INSTRUMENTS ET TECHNIQUES DANS L’ENSEIGNEMENT
DE LA PHYSIQUE AU LYCÉE : QUELLE IMAGE
À TRAVERS LES TRAVAUX PRATIQUES ?
Hélène RICHOUX
INRP - Didactique des Disciplines
MOTS-CLÉS : ENSEIGNEMENT SECONDAIRE - PHYSIQUE - ANALYSE DE PRATIQUES
RÉSUMÉ : La mise en œuvre d'une grille d'analyse des tâches planifiées par l'enseignant pour les activités des élèves en travaux pratiques de physique fait apparaître à la fois le fort centrage sur les appareils et les mesures, et les limites de la part dévolue à l'élève pour la construction de liens entre expérience et théorie/modèle.
ABSTRACT : Our study is about the tasks planned by the teachers and performed by the students for labworks in physics. The grid of analysis we have designed shows that activities are generally focused on manipulating measurement apparatuses, data logging and numerical calculations and that students are not offered enough opportunities to establish links between experiment and theory.
L'étude présentée ici s'appuie sur des recherches menées à l'INRP sur les travaux pratiques de sciences physiques au lycée (pouvant y inclure des outils informatisés). Nous expliciterons d'abord la grille que nous avons élaborée pour la description des activités prescrites par l’enseignant à ses élèves, puis nous étudierons sa mise en œuvre dans deux études de cas. Enfin, nous appuyant sur les analyses ainsi réalisées, nous nous interrogerons sur les démarches élaborées par les enseignants et présenterons une grille simplifiée pouvant servir de base à une formation des enseignants.
1. INTRODUCTION
Dans l'enseignement secondaire français, les élèves des classes scientifiques de lycée réalisent chaque semaine des travaux pratiques de physique ou chimie. Ils travaillent généralement en se référant aux consignes d'une "fiche de TP" élaborée ou choisie par le professeur. Le milieu didactique (Brousseau, 1988) avec lequel l'élève interagit est caractérisé par la présence de matériels didactiques et d'instruments scientifiques (oscilloscope, ordinateur avec interface d'acquisition, …) et par des activités où les expériences quantitatives tiennent une place importante (Ayçaguer-Richoux, 2000).
Les activités expérimentales jouent a priori un rôle à la fois pour la construction des connaissances par la mise en relation de la réalité expérimentale et du monde des théories et modèles (Bécu-Robinault, 1997) qu'elles favorisent et pour "l'image" de l'activité scientifique qu'elles véhiculent. L'introduction des outils informatisés pour l'acquisition et le traitement des mesures est ainsi doublement justifiée : la rapidité des mesures et des calculs, les possibilités de représentation graphique permettent à l'enseignant d'élaborer des situations plus riches et contribuent à donner une image plus moderne de l'activité scientifique.
Mais qu'en est-il dans la pratique effective des enseignants ? Pour répondre à cette question, plusieurs approches doivent être adoptées. Nous présentons ci-après une de ces approches : l'analyse des fiches de travaux pratiques avec une grille de description-codage.
2. L'ANALYSE DES ACTIVITÉS PLANIFIÉES POUR LES TRAVAUX PRATIQUES
S'agissant de caractériser les tâches planifiées par les enseignants, l'étude présentée ici a porté sur les fiches de travaux pratiques (quelles soient issues de manuels scolaires, de brochures pédagogiques ou mises à disposition des enseignants sur un site académique ou élaborées par eux) sur lesquelles on peut analyser les consignes explicitées par écrit.
En effet, pour l'enseignement de la physique et de la chimie dans le secondaire, l'utilisation de telles fiches est une pratique courante et des observations de séances ont montré la forte cohérence de ces deux situations : la fiche de TP caractérise effectivement le projet de l'enseignant.
2.1 La grille de description des activités planifiées et le principe de sa mise en œuvre
Cette grille a été élaborée en s'appuyant à la fois sur des catégorisations indépendantes du contexte des travaux pratiques (notamment la taxonomie de Hainaut) et sur le regroupement et la hiérarchisation des tâches recensées dans un grand nombre de fiches de travaux pratiques.
Le tableau ci-contre présente les grands types d'activités ainsi définis :
E. Exploiter de l’information O. Observer
C. Choisir, imaginer, créer R. Réaliser, conduire
K. Calculer, représenter, analyser F. Fournir une réponse
J. Juger, argumenter, critiquer
Tableau 1 : "les catégories" d'activités
En outre, afin de caractériser plus finement les consignes prescrites et faire apparaître notamment la part d'autonomie de l'élève, la prise en compte de ses connaissances etc., chacune de ces catégories est détaillée en différents items, par exemple :
C. Choisir, imaginer, créer
c1 - prédire un phénomène, un résultat expérimental ; c2 - formuler une hypothèse explicative ;
R. Réaliser, conduire
r1 - exécuter une action élémentaire spécifiée ; r5 - mettre en œuvre un mode opératoire connu, […] ;
K. Calculer, représenter, analyser
k2 - effectuer un calcul mathématique sur des mesures ; k5 - déterminer la valeur d'une grandeur sur un graphique
Tableau 2 : Extrait de la grille
La première étape de l'étude d'une fiche de travaux pratiques consiste à repérer et coder chaque consigne d'activité. Du point de vue méthodologique, un code et un seul est attribué par consigne, ce qui permet à la fois de rendre compte de la complexité de la tâche confiée aux élèves et de relever l'importance de la planification à laquelle ils sont confrontés. Ainsi, par exemple, la consigne "en utilisant un oscilloscope, vérifier que la tension aux bornes du générateur et le
courant dans le circuit ont toujours la même période" est noté r5 (l'élève doit savoir utiliser un
oscilloscope - branchements, réglages, lecture ) alors que "placer le bouton du gain sur le calibre
1V" est codée r1. Le bilan global peut être présenté sous la forme d'un diagramme (diagrammes 1 et
2) dans lequel les activités repérées par le code de la "catégorie" (E, O, C, …) sont portées en ordonnées et représentées dans l'ordre (en abscisses) dans lequel elles apparaissent dans la fiche (un tel diagramme ne permet évidemment pas de préjuger de la durée de la réalisation de la tâche correspondante). Cette méthode a été mise en œuvre pour les deux exemples développés ci-dessous.
2.2 Exemples d'analyse de fiches de travaux pratiques
Les deux fiches de TP présentées et analysées ci-dessous ont été élaborées par des enseignants confirmés pour des séances effectivement réalisées par leurs élèves (séances observées).
Étude d'un circuit RLC en oscillations forcées
Dans cette séance les élèves de Terminale scientifique doivent retrouver les résultats présentés en cours sur la réponse en intensité d'un dipôle RLC lorsqu'on fait varier la fréquence de la tension sinusoïdale que l'on impose à ses bornes. Ils disposent par binôme d'un important matériel : un générateur de fréquence et d'amplitude réglables, un oscilloscope, une bobine d'inductance, un condensateur et deux contrôleurs (Richoux, 1997).
Diagramme 1 : bilan du codage
Cette séance apparaît fortement guidée par un nombre important de consignes (43) qui dirigent les activités essentiellement avec les objets et les instruments de mesure (R : 19 consignes) et les calculs et représentations (K : 17 consignes). Les élèves doivent savoir utiliser les instruments mis à leur disposition et effectuer les réglages nécessaires à la conduite des expériences.
Quelles sont les tâches planifiées qui doivent amener les élèves à faire des liens avec le niveau des théorie/modèles ? Ici, ces tâches (codées F) apparaissent essentiellement à la suite des activités de mesurage et doivent conduire les élèves à retrouver les résultats théoriques établis lors du cours précédent : "conclure" (que les oscillations sont forcées), "comparer (la fréquence de résonance mesurée) à la fréquence propre des oscillations du circuit (L, C)", …
Ceci amène naturellement à s'interroger sur la démarche expérimentale choisie par l'enseignant : alors que les élèves ont a priori les connaissances et compétences nécessaires pour proposer et mettre en œuvre un protocole permettant de vérifier le caractère forcé des oscillations, de montrer l'influence de la résistance sur l'acuité de la résonance, etc., ici l'expérience et les mesures sont premières et la "théorie" est retrouvée, "vérifiée".
Cette séance de travaux pratiques s'adresse à des élèves de Terminale soumis à une évaluation institutionnelle et le guidage des activités peut traduire un souci d'efficacité de l'enseignant : la réalisation du montage, le relevé et le traitement des mesures prennent une part importante de la durée du TP et les consignes permettent alors de traiter un plus grand nombre de situations.
Qu'en est-il alors d'une séance en classe de première scientifique pour laquelle des outils informatisés pour l'acquisition et le traitement des mesures sont disponibles ?
La chute libre d'un corps
Dans cette séance, les élèves doivent obtenir à partir des résultats expérimentaux les équations horaires du mouvement de l'objet. L'enseignant s'appuiera sur les résultats obtenus par les groupes lors de cette séance pour élaborer le modèle de la chute libre (Ayçaguer-Richoux, 2000).
Diagramme 2 : bilan du codage
Les élèves disposent d'un matériel dédié à l'étude de mouvements rectilignes, et le système d'acquisition et de traitement des mesures est informatisé.Le résultat du codage des activités planifiées fait apparaître un nombre important de consignes (37) parmi lesquelles une large majorité (24) guide la mise en œuvre du matériel informatisé : "choisir acquisition",
"choisir Graphe, puis coordonnées", […], "taper : x = b*sqr(t)". Ces consignes ont
été codées r1.
Si dans la mise en œuvre d'instruments classiques (oscilloscopes, par exemple) les élèves doivent faire les réglages nécessaires à la réalisation de l'expérience, l’analyse fait apparaître ici que, lorsque le montage utilisé est dédié et le logiciel nouveau pour les élèves, l'enseignant pallie par de nombreuses consignes techniques (r1) leur absence de connaissances et savoir-faire, et l'activité cognitive des élèves est alors appauvrie (Milot et al., 1999).
3. INSTRUMENTS ET TECHNIQUES DANS L'ENSEIGNEMENT
3.1 Quelle image à travers les travaux pratiques ?
Les fiches analysées ont pour la plupart des structures analogues à celles que nous avons présentées et ce, quel que soit le niveau de la classe (2nde, 1e S ou Tale S). La démarche d’enseignement se caractérise dans ces cas par un guidage étroit du travail des élèves par une série de consignes, une séquentialisation des activités en montage/mesurage (R) puis traitement mathématique des mesures (K) et enfin relation avec la théorie (F), l’absence de questionnement préalable et donc de tâches telles que prédire un comportement (c1), formuler une hypothèse (c2), décider des valeurs des
aux mesures (j3), etc. On constate ainsi un glissement de l'expérimental vers la manipulation
d'instruments et, en cohérence, la confrontation quantitative entre résultats expérimentaux et modèles est absente. L'introduction de l'ordinateur "outil de laboratoire" peut ne pas modifier les démarches (Brénasin et al., 1994), mais peut également conduire à une augmentation de la part des actions "élémentaires". Si la démarche décrite ci-dessus constitue la réponse des enseignants aux multiples contraintes qu'ils doivent gérer, l'image de l'activité scientifique transmise à l'élève apparaît réduite à la mise en œuvre d'instruments et au traitement mathématique des mesures et les moyens informatisés peuvent n'être, de fait, qu'un élément de "motivation".
3.2 Un outil pour la formation des enseignants
Les résultats évoqués ci-dessus nous ont amenés à proposer aux enseignants en formation initiale et continue, une grille simplifiée (IUFM du Limousin, 2001) dans l’objectif, à travers l’analyse des documents mis à leur disposition et de leur propre production, de faire évoluer leur pratique vers une prise en compte plus explicite de l'apprentissage et une clarification des démarches.
BIBLIOGRAPHIE
AYÇAGUER-RICHOUX H., Rôles des expériences quantitatives dans l'enseignement de la
physique au lycée, Thèse : didactique de la physique, Paris 7, 2000, 205 p.
BÉCU-ROBINAULT K., Rôle de l'expérience en classe de physique dans l'acquisition des
connaissances sur les phénomènes énergétiques, Thèse : didactique de la physique, Lyon 1,
Université Claude Bernard, 1997, 242 p.
BRÉNASIN J., WEIL-BARAIS A., Étude de l'impact de l'utilisation d'outils informatiques par les
élèves en sciences physiques, Paris : MEN, LIREST, 1994.
BROUSSEAU G., Le contrat didactique : le milieu, Recherches en didactique des mathématiques, 1988, 9(3), 309-336.
IUFM DU LIMOUSIN, Équipe de Recherche et Réflexion Troisième, seconde, la roue tourne…,
Bulletin de l'Union des Physiciens, 2001, 836, 1199-1209.
MILOT M.-C., BEAUFILS D., Des savoirs et savoir-faire associés à l'utilisation d'instruments informatisés en physique-chimie, in Activités expérimentales des élèves en physique-chimie : quels
enjeux d'apprentissage, Caen : CRDP, 1999, pp. 117-140.
RICHOUX H., Quels sont les rôles des expériences quantitatives dans l'enseignement de la physique au lycée ?, In Actes du 6e séminaire national de recherche en didactique de la physique, de la chimie et de la technologie, Lyon : LIRDHST, 1998, pp. 243-249.
