Séquence 1

La première séquence d’enseignement (voir découpage en Tableau 2) a été construite en s’appuyant sur les travaux de recherches d’Herrmann (2005) et de D’Anna et al. (2011). La

focalisation sur les expériences des vases communicants et des sphères chargées proposées par les auteurs ont été conservées. Cette séquence a pour but d’aboutir à une institutionnalisation formelle de la méthode KPK, plus spécifiquement de montrer aux élèves qu’ils peuvent s’ap-puyer sur la connaissance, la compréhension et le formalisme d’un domaine de la physique pour passer à un autre, ceci étant l’idée générale du concept KPK. Pour y parvenir, les concepts et notions relatifs aux domaines hydraulique et électrique sont institutionnalisés tout comme les correspondances entre processus, phénomènes, grandeurs et relation entre grandeurs entre ces deux domaines de la physique.

Cette séquence a été testée entre le 27 octobre et le 18 novembre 2014 dans l’établissement primaire et secondaire de De Felice à Yverdon-les-Bains avec une classe de 10 VP (22 élèves) en cours de sciences de la nature.

TABLEAU2 – Découpage séquence 1

Leçons 1 et 2 Demi-Classe TP1 « découverte de la pression hydrostatique, mesure de débit »

Leçon 3 Classe entière KPK Hydraulique : Notion de volume, pression, débit, puissance hydraulique

Expérience des vases communicants Exercices d’application

Leçon 4 Classe entière KPK Electricité

Notion de charge, potentiel, tension, courant, puissance électrique

Expérience des sphères chargées Exercices d’application

Leçons 5 et 6 Demi-Classe TP « découverte loi d’Ohm et loi de Poiseuille » Comparaison avec l’hydraulique

Lien entre la différence de niveau et le courant associé Notion de résistance

Leçon 7 Classe entière RALLYE

Le déroulement de la séquence 1 a été enregistré en vidéo dans sa totalité. La caméra, située au fond de la salle, a été manipulée pour suivre l’ensemble de la classe, pour suivre l’activité des élèves et leur réaction et une autre caméra enregistre l’activité d’un groupe d’élève, et permet de suivre l’interaction entre les élèves et l’enseignant.

4.2 Description des séquences 41

La première leçon théorique débute par l’expérience des vases communicants effectuée par l’enseignant devant l’entier de la classe. Les élèves doivent observer et émettre des hypothèses quant aux raisons de l’écoulement de l’eau d’un vase à l’autre et quant à la condition d’arrêt de cet écoulement. Après une mise en commun des propositions des élèves et de la validation ou non de celles-ci s’ensuit une institutionnalisation de la notion de pression hydrostatique (avec un aspect historique présentant la plongée du bathyscaphe Trieste de Jacques Piccard et Don Walsh à plus de 10’000 mètres de profondeur) ainsi que du principe des vases communicants, prin-cipalement sur la base d’un cours transmissif supporté par des documents écrits. L’expérience des vases communicants est décrite comme deux systèmes connectés se trouvant initialement dans des états (de pression) différents qui vont converger vers un état d’équilibre par transfert d’un certain volume d’eau : cela permet d’introduire le concept KPK en tant que phénomène de transport et de développer la théorie dans son entier (schéma, formules, vocabulaire, etc.). La leçon se termine en insistant sur la transposabilité du modèle KPK à différents domaines de la physique (électricité, thermodynamique, mécanique) et donc sur l’utilité de celui-ci.

Un demi-groupe de classe effectue le TP relatif au domaine hydraulique avant cette leçon et l’autre demi-groupe après. Le TP sur l’hydraulique est composé de deux expériences proposées aux élèves au moyen d’un document de travail à compléter (tableaux, réponses aux questions) fourni en début de leçon. Les élèves travaillent par groupes de 3 ou 4 élèves. Dans la première activité, il est demandé aux élèves de mesurer un débit d’eau s’écoulant d’un vase percé et d’établir une relation entre celui-ci et la hauteur d’eau (donc la pression). La deuxième acti-vité consiste en l’expérimentation des vases communicants avec des récipients différentes. Les élèves sont notamment questionnés sur différents aspects qu’ils ont pu observer pendant l’ex-périence (volume d’eau perdu et gagné par les vases, variation du débit pendant l’exl’ex-périence, condition d’équilibre, etc.). Le TP se termine par des questions plus générales (siphonage d’un aquarium, etc.) ainsi que par un texte lacunaire à compléter ayant pour but de vérifier les nou-velles connaissances des élèves et de les soumettre au vocabulaire spécifique KPK (substance, niveau, etc.).

La leçon théorique sur le domaine électrique est proposée sur la base d’une présentation Po-werpoint et de documents écrits à compléter. Les notions de charge, de potentiel, de différence de potentiel et le fonctionnement du multimètre sont institutionnalisés (avec une présentation et une discussion de quelques aspects historiques). Une vidéo présentant l’expérience des sphères

chargées est soumise aux élèves : ceux-ci doivent émettre des hypothèses quant aux phénomènes observés. Cette expérience permet de présenter le schéma KPK avec un second domaine, celui de l’électricité et de faire l’analogie avec le domaine hydraulique.

Le TP qui s’ensuit est proposé sous la forme d’un rallye de deux postes effectués en parallèle par groupes de 4 ou 5 élèves. Les expériences à effectuer sont proposées aux élèves au moyen d’un document de travail à compléter (tableaux, réponses aux questions, graphiques) fourni en début de leçon. Le rallye relatif au domaine électrique permet d’aboutir à la loi d’Ohm par des prises de mesures de tensions, de courants et de résistances au moyen du multimètre. Le rallye relatif au domaine hydraulique reprend la mesure de débits d’eau d’un récipient présentant cette fois-ci un tube capillaire (résistance hydraulique ; donc relation différente à celle obtenu avec un tube non capillaire) à son ouverture. Dans les deux rallyes, il est demandé aux élèves d’établir la relation entre le courant de substance et la variation de niveau. Ceci permet de mettre en évidence les similitudes existantes entre les différentes grandeurs relatives aux domaines hydraulique et électrique ainsi que la correspondance entre la loi d’Ohm et de Poiseuille.

La séquence s’achève par un rallye de cinq postes sur la thématique du circuit électrique. Différentes situations de circuits électriques impliquant une ampoule connectée à deux piles électriques sont soumises aux élèves par groupes de deux élèves. Dans une première phase, chaque binôme doit répondre théoriquement à la question posée en justifiant la réponse, puis dans une deuxième phase, les élèves réalisent le montage expérimental correspondant au schéma théorique proposé pour confirmer ou infirmer leur première réponse. Dans une troisième phase, les élèves doivent argumenter et valider leur réponse. Un recours à « un mode de pensée par analogie » (Toussain, 2004, p. 7) est attendu de la part des élèves pour décrire les phénomènes testés et validés. Cette dernière activité a également pour fonction d’évaluer les apprentissages des élèves (voir Section 5). Des démonstrations et des explications de divers phénomènes (pa-radoxes des ballons connectés) sont finalement proposées en tout fin de séquence.