FONDAMENTALES DU PROGRAMME QUÉBÉCOIS DE PHYSIQUE DE 5E SECONDAIRE
Contrairement à l’ancien programme de physique 534 par objectifs À la découverte de la
matière et de l’énergie (Gouvernement du Québec, 1992), le récent programme de physique de 5e secondaire22 (Gouvernement du Québec, 2009) est structuré autour de trois compétences disciplinaires23 fonctionnant en symbiose et permettant la construction de concepts prescrits associés aux quatre grands domaines (la cinématique, la dynamique, la transformation de l’énergie et l’optique géométrique) du programme. C’est plus particulièrement par le biais de la première compétence d’ordre méthodologique Chercher des réponses ou des solutions à des problèmes
relevant de la physique que la modélisation est interpelée (figure 1). En effet, le fait de chercher des réponses ou des solutions à des problèmes relevant de la physique implique le recours à divers modes de raisonnement ainsi qu’à certaines démarches à caractère scientifique dont la démarche de modélisation24 et au sein de laquelle les élèves sont appelés à construire des modèles : « La
22 Le programme de physique de 5e secondaire qui « s’inscrit dans le prolongement des programmes du premier et du
deuxième cycle du secondaire vise à consolider et à enrichir la formation scientifique des élèves et constitue un préalable permettant d’accéder à plusieurs programmes préuniversitaires ou techniques offerts par les établissements d’enseignement collégial. Il se distingue par son contenu monodisciplinaire dont les concepts prescrits sont regroupés autour des concepts généraux suivants : la cinématique, la dynamique, la transformation de l’énergie et l’optique géométrique. » (Gouvernement du Québec, 2009).
23Il s’agit des compétences « Chercher des réponses ou des solutions à des problèmes relevant de la physique », « Mettre à profit ses connaissances en physique » et « Communiquer sur des questions de physique à l’aide des langages utilisés en science et technologie ».
24 La démarche de modélisation est spécifiée explicitement dans les programmes de science et technologie du deuxième
cycle du secondaire (Gouvernement du Québec, 2007, 2009). En effet, au deuxième cycle « s’ajoutent de manière plus explicite la démarche d’observation, la démarche de modélisation et la démarche empirique » aux démarches d’investigation scientifique (Ibid., 2007, 2009, p. 12).
démarche de modélisation consiste à construire une représentation destinée à concrétiser une situation abstraite, difficilement accessible ou carrément invisible » (Gouvernement du Québec, 2009, p. 24). Au cours de cette démarche, l’élaboration du modèle ne se fait pas de façon linéaire, mais plutôt selon un processus cyclique : « Au fur et à mesure que la démarche progresse, le modèle se raffine et se complexifie. Il peut être valide pendant un certain temps et dans un contexte spécifique. Mais, dans plusieurs cas, il est appelé à être modifié ou rejeté. » (Ibid., p. 24). Pour le ministère de l’Éducation, du Loisir et du Sport (MELS), un modèle « peut prendre diverses formes : texte, dessin, formule mathématique, équation chimique, programme informatique ou maquette » (Ibid., p. 24). Par ailleurs, certaines fonctions des modèles y sont rapportées comme les fonctions de représentation, d’explication et de prédiction : « Il importe également de considérer le contexte dans lequel il a été construit. Il doit faciliter la compréhension de la réalité, expliquer certaines propriétés de ce qu’il vise à représenter et permettre la prédiction de nouveaux phénomènes observables. » (Ibid. p. 24).
Figure 1- La compétence « Chercher des réponses ou des solutions à des problèmes relevant de la physique » (Gouvernement du Québec, 2009, p. 3)
Si les modèles et la modélisation font partie des composantes fondamentales d’enseignement et d’apprentissage des programmes de science et technologie dès le premier cycle du secondaire (élèves âgés de 12 à 14 ans), le mode de description des phénomènes n’est pas le même au deuxième cycle du secondaire (élèves âgés de 15 à 17 ans) (Gouvernement du Québec, 2004, 2007b, 2009). Au premier cycle, la description qualitative des phénomènes est privilégiée alors
qu’au deuxième cycle, les modèles ont pour fonction de décrire qualitativement et quantitativement les phénomènes. Dès lors, la modélisation mathématique occupe une place centrale dans l’étude des phénomènes physiques à ce degré d’enseignement.
Sous l’angle de la physique, la compréhension d’un phénomène ou d’une application exige de reconnaitre des principes qui se rapportent à cette discipline. Cette reconnaissance consiste en une description qualitative et souvent quantitative de ces principes qui mènera généralement à l’exploration et à la construction des divers concepts, lois ou modèles qui les sous-tendent. (Ibid., 2009, p. 16).
Dans le domaine de la cinématique, les élèves sont appelés à modéliser, à l’aide des langages formalisés en mathématiques (graphiques, formules ou équations mathématiques), le mouvement rectiligne uniformément accéléré d’un corps, en décrivant des relations entre l’accélération, la variation de la vitesse, la distance parcourue et le temps (Ibid., 2009, p. 39). Par ailleurs, dans une perspective de formation intégrée, les apprentissages réalisés en physique ne doivent pas être dissociés de ceux effectués dans d’autres disciplines, plus particulièrement les mathématiques, qui offrent les fondements nécessaires à la conception et la construction des modèles par les outils conceptuels qu’elles proposent.
La mathématique est souvent d’une grande utilité dans l’élaboration ou la construction de modèles visant à rendre compte des relations qui existent entre certaines variables déterminantes. Elle est aussi utilisée dans la résolution de problèmes, tant sur le plan expérimental que sur le plan théorique. De plus, le vocabulaire, le graphisme, la notation et les symboles auxquels elle recourt constituent un langage rigoureux dont tire profit la science. (Ibid., 2009, p. 6).
Si les modèles et la modélisation figurent au rang des composantes fondamentales d’enseignement et d’apprentissage du récent programme de physique de 5e secondaire, leur enseignement peut poser des défis particuliers en raison du peu de clarifications sur les fondements didactiques qui les sous-tendent. Le nouveau programme se distingue nettement de son prédécesseur, le programme de physique 534 par objectifs, quant à l’absence de définition opérationnelle du processus de modélisation et à la nette dissociation de la démarche de modélisation avec les concepts prescrits à faire apprendre aux élèves. En effet, les orientations et les concepts prescrits associés au domaine de la cinématique sont présentés sous la forme d’une liste non limitative comme le présente la figure 2. Dans la colonne de droite de cette figure, c’est
l’idée d’aborder la cinématique essentiellement à travers quatre grandes thématiques (appelées concepts prescrits par les MELS) qui est mise en évidence : le système de référence, le mouvement rectiligne uniforme, le mouvement rectiligne uniformément accéléré et le mouvement des projectiles qui combine à la fois les deux types de mouvement précédents. Dans ce nouveau programme, les enseignants doivent s’appuyer sur des orientations (colonne de gauche du tableau) assez générales et formulées en termes de relations entre des savoirs disciplinaires, afin de dégager les tâches que les élèves pourraient faire pour modéliser des phénomènes de la cinématique. Par ailleurs, le programme propose des pistes de contextualisation pour les concepts prescrits du domaine de la cinématique et des liens avec les concepts abordés antérieurement en précisant qu’il revient à l’enseignant de choisir les pistes les plus prometteuses pour les apprentissages des élèves : « Proposées à titre indicatif afin de soutenir l’intervention pédagogique, elles offrent la possibilité d’intégrer des connaissances scientifiques, technologiques et mathématiques. D’autres contextes peuvent également être porteurs de sens et il revient aux enseignants de privilégier ceux qui sont les plus susceptibles de servir les intérêts des élèves » (Ibid., 2009, p. 30).
Figure 2- Orientations et concepts prescrits associés au domaine de la cinématique dans le nouveau programme de physique de 5e secondaire (Gouvernement du Québec, 2009, p. 22)
Cette manière de présenter les modèles et la modélisation dans le nouveau programme de physique de 5e secondaire relève probablement d’un choix qui a été fait par le MELS d’accorder une plus grande autonomie professionnelle aux enseignants dans leurs pratiques d’enseignement25.
25 Les mouvements de professionnalisation des enseignants qui ont eu lieu au cours des cinquante dernières années
dans le système scolaire québécois ont entrainé des changements importants sur les orientations des nouveaux programmes de sciences et technologies au secondaire. Dès 2004, le MELS amorça le renouvèlement complet des
Pour autant, le risque est grand d’engendrer une grande diversité de manières de concevoir et mettre en œuvre la démarche de modélisation à l’école, notamment chez les nouveaux enseignants qui n’ont jamais pris connaissance du programme de physique des années 1990. Comment, dans ce contexte, les enseignants de physique de 5e secondaire conçoivent-ils et opérationnalisent-ils les modèles et la modélisation dans leur enseignement ?
Situés au cœur du programme de physique de 5e secondaire, les modèles et la modélisation constituent des objets disciplinaires qui structurent en grande partie les pratiques d’enseignement des enseignants de physique. Par le statut qui leur est accordé dans le discours scientifique et dans le discours officiel, ils méritent d’être considérés dans les recherches en éducation.
4. LES PRATIQUES D’ENSEIGNEMENT ORDINAIRES DES MODÈLES ET DE LA