Chapitre 6 – Résultats sur le plan des conceptions
6.2. Particularité des mouvements rectilignes uniformément accélérés et décélérés
Lors de l’analyse des réponses, au test conceptuel (annexe 1), de l’ensemble des étudiants testés de l’Académie de Rouen, nous avons remarqué une différence dans les répartitions de
leurs réponses, entre les situations qui faisaient référence à un mouvement rectiligne uniformément accéléré et les situations qui faisaient référence à un mouvement rectiligne uniformément décéléré. Les questions posées pour distinguer ces mouvements sont par exemple (QCM5 et QCM7) :
o Quelle force garderait le traîneau en mouvement vers la droite avec une accélération constante ?
o Le traineau est en mouvement vers la droite. Quelle force ralentirait le traîneau avec une décélération constante ?
Le physicien ne voit pas, à priori, de différence en terme de difficulté pour répondre à ces deux questions. L’étudiant ne semble pas du même avis. Les quelques graphiques reproduits ci- dessous dans les tableaux (2-6 à 2-9) illustrent les réponses des étudiants dont la répartition est différente en fonction du mouvement accéléré ou décéléré. On peut remarquer que pour chaque couple de questions d’une même situation physique décrite, concernant les mouvements rectilignes uniformément accéléré (MRUA) et uniformément décéléré (MRUD), la répartition des réponses des étudiants est différente. Si nous faisons abstraction des taux de réponses inférieur à 5%, deux modalités de réponses sont choisies dans le cas du mouvement rectiligne uniformément accéléré contre quatre au moins, dans le cas du mouvement rectiligne uniformément décéléré. Les graphiques du Tableau 2- 6 nous montre ces répartitions pour les QCM 5 et 7. Les graphiques du Tableau 2- 7 pour les QCM 8 et 9. Les graphiques du Tableau 2- 8 pour les QCM21 et QCM23 et enfin les graphiques du tableau 2- 9 pour les QCM 28 et 29. MRUA MRUD Tableau 2- 6 0% 20% 40% 60% A B C D E F G J
QCM 5
0% 10% 20% 30% 40% A B C D E F G JQCM 7
MRUA MRUD Tableau 2- 7 MRUA MRUD Tableau 2- 8 MRUA MRUD Tableau 2- 9 0% 20% 40% 60% A B C D E F G J
QCM 8
0% 10% 20% 30% 40% A B C D E F G JQCM 9
0% 20% 40% 60% A B C D E F G H JQCM 21
0% 20% 40% 60% A B C D E F G H JQCM 23
0% 50% 100% A B C D E F G JQCM 28
0% 20% 40% 60% A B C D E F G JQCM 29
Nous n’avons pas fait d’étude particulière pour les autres MRUA et MRUD concernant le mouvement sur un plan incliné et le mouvement vertical (QCM 11 et 13 pour le plan incliné, QCM 14 et 16, QCM 17 et 19 pour le mouvement vertical). On peut cependant remarquer sur les graphiques réunis dans le Tableau 2- 10 que les répartitions des réponses des étudiants sont également plus diffuses dans le cas du MRUD.
MRUA MRUD Tableau 2- 10 0% 20% 40% 60% A B C D E F G J
QCM 13
0% 20% 40% 60% A B C D E F G JQCM 11
0% 20% 40% 60% A B C D E F G JQCM 16
0% 20% 40% 60% A B C D E F G JQCM 14
0% 20% 40% 60% A B C D E F G JQCM 19
0% 20% 40% 60% A B C D E F G JQCM 17
De ces résultats, nous en déduisons que l’utilisation du mot décélération « perturbe » les étudiants et fait que leurs réponses sont plus diffuses. Nous en présentons une analyse plus fine dans la suite de ce chapitre. Cette partie de notre étude ne concerne que le CPI constitué d’étudiants plus disponibles pour la passation des tests.
6.2.1. Méthodologie
La passation du test (que nous appelons « première version du test ») a été rendue obligatoire pour tous les étudiants de première année (premier échantillon N0 = 152), et surveillée par le
personnel administratif du CPI fin novembre 2014 après enseignement des lois de Newton. Le test, d’une durée d’une heure, comportait 41 questions sur le thème des lois de Newton, dont certaines d’entre elles, concernaient une situation physique mettant en jeu un mouvement rectiligne uniformément accéléré puis d’autres la même situation physique mettant en jeu un mouvement rectiligne uniformément décéléré. La seule variable pour ces questions était le sens du vecteur accélération, opposé ou non à celui du vecteur vitesse (cf.
Figure 2- 30) qui engendre une différence d’appréhension de la part des étudiants. L’analyse des propos des interviewés détaillée dans la troisième partie, nous a conduit à élaborer un second test (que nous appelons « deuxième version du test ») limité aux questions sur les mouvements rectilignes uniformément accélérés et décélérés. Pour cette deuxième version du test, nous avons retenu quatre paires de questions. Chaque paire de questions fait appel, soit à des situations physiques différentes, soit à une situation physique avec des registres sémiotiques différents. Elles contiennent la même question sur le mouvement rectiligne uniformément accéléré qu’à la première version du test, et l’autre question sur le mouvement rectiligne uniformément décéléré modifiée, en remplaçant l’expression « décélération constante » par « décroissance constante de la norme de la vitesse ». Ce deuxième test a été passé fin mars 2015 par les mêmes étudiants (N1 = 142) qu’au premier test, pour tenter de
mesurer l’influence de la non utilisation du terme décélération dans les questions. Entre les deux premières versions du test, nous avons dû faire l’hypothèse que la longueur du test n’avait pas d’influence sur la répartition des réponses des étudiants.
Pour vérifier la validité de cette hypothèse, nous avons administré à une nouvelle promotion ce que nous appelons « la troisième version du test ». Nous avons souhaité des conditions de passation aussi similaires que possible. Nous avons donc soumis la totalité des 41 questions dans lesquelles le mot décélération a été remplacé par son substitut, comme en mars 2015, à un nouvel échantillon (N2 = 96) issu d’une nouvelle promotion d’étudiants du même cycle
préparatoire intégré. Du fait des contraintes de l’école, cette troisième version du test a été passée en janvier 2016 juste après un examen blanc, pour lequel les étudiants avaient révisé, entre autres, toute la partie mécanique.
Afin de tenter de comprendre les différents modes de raisonnements mobilisés par les étudiants, nous avons interviewé quelques étudiants de l’échantillon N2 qui avaient répondu
de manière erronée dans les situations présentant un mouvement décéléré. Quatre entretiens d’explicitation, d’une durée de dix minutes, ont été menés (cf. transcriptions des entretiens en annexe 10). Ils avaient pour objectif de comprendre les raisons de leurs choix à ces situations.
La Figure 2- 30 ci-dessous, illustre une partie du test passé par les étudiants, avec les questions posées sur les mouvements rectilignes uniformément accélérés et décélérés.
Figure 2- 30 : Exemple d’une situation présentée aux étudiants
En ce qui concerne les analyses statistiques utilisées, nous avons voulu privilégier les tests dits « exacts » afin d’éviter toute extrapolation mathématique du test qui en limite le domaine de validité. Les conclusions issues de l’utilisation de ces tests n’en seront que plus fiables. Pour cela, nous avons choisi, pour la recherche d’indépendance, le test binomial lorsqu’il s’agissait d’échantillons appariés et le test exact de Fisher-Freeman-Halton lorsqu’il s’agissait d’échantillons indépendants à plusieurs modalités de réponses.
6.2.2. Résultats
Les résultats relatifs à la première version du test mettent en évidence une dispersion dans la répartition des réponses des étudiants lorsqu’il s’agit d’un mouvement rectiligne uniformément décéléré. Nous n’observons pas cette dispersion dans la même situation correspondant à un mouvement rectiligne uniformément accéléré (cf. Figure 2- 31).
Figure 2- 31 : Répartitions des réponses aux trois versions du test (QCM5 et 7 uniquement)
On peut observer une répartition binaire des réponses dans le cas d’un mouvement rectiligne uniformément accéléré, qui correspond, soit à la réponse correcte, soit à la conception dite adhérence force-vitesse traduisant l’existence d’une proportionnalité entre vecteur force et vecteur vitesse (Viennot, 1979).
Par contre, lorsqu’il s’agit du mouvement rectiligne uniformément décéléré, la répartition des réponses est diffuse, et correspond à une plus grande variété des modes de raisonnements mobilisés. Le taux de réponses correctes est à peu près équivalent pour les deux mouvements (43% contre 39%). Cette dispersion dans la répartition des réponses s’effectue
conception adhérence force-vitesse très marquée dans le cas de l’accélération (réponse A sur la Figure 2- 31 ) l’est beaucoup moins dans le cas de la décélération (réponse C). Par contre, dans le cas de la décélération, on voit que les étudiants mobilisent deux conceptions supplémentaires par rapport au cas de l’accélération, l’une dite de l’expérience première (Bachelard, 1938) qui fait appel aux situations vécues (réponse F) et l’autre liée à la confusion entre la force appliquée et son travail (Singh & Rosengrant, 2003) qui correspondent aux réponses E et G. Les quatre situations présentées dans des registres sémiotiques différents utilisées dans cette étude, donnent lieu à une convergence dans la répartition des réponses des étudiants. Nous avons donc décidé sur la Figure 2- 31, de ne regrouper que les répartitions des réponses des étudiants, à une seule situation (celle présentée sur la Figure 2- 30 : Exemple d’une situation présentée aux étudiants), dans les trois versions du test. La première correspondant à l’utilisation du mot décélération dans la version complète passée en novembre 2014 - la deuxième au remplacement du mot décélération par son substitut dans une version allégée administrée à la même promotion en mars 2015 - la troisième au remplacement du mot décélération par son substitut dans la version complète proposée à une nouvelle promotion en janvier 2016.
Nous avons souhaité approfondir l’analyse de l’influence ou non de l’utilisation du terme décélération en procédant à un premier test statistique sur des échantillons appariés (N0 et N1). Pour cela, nous avons étudié l’évolution de la dispersion des réponses d’une
classe d’étudiants identifiés (N0,1 = 30) qui ont pu être suivis, entre novembre 2014 et
mars 2015, c’est-à-dire entre les versions utilisant le mot décélération et son substitut. Pour cela, nous avons considéré la réponse attendue (RA) comme étant le couple composé de la réponse correcte et de la réponse erronée traduisant l’adhérence force- vitesse. L’ensemble des autres réponses a été appelé réponse diffuse (RD). L’étude des évolutions des réponses entre pré-test et post-test nous a permis d’établir la non influence de l’utilisation du mot décélération (au risque d’erreur de 5%) sur la dispersion de la répartition des réponses. Le test binomial a été appliqué sur les tableaux de contingence pour chaque QCM décrivant les mouvements accéléré et décéléré (cf. Tableau 2- 11)
Nous obtenons la même indépendance sur les trois autres couples de questions mettant en jeu un mouvement rectiligne uniformément décéléré (p-value entre 0,45 et 1 pour les mouvements décélérés). Ces résultats sont reproduits dans le Tableau 2- 12 : Tests statistiques sur les échantillons appariés N0,1 pour les QCM 8 et 9, le Tableau 2- 13 : Tests statistiques sur
les échantillons appariés N0,1 pour les QCM 21 et 23 et le Tableau 2- 14 : Tests statistiques sur les échantillons appariés N0,1 pour les QCM 28 et 29.
post-test post-test QCM5 RA RD QCM7 RA RD p ré -test RA 25 2 p ré -test RA 18 3 RD 2 1 RD 5 4 p-value 1 p-value 0,7276
Tableau 2- 11 : Tests statistiques sur les échantillons appariés N0,1 pour les QCM 5 et 7
post-test post-test QCM8 RA RD QCM9 RA RD p ré -test RA 24 3 p ré -test RA 18 2 RD 2 1 RD 5 5 p-value 1 p-value 0,4531
Tableau 2- 12 : Tests statistiques sur les échantillons appariés N0,1 pour les QCM 8 et 9
post-test post-test QCM21 RA RD QCM23 RA RD p ré -test RA 25 2 p ré -test RA 13 5 RD 1 1 RD 5 7 p-value 1 p-value 1
Tableau 2- 13 : Tests statistiques sur les échantillons appariés N0,1 pour les QCM 21 et 23
post-test post-test QCM28 RA RD QCM29 RA RD -test RA 26 2 -test RA 17 6 RD 1 1 RD 5 2
Tableau 2- 14 : Tests statistiques sur les échantillons appariés N0,1 pour les QCM 28 et 29
Un second test statistique sur des échantillons indépendants (N0 et N2) a été réalisé pour
conforter les résultats du premier test statistique, et ainsi valider notre hypothèse sur la non- influence de la longueur du questionnaire donné aux étudiants quant à la répartition de leurs réponses. Les résultats des échantillons indépendants (N0 = 152 et N2 = 96) sondés sur deux
années consécutives sont reportés dans le Tableau 2- 15 et confirment la non influence de l’utilisation du mot décélération sur la dispersion de la répartition des réponses des étudiants. Les résultats obtenus pour les trois autres situations sont identiques (p-value entre 0,085 et 0,60 pour les mouvements décélérés dans le tableau).
A B C D E F G H J NR p-value
QCM5 N0 75 64 4 1 0 0 1 5 2 0,5907
N2 38 50 3 2 0 0 0 2 1
QCM7 N0 4 1 41 4 26 59 14 2 1 0,3758
N2 1 0 14 3 19 43 12 2 2
Tableau 2- 15 : Tests statistiques sur les échantillons N0 et N2 indépendants
Les quatre entretiens d’explicitation montrent qu’un étudiant répondant correctement dans le cas du mouvement rectiligne uniformément accéléré peut mobiliser un raisonnement de type adhérence force-vitesse pour traiter le mouvement rectiligne uniformément décéléré. Trois étudiants, ayant mobilisé un raisonnement de type adhérence force-vitesse dans le cas d'un mouvement accéléré, ont mobilisé différents types de raisonnement dans le cas de la décélération en identifiant la force au travail de celle-ci (Singh & Rosengrant, 2003) ou en se référant à l'expérience première (Bachelard, 1938) comme le montre l'extrait suivant :
E4 : « Euh, ben pour moi s'il y a accélération ça veut dire qu'il y a une force qui fait que l'objet
6.2.3. Discussion des résultats
Les résultats à la deuxième version du test, montrent une progression importante dans les réponses correctes. Nous observons un gain de 19 points pour le mouvement rectiligne uniformément décéléré lorsque le mot décélération est remplacé par son substitut. Au premier abord, nous aurions pu penser que le remplacement du mot décélération par son substitut en est la cause et confirmer l’analyse des enseignants interviewés. Il n’en est rien, car il faut aussi remarquer une progression de 17 points pour le mouvement rectiligne uniformément accéléré. On ne peut donc pas attribuer la progression des réponses correctes à la non utilisation du mot décélération mais plutôt à l’intervalle de temps qui s’est écoulé entre la première version et la seconde version du test. Les étudiants ayant pu prendre un peu de recul sur ces questions, réussissent mieux, ce qui ne veut pas dire que la conception commune ou spontanée ne reprend pas le dessus les années suivantes. Cette analyse est également valable pour la troisième version du test. Par contre, nous avons été frappés par l’invariance de la dispersion dans la répartition des réponses fournies par les étudiants dans le cas de la décélération par rapport à la répartition quasiment binaire des réponses dans le cas d’une accélération. Nous ne pouvons pas encore expliquer l’origine de cette dispersion mais nous avons constaté que l’adhérence force-vitesse au sens de Viennot (1979), est beaucoup moins prononcée dans le cas de la décélération. À notre connaissance, cette particularité n’a pas été discutée dans les publications en lien avec le FMCE.
Cependant, ces résultats ne nous permettent pas d’écarter définitivement une petite influence du mot décélération sur la dispersion des réponses des étudiants, ni même sur la différence entre les réponses correctes concernant les mouvements accélérés et décélérés qui restent sensiblement les mêmes, que le mot décélération soit utilisé ou non. Nous sommes conscients que les modes de raisonnement des étudiants sont très difficiles à identifier et qu’ils dépendent en particulier, du contexte dans lequel ils sont sondés. Les entretiens d’explicitation nous montrent que les étudiants ne sont parfois plus en accord avec leur mode de raisonnement mobilisé quelques semaines plus tôt. L’extrait suivant montre qu’un mode de raisonnement mobilisé dans un contexte donné à un instant donné n’est pas stable.
E3 : « Ben oui, pourtant la vitesse et l'accélération, elles sont liées. Je ne sais pas pourquoi j'ai fait
ça (rires) […] en fait je crois que je n'avais pas pris en compte qu'il n'y avait pas de force de frottement quoi, parce que euh, même c'est bizarre quoi, parce que peut-être que je me suis dit dans ma tête que plus on va vite, que, euh, plus les frottements sont importants, mais je pense que maintenant, je dirais que ben l'intensité elle est constante du coup (silence) »
L’étude des MRUD mobilise une variété plus grande de modes de raisonnement chez les étudiants que l’étude des MRUA. Les tests ont été effectués sur les étudiants de Lille, avant enseignement, et nous obtenons les mêmes résultats.
En tant que physiciens et didacticiens de la physique, nous ne voyons pas d’explication à la différence entre les MRUA et les MRUD. Nous nous demandons si les enseignants ne privilégient pas « implicitement » les phases accélérées des mouvements étudiés. Pour tenter d’apporter un début de réponse à notre interrogation, nous avons réalisé une analyse d’ouvrages qui nous a permis de mettre en évidence un déséquilibre dans les situations physiques proposées aux élèves/étudiants quant aux mouvements accélérés et décélérés. Nous la présentons succinctement, ci-dessous :
Les manuels analysés sont ceux des éditeurs les plus représentés dans les classes de terminales scientifiques. Belin, Bordas, Hatier et Nathan. Nous avons ajouté un ouvrage récent, particulier qui a pour objectif de préparer les élèves à l’obtention d’une mention très bien (Ellipses 2015), puis les documents de TD distribués aux étudiants de l’Université de Rouen inscrits en L1.
Le premier manuel utilisé est celui de physique-chimie, collection Sirius, édition Nathan 2012. Dans celui-ci, un chapitre est consacré aux lois de Newton et seuls les exercices de ce chapitre ont été analysés. C’est cette première analyse qui a servi de base pour établir les neuf catégories suivantes :
MRU = Mouvement Rectiligne Uniforme
MRUV = Mouvement Rectiligne Uniformément varié sans précision MRU ACC = Mouvement Rectiligne Uniformément ACCéléré
MRU DEC = Mouvement Rectiligne +Uniformément DECéléré
MP2 = Mouvement Parabolique avec les deux phases non distinguées
MP ACC = Mouvement Parabolique avec la seule phase ACCélérée (ou bien distincte) MP DEC = Mouvement Parabolique avec la seule phase DECélérée (ou bien distincte) MR ACC + frot fluide = Mouvement Rectiligne ACCéléré combiné avec des frottements
fluides sans distinction de phases d’étude du mouvement
Autres = Exercices ou questions sur les référentiels, la quantité de mouvement, les forces, les mouvements de rotation, les compositions de mouvements ne mettant pas en jeu un raisonnement à partir d’un mouvement accéléré ou ralenti.
Lorsqu’un exercice décrivait une situation physique ou posait une question faisant appel à l’une des catégories ci-dessus, une occurrence était créditée pour la catégorie concernée. Le Tableau 2- 16 présente les occurrences relevées dans les différents documents utilisés.
Remarque :
Les autres manuels comportaient plusieurs chapitres relatifs aux lois de Newton, ce qui représente en général un plus grand nombre d’exercices mais également la catégorie « Autres » plus représentée.
Ce début d’étude est à compléter avec l’analyse du manuel Hachette (également très répandu dans les Lycées) et le polycopié de TD du CPI de l’ESIGELEC.
Tableau 2- 16 : Bilan de l’analyse de manuels scolaires
Cette analyse succincte met en évidence une prédominance des exercices concernant les MRUA (78% des questions) dans les manuels scolaires et polycopiés de TD.
Lorsqu’il s’agit de mouvements paraboliques, la phase accélérée est l’objet de beaucoup plus de questions (87% des questions).
Ce résultat représente une piste à explorer : en quoi la prédominance des phases d’accélération dans les situations proposées à l’étude serait responsable de la dispersion des réponses des étudiants dans le cas d’une phase de décélération ?
Remarque :
Nous n’avons pas remarqué dans les ouvrages analysés l’utilisation du critère mathématique fiable suivant :
𝑆𝑖 𝑎⃗. 𝑣⃗ > 0 𝑎𝑙𝑜𝑟𝑠 𝑙𝑒 𝑚𝑜𝑢𝑣𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 𝑒𝑠𝑡 𝑎𝑐𝑐é𝑙é𝑟é 𝑆𝑖 𝑎⃗. 𝑣⃗ < 0 𝑎𝑙𝑜𝑟𝑠 𝑙𝑒 𝑚𝑜𝑢𝑣𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 𝑒𝑠𝑡 𝑑é𝑐é𝑙é𝑟é
Cette dernière remarque, combinée à la « non utilisation » de la seconde loi de Newton, ou de la troisième loi de Newton, par une proportion importante d’étudiants (et même certains professeurs) sondés par notre test conceptuel adapté, nous interroge sur l’existence d’une nécessaire liaison, plus forte, entre le langage mathématique et la lutte contre les raisonnements spontanés en physique.
Conclusion :
Le principal objectif de cette partie de notre travail est d’obtenir un test conceptuel qui soit acceptable par les enseignants du supérieur tant sur la nature des questions posées que sur la taille de la population sondée des étudiants de première année d’enseignement supérieur. Nous présentons dans la troisième partie, en quoi cet objectif est atteint, à travers l’analyse des transcriptions des entretiens avec les enseignants du supérieur.
La récurrence de certaines réponses erronées, nous a invité à réfléchir davantage sur les causes possibles, sans pour autant avoir la prétention d’effectuer un travail de recherche très approfondi. En effet, nous nous sommes bien souvent limités à mettre en évidence des pistes de recherches pour des travaux futurs. Cependant nous avons cherché à répondre à notre deuxième et quatrième question de recherche, afin de mieux connaître ces « nouveaux étudiants ».
QR2 : Quelles sont les corrélations possibles entre les données génériques des étudiants et leurs taux de réponses correctes à un test conceptuel de physique ?
Nous rappelons ici, nos principales réponses :
Il est peu probable, que le genre ait une influence sur le taux moyen de