Après avoir tenté d’établir, dans la section précédente, que l’environnement d’apprentissage pouvait permettre à certains élèves de s’engager dans une expérimentation en effectuant plusieurs des étapes d’un raisonnement à la fois inductif et déductif, et en identifiant ces étapes de façon automatique et suffisamment fidèle, nous avons entrepris des mises à l’essai systématiques faisant intervenir un plus grand nombre d’élèves. Notre principal objectif pour ces mises à l’essai était de valider notre modèle d’action en illustrant comment l’environnement d’apprentissage développé pouvait être utilisé dans le contexte réel d’une classe complète de mécanique du niveau collégial.
6.4.1. Scénario d’intervention auprès des élèves
Nous avons choisi d’effectuer les mises à l’essai systématiques dans deux classes du professeur ayant participé à la seconde mise à l’essai fonctionnelle. Ces classes de mécanique de première année du programme Sciences de la nature comportaient respectivement 33 et 34 élèves qui ont participé à l’expérimentation. Nous avons convenu avec le professeur d’un scénario d’intervention en trois temps, relativement semblable à celui utilisé pour les mises à l’essai empiriques.
Dans un premier temps, une brève présentation des fonctionnalités de l’environnement d’apprentissage a été faite devant chacune des classes en utilisant encore une fois une projection sur un écran. La présentation d’une durée totale d’environ 10 minutes comportait les mêmes éléments que lors des mises à l’essai empiriques. Cependant, pour éviter certaines difficultés éprouvées précédemment, une présentation plus élaborée du paramètre Ti qui contrôle le début des simulations a été effectuée.
Dans un deuxième temps, les élèves ont dû réaliser quelques exercices à l’aide de l’environnement d’apprentissage. Ces exercices, d’une durée totale d’environ 40 minutes, étaient semblables à ceux qui furent utilisés lors des mises à l’essai empiriques.
Dans un troisième temps, les élèves étaient invités à analyser une séquence vidéo de la chute d’un objet effectuée à partir d’une fenêtre du Collège située au quatrième étage. Le choix d’analyser le mouvement d’un objet plutôt que trois a été fait de façon à ressembler autant que possible, selon le souhait exprimé par le professeur, à l’expérimentation habituellement effectuée par les élèves et concernant la chute libre. Nous avons cependant fait en sorte que la seconde moitié de la chute de l’objet soit influencée par le frottement afin de rendre possible un approfondissement
154 Chapitre 6
par les élèves. Le choix d’analyser la chute à partir du quatrième étage a été fait afin de ralentir le mouvement de l’objet sur la séquence vidéo pour le rendre moins flou et pour augmenter le nombre de points mesurables. Une caméra de meilleure qualité permettant de capturer 30 images par seconde a aussi été utilisée. Les images suivantes ont été extraites de la vidéo produite.
Figure 24. Images extraites de la vidéo utilisée pour les mises à l’essai systématiques
Selon la pratique habituelle du professeur, les élèves étaient regroupés en équipes de deux ou trois élèves. Ensuite les élèves ont été invités à réaliser l’expérimentation en fournissant une réponse aux questions suivantes, choisies en concertation avec le professeur et ordonnées selon leur niveau approximatif de difficulté, soit :
1) Est-ce que vous pouvez afficher le graphique de la vitesse en fonction du temps? Qu’est-ce que vous observez?
2) Est-ce que la vitesse peut-être modélisée par la formule vy = – 9.8 * ∆ t ? Expliquez. 3) Est-ce que vous pouvez reproduire en simulation le mouvement de l’objet?
4) Est-ce que le frottement influence significativement le mouvement de l’objet? Expliquez.
5) Quelle est la meilleure valeur du coefficient de frottement Cv? Quelle est la grandeur de la vitesse maximale?
6) Est-ce que la vitesse de chute de l’objet peut être modélisée par la formule vy = – vmax * (1 – exp( – 9.8* ∆ t / vmax)) ? Expliquez.
Résultats, interprétations et discussion 155
Les élèves étaient encouragés à ne pas nécessairement répondre aux questions dans l’ordre proposé et à utiliser l’environnement d’apprentissage pour explorer tous les aspects intéressants du phénomène. Une période de 60 minutes était allouée aux élèves pour tenter d’obtenir des réponses aux questions précédentes. Durant cette période, l’environnement d’apprentissage a enregistré les actions posées par les élèves. Si l’on utilise les enregistrements obtenus pour calculer la différence de temps entre le premier et le dernier enregistrement pour chaque équipe, on obtient que les élèves ont consacré en moyenne 41 minutes à l’expérimentation. Il est à noter qu’une séance au laboratoire comporte habituellement plus de 100 minutes. Une capture d’écran illustrant le cheminement typique des élèves est présentée dans la figure suivante :
Figure 25. Capture d’écran pour les mises à l’essai systématiques
À la fin de l’expérimentation, un bref questionnaire d’évaluation, qui avait pour but d’évaluer sommairement la perception générale des élèves, a été distribué à chacun des élèves ayant participé à l’expérimentation. Le questionnaire est présenté dans l’Annexe V. Nous présentons dans ce qui suit l’analyse de la tâche à accomplir par les élèves suivi de la synthèse des résultats obtenus lors de ces mises à l’essai systématiques.
156 Chapitre 6
6.4.2. Analyse des tâches à accomplir par les élèves
Les six questions posées concernaient les variables t, y, vy , ay associées au thème de la cinématique. Elles faisaient aussi référence au coefficient Cv qui n’avait pas été spécifiquement abordé préalablement en classe ainsi qu’à la solution de l’équation différentielle faisant intervenir le frottement qui est mentionné dans le manuel de cours mais jamais abordé en classe à cause de son niveau de difficulté trop élevé. En rédigeant ces questions, nous avons supposé que les élèves étaient familiers avec les équations du mouvement pour un objet en chute libre. Cela nous apparaissait raisonnable étant donné le fait que les élèves avaient déjà été confrontés à ces équations une première fois durant leur cours de physique au secondaire et une seconde fois au début du cours de mécanique au collégial. En ce qui concerne le frottement de l’air, nous avons considéré que les élèves n’avaient aucune connaissance préalable.
L’objectif de ces questions était de leur faire appliquer les équations du mouvement pour un objet en chute libre dans un contexte aussi réaliste que possible en leur donnant la possibilité de prendre conscience progressivement des limites de l’applicabilité de ces équations. En effet, à mesure que la chute progresse, le frottement fait en sorte que l’allure du graphique s’éloigne de plus en plus de l’équation proposée pour un objet en chute libre. La simulation produite pouvait ensuite leur permettre de percevoir le retard de plus en plus grand que prenait l’objet réel sur l’image par rapport à l’objet simulé sans frottement. L’ajustement de la valeur du coefficient de frottement leur donnait la possibilité de synchroniser la simulation avec la réalité. Finalement, l’équation finale leur donnait l’occasion de réaliser qu’il existait une solution analytique décrivant correctement ce mouvement, différente de la solution pour un objet en chute libre.
Au niveau cognitif, la situation proposée faisait intervenir la p-prim d’Ohm qui, comme nous l’avons mentionné dans la section 3.3.3 Conception et intuition, met en relation un AGENT (la gravité) qui produit un RÉSULTAT (l’accélération) contre une RÉSISTANCE (le frottement).
Pour obtenir des réponses aux questions posées, les élèves pouvaient procéder de la façon suivante :
1) observer le mouvement directement sur la séquence vidéo; 2) mesurer les positions successives de l’objet choisi; 3) choisir les paramètres expérimentaux à afficher; 4) ajuster certains paramètres expérimentaux; 5) créer une ou plusieurs balles simulées; 6) choisir les paramètres de simulation à afficher; 7) ajuster les paramètres de simulation;
8) afficher les graphique de certains paramètres en fonction du temps; 9) afficher des courbes théoriques sur les graphiques;
10) comparer les images réelles avec les images simulées; 11) comparer les valeurs numériques mesurées et simulées;
Résultats, interprétations et discussion 157
Il est important de noter que les étapes pouvaient être effectuées dans n’importe quel ordre vraisemblable et que chacune de ces étapes pouvait aussi ne pas être effectuée du tout. Ainsi les étapes 2), 3) et 4) concernant les mesures pouvaient aussi être effectuées après les étapes 5), 6) et 7) concernant la simulation. Les étapes 8) et 9) concernant les graphiques pouvaient être effectuées à tout moment. Les étapes 10) et 11) devaient quant à elles être effectuées après que des mesures aient été obtenues et qu’une simulation ait été produite. L’étape 12) supposait que deux éléments à comparer (parmi les trois proposés) aient été préalablement produits.
La première question demandait aux élèves d’afficher et d’observer le graphique de la vitesse en fonction du temps. Ils devaient pour cela commencer par mesurer les positions successives du ballon sur les images. Ils pouvaient ensuite observer sur le graphique que la vitesse n’était pas proportionnelle au temps durant toute la durée de la chute. Elle atteignait plutôt un plateau.
La seconde question permettait aux élèves qui ne l’avaient pas déjà fait spontanément (avant ou après l’obtention la courbe expérimentale) d’afficher la courbe théorique de la vitesse pour un objet en chute libre et de constater qu’elle ne permettait pas de reproduire la courbe expérimentale. Il est à noter que l’expression « chute libre » n’avait volontairement pas été utilisée dans la question pour laisser les élèves faire eux-mêmes ce lien.
La troisième question demandait aux élèves de reproduire en simulation le mouvement de l’objet. On pouvait tenter de répondre à cette question avant d’avoir répondu aux deux premières. Évidemment, l’ajustement du paramètre associé au frottement était nécessaire pour reproduire fidèlement le mouvement. Il est à noter que ce paramètre n’était pas mentionné explicitement dans la question.
La quatrième question permettait aux élèves qui ne l’avaient pas déjà fait spontanément de se prononcer sur le rôle du frottement dans ce mouvement. Ils pouvaient fournir une explication basée sur l’observation de la courbe expérimentale, de la courbe simulée ou de la comparaison de l’une ou l’autre de ces courbes avec la courbe théorique.
La cinquième question faisait explicitement référence au coefficient de frottement et à la vitesse maximale. En leur demandant les valeurs numériques, la question poussait les élèves à ne pas se contenter d’un ajustement grossier des paramètres de simulation.
La dernière question leur proposait une équation théorique relativement complexe qui permettait de rendre compte du mouvement. Les élèves pouvaient ainsi prendre conscience de l’existence et de la forme de la solution. Il n’était pas question de demander aux élèves de démontrer cette équation mais plutôt d’éveiller leur curiosité. Le professeur pouvait ensuite les inviter à consulter la section du manuel de cours présentant cette solution et le raisonnement qui permet de l’obtenir.
158 Chapitre 6
6.4.3. Synthèse du cheminement des élèves
Nous voulions dans un premier temps déterminer dans quelles proportions les élèves réussiraient à utiliser l’environnement d’apprentissage pour obtenir des réponses aux six questions présentées précédemment. Nous avons pour cela consulté les réponses écrites que les élèves ont remises à la fin de la séance ainsi que les enregistrements effectués automatiquement par l’environnement d’apprentissage durant l’expérimentation. À partir de ces deux sources d’informations complémentaires, nous avons produit le tableau suivant qui rend compte du niveau de succès des équipes d’élèves pour chacune des questions.
Tableau XXIV. Proportion des équipes d’élèves ayant réussi chacune des questions lors des mises à l’essai systématiques
Résumé de la question Nombre d’équipes ayant réussi
Afficher vy en fonction de t 22/22
Modéliser avec vy = -9.8* t 21/22
Créer une simulation du mouvement 22/22 Déterminer l’influence du frottement 20/22 Obtenir la valeur de Cv et vmax 20/22
Modéliser avec vy = … 15/22
En examinant le tableau précédent, on peut remarquer que 15 équipes sur 22, soit 68%, ont réussi à obtenir des réponses satisfaisantes aux six questions, la dernière question étant la moins réussie. Il est important de noter que le sujet des deux premières questions correspondait à l’expérience habituellement effectuée par les élèves et concernant la chute libre. Les trois dernières questions, quant à elles, concernaient le frottement fluide dont la théorie n’avait pas été abordée préalablement en classe. Ces trois dernières questions avaient pour but d’illustrer le fait que certains élèves peuvent utiliser l’environnement d’apprentissage pour se familiariser avec des concepts qu’ils ne maîtrisent pas préalablement. Pour obtenir des réponses satisfaisantes aux six questions, nous avons observé (à l’aide des enregistrements produits par l’environnement d’apprentissage) que les élèves ont dû nécessairement effectuer les étapes suivantes d’un processus de modélisation, soit :
1) observer la séquence vidéo;
2) mesurer les positions successives du ballon sur chacune des images; 3) obtenir les vitesses à partir des positions mesurées ;
4) afficher les vitesses obtenues sur le graphique de vy en fonction de t ; 5) tracer la courbe théorique correspondant à l’équation vy = -9,8* t ; 6) créer une simulation de la chute d’un ballon avec frottement ;
Résultats, interprétations et discussion 159
8) utiliser les valeurs obtenues pour tracer la courbe vy = – vmax (1 – e – 9.8* ∆ t / Vmax).
Il est à noter que les équipes ont généralement effectué les étapes dans cet ordre qui correspond approximativement à un niveau de difficulté croissant. Les élèves ont aussi effectué plusieurs expérimentations exploratoires de situations simulées avec et sans frottement (et plus ou moins farfelues) qui ne permettaient pas directement de répondre aux questions. Ils ont aussi affiché des graphiques autres que celui de la composante verticale de la vitesse. On peut utiliser les enregistrements effectués par l’environnement d’apprentissage pour obtenir la durée et la fréquence des étapes de raisonnement identifiées par l’environnement selon la même grille que lors des mises à l’essai empiriques. Le tableau et le graphique suivants rendent compte de cette compilation.
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Tableau XXV. Durée moyenne et fréquence moyenne des étapes du cheminement des 22 équipes d’élèves lors des mises à l’essai systématiques
Identification de l’étape moyenne Durée Fréquence moyenne
I-1, Choix phénomène 00:00:55 4,02
I-2, Système 00:00:01 0,30
I-3, Observation 00:06:26 9,55
I-4, Hypothèse 0 0
I-5, Contrôle 00:01:45 3,55
I-6, Mesure 00:05:56 5,50
I-7, Analyse mesures 00:07:26 4,41
I-8, Synthèse modèle 00:00:01 1,50
D-1, Choix phénomène 00:00:01 4,59 D-2, Proposition 00:07:51 19,55 D-3, Conséquence 00:00:21 0,73 D-4, Données 0 0 D-5, Confirmation/Réfutation 00:08:51 17,23 N-2, Enregistrement 00:01:32 2,86 Total 00:41:04 73,77
Résultats, interprétations et discussion 161
Figure 26. Durée moyenne et fréquence moyenne des étapes du cheminement des 22 équipes d’élèves lors des mises à l’essai systématiques
0 5 10 15 20
I-1, Choix phénomène I-2, Concept I-3, Observation I-4, Hypothèse I-5, Contrôle I-6, Mesure I-7, Analyse mesures I-8, Synthèse modèle N-2, Enregistrement D-1, Choix phénomène D-2, Proposition D-3, Conséquence D-4, Données D-5, Confirmation Étap e identifiée
Fréquence ou Durée (min)
Durée Fréquence
Ainsi, selon le tableau et le graphique précédents, les élèves ont effectué en moyenne 74 actions (29 en induction et 42 en déduction) pour compléter l’expérimentation en 41 minutes (22 en induction et 17 en déduction). Comme lors des mises à l’essai empiriques, toutes les étapes n’ont pas été identifiées par l’environnement. Nous croyons que l’absence des étapes I-4 et D-4 met en évidence les choix des élèves quant à leur cheminement. Par exemple, l’absence de I-4,
Hypothèse signifie qu’aucune équipe d’élèves n’a choisi de tracer une courbe
théorique prédisant l’allure d’un graphique avant de faire les mesures. Ils ont choisi de le faire après avoir observé le graphique et cette action a été identifiée à l’étape I-
7, Analyse mesures. Ceci pourrait peut-être être expliqué par l’ordre des questions,
même si les élèves étaient encouragés à ne pas nécessairement répondre aux questions dans l’ordre. En effet, la première question faisait référence à l’observation du graphique et la seconde à la courbe théorique. L’absence de D-4, Données signifie que, suite à la production de leur simulation, les élèves n’ont pas consulté une seconde source de données, par exemple une seconde vidéo, pour étendre la portée de leur modèle. Parmi les étapes présentes, les deux plus importantes au plan de la durée et de la fréquence sont D-2 et D-5 qui sont associées respectivement à la formulation de propositions concernant une simulation et à la mise à l’épreuve de ces propositions. Cela rend bien compte, à notre avis, du cheminement que les élèves ont effectué lors de l’expérimentation.
Ainsi, concernant la synthèse du cheminement des élèves et l’identification des étapes par l’environnement d’apprentissage, nous avons observé que les élèves de deux classes de mécanique au niveau collégial ont réussi à utiliser l’environnement d’apprentissage pour obtenir des réponses satisfaisantes à des questions dont certaines concernaient des éléments de théorie vue en classe et d’autres
162 Chapitre 6
concernaient des éléments nouveaux. De plus, nous avons observé que l’environnement d’apprentissage a réussi à identifier de façon satisfaisante les actions des élèves selon la grille que nous avons élaborée dans notre modèle d’action. Finalement, nous avons observé que les problèmes éprouvés lors des mises à l’essai empiriques et concernant les mauvaises identifications et les identifications répétitives ont été réglés.
6.4.4. Synthèse de l’évaluation de la perception des élèves
Le questionnaire, qui avait pour but d’évaluer sommairement la perception des élèves, comportait deux questions pour lesquelles on demandait de fournir des réponses sur une échelle à quatre niveaux (A : Beaucoup mieux, B : Mieux, C : Moins, D : Beaucoup moins). On demandait ensuite de donner les principales raisons qui expliquaient chacune des réponses données.
À la première question concernant l’intérêt que les élèves avaient éprouvé durant l’expérimentation en comparaison avec les expériences qu’ils avaient effectuées en mécanique depuis le début de la session, les élèves ont attribué 18 A, 44 B, 5 C et aucun D. Si l’on utilise la convention A = 4, B = 3, C = 2 et D = 1, on obtient une évaluation moyenne de 3,20 sur 4. Si l’on regroupe les réponses A et B, on obtient que 93% des élèves se sont montrés intéressés par l’environnement d’apprentissage. Parmi les raisons qu’ils ont invoquées pour expliquer leur intérêt, nous avons retenu les suivantes :
« Nous avons pu simuler ce qu’on voulait et vérifier si nos hypothèses étaient bonnes », « Pouvoir simuler n’importe quelle situation très facilement et modifier tous les
paramètres autant qu’on veut », « Il nous permet de prendre des mesures qui autrement seraient impossibles », « On peut visualiser le mouvement grâce à la vidéo et avoir le graphique rapidement », « Le programme produit rapidement les graphiques, nous ne perdons donc pas de temps », « Intéressant de pouvoir comparer l’expérimental avec la théorie de façon visuelle », « C’est plus facile à comprendre parce que plus visuel », « Il nous montre différents types de mouvements possibles et les facteurs qui influencent ces mouvements », « C’est un logiciel simple qui peut représenter des choses complexes. Les simulations sont faciles à réaliser et précises », « C’est facile à utiliser et c’est très clair », « C’est très illustratif et permet de bien visualiser les expériences », « Ça nous évite aussi de prendre chacune des mesures, ce qui peut s’avérer une tâche longue, ardue et imprécise », « J’ai bien aimé analyser les vidéos. C’est bien que tout se fasse automatiquement pour nous », « Ça représente une corrélation directe avec la réalité, donc on peut interpréter les résultats de la vraie vie avec la théorie », « C’est très amusant et distrayant de pouvoir manipuler des phénomènes de la vraie vie », « Programme full excitant ».
Il est intéressant de noter ici que tous les élèves qui se sont montrés moins intéressés (en répondant C à la question) étaient de sexe féminin. Ces élèves moins intéressées ont fait les commentaires suivants :
« Personnellement, j’aime mieux travailler avec des objets qu’avec des ordinateurs », « J’aime mieux faire un travail manuel qu’employer un ordinateur », « Intéressant, mais nécessite plus d’explications pour bien maîtriser le logiciel », « On ne peut pas observer le phénomène directement et l’informatique ne m’intéresse pas beaucoup ».
Résultats, interprétations et discussion 163
À la seconde question concernant la compréhension du phénomène physique étudié, les élèves ont attribué 10 A, 56 B, 1 C (une fille) et aucun D. Si l’on utilise la même convention que précédemment, on obtient une évaluation moyenne de 3,14 sur 4. Si l’on regroupe les réponses A et B, on obtient que 99% des élèves se sont montrés d’avis que l’environnement d’apprentissage permet de mieux comprendre le phénomène physique que les autres expériences de mécanique qu’ils avaient effectuées. Parmi les raisons qu’ils ont invoquées pour expliquer leur avis, nous avons retenu les suivantes :
« J’ai mieux compris car étant visuelle, j’ai pu voir le phénomène », « On peut voir tout ce