ARTheque - STEF - ENS Cachan | Représentations et conceptions des étudiants-futurs instituteurs en électrostatique: du phénomène observé au modèle atomique

REPRÉSENTATIONS ET CONCEPTIONS DES

ÉTUDIANTS-FUTURS INSTITUTEURS EN ÉLECTROSTATIQUE:

DU PHÉNOMÈNE OBSERVÉ AU MODÈLE ATOMIQUE

Christine SOLOMONIDOU, Hélène STAVRIDOU Université de Thessalie, Grèce

MOTS-CLÉS: REPRÉSENTATION - ÉLECIROSTATIQUE- MODÈLE ATOMIQUE

RÉSUMÉ : Dans ce travail, qui fait partie d'un processus d'introduction progressive et d'utilisation de différents modèles atomiques, nous décrivons les idées initiales et les résultats d'une intervention didactique ayant comme but d'aider des étudiants-futurs instituteurs à développer de représentations au niveau atomique d'un nombre de phénomènes électrostatiques observés au niveau manipulatoire, à l'aide d'un modèle atomique et d'un modèle de la structure de la matière.

SUMMARY : In this work, which is part of a progressive introduction and application of different atomic models procces, we describe the initial ideas and the results of a didactical intervention aiming at helping students-teachers to develop microscopie representations for a number of electrostatic phenomena observed in the macroscopic level, using an atomic model and a model of matter structure.

1. INTRODUCTION

Les phénomènes de l'électricité statique sont le plus souvent traités dans l'enseignement secondaire en Grèce (et à d'autres pays) comme des phénomènes à part auxquels, d'habitude, on n'attribue pas trop d'importance. D'ailleurs, les conceptions des élèves par rapportàcette catégorie de phénomènes n'ont pratiquement pas attiré l'attention des chercheurs en didactique des sciences physiques,à quelques exceptions près où des chercheurs soulignent l'absence et le besoin de relation entre l'électrostatique et l'électrocinétique (Bat-Sheva& Uri Ganiel, 1990). De notre part, nous pensons que cette catégorie de phénomènes présente un grand intérêt didactique, parce qu'elle peut constituer un point de transition important dans un processus d'introduction progressive et d'utilisation de modèles atomiques de plus en plus compliqués, pour la représentation au niveau atomique de phénomènes macroscopiques. Il s'agit d'un processus très important pour la construction du savoir scientifique de la part des élèves ou des étudiants, auxquels très souvent en chimie et en physique on présente différents modèles atomiques de façon arbitraire et sans relation avec des phénomènes observables au niveau macroscopique.

2. BUT ET MÉTHODE DE LA RECHERCHE

Dans le cadre d'un curriculum que nous avons conçu et appliqué pour la formation aux sciences physiques des étudiants-futurs instituteurs/trices (Papademetriou, Solomonidou, Stavridou, 1992 et Solomonidou, Stavridou, 1993), nous avons utilisé les phénomènes d'électricité statique pour montrer les limites de validité d'un modèle atomique simple dutype"balles de billard" que nous avons auparavant introduit pour la représentation de phénomènes tels que la dilatation thermique, les changements d'état, la compression/expansion d'un gaz. L'étude des phénomènes électrostatiques favorise l'introduction d'un modèle atomique plus riche et compliqué, constitué d'un noyau positif et d'électrons négatifs. Nous utilisons ensuite ce même modèle pour faciliter le passage de l'électrostatiqueàl'électrocinétique et dans l'enseignement des concepts de réaction et de liaison chimique.

Notre travail est inspiré de la théorie constructiviste et comprend trois phases:

- investigation des idées initiales des apprenants à propos du sujet étudié: les étudiants répondent par écritàun questionnaire que nous avons rédigé et font des dessins,

- conception et réalisation d'interventions didactiques tenant compte des idées initiales des étudiants: les étudiants font des travaux pratiques qui durent 3 heures, par petits groupes de 2à4 personnes, au cours desquels ils remplissent des fiches de travail que nous avons rédigées et ils font des dessins, - évaluation des progressions que les étudiants ont effectuées sur le sujet traité : les étudiants répondent par écrit à des questions et font des dessins.

Dans ce travail nous décrivons les représentations et les conceptions initiales des étudiants-futurs instituteurs/trices àpropos de certains phénomènes d'électrostatique, l'évolution de ces idées initiales au cours de l'intervention didactique, ainsi que les idées fmales des étudiants, surtout en ce qui concerne les modes de représentation au niveau atomique des phénomènes étudiés. Cinquante-six étudiants/es, hommes et femmes (âge 21-22 ans) de l'Université de Thessalie ont participé à cette recherche.

3. IDÉES INITIALES DES ÉTUDIANTS

Le questionnaire initial comprend six questions. En répondant àla première question "Que signifie pour toi le tenne électricité statique?", la majorité des étudiants/es se réfèrent aux conditions d'apparition de l'électricité statique: frottement entre deux corps (33 étudiants sur 56) ou simple contact (14 él), sans pour autant préciser quel genre de corps doit-on frotter ou si les corps mis en contact sont chargés ou pas,àl'exception de six étudiants qui notent qu'on doit frotter un corps avec de la laine ("C'est une forme d'électricité qui est produite par frottement", "Création des charges électriques par frottement"). Dix étudiants situent l'électricité statique par rapport au courant électrique en disant qu'elle se produit soit avec du courant électrique (3), soit sans du courant (7) ("C'est l'électricité qui est produite par frottement entre objets ou par d'autres causes sans fournir du courant électrique"). La grande majorité des étudiants (35) disent qu'il s'agit d'une forme d'électricité sans préciser le sens du tenne électricité. Certains d'entre eux soulignent le caractère local du phénomène (4), sa courte durée (11), l'état de repos des charges électriques (2) ("C'est l'électricité qui apparaît à un endroit précis d'un corps ou d'un objet et qui n'avance pas plus loin"). Un petit nombre d'étudiants (S) se réfèrent aux charges électriques ("perte d'électrons de l'atome", "existence", "création" ou "apparition des charges électriques"), tandis qu'il n'y a que 9 étudiants qui semblent avoir une idée assez cohérente du phénomène ("C'est le phénomène au cours duquel deux corps entrent en contact et ils acquièrent des charges positives le premier et négatives le second ; par conséquent ces corps s'attirent"). Les étudiants connaissent des phénomènes électrostatiques de la vie quotidienne (question 2) et 52 d'entre eux mentionnent 1,2 ou 3 exemples: frottement des cheveux avec un peigne plastique ou contact d'une blouse en laine (les cheveux s'élèvent), crayon en plastique frotté avec de la laine qui attire de petits morceaux de papier, ete. Une vingtaine de phénomènes ont été mentionnés. Les critères à la base desquels certains phénomènes sont reconnus comme électrostatiques (question 3) sont selon les étudiants: le frottement (6) ou le contact entre deux corps (2), le fait que deux corps s'attirent (9), l'attraction après frottement (7), des phénomènes observables: petits bruits, éclats, etc. (1S), le caractère statique (3) ou non permanent du phénomène (7), son apparition sans source de courant électrique (7), etc. Les causes des phénomènes mentionnés (question 4) sont: le frottement (19 étudiants), le fait que les corps se chargent après le frottement (8), l'existence des charges électriques opposées et leur attraction mutuelle (11), le transfert de charges négatives (6), le transfert de charges négatives et positives y compris des ions (3), le transfert des charges positives (1), l'existence du champ ou des ions magnétiques (2) et autres ("Le stylo se chargeàcause du frottement avec les cheveux et comme ça il acquiert de propriétés (temporaires) de magnète").

En ce qui concerne les dessins que les étudiants ont faits pour un phénomène de la vie quotidienne qu'ils ont choisi (question 5), 8 d'entre eux/elles n'ont pas fait de dessin. Un grand nombre d'étudiants (30) ont fait des dessins "macroscopiques" où n'apparaissent pas de charges ou de particules (par ex. quelqu'un qui peigne ses cheveux) et seulement 18 étudiants ont fait des dessins où apparaissent des charges positives et/ou négatives. Plus spécialement, 10 parmi ces derniers mettent des charges positives sur un corps et des charges négatives sur l'autre corps, 6 étudiants mettent des charges positives (ou négatives) sur l'ensemble des corps qu'ils dessinent, tandis que 2 autres dessinent la répartition des chages des corps en fonne bipolaire.

Dans un autre cas, les étudiants ont frotté une paille en plastique à l'aide du papier de cuisine, ils/elle l'ont mise en contact contre le mur et ont observé qu'elle y est restée "collée". La dernière question qui leur a été posée est la suivante: "Faites un dessin pour montrer ce qui se passe dans la matière et qui puisse justifier vos observations". Seize (16) étudiants n'ont pas fait de dessin, 7 ont fait des dessins "macroscopiques",6étudiants mettent des petites marques sur le dessin (des petits points, bulles, traits, etc.) et 27 ont réalisé des dessins où apparaissent des charges positives et négatives. Plus spécialement, 10 parmi ces derniers mettent des charges positives sur un corps et des charges négatives sur l'autre corps,4 étudiants mettent des charges positives (ou négatives) sur l'ensemble des corps, 9 étudiants mettent des charges positives et négatives sur l'un des deux corps, tandis que 3 autres dessinent la répartition des charges (+, -) sur les corps en forme bipolaire.

4. INTERVENTION DIDACTIQUE

Les idées principales de notre intervention didactique sont les suivantes:

- la matière dispose des charges électriques (modèle proposé : atome constitué d'un noyau central positif et d'électrons négatifs) et qu'en état de neutralité électrique les charges négatives sont en nombre égal aux charges positives

- les phénomènes électrostatiques se manifestent quand la neutralité électrique d'un corps est détruite par:

- transfert d'électrons d'un corps vers un autre, soit par frottement entre deux corps électriquement neutres (isolants ou conducteurs isolés), soit par contact d'un corps neutre (conducteur isolé) avec un corps chargé,

- dé.placernent des électrons d'un corps conducteur isolé à l'intérieur du corps, à cause de la présence d'un autre corps chargé (électrisation par influence),

- les phénomènes électrostatiques peuvent servir d'introduction au domaine de l'électrocinétique (passage de l'électrostatique à l'électrocinétique). Le déplacement des électrons d'un électroscope vers un autre électroscope via un matériau conducteur, déplacement qui est provoquéà cause de la présence d'un corps chargé à côté du premier électroscope, correspondàun mouvement orienté d'électrons (courant électrique) qui est détecté par le fait que la languette du deuxième électroscope se soulève.

Notre séance de T.P. est constituée d'un ensemble d'expériencesà l'aide de matériaux et de montages simples, légers et bon marché (Ferreira et al., 1987). Après la réalisation de chaque expérience, les étudiants sont invités/ées à utiliser le modèle atomique proposé et faire des dessins pour représenter ce qui se passe dans la matière qui puisse justifier les phénomènes observés. Dans ce premier temps, les étudiants ne reçoivent pas d'instructions supplementaires de notre part et travaillent en collaboration entre eux/elles.

L'évolution des idées initiales des étudiants au cours de la séance de T.P. est nette, puisque tous les étudiants font des dessins qui représentent au niveau atomique les phénomènes observés au niveau manipulatoireà l'aide des charges positives (CP) et des charges négatives (eN).

Pourtant, l'étude des dessins fournis par les étudiants a mis en évidence un nombre de difficultés de conceptualisation et de représentation concernant le transfert et le déplacement des charges négatives. Nous nous attendions à ce que les étudiants qui avaient assimilé l'idée du transfert d'électrons dessinent un excès d'électrons sur un corps et un défaut d'électrons sur l'autre corps. Pourtant, pour l'exemple de la paille et du mur, seulement six étudiants ont fait des dessins satisfaisants où ils ont représenté, sur la paille chargée, des charges positives ainsi qu'un excès de charges négatives et ils ont marqué des charges positives et le déplacement-répulsion des électrons sur le mur. Par contre, plusieurs étudiants dessinent un nombre égal de charges positives et négatives sur le corps chargé (la paille) et, pour justifier l'attraction avec le mur, ils orientent les CP d'un côté et les CN de j'autre côté de la paille. Nous pensons que cette attitude signifie, entre autres, que ces étudiants acceptent que non seulement les CN mais que les CP se déplacent également. Ajoutons qu'il y a plusieurs dessins où un tel déplacement des CP est indiqué. Six étudiants représentent les charges sur la paille et le mur en forme bipolaire pour justifier leur attraction mutuelle. Ce sont des dessins qui rappellent l'attraction entre deux aimants rectilignes. Certains étudiants (3) marquent toutes les charges positives assemblées au centre d'un corps et toutes les charges négatives sur la périphérie: ce sont des dessins des corps qui rappellent l'image d'un atome.

Une grande partie d'étudiants (19) mettent seulement des charges négatives sur la paille et seulement des charges positives sur le mur, sans représenter les charges positives ou négatives qui existent respectivement sur chaque corps. TI s'agit d'un mode de représentation très courant qu'on rencontre dans plusieurs livres de physique et qui explique l'attraction (ou la répulsion) entre deux corps. De notre part, nous pensons qu'on n'a rien à reprocher à ce mode de représentation si on traite les phénomènes électrostatiques comme une catégorie de phénomènes à part et si l'on ne veut expliquer que l'attraction ou la répulsion entre deux corps chargés. Mais si on étudie cette catégorie de phénomènes dans une perspective comme la nôtre, de telles représentations ne contribuent pas suffisamment au développement des idées de transfert et de déplacement des électrons.

En effet, l'étude des dessins des étudiants nous a permis de réaliser le fait que seule l'introduction d'un modèle atomique n'aide pas suffisamment les étudiants à construire au niveau atomique des représentations satisfaisantes de la matière et de ses modifications. Dans le processus de représentation, il en manquait un pas intermédiaire très décisif: les étudiants avaient besoin d'un modèle de la structure de la matière.

Nous sommes donc amenées à effectuer une deuxième intervention didactique, qui consiste à introduire un modèle élémentaire de la structure de la matière construiteàpartir du modèle d'atome proposé. Suivant ce modèle de structure matérielle, un corps électriquement neutre est représenté par un nombre de charges positives qui constituent le "réseau immobile" du corps et du même nombre de charges négatives mobiles. Un corps électriquement chargé est représenté par la même structure de base, le "réseau immobile", où il apparaît un défaut d'électrons si le corps est chargé positivement, ou un excès d'électrons si le corps est chargé négativement. Une telle structure de base permet la représentation du transfert et du déplacement des électrons, lors de l'électrisation d'un corps par frottement, par contact ou par influence.

Environ un mois après la deuxième intervention, les étudiants ont répondu par écrit à un questionnaire final et ils ont fait des dessins pour représenter les modifications de la matière auxquelles correspondraient les phénomènes électrostatiques observés au cours des T.P. Les résultats sont très encourageants : plus que la moitié d'entre eux/elles ont fait des dessins tout à fait satisfaisants. Dans le cas du mur et de la paille, 32 étudiants ont fait des dessins corrects à l'aide du modèle de la structure de la matière que nous avons proposé. Le reste des étudiants ont fait des dessins plus ou moins incomplets, mais sensiblement améliorés par rapport aux dessins précédents. TI n'y a qu'un seul dessin en forme bipolaire, deux dessins où il y a déplacement des CP du mur, deux dessins qui ont des CP sur un corps et des CN sur l'autre corps et 15 étudiants qui ne marquent pas l'excès d'électrons sur la paille, tandis qu'ils représentent correctement le mur.

Dans le cas d'un phénomène plus compliqué, celui de l'électrisation d'un électroscope par influence à cause de la présence d'une paille chargée, les dessins sont moins satisfaisants. TI y a 12 dessins qui utilisent correctement le modèle de la structure de la matière proposé et 12 autres incomplets, où l'excès d'électrons n'apparaît pas sur la paille chargée. Dans les autres dessins on rencontre des manques et des erreurs déja décrites.

De conceptions et de représentations erronées persistent chez quelques étudiants/es. L'étude des dessins et des remarques écritesà côté des dessins des étudiants montre que 5 étudiants pensent qu'à cause de la présence de la paille chargée négativement, non seulement les électrons de l'électroscope sont répulsés vers le bas, mais que les CP sont attirées également par la paille et se déplacent vers le haut de l'électroscope ("En rapprochant la paille chargée au chapeau, les CP de l'électroscope sont attirées par les CN de la paille et elles se rassemblent au chapeau, tandis que les CN de l'électroscope sont répulsées à l'autre bout, à la languette"). Certains étudiants attribuent le soulèvement de la languette de l'électroscope directement à la présence de la paille chargée sans s'exprimer sur le déplacement des électrons de l'électroscope :"Lapaille est chargée négativement (excès d'électrons) ; en la rapprochant au chapeau de l'électroscope, la languette va bouger, elle sera attirée par la paille".

5. CONCLUSION

Les phénomènes d'électricité statique sont d'une grande importance didactique parce qu'ils tracent les limites de validité d'un modèle atomique simple dutype"balles de billard" et peuvent être utilisés pour l'introduction d'un modèle atomique plus riche et compliqué qui ensuite peut être investi dans l'étude des phénomènes électrocinétiques et de concepts chimiques, tels la réaction et la liaison chimique.

Larecherche des idées initiales de 56 étudiants-futurs instituteurs de l'Université de Thessalie a montré qu'ils connaissent de phénomènes électrostatiques de la vie quotidienne, mais qu'ils ont gardé un souvenir parcellaire et incomplet des connaissances théoriques scolaires, tandis qu'il n'y a qu'une petite minorité d'étudiants qui ont des idées assez cohérentes et complètes concernant cette catégorie de phénomènes. La majorité des étudiants n'arrivent pas à se représenter au niveau atomique

des phénomènes électrostatiques ou le font de façon incomplète ou erronée.

Au cours d'une séance de Travaux Pratiques, l'évolution des représentations des étudiants est remarquable. Pourtant les productions des étudiants montrent que seul le modèle atomique proposé (noyau positif et électrons) n'est pas suffisant pour le développement de représentations au niveau atomique, capables d'exprimer le déplacement et le tranfert des électrons, c'est-à-dire les mouvements des électrons qui se trouvent à l'origine des phénomènes électrostatiques. Dans le processus de représentation, entre le phénomène observé et le modèle atomique, un élément intennédiaire très décisif était absent: une représentation de la structure de la matière.

En effet, l'introduction d'un modèle élémentaire de la structure de la matière a considérablement aidé les étudiants à se représenter au niveau atomique le transfert et le déplacement des électrons. Bien que les résultats ne soient pas trop satisfaisants, nous pensons que notre intervention didactique se trouve dans la bonne direction et que l'introduction du modèle élémentaire de la structure de la matière constitue une aide importante à la représentation de cette catégorie des phénomènes. Cependant, le travail avec les étudiants nous a montré que le temps qui leur a été accordé n'était pas suffisant et que pour développer des représentations satisfaisantes ils ont besoin d'utiliser ce modèle dans un nombre de phénomènes plus important.

Modèle de structure de la matière

G

G

G

G

G

B

G

G

G

8 0 0

8

0

0

e

8

8

G

G

G

0

G

₈

3

₈

G

_G

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0 8 8

G

e

_e

G

G

G

0

G

₈

G

_G

G

_G

8 8 8

CV

0

G

8

_e

e

G

G

03

8e 88

8

G

e

8 8 8

0

0

corps neutre corps négatif corps positif

BIBLIOGRAPHIE

BAT-SHEVA(E.),GANIEL(V.),Macro-micro relationships : the missing link between electrostatics and electrodynamics in students reasoning,International Journal ofScience Education,1990, 12,79-94.

FERREIRA (N.), BENARROCHE (M.), DUPIN (J.-J.), Expériences d'électrostatique, Marseille: C.R.D.P., 1987.

PAPADEMETRIOU (V.), SOLOMONIDOU(C), STAVRIDOU (H.), Un curriculum contemporain de formation aux sciences physiques des étudiants-futurs instituteurs/trices,Paidagogiki Epitheorissi,

SOLOMONIDOU (C.), STAVRIDOU (H.), La place des données de la didactique des Sciences Physiques dans la fonnation des enseignants,Actes des XVèmes Journées Internationales sur l'Éducation Scientifique, 1993.