Présentation de l’activité scientifique – Avant de commencer la passation, l’expérimentateur informe les enfants qu’ils vont travailler dans le domaine des sciences. Avec l’exemple de la germination des graines, il leur demande d’indiquer comment on fait des sciences. Cette étape préliminaire a pour but de s’assurer que tous les enfants ont eu un aperçu de la science en tant que pratique, et de les engager dans une activité de réflexion scientifique.
Le déroulement de l’expérimentation – Les participants ne sont pas informés à l’avance du déroulement des séquences. Ils traversent une étape de pré-test, une étape de test (environ 1 jour après), un post-test individuel immédiat à la suite du test (environ 1 jour après la dernière passation d’entraînement), et un post-test individuel différé (entre 3 et 6 semaines après le post- test immédiat).
5.4.2 – Procédure de pré- et post-test
Pré-test – Le pré-test a lieu en classe durant environ 40 minutes. L'expérimentateur donne un livret individuel de réponses à chaque enfant. Il rappelle qu'il s'agit d'un exercice individuel, à réaliser au stylo bille, sans effaceur/gomme mais avec possibilité de raturer, et vérifie que les enfants sont en condition de travail individuel.
Douze prédictions et justifications des prédictions – Il prend un premier objet et le montre à la classe. Puis il répartit dans la classe les divers exemplaires de ce premier objet concret que les enfants se font passer. L'expérimentateur montre un aquarium à moitié rempli d'eau et demande : « Sur votre livret vous pouvez marquer le nom de ce premier objet. Réfléchissez bien pour savoir si selon vous cet objet flotte ou coule si on le met dans l'aquarium. Une fois que vous aurez réfléchi, vous cocherez la case qui correspond à votre réponse : il flotte, ou il coule ». Quelques secondes après que tout le monde a répondu, il demande : « Maintenant vous allez réfléchir à toutes les raisons qui expliquent que cet objet flotte ou coule. Vous avez un espace pour écrire ces explications ». Lorsque tous les élèves ont répondu (environ une à deux minutes), l'expérimentateur présente l'objet concret suivant selon la même procédure. Suite aux six objets concrets, la procédure est identique pour les six objets évoqués.
Une explication générale finale – Lorsque les douze objets, concrets et évoqués, ont été présentés, l'expérimentateur demande de réfléchir individuellement : « Maintenant vous allez réfléchir pour trouver une explication générale, c'est-à-dire trouver une explication qui permette de dire pour tous les objets possibles si ils coulent ou flottent et pourquoi. Il est important d’argumenter : ça veut dire que vous devez bien expliquer qu’est-ce qui fait que ça flotte ou que ça coule et comment vous prouvez et montrez que votre explication convient. La page de gauche peut vous servir de brouillon si vous le désirez ». Après environ 10 minutes, lorsque les élèves ont terminé, l’expérimentateur lit la question en bas de page: « Comment trouves-tu ces explications ? Vous pouvez répondre : très bonnes, bonnes, moyennes, peu bonnes, pas bonnes ». Puis : « on vous demande enfin si vous avez trouvé cet exercice d’explication générale difficile ou facile. Vous pouvez donc répondre : très facile, facile, moyen, difficile, très difficile ».
Post-tests – Les post-tests suivent la même procédure que le pré-test. Le post-test immédiat a lieu une demi-journée après la dernière passation d’entraînement. Le post-test différé a lieu en moyenne 4 semaines plus tard environ, en fonction du calendrier scolaire.
5.4.3 – Procédure de composition des groupes de participants
Composition des groupes expérimentaux – Les réponses du pré-test permettent de composer des conditions expérimentales et des dyades à l’intérieur de ces conditions. Après consultation des enseignants, les enfants redoublants ou ayant des difficultés scolaires sévères sont retirés de l’expérience. Pour assurer la comparabilité des groupes expérimentaux au niveau cognitif et au niveau du genre, la procédure de composition des groupes est effectuée de manière identique pour les filles, puis les garçons. Dans chaque classe, ces élèves sont classés en niveaux en fonction du score conceptuel le plus haut, atteint pour les justifications de prédictions du pré- test (score CL évalué avec l’échelle de Howe et al., 2005, voir 5.1 et Tableau 6). Les élèves de chaque niveau sont répartis aléatoirement dans quatre groupes expérimentaux comparables.
Constitution de groupes expérimentaux et des dyades d’apprenants – Dans chacun des quatre groupes expérimentaux, les enfants sont appariés en dyades de même genre. Des dyades sont utilisées plutôt que des groupes car ces derniers favorisent des processus tels que des phénomènes d’influence sociale. De plus, la dyade est parfois considérée comme l’unité d’analyse la plus heuristique pour révéler un saut qualitatif des processus cognitifs (Gilly, 2001).
Les dyades sont composées d’enfants de niveaux différents, afin de maximiser les divergences de points de vue initiaux et de maintenir l’intérêt des participants malgré la répétition des tâches proposées. De plus, un maximum de différences argumentatives entre les partenaires est assuré, en vérifiant qu’ils donnent des justifications les plus différentes possibles à chaque objet prédit en pré-test. On calcule donc pour chaque dyade à chaque justification de prédiction le nombre d’arguments communs (S) et différents (D) ; la somme de ces valeurs permet l’attribution à chaque dyade d’un coefficient de différence dyadique (CD) tel que : CD = ∑D/∑(D+S) x 100 (Howe et al., 2005). En cas de trop forte similitude dans un binôme (CD inférieur à 0,5), on reprend la procédure de répartition aléatoire, jusqu’à parvenir à des dyades hétérogènes (voir Tableau 8). Tableau 8 – Composition des groupes expérimentaux
Groupe Âge moyen Coeff. de différence dyadique moyen en pré-test (CD) Nombre de filles/garçons Nombre DDD 10;10 79% 16 / 12 28 DID 10;10 80% 16 / 10 26 IDI 10;11 78% 16 / 10 26 III 10;9 78% 16 / 10 26
Affectation des groupes expérimentaux – Un groupe contrôle effectue les activités uniquement en individuel (groupe III) et un groupe contrôle s’entraîne systématiquement en dyade (groupe DDD). Ces groupes contrôles ne réalisent donc pas de changement de situation durant l’étape d’entraînement. Un troisième groupe réalise deux reprises individuelles de la tâche séparées par une étape dyadique (groupe IDI). Il y a donc deux changements de situation sociale depuis le pré-test jusqu’aux post-tests ; l’apprentissage est orienté vers des réalisations plutôt individuelles de l’activité. Enfin le quatrième groupe réalise deux reprises collectives de la tâche séparées par une étape individuelle (groupe DID) ce qui occasionne du pré-test au post-test final quatre changements de situation sociale et un entraînement souvent collectif (voir Figure 5).
Figure 5 – Groupes expérimentaux en fonction des temps d’entraînement solitaires/dyadiques
5.4.4 – Procédure de l’entraînement
Généralité – L'expérimentateur ne donne ni réponse, ni feedback mais reste disponible concernant la procédure à suivre. La passation des étapes d’entraînement commence une demi- journée à un jour après le pré-test et se déroule dans une salle hors de la classe. L'ensemble des passations d'une classe s’effectue en 2 à 3 jours. Chaque passation dure environ une heure. Les
élèves se présentent en dyade. Selon le groupe expérimental, lorsqu’ils travaillent ensemble (groupes DDD, DID et IDI), ils sont installés côte à côte et doivent parvenir à une réponse commune en se mettant d’accord ; lorsqu’ils travaillent individuellement (groupes III, DID et IDI), ils sont installés dos-à-dos sur des tables identiques et ne doivent ni communiquer, ni s'observer. Dans les groupes IDI et DID où des changements sont prévus les élèves se séparent ou se regroupent au cours des trois étapes. L'expérimentateur confie à chacun un stylo de couleur différente et montre une pile de feuilles de brouillon colorées en les informant qu'ils peuvent s'en servir s'ils en ont besoin. En fonction du groupe expérimental, si les enfants doivent travailler seuls, ils reçoivent chacun une feuille de prédiction ; s’ils doivent collaborer, ils reçoivent une feuille commune.
Déroulement – L’entraînement est repris trois fois, avec à chaque fois un temps de prédiction-observation et un temps de recherche d’explication. A chaque fois, un nouveau set de trois objets est proposé. Les apprenants doivent prédire la flottabilité des trois objets successivement. Ils peuvent les manipuler mais pas les placer dans l'aquarium. Lorsque les trois objets ont été prédits, les enfants peuvent les plonger dans l’aquarium pour observer leur réaction effective ce qui permet de vérifier les prédictions. En fonction de leurs observations, ils catégorisent ensuite les objets sur les deux plateaux « flotte » ou « coule ». Enfin ils doivent noter sur la feuille de prédiction ce qu’ils ont observé et indiquer d’une croix les objets qu’ils ont prédit correctement. L'expérimentateur relève les feuilles de prédiction et donne une nouvelle feuille d’explication générale. Il est demandé comme pour les pré- et post-tests de produire une explication générale de la flottaison des objets. On précise qu’il s’agit de faire une explication « qui fonctionne pour tous les objets possibles de la vie » et qu’il s’agit d’argumenter c'est-à-dire « d’expliquer le plus possible comment on prouve cela ». L’expérimentateur présente à nouveau les objets disposés sur la table et dit aux élèves qu’ils sont « libres d’utiliser tout ce qui est sur la table pour construire cette explication ». Les enfants ont 10 minutes pour réaliser leur explication. L’expérimentateur reste à distance et disponible (ex : fonctionnement de la balance électronique, rappel du temps restant…). Ce déroulement des activités de prédiction-observation et explication est identique sur les trois étapes. Seul le groupe d’objets donnés change. Les objets déjà confiés restent disponibles jusqu’à la fin de l’entraînement. Les élèves ne sont jamais informés de la chronologie des activités individuelles et collaboratives qui suivent, sachant que des effets d’anticipation ont été mis en évidence (Augustinova et al., 2005) (voir Figure 6).
Figure 6 – Chronologie des activités requises en pré- et post-test et durant l’entraînement
5.4.5 – Fin de l’expérimentation
Après le post-test différé – Une fois le post-test différé terminé, les feuilles des élèves recueillies, l’expérimentateur discute avec les enfants à propos de deux types d’expériences. Tout d’abord concernant la flottaison des objets, il leur propose une discussion en grande classe, qui sera poursuivie plus tard avec l’enseignant dans un cadre scolaire. D’autre part, il fait part des conditions expérimentales de l’étude. Il invite alors les enfants à raconter le déroulement de leurs entraînements, et finalement à trouver brièvement l’objet d’étude à travers la méthodologie.
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Retour à la situation de l’élève en classe de sciences – Le plan de l’étude proposée est un plan mixte, c’est-à-dire un plan avec des temps répétés et des conditions expérimentales différentes. Les variables, indépendantes et dépendantes de l’étude ainsi qu’un premier système de codage des réponses a été mis en place. Nous présentons ces éléments, inspirés des travaux de Howe et al. (2005), puis une nouvelle grille d’évaluation des réponses conceptuelles des enfants est présentée.
5.5.1 – Les variables indépendantes et variables dépendantes
Variable indépendante – La succession des situations sociales d’entraînement constitue la variable indépendante principale de l’étude. Ses quatre modalités permettent d’envisager des combinaisons sociales des phases d’entraînement selon que les enfants travaillent toujours seuls (condition III), toujours en dyade (DDD), en dyade puis individuellement puis en dyade (DID), ou encore individuellement puis en dyade puis individuellement (IDI). Il s’agit de la variable interindividuelle du plan mixte.
Variables dépendantes – Les variables dépendantes étudiées concernent trois types de compétences en pré- et post-test (voir Tableau 9) : la capacité de l’enfant à prédire la flottaison des objets concrets présentés, sa compétence à justifier ses prédictions, et sa compétence à donner une explication générale du phénomène de flottaison.
Tableau 9 – Récapitulatif des variables dépendantes de l’étude
Type de production Indicateur Description
Prédictions PR Nombre de prédictions correctes
FT Nombre de facteurs évoqués sur l’ensemble des justifications
Justifications
CL Somme du niveau conceptuel du meilleur argument de chaque justification
FTexp Nombre de facteurs évoqués dans l’explication
Explications générales
Nivexp Niveau conceptuel du meilleur argument de chaque
justification
5.5.2 – Le codage des prédictions (score PR)
Une compétence implicite – La justesse des prédictions de l’enfant peut être estimée en fonction de la réaction effective des objets. De ce fait, seules les prédictions des enfants sur les objets concrets, dont on peut vérifier s’ils flottent ou coulent, permettent de composer le score PR. Ce score indique le nombre de prédictions correctes sur six consécutives en pré- ou post-test, et sur trois durant les phases d’entraînement (voir Annexe G pour les données).
Un codage intrajuge – Les prédictions des enfants, ont été codées par deux fois par un même juge, en intégralité. La comparaison indique un codage très fiable : sur les 1908 prédictions de pré- et post-tests, plus de 99% des prédictions ont été codées de la même manière.
5.5.3 – Codage des justifications et des explications générales
Les étapes du codage – Afin d’évaluer les justifications, mais également les explications générales des enfants, les réponses sont codées en deux étapes, décrites en détail ci-dessous. La première étape consiste à identifier les arguments utilisés par l’enfant ; la seconde consiste à attribuer un score conceptuel à chacun d’eux. Les justifications et explications écrites sont évaluées dans leur dimension conceptuelle à l’aide d’indicateurs issus de la méthodologie de Howe et al. (2005), auxquels nous ajoutons un indicateur de niveau de développement.
L’indicateur « FT » (factor total) – Cet indicateur, repris de Howe et al. (2005), comptabilise le nombre d’arguments produit sur l’ensemble des justifications. Ce score indique donc si l’enfant produit une certaine quantité d’arguments pour présenter ses conceptions. Par exemple : la justification « l’objet coule car il est lourd et gros » comprend deux arguments et apporte donc un score FT = 2 (voir Annexe H pour les données).
L’indicateur « CL » (conceptual level) – Cet indicateur indique le meilleur niveau conceptuel atteint par les facteurs utilisés par l’enfant, d’après l’échelle évaluative. Pour les justifications, on ajoute le score du meilleur argument de chacune des douze justifications. Par exemple : la justification « l’objet coule car il est lourd et gros » comprend deux arguments, la masse évaluée à 3 et la taille appliquée de manière erronée évaluée à 2 et apporte donc un score CL = 3. (Nous n’utilisons pas de score équivalent avec les explications générales, mais utilisons le niveau de développement avec lequel il se confond) (voir Annexe H pour les données).
L’indicateur « niveau modal » des justifications – Ce score donne une lecture plus fine du score CL attribué à l’enfant. En effet, les justifications comprennent douze items en pré-test ou en post-test. L’hétérogénéité des justifications oblige à adopter une méthode fine qu’une simple moyenne pour décrire un niveau de développement des justifications de l’enfant. Nous utilisons le « niveau modal » (repris de Howe et al., 1990). Une fois la qualité de chaque justification évaluée à l’aide de l’échelle conceptuelle, on compte combien de justifications atteignent chacun des degrés de l’échelle. Le niveau modal de l’enfant correspond au niveau le plus fréquemment atteint dans les justifications ; si ce score n’est pas deux fois supérieur aux niveaux adjacents, l’enfant est alors classé à un niveau intermédiaire. Par exemple, un enfant qui développe six justifications de score CL = 3, et quatre justifications de score CL = 2, et deux justifications de score CL = 1, obtient un niveau modal intermédiaire 2,5, c’est-à-dire entre 2 et 3 (intermédiaire entre les niveaux IIA et IIB sur l’échelle présentée ensuite) (voir Annexe H pour les données).
L’indicateur « FTexp » – A l’instar du score FT, le score FTexp comptabilise le nombre
d’arguments différents produit dans les explications générales de pré-test et de post-test, mais aussi durant l’entraînement (voir Annexe I pour les données).
L’indicateur « Nivexp » des explications – Le niveau conceptuel des explications générales
est évalué directement à partir du score atteint par le meilleur argument sur l’échelle d’évaluation (voir Annexe I pour les données).
5.5.4 – Première étape : décrire les justifications et explications en arguments
Les arguments des enfants – Les justifications et explications écrites sont évaluées dans leur dimension conceptuelle en analysant les concepts auxquels il est fait référence. On distingue alors les arguments écrits pour les 3816 justifications recueillies en pré- et post-test, pour les 318 explications générales de pré- et post-tests, et pour les 237 explications générales produites durant l’entraînement. Cette analyse brute donne un indicateur, mais est insuffisante, pour déterminer la conception de l’enfant, qui nécessiterait un entretien approfondi et des mises en situations complexes. D’une part, une justification ou une explication peuvent contenir un ou plusieurs arguments, ce qui complique les analyses. D’autre part, un même facteur peut être cité pour des conceptions différentes, ce qui nécessite d’être précautionneux dans les interprétations données ensuite. Du fait de cette complexité, deux grilles d’analyses différentes, basées sur ces arguments sont présentées dans les sections suivantes. Enfin certains assemblages typiques d’arguments seront étudiés pour affiner la compréhension des conceptions des enfants.
Classes et catégories d’arguments – Afin d’analyser les conceptions des justifications et explications des enfants, on analyse pour chaque justification et chaque explication générale les concepts ou arguments employés pour décrire les raisons physiques du phénomène. Dix-neuf catégories d’arguments ont ainsi été définies d’abord à partir de la méthodologie de Howe et al. (2005) et empiriquement par l’analyse des réponses des participants. A posteriori, nous avons constaté que ces catégories correspondent quasiment exactement avec celles que cite Howe (1998, p.147-149) lorsqu’elle reprend en détail les arguments répertoriés dans son étude initiale (Howe et al., 1990). Nous avons simplement regroupé les types d’arguments les plus rares selon qu’il y a une possibilité de confusion entre ces catégories, du fait de l’imprécision des formules de l’enfant et de la capacité d’interprétation extérieure de l’adulte.
Une classe de réponses sans argument – Une première série de réponses indique une production qui n’est pas argumenté par un concept physique. Ainsi l’enfant peut :
- laisser le champ vide (catégorie « 0 ») ;
- faire un constat d’ignorance (catégorie « Ne sais pas ») : par exemple, il écrit « Je ne sais pas comment expliquer ».
- décrire le phénomène sans donner de raison matérielle (catégorie « constat ») : par exemple, il écrit « l’objet reste à la surface de l’eau ».
Une classe d’arguments matériels qualitatifs – Dans une deuxième série d’arguments possibles, l’enfant peut appuyer son explication ou sa justification sur des arguments non mesurables, c’est-à-dire purement qualitatifs, bien qu’ils correspondent à des concepts physiques. L’enfant peut indiquer le rôle de:
- la rigidité de l’objet (catégorie « rigidité ») : par exemple, il écrit « l’objet est mou ». - la forme de l’objet (catégorie « forme ») : par exemple, il écrit « l’objet est fin » ou
« l’objet est rond ».
- la résistance de l’eau (catégorie « résistance ») : par exemple, il écrit « l’eau a assez de force pour le porter ».
- Finalement, une dernière catégorie de facteurs (catégorie « position/fonctionnement ») regroupe des arguments peu fréquents, soit en termes de position de l’objet par rapport à l’eau, soit en termes de mécanisme interne à l’objet. Par exemple, l’enfant écrit « il faut
poser l’objet légèrement sur l’eau », ou encore « il faut le poser horizontalement » ou bien « l’objet flotte car il est froid » ou encore « l’objet fait des bulles qui le portent ». Les catégories suivantes ont un statut particulier puisque selon les auteurs, elles peuvent indiquer une conception erronée (Howe et al., 2005) ou bien une préconception évoluée de la densité (Piaget & Inhelder, 1941) : il s’agit du contenu de l’objet et de la matière de l’objet. Il peut donc indiquer le rôle de :
- de la matière de l’objet (catégorie « matière »). Par exemple, il écrit « c’est un objet en bois et donc il flotte ».
- du contenu de l’objet. Cet ensemble d’argument est divisé en trois catégories selon le contenu supposé dans l’objet (catégorie « contenu d’air », « contenu d’eau », « autre contenu de l’objet ». Par exemple, il écrit « l’objet a de l’air à l’intérieur ce qui le fait flotter », ou bien « l’objet se remplit d’eau ce qui le fait couler » ou encore « l’objet est plein, il y a une mine à l’intérieur ».
Une classe d’arguments matériels quantitatifs (intensif ou extensif) – Il s’agit de facteurs physiques mesurables, bien que l’enfant peut les utiliser de manière intensive, en faisant par exemple des comparaisons ou en décrivant l’objet par une modalité de ces facteurs. L’enfant peut ainsi indiquer le rôle de :