévolue à l'élève !

Cette démarche est particulièrement claire lorsque l'enseignant attend que les élèves construisent un référent pour son enseignement, mais, même quand l'activité est présentée sous l'étiquette "vérification", le déroulement peut être analogue. On peut noter également que les graphes jouent bien un double rôle de "rendre visible, concret" un phénomène complexe, et de rendre compte de ses propriétés.

F1-214 : [...] ils vont dire "ah ben oui l'autre fois on l'a vu", vu, c'est bien, on a vu, on a vu faire, maintenant, oh si en quantitatif aussi parce que même quand ils font la loi d'Ohm en seconde tu vois, U = RI, de base U = RI, alors ils vont tracer leur graphe, bon normalement s'ils ont pas pigé que U est pas proportionnel à I ! c'est qu'ils ont fait exprès [...]

Nos résultats sont en concordance avec les conclusions de différentes recherches sur les pratiques des enseignants en science : les observations (ici au sens large qui comprend les graphes) occupent une place fondamentale dans l'apprentissage (Haslam et al. 1998). Dans cette perspective, les résultats ne doivent pas être éloignés des résultats théoriques et les options des enseignants peuvent alors différer : discuter du résultat, truquer l'expérience (Nott et al. 1995 ; Fairbrother et al. 1997), ne pas faire l'expérience :

F1-284 : [...] pourquoi je l'ai pas fait ? parce que c'était nul mes résultats, [...], je me suis dit je montre pas ça, je fais pas faire ça aux élèves ils vont pas, en seconde ils sont pas capables de, comment te dire, passer par dessus la difficulté de la mesure pour arriver à sortir un résultat, donc je l'ai pas fait

d) Choix entre expériences quantitatives et qualitatives

Une question qui se pose alors naturellement est pourquoi les enseignants, malgré toutes les difficultés qu'ils rencontrent pour élaborer une situation expérimentale, ne construisent-ils que peu de séances où les activités des élèves s'appuient sur des expériences qualitatives ? À cette question abordée dans l'entretien final, les réponses montrent qu'ils reconnaissent la supériorité de celles-ci sur les expériences quantitatives pour l'acquisition des concepts :

F1-250 : non mais c'est pas du tout le même rythme quoi, c'est à dire que, souvent quand c'est du qualitatif on va découvrir ou vérifier, peu importe, plus de choses, puisqu'on va y passer peut-être moins de temps sur chaque phénomène puisqu'il y a pas le côté mesure éventuellement graphe etc., donc il faut gérer le temps différemment[...]

Mais, la gestion de la classe devient alors différente :

F1-262 : voilà, on a globalisé nos résultats pour récupérer les lents, freiner un peu ceux qui font trop vite sans approfondir aussi, [...]

et l'élaboration des scénarios autour du qualitatif est difficile :

F2-206 : [...]peut-être que moi aussi, je pense que j'aurais sûrement envie d'en faire moins (de TP quantitatifs) mais je ne sais pas, mais je sais pas comment faire autrement, c'est pour ça que je parle de ma formation

F2-212 : d'évidence on va dire mathématique, voilà c'est à dire je veux dire que les mathématiques c'est plus facile à gérer que la physique, c'est, bon, c'est voilà, je sais pas ou mal faire autrement, mais c'est vrai que je pourrais faire plus de qualitatif et plus de prévisionnel sûrement, bon, plus de formulation d'hypothèse par exemple.

Au terme de cette étude, nous mesurons donc l'écart, voire la séparation, entre les activités scientifiques de référence et les activités expérimentales élaborées pour l'enseignement. Très clairement, les démarches conçues par les enseignants, qu'elles soient parfois déductives ou souvent inductives, sont des démarches pédagogiques et non des démarches scientifiques, les expériences et méthodes utilisées sont des "monstrations" et non des "démonstrations". Les enseignants ne s'y trompent pas.

La question résiduelle essentielle qui reste alors est bien celle de la reconnaissance du caractère scientifique : quels sont les critères de scientificité qui sont implicitement partagés entre les enseignants, les élèves, la sphère savante ? Quels sont, pour reprendre les termes que nous avons utilisés dans la première partie, les éléments qui, invariants dans cette transposition de fait, permettent de reconnaître dans ces activités, quelque chose de scientifique ?

La réponse découle directement des différentes analyses et, in fine, des chapitres C3 et C4 où deux critères apparaissent clairement : la présence et la manipulation d'instruments et le caractère "chiffré" des résultats, c'est-à-dire une sorte de "quantitatif en soi" (peu importe la valeur, ce qui est important est de pouvoir quantifier).

Si nous reprenons le schéma des trois niveaux impliqués dans la transposition, nous pouvons ici faire un dernier commentaire.

Si l'on examine la transposition relative aux démarches et aux méthodes scientifiques, on constate facilement leur présence dans les textes ou discours officiels mais elles ne passent pas dans les pratiques enseignantes : notre analyse montre que, par exemple, le traitement statistique des

incertitudes (même réduit à l'utilisation de l'écart-type) n'a pas de rôle dans les pratiques pédagogiques et ne "passe pas" auprès des enseignants (Voir Séré et al., 1998). Les instruments et dispositifs mettent en jeu des technologies complexes mais apparaissent sous des formes spécifiques au laboratoire d'enseignement où les manipulations ne demandent que des gestes élémentaires ou quelques savoir-manipuler à acquérir ; la transposition opère à l'évidence sur le matériel (Calmettes, 1996) qui deviennent pour une bonne part des dispositifs "didactiques" (dans le sens classique "ancien" du terme) ad hoc. Enfin, le terme "modélisation" montre un glissement tout à fait significatif : du sens fort de l'élaboration-invention d'un modèle permettant d'interpréter des observations ou mesures (tel qu'il apparaît dans des disciplines scientifiques telles que l'astrophysique la physique atomique ou l'électronique), il passe dans le savoir à enseigner sous une forme réduite : le modèle n'est plus qu'une représentation physico-mathématique dans les programmes actuels (« modélisation des oscillateurs : un même formalisme », classe de Terminale S, B.O.E.N., 1995) - glissement renforcé d'ailleurs par l'apparition des moyens informatiques dits de modélisation déjà cités (Trigeassou, 1988) ; en dernière étape, ce sont les aspects numériques qui l'emportent dans la salle de travaux pratiques. L'aspect prédictif du modèle est absent, et l'on peut alors se demander quel sens les élèves peuvent construire du fonctionnement de la physique.

Science Savoir à enseigner Savoir enseigné