L’enseignant, dans ce type de laboratoire, adopte un rôle actif et stimulant en posant un problème aux apprenants et en leur fournissant le matériel de référence nécessaire. Il visera, en faisant des séances de groupes au besoin, à diriger les étudiants vers une solution correcte au problème. L’enseignant facilite les apprentissages au lieu de fournir directement le savoir aux étudiants. Dans le cadre de cette approche, les étudiants font face à une problématique pour laquelle il manque d’information cruciale. Les étudiants doivent donc redéfinir le problème dans leurs propres termes et trouver le moyen d’accéder à l’information manquante à l’aide d’une procédure. Par la suite, ils doivent faire l’expérimentation les menant à la solution. La problématique doit être claire mais elle peut se résoudre de diverses façons. De plus, il faut qu’elle soit conceptuellement simple pour ne pas que les
étudiants se perdent dans la nature même du sujet. Encore une fois, ce type de laboratoire gruge beaucoup de temps en classe et exige beaucoup, tant du professeur que de l’étudiant. Comme le laboratoire par « enquête guidée », l’enseignement par « problématique » permet à l’étudiant d’accéder à des habiletés cognitives de haut niveau. Il développe néanmoins une méthode déductive puisque les étudiants rencontrent d’abord les concepts et les techniques sous-jacentes avant de faire leur expérimentation. On l’utilise fréquemment dans les programmes universitaires de médecine nord- américains. Voici une série d’étapes principales (celles-ci sont plutôt cycliques que linéaires) :
• Identifier un problème pour investiguer et tenter une hypothèse; • Concevoir une expérimentation pour vérifier l’hypothèse;
• Faire l’expérimentation et recueillir les données dans la forme appropriée; • Interpréter les résultats et évaluer les conclusions en fonction de l’hypothèse
à vérifier.
Le tableau suivant présente, en résumé, les principales caractéristiques de chacun des types de laboratoire. Les avantages et inconvénients associés à chacun des types, pour ce projet de recherche, seront discutés dans le prochain chapitre (3.2.3).
Tableau I. Caractéristiques des divers types de laboratoire (Johnston et Al-Shuaili, 2001)
Caractéristiques
Types Objectifs Méthode Approche Procédure
Traditionnel Prédéterminés Déductive Traditionnelle Fournie Enquête non guidée Non déterminés Inductive Conceptuelle Construite
Découverte Prédéterminés Inductive Conceptuelle Fournie Problématique Prédéterminés Déductive Conceptuelle Construite
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Les enseignants de toutes les branches des sciences auront donc, à divers moments (primaire, secondaire, collégial ou universitaire) et pour différents thèmes (biologie, chimie, physique, etc.), le choix d’intégrer à leur cours des laboratoires variés et ainsi lier la théorie au monde tangible qui environne les étudiants. Chaque type de laboratoire permet de développer des habiletés différentes, et ce, en fonction des objectifs d’enseignement que le professeur s’est fixé. Le contenu du cours (concept prescrit comme, par exemple, la cinématique) aura une incidence très importante sur le choix des laboratoires pour que les habiletés à développer le soit de façon efficace.
3.2. L’enseignement de la cinématique
La cinématique est l’étude du mouvement des objets, et plus particulièrement l’étude de leur déplacement, vitesse et accélération. Ce mouvement peut être analysé grâce aux équations mathématiques, reliant les variables du mouvement (temps, positions initiale et finale, vitesses initiale et finale et accélération), et grâce à l’interprétation de graphiques. Les équations permettront de résoudre rapidement des problèmes quantitatifs alors que les graphiques seront utilisés autant pour interpréter qualitativement un mouvement (en fournissant par exemple des informations sur le déplacement, la vitesse ou l’accélération d’un mobile) que pour obtenir des données quantitatives suite à leur analyse.
Les étudiants ont, la plupart du temps, de la facilité à comprendre des définitions telles que le déplacement ou la vitesse. Ils savent que le changement de position d’un objet produira inévitablement un déplacement. Aussi, la vitesse est associée à un changement de position qui se produit en un certain temps. Ils sont habitués à entendre parler de ce dernier concept
puisqu’à chaque randonnée dans un véhicule de transport ils seront confrontés au concept de vitesse du véhicule (par exemple, une vitesse maximale de 30 km/h dans une zone scolaire). Par contre, lorsqu’il est temps de considérer la variable accélération, ils auront régulièrement de la difficulté à en donner le bon sens. Bien sûr, lorsque le véhicule démarre et augmente sa vitesse en un certain temps, on dira qu’on accélère. Mais lorsque le véhicule roule à une vitesse constante (vers l’arrière ou vers l’avant) et que l’on applique les freins, on dira qu’on ralentit, sauf que les élèves auront de la difficulté à visualiser le sens de l’accélération (contraire au mouvement) dans un pareil cas (Hale, 2000). Les équations mathématiques (voir le tableau II) permettront de trouver une réponse numérique dans des problèmes quantitatifs, mais comme ces dernières ne fournissent pas le signe associé à chaque variable (l’élève doit ajouter lui-même le signe correspondant), il arrive régulièrement que les élèves n’arrivent pas à solutionner ces problèmes. Comme les graphiques sont une représentation d’une situation réelle, ils peuvent aider à la compréhension des étudiants puisque les variables sont présentées dans une autre « langage » (Beichner, 1994). Alors, quand les étudiants comprennent les mécanismes des graphiques, ils sont mieux outillés pour étudier le mouvement des objets selon le graphique présenté. Ils pourront connaître, par exemple, le sens de l’accélération en observant la variation de la vitesse en fonction du temps sur un graphique de la vitesse en fonction du temps. S’il s’avère que cette variation est positive, ils sauront que l’accélération est produite vers l’avant. De plus, grâce encore aux graphiques, ils peuvent obtenir des valeurs quantitatives s’ils effectuent la pente ou l’aire sous la courbe, selon le cas et le graphique présenté.
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Ainsi, les étudiants qui entament des cours sur la cinématique ont déjà une compréhension des concepts de distance, de vitesse et d’accélération basée sur leur expérience personnelle. Combinée à leurs notions apprises sur les graphiques, cette compréhension doit néanmoins être confrontée aux notions scientifiquement acceptées, et l’une des façons les plus efficaces pour arriver à indiquer les erreurs de concepts aux étudiants est de recourir aux expériences pratiques, les laboratoires, et de les relier aux concepts mathématiques, les graphiques et les équations (Hale, 2000).
Tableau II. Équations du mouvement rectiligne (Bouchard, 1992). À vitesse constante : MRU À accélération constante : MRUA 2 2 2aΔS =vf −vi 2 2 t a t v S = iΔ + Δ Δ t v v a f i Δ − = ( )