Perception des sujets sur les savoirs et savoir-faire mobilisés

Dans le devis didactique des connaissances (section 4.1.2), nous avons énuméré les savoirs et savoir-faire que nous pensions que les apprenants mobiliseraient dans l’environnement d’apprentissage lors de la construction des différents instruments de mesure. Nous pensons qu’il serait intéressant de vérifier si les étudiants universitaires, qui sont au terme de leur formation pour devenir enseignants de Science et technologie, ont été en mesure de décomposer ces différents savoirs et savoir-faire qu’ils ont mobilisés durant l’activité. Ceci nous permettra aussi de voir s’il y a des savoirs et savoir-faire qui n’ont pas été relevés par les étudiants, ou encore, s’il y en a que nous pourrions ajouter au devis didactique des connaissances. Pour ce faire, les 27 étudiants universitaires ont répondu à la question suivante lors de l’examen final :

En quoi l’activité de construction de capteurs permet-elle de respecter l’esprit du nouveau programme de formation de l’école québécoise qui demande l’intégration des matières? Identifiez dans votre explication les savoirs (concepts) et savoir-faire (démarches) intégrés dans cette activité.

Pour ne pas orienter les réponses des étudiants, nous n’avons pas mentionné dans cette question que l’intégration des matières s’effectuait particulièrement entre les sciences expérimentales, les mathématiques et la technologie. Voici quelques exemples de réponses données par les étudiants. Les autres réponses sont disponibles à l’annexe V.

A. La construction de capteurs permet de respecter l’esprit d’intégration des matières, car elle fait appel notamment aux mathématiques, à l’informatique et aux sciences. Les mathématiques permettent à l’élève de comprendre l’influence d’une variable sur une autre dans une équation. Les sciences permettent quant à elles à l’élève de comprendre les concepts, c’est-à-dire les variables en jeu et lui permettent de comprendre le processus qui les met en interaction. Il peut alors comprendre quelles sont les contraintes de la situation et ainsi développer une démarche qui lui permettra de résoudre le problème. L’élève utilise alors ses connaissances dans le but de résoudre un problème. Finalement, l’informatique est nécessaire lors de la création d’un capteur puisqu’un ordinateur est requis.

B. On fournit aux élèves des savoirs en physique (électricité) et on les met en contexte pour eux de manière à ce qu’ils puissent comprendre le fonctionnement des objets technologiques autour d’eux dans leur quotidien. Lors de la fabrication de capteurs, on leur demande d’appliquer leur connaissance de la loi U=RI afin de créer un objet, et ce dans un contexte différent à chaque fois. De plus, ils doivent créer leur propre protocole, ce qui les force à réfléchir sur la démarche scientifique. Bref, c’est un bon moyen de contextualiser les apprentissages et de réintégrer l’information des différentes situations

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de manière à promouvoir la réflexion et l’engagement de l’élève qui utilise ses connaissances pour la conception d’un objet technologique dans un esprit d’interdisciplinarité.

C. La construction de capteurs permet premièrement aux élèves de découvrir des applications technologiques plus modernes que les cours de technologie actuels (ex. : poulie, outils…). De plus, l’activité permet d’intégrer la science (par exemple, la loi d’Ohm) à des applications technologiques construites par une opérationnalisation d’un réseau de concepts (loi d’Ohm + circuit électrique + mathématique + problématique nécessitant la construction d’un capteur). On associe donc sciences, technologie et mathématiques dans une démarche de développement guidée par une problématique d’application concrète.

D. De nombreux concepts comme la loi d’Ohm sont présents dans la construction de capteurs. De plus, en accompagnant petit à petit les élèves en diminuant les protocoles à chaque expérience, on permet aux élèves de développer eux-mêmes leurs connaissances et on favorise leur autonomie. Finalement, ça leur permet de comprendre le fonctionnement de nombreux appareils qu’on utilise dans la vie de tous les jours. E. La construction de capteurs nécessite l’intégration de plusieurs savoirs des

mathématiques, de la physique, des sciences et technologie. Pour construire un capteur, il faut être en mesure de comprendre le fonctionnement et les concepts qui doivent être appliqués. Par exemple, pour un capteur de température, il faut être en mesure de comprendre la notion de diviseur de tension, et circuit en série (physique), être capable, en fonction de la nature de la courbe obtenue, de choisir un modèle correspondant (droite, hyperbole, etc.) pour la modélisation (mathématique). La compréhension de la capsule universelle par exemple, et le montage font appel à des notions de sciences et technologie. Notons que, pour arriver à un résultat exploitable, il faut absolument suivre une démarche rigoureuse.

À la lumière de ces réponses, il est possible de faire ressortir certains aspects intéressants. Tout d’abord, la réponse A mentionne que l’informatique permet à l’élève de créer le capteur. Ainsi, le sujet perçoit que, dans notre environnement, la technologie (l’informatique) est intégrée comme un moyen d’apprentissage. Ceci se distingue des réponses B, C et D dans lesquelles les étudiants perçoivent la technologie comme un objet d’apprentissage en soulignant que l’activité de construction d’un instrument de mesure permet aux élèves de mieux comprendre le fonctionnement des applications technologiques. La réponse B traite aussi de la contextualisation des apprentissages et de l’utilisation des connaissances comme la loi d’Ohm pour réaliser un objet technologique, tandis que la réponse C souligne le caractère moderne de l’activité ainsi que l’aspect concret de la solution apportée au problème à résoudre. La réponse D mentionne que la séquence des activités, de moins en moins guidées par l’enseignant, favorise la construction

177 des connaissances par les élèves ainsi que le développement de leur autonomie. La réponse E souligne le caractère interdisciplinaire de l’activité en présentant plusieurs savoirs et savoir-faire de mathématiques, sciences et technologie qu’il est nécessaire d’intégrer pour construire un instrument de mesure. Nous avons relevé tous les bénéfices didactiques (ex. : construction des connaissances, développement de l’autonomie) de la réalisation d’instruments de mesure tels que perçus par les étudiants universitaires et les avons placés à l’annexe V.

Voici les différents savoirs et savoir-faire identifiés par les étudiants lors de l’activité de réalisation d’instruments de mesure dans leurs réponses à la question précédente. Nous les avons classés selon la matière à laquelle ils se rapportent :

Mathématique (23 mentions) :

• Comprendre et analyser les fonctions mathématiques (6 mentions) ; • Utilisation concrète des fonctions mathématiques (3 mentions) ;

• Comprendre l’influence d’une variable sur une autre dans une équation (1 mention) ; • Effectuer la modélisation (5 mentions) ;

• Utilisation du graphique (3 mentions) ; • Utilisation des mathématiques (5 mentions). Sciences expérimentales (31 mentions) :

• Développer ou appliquer la démarche scientifique (8 mentions) ; • Réfléchir sur la démarche scientifique à entreprendre (2 mentions) ; • Utiliser la démarche de résolution de problème (1 mention) ;

• Cerner les contraintes d’une situation pour développer une démarche de résolution de problèmes appropriée (1 mention) ;

• Comprendre les variables (3 mentions) ;

• Étudier l’interaction de variables (4 mentions) ; • Créer des montages expérimentaux (3 mentions) ; • Créer un protocole (2 mentions) ;

• Utiliser des techniques de laboratoire (sécurité, manipulations du matériel et mesure de quantités) (1 mention) ;

• Recourir à plusieurs sciences selon les instruments de mesure utilisés (6 mentions). Sciences (24 mentions) :

• Utilisation de savoirs sur les circuits électriques (11 mentions) ; • Application des notions sur la loi d’Ohm (7 mentions) ;

178 Technologie comme objet d’apprentissage (24 mentions) :

• Savoirs sur le diviseur de tension (2 mentions) ; • Savoirs sur le transducteur (3 mentions) ;

• Comprendre des objets technologiques du quotidien (4 mentions) ;

• Utiliser la démarche technologique de conception d’un objet (5 mentions) ; • Déployer les étapes de construction d’un capteur (4 mentions) ;

• Utiliser la démarche technologique d’analyse des fonctions d’un capteur (1 mention) ; • Comprendre la capsule universelle et ses branchements (2 mentions) ;

• Construction technique (1 mention) ;

• Utilisation de savoirs en technologie (2 mentions).

Technologie comme moyen d’apprentissage (7 mentions) :

• Recours à l’informatique pour créer un capteur avec l’ordinateur (5 mentions) ; • Utilisation de savoirs en informatique (1 mention) ;

• Utilisation du logiciel (1 mention).

Ainsi, les étudiants ont relevé des savoirs et savoir-faire en mathématiques (23 mentions), en sciences expérimentales (31 mentions), en sciences (24 mentions) ainsi qu’en technologie comme objet d’apprentissage (24 mentions) et en technologie comme moyen d’apprentissage (7 mentions). Dans le tableau XXI, la colonne de gauche présente la liste des savoirs et savoir-faire que nous avions identifiés dans le devis didactique des connaissances, tandis que la colonne de droite présente les savoirs et savoir-faire y correspondant parmi ceux relevés ci-dessus par les étudiants.

179 Savoirs et savoir-faire identifiés par le

chercheur dans le devis didactique des connaissances

Savoirs et savoir-faire identifiés par les étudiants dans l’examen final

Science et technologie Savoirs

Électricité : loi d’Ohm, les circuits

électriques Utilisation de savoirs sur les circuits électriques Application des notions sur la loi d’Ohm Ingénierie électrique : fonction

d'alimentation, fonction de conduction, d'isolation, de protection, fonction de commande

Comprendre la capsule universelle et ses branchements

Matériaux : contraintes, caractérisation des propriétés mécaniques

Créer des montages expérimentaux Construction technique

Notions relatives à la grandeur physique mesurée par le capteur construit

Recourir à plusieurs sciences selon les instruments de mesure utilisés

Savoir-faire

Démarche technologique de conception Utiliser la démarche technologique de conception d’un objet

Déployer les étapes de construction d’un capteur

Démarche technologique d'analyse Utiliser la démarche technologique d’analyse des fonctions d’un capteur

Démarche expérimentale Développer ou appliquer la démarche scientifique

Comprendre les variables

Étudier l’interaction de variables Créer des montages expérimentaux Créer un protocole

Utiliser des techniques de laboratoire (sécurité, manipulations du matériel et mesure des quantités)

Démarche de modélisation Effectuer la modélisation Stratégies d'exploration : anticiper les

résultats d'une démarche et élaborer divers scénarios possibles

Réfléchir sur la démarche scientifique à entreprendre

Stratégies d'analyse : déterminer les contraintes et les éléments importants pour la résolution d’un problème, faire appel à divers modes de raisonnement pour traiter les informations

Cerner les contraintes d’une situation pour développer une démarche de résolution de problèmes appropriée

Utiliser la démarche de résolution de problème

180 Savoirs hors programme

Fonctionnement des instruments de

mesure électroniques Comprendre des objets technologiques du quotidien Diviseur de tension Savoirs sur le diviseur de tension

Transducteur électronique Savoirs sur le transducteur Chaîne de mesure en ExAO Aucune correspondance Exactitude et précision Aucune correspondance

Savoir-mesurer Aucune correspondance

Mathématique : Algèbre :

Processus d'analyse de situations faisant appel à des fonctions réelles :

 Expérimentation, observation, interprétation, description et représentation de situations concrètes dans divers registres de représentation

Utilisation concrète des fonctions mathématiques

Comprendre et analyser les fonctions mathématiques

 Modélisation d'une situation à l'aide de registres de représentation :

• Verbalement, algébriquement, graphiquement et à l'aide d'une table de valeurs

Effectuer la modélisation Utilisation du graphique

Statistique :

Processus d'analyse et de prise de décisions concernant des données statistiques qui portent sur des distributions à un ou deux caractères par la représentation graphique en utilisant :

 Un nuage de points Aucune correspondance  Le calcul et l'interprétation de mesures

de dispersion comme l'écart-type Aucune correspondance  L'interpolation et l'extrapolation à

l'aide du modèle fonctionnel le mieux ajusté à une situation

Aucune correspondance

 L'interprétation et la description du lien unissant deux variables

Comprendre l’influence d’une variable sur une autre dans une équation

Tableau XXI : Comparaison entre les savoirs et savoir-faire identifiés par le chercheur dans le devis didactique des connaissances et ceux identifiés par les étudiants universitaires dans l’examen final

181 Il est possible de constater dans le tableau XXI qu’il y a plusieurs correspondances entre les savoirs et savoir-faire que nous avons décrits dans le devis didactique des connaissances et ceux identifiés par les étudiants universitaires dans leurs réponses à la question posée dans l’examen final. Parmi les savoirs scientifiques ou technologiques hors programme, trois savoirs ou savoir-faire utilisés par les sujets lors de la réalisation d’un instrument de mesure n’ont pas été relevés par les étudiants : compréhension de la chaîne de mesure en ExAO, exactitude et précision ainsi que savoir-mesurer. La chaîne de mesure permet d’avoir une idée globale de la prise de mesure d’un instrument électronique. Toutefois, une fois la formation donnée à la première séance où cette chaîne de mesure a été présentée, nous n’avons pas fait de référence explicite sur celle-ci auprès des sujets, nous concentrant plutôt à les aider à comprendre le fonctionnement du transducteur, du diviseur de tension et de la démarche générale de réalisation d’un instrument de mesure.

Ensuite, il est intéressant de constater que, bien que plusieurs étudiants aient déterminé l’exactitude de l’instrument construit (voir figures 28 et 29), ces étudiants n’ont pas effectué le lien avec cette caractéristique métrologique. En d’autres termes, bien que nous ayons insisté avec les sujets sur le savoir-faire permettant de déterminer l’exactitude, sans nommer celle-ci explicitement, ce savoir-faire n’a pas permis à ces sujets d’accéder aux savoirs en métrologie, ne serait-ce qu’en faisant référence à l’exactitude ou à la précision de leur instrument de mesure. Pour améliorer cette situation, nous pourrions discuter, suite aux trois premières séances, de ces caractéristiques métrologiques avec les sujets dans chaque discussion post-laboratoire, notre activité de structuration des connaissances. En ce sens, nous allons d’ailleurs nous attarder à bonifier l’apprentissage de la métrologie dans le déroulement de notre intervention didactique (voir l’amélioration #15, section 5.2.2.4).

Concernant le savoir-mesurer, comme il est facilité avec l’ExAO, nous pensons que les étudiants finissent par oublier les contraintes techniques liées à ce savoir-faire pour se concentrer sur la compréhension du phénomène physique mesuré.

Parmi les savoirs et savoir-faire que nous avons identifiés en statistique dans le devis didactique des connaissances, il n’y a correspondance que pour le point de l’interprétation et la description du lien unissant deux variables pour lequel un étudiant a

182 mentionné le fait que l’activité lui a permis de comprendre l’influence d’une variable sur une autre dans une équation. Les autres points des savoirs envisagés n’ont pas été relevés, et ce, principalement parce que nous n’avons pas montré aux apprenants comment utiliser l’outil mathématique modélisation et incertitude du logiciel pour effectuer le traitement statistique des écarts-types de leurs données. C’est en ce sens que nous avons proposé d’améliorer notre intervention didactique en ajoutant l’utilisation de l’outil mathématique modélisation et incertitude (voir l’amélioration #14, section 5.2.2.4).

Parmi les savoirs et savoir-faire identifiés par les étudiants qui n’apparaissent pas explicitement dans le devis didactique des connaissances, notons ceux relatifs à la technologie comme moyen d’apprentissage, soit le recours à l’informatique pour créer un capteur avec l’ordinateur (5 mentions), l’utilisation de savoirs en informatique (1 mention) et l’utilisation du logiciel (1 mention). Toutefois, nous pourrions établir une correspondance entre ces savoirs et savoir-faire et la composante tirer profit de l’utilisation de la technologie de la compétence transversale 6 exploiter les technologies de l’information et de la communication.

5.2.4. Commentaires généraux sur l’activité de réalisation d’un