Résumé de la séquence d’enseignement de l’optique en 4 è

La séquence sur l’optique en 4e est décomposée en 7 TP-cours, chacun d’eux étant structuré

d’après la démarche d’investigation préconisée dans le programme de physique-chimie (voir chapitre 5). Le découpage de chaque TP-cours selon cette démarche articule des phases de travail individuel, en groupe et en classe entière pour les élèves. Lorsque cela s’y prête, l’approche didactique adoptée par les enseignants vise, à partir de situations courantes, à élaborer un modèle de compréhension physique avec les élèves pour leur permettre d’interpréter ensuite d’autres phénomènes réels. La démarche d’investigation est généralement mise en œuvre comme suit :

 Une situation courante liée au phénomène physique étudié dans le TP-cours est introduite

par l’enseignant ;

 L’enseignant pose une question aux élèves en lien avec la situation introduite, à laquelle

les élèves doivent répondre oralement en formulant une prévision ;

 Un protocole expérimental est construit par les élèves en binôme pour tenter de vérifier

leur prévision ;

 Une fois le protocole vérifié par l’enseignant, les élèves réalisent l’expérience en groupe

et notent leurs observations, tout en interagissant avec l’enseignant qui passe entre les groupes ;

 Les élèvent rédigent leur conclusion par rapport leur prévision initiale au regard de

l’expérience ;

 L’enseignant crée un débat collectif en revenant sur l’expérience réalisée afin de

construire une « réponse de la classe » avec les élèves ;

 L’enseignant présente un bilan de l’activité avec les concepts physiques, les définitions et

les résultats clés que les élèves doivent noter ;

 Les élèves font une auto-évaluation sur leur apprentissage des savoirs et des savoir-faire

La suite de cette partie résume les TP-cours concernés par la conception. Un exemple de scénario pédagogique complet est donné pour le TP-cours n° 4. Les autres sont présentés dans l’annexe 4.

Le TP-cours n ° 1 aborde le phénomène d’irisation sur un CD correspondant aux reflets

« arc-en-ciel » observés sur sa surface lorsqu’il est éclairé en lumière blanche. Ce TP-cours vise à introduire la notion de décomposition de la lumière, qui consiste à séparer les lumières colorées présentes dans la lumière qui éclaire un objet. Il vise également à montrer que cette décomposition n’est pas visible directement, et qu’elle requiert un instrument pour l’observer. Dans le TP-cours n° 2, intitulée « Le spectroscope », les élèves sont amenés à utiliser l’instrument éponyme pour observer le spectre de la lumière émise par le soleil ou un néon. Ce TP-cours permet notamment de définir cette notion de spectre lumineux composé, pour la lumière blanche, d’un dégradé continu de certaines couleurs (cf. Figure 12). Les manipulations expérimentales de ce TP-cours présentent des risques en raison du danger que représente l’observation directe du soleil. De plus, les observations individuelles au spectroscope rendent difficile la réflexion en groupe, car les élèves ne voient pas forcément la même chose, c.-à-d. les couleurs dans le spectre ou ses caractéristiques.

Figure 12. Le spectroscope utilisé par les élèves et le spectre de la lumière blanche affiché par l’enseignant

Le TP-cours n° 3 porte sur la couleur des objets et les lumières colorées et invite les élèves à réaliser des expériences avec des objets colorés et des filtres colorés. Le bilan de ce TP-cours propose une forme de modélisation des phénomènes physiques abordés concernant les lumières absorbées et transmises ou diffusées (cf. Figure 13). Elle s’appuie sur le modèle du

les lois physiques concernant la propagation rectiligne de la lumière partant d’une source lumineuse. L’enseignement de ce modèle vise à faire acquérir ces lois aux élèves afin qu’ils puissent interpréter des phénomènes lumineux expérimentaux correctement d’un point de vue physique. Les participants constatent en effet que des élèves pensent que la lumière part de l’œil vers ce qu’ils observent, alors qu’en réalité c’est l’inverse. Le choix de cette représentation souligne l’importance, pour l’enseignant, de prendre en compte les connaissances antérieures des élèves. À cela s’ajoutent les conceptions existantes concernant les phénomènes physiques traités et les difficultés qu’elles induisent :

 l’absorption d’une partie de la lumière par un objet colorée est difficile à appréhender

pour une partie des élèves, d’après les enseignants ;

 au niveau expérimental, les enseignants constatent des biais expérimentaux dus aux

lumières parasites dans la classe qui peuvent induire chez les élèves des compréhensions erronées d’après leurs observations.

Figure 13. Modélisation des phénomènes optiques abordés dans le TP-cours 3 à recopier par les élèves

Le TP-cours n° 4 réinvestit les connaissances vues dans les TP-cours antérieurs afin d’aborder la couleur perçue des objets. Afin d’illustrer le déroulement du cours, voici le scénario pédagogique correspondant à ce TP-cours :

« TP-cours 4 : la magie des couleurs.

Philémon raconte à Cassiopée un tour de magie qu’il a vu au cirque : « Un magicien arrivait à changer la couleur des légumes : un poivron rouge est devenu vert ! » Ils voudraient bien comprendre ce tour de magie pour pouvoir le refaire et épater leurs amis. Pouvez-vous les aider ?

1. Prévision : À votre avis, comment le magicien a-t-il bien pu s’y prendre ? 2. Protocole : Avec le matériel à disposition, proposez des expériences. 3. Expériences : Réalisez vos expériences.

4. Observation : Notez vos observations.

5. Résultat : Votre hypothèse était-elle exacte. Si ce n’est pas le cas, reprendre à la question 1.

6. Conclusion :

 De quoi dépend la couleur des objets ?

 Représentez vos observations en utilisant une représentation identique à celle du bilan du TP-cours 3.

Formulation collective : On pourra dire aux élèves, sans leur faire écrire, que l’on ne devrait pas dire qu’un objet est rouge (par exemple), mais dire qu’un objet apparaît rouge en lumière blanche ou en

lumière rouge ou toute autre lumière contenant de la lumière rouge…. On pourra montrer aux élèves la simulation avec Visiolab et la photo du poivron pour montrer qu’un objet coloré ne peut pas prendre n’importe quelle couleur.

Réponse de la classe : La couleur d’un objet dépend de la lumière qui l’éclaire. Bilan n° 4 :

 La couleur perçue lorsqu’on observe un objet dépend de la couleur de l’objet et de la lumière qui l’éclaire. En physique, il n’est pas suffisant de dire qu’un objet est rouge : il faut également préciser les conditions d’éclairement.

 Le professeur éclaire à l’aide du rétroprojecteur des feuilles noires et blanches. Il fait discuter les élèves sur le schéma à représenter et sur le devenir de la lumière incidente sans y répondre en termes d’énergie (cela sera étudié lors du TP-cours suivant).

 Un objet noir absorbe toutes les lumières colorées, alors qu’un objet blanc n’en absorbe aucune.

Le TP-cours s’achève sur une auto-évaluation des élèves sur ce qu’ils estiment savoir faire ou non au terme du TP-cours concernant : formuler une révision, participer à la conception d’un protocole, mettre en œuvre un protocole, extraire des informations d’une expérience, valider ou invalider une prévision, formuler une conclusion.

La modélisation du phénomène physique étudié reprend les mêmes caractéristiques sémiotiques que dans le TP-cours n° 3 : représentation du rayon lumineux par une flèche et d’un objet opaque par un rectangle coloré. Cela renvoie à une volonté de cohérence, de la part des membres du groupe de travail à l’origine des scénarios pédagogiques, entre les TP-cours et en particulier dans les représentations proposées aux élèves. Les parties du bilan en rouge correspondent aux savoirs à acquérir dans ce TP-cours et doivent être notées par les élèves. Le TP-cours n ° 5 aborde l’aspect énergétique de la lumière autour du fait que plus un objet est sombre, plus il absorbe la lumière du soleil, et plus il s’échauffe. L’énergie lumineuse est alors transformée en énergie thermique (cf. Figure 14).

Le TP-cours n° 6 porte sur la synthèse additive et fait appel à la simulation informatique afin de tester différents cas de sources lumineuses colorées (cf. Figure 15). Ce TP-cours permet également de discuter avec les élèves des outils de simulation, définie dans le bilan comme « une expérience que l’on reconstitue dans des conditions idéales en utilisant les règles de fonctionnement données par la physique ». Parmi les difficultés rencontrées par les enseignants relativement à l’outil de simulation, la gestion du temps, la prise en main et l’aspect chronophage de la préparation du cours ont été mentionnés. De plus, le contenu de la simulation présentait des problèmes de cohérence avec les méthodes des enseignants. Par exemple, les tâches lumineuses rouge, verte et bleue sont directement superposées dès le lancement de la simulation. Or, pour l’enseignant, c’est un objectif à atteindre par les élèves, pour qu’ils comprennent que cette superposition donne de la lumière blanche. De plus, en termes de représentation, le fond noir sur lequel sont dirigés les projecteurs lumineux peut induire les élèves en erreur, car le noir est censé absorber toutes les lumières et ne rien renvoyer.

Figure 15. Exemple de logiciel de simulation pour aborder la synthèse additive des lumières colorées

Enfin, le TP-cours n° 7 propose une tâche documentaire sur la vision des couleurs par l’œil, le rôle des cônes et la transmission d’informations au cerveau. Les élèves doivent s’approprier un texte sur le fonctionnement de l’œil illustré par des schémas, puis répondre à des questions.