UN VERRE, DE L’EAU, DE L’AIR :
UNE SITUATION POUR PRÉVOIR DES FAITS, RÉAGIR
Claude LUC
ERECA IUFM, Reims – LIREST, Cachan
MOTSCLÉS : ÉLÈVES DE LYCÉE EXPÉRIENCES AVEC AIR PRÉVISIONS RÉACTIONS - INTERPRÉTATIONS - PRESSION
RÉSUMÉ : Nous avons demandé à six élèves de lycée (avant enseignement) de prévoir les niveaux d’eau à l’intérieur d’un verre retourné et immergé dans un aquarium, puis de réagir devant l’expérience, et enfin d’interpréter. L’impact d’une expérience non prévue est fort : il se manifeste par étonnement, doute, refus. L’interprétation des niveaux d’eau dans le verre fait référence à un air passif, non pressant, peu compressible et constitué de molécules immobiles et tassées.
ABSTRACT : The experiment takes place before the appropriate lesson. Six secondary school pupils are asked to predict the water level within a glass turned uspide down and immersed inside a tank of water. Their reactions are then observed and they are asked to interpret the experiment. The impact of this unpredicted experiment is strong : surprise, doubt and denial are shown. The water level within the glass can be explained by a air, wich is passive, non pressured, barely compressible and made up of fixed and tightly packed molecules.
1. LES VISÉES DE CE TRAVAIL DE RECHERCHE
Nous rapportons les résultats d’une recherche exploratoire sur l’expérimental ayant deux visées. La première visée est de saisir l’impact d’une expérience réalisée devant un élève seul, quand on lui a préalablement demandé ce à quoi il s’attend. Nous voulons aussi recenser les raisonnements utilisés par l’élève pour interpréter les faits expérimentaux attendus et observés.
2. LE THÈME DE L’EXPÉRIENCE ET LES TRAVAUX S’Y RAPPORTANT
Nous avons retenu comme thème d’expérience celui des gaz, leur pression, leur compressibilité et ce, pour deux raisons. La première raison est que ce thème fait partie (BOEN, 1999) du nouveau programme de physique de seconde (première année de lycée en France). La deuxième raison du choix de ce thème est justifiée par la présence de travaux didactiques qui s’y rapportent :
- Les travaux de Séré, Tiberghien (1989) concernent des élèves de 11-12 ans en début de collège Les auteurs constatent que la pression est un concept difficile. Pour beaucoup d’élèves, malgré l’enseignement, un gaz au repos, un gaz détendu, un gaz froid n’exercent pas de pression.
- Les travaux de Chômat, Larcher, Méheut, (1998, 1990), Chômat, Larcher (2000) rendent compte de la faisabilité d’activités de modélisation articulant fortement propriétés des gaz et modèles proposés par les élèves. Lors d’une évaluation terminale, après enseignement, les auteurs ont constaté que les élèves en grand nombre réinvestissent leurs acquis et certains de ces élèves vont jusqu’à faire évoluer leurs modèles pour interpréter du nouveau.
- Les travaux d’Astolfi et Peterfalvi (1993) et Plé (1995, 1997) analysent les obstacles épistémologiques à l’apprentissage de l’enseignement à l’école primaire. Ils proposent des stratégies d’enseignement réputées difficile à mettre en place car elles nécessitent des connaissances sur les obstacles, les représentations, les processus de changement conceptuel, les techniques de groupes. Les travaux précédents concernent l’école et le collège. Nous faisons l’hypothèse que les élèves de début de lycée doivent avoir du mal à concevoir l’air comme matière pressante et compressible.
3. LA MÉTHODOLOGIE DE NOTRE RECHERCHE
3.1 L’expérience support de l’entretien
Il s’agit de l’immersion verticale, dans un aquarium plein d’eau, d’un verre retourné. Cette immersion se fait en trois étapes : le verre est d’abord demi-immergé, puis il est complètement
immergé en haut de l’aquarium, enfin il est complètement immergé au fond de l’aquarium. Nous avons retenu cette situation car elle permet indirectement (en questionnant sur les niveaux d’eau) d’atteindre le point de vue des élèves sur le comportement de l’air “emprisonné”. En faisant l’expérience, lors de la demi immersion, l’eau pénètre de 6 millimètres à l’intérieur du verre, puis de 9 mm en immersion totale “en haut”, et de 12 mm en immersion totale “au fond”.
3.2 L’organisation des entretiens
Nous avons procédé à des entretiens, avant enseignement, auprès de six élèves de seconde dont les résultats scolaires en sciences physiques sont variés. Ces entretiens se sont déroulés en quatre temps. Nous avons présenté à chaque élève le dispositif expérimental (sans faire l’expérience) ; puis nous lui avons demandé de prévoir et interpréter ; ensuite, nous avons réalisé l’expérience en lui laissant le temps d’exprimer ses réactions ; enfin nous lui avons demandé d’interpréter l’observé.
4. LES PRÉVISIONS DES SIX ÉLÈVES (Ar, Ga, Gi, Gr, Li, Sa)
4.1 Les prévisions quand le verre est à demi immergé
Il n’y a pas eu de prévision juste. Tous les élèves envisagent une montée excessive d’eau dans le verre (du 1/3 aux 3/4 de sa hauteur).
4.2 Prévisions quand le verre est complètement immergé en haut de l’aquarium
Il n’y a toujours pas de prévision juste. Un élève change d’avis : pour lui, l’eau ne monte pas. Trois élèves prévoient le remplissage complet du verre. Un élève prévoit un niveau d’eau situé au 1/3 et en augmentation par rapport à l’état précédent.
4.3 Prévisions quand le verre est complètement immergé au fond de l’aquarium Les dernières prévisions confirment ce qui est attendu à la situation précédente.
5. L’IMPACT DE L’EXPÉRIENCE SUR LES ÉLÈVES
On assiste à un décalage entre la perception du phénomène de premier plan : celui qui saute immédiatement aux yeux de tous les élèves (il n’y a pas d’eau dans le verre), et le phénomène de second plan (la légère montée de l’eau dans le verre) qu’ils ont du mal à percevoir, voire à accepter.
5.1 Le phénomène de premier plan : l’eau ne monte pas dans le verre immergé
Tous les élèves font part spontanément, dès la première expérience de demi-immersion, de la non montée de l’eau. Mais ce phénomène de premier plan semble marquer différemment les élèves selon ou pas qu’ils l’ont prévu. Les élèves qui ont prévu la non montée de l’eau expriment de façon neutre leur observation : “L’eau ne rentre pas”, “Il n’y a pas d’eau”.
Le phénomène de premier plan semble marquer davantage les quatre élèves qui ne l’ont pas prévu. Ils le constatent en utilisant des expressions d’étonnement : (Ga) “Ah ! Oui ! D’accord ! Elle monte
pas du tout”, (Gr) “Euh ! Il n’y a pas d’eau. Il n’y a pas...”
Ils affirment leur surprise : (Gr) “Ben, ouais !”, “Ben assez ouais ! C’est bizarre”
5.2. Le phénomène de second plan : l’eau monte légèrement dans le verre immergé
Les six élèves perçoivent difficilement l’ascension de l’eau dans le verre immergé et, pour certains, ce n’est qu’à la suite de consignes de fine observation. Une fois perçu, ce phénomène fait l’objet de marginalisation, doute et contestation de la part de deux élèves qui ne l’attendaient pas. Ainsi Ar dit, quand le verre est immergé en haut de l’aquarium : “Non. Elle (l’eau) est juste rentrée un tout
petit peu à l’intérieur du verre.” L’élève Gi conteste l’accroissement du niveau de l’eau lors de
l’immersion profonde : “Normalement, il devrait y avoir le même niveau.” Le fait non attendu n’est pas forcément accepté. Plé (1998) fait un constat similaire avec des élèves de CM2.
6. LES RAISONNEMENTS INTERPRÉTATIFS MIS EN ŒUVRE PAR LES ÉLÈVES
6.1. Pourquoi l’eau ne monte-t-elle pas davantage dans le verre (rôle de l’air) ?
Pour tous les élèves, c’est l’air qui limite la montée de l’eau dans le verre. Nous avons recensé quatre types de justifications : l’air occupe une place, il ne se mélange pas avec l’eau, il est comprimé/serré ; il fait comme un bouchon, un couvercle. Les élèves attribuent donc à l’air un rôle passif : il encombre, il subit. Les termes de pression, force, poussée n’ont pas été cités. Dans leurs explications, aucun des six élèves n’a fait appel à des conceptions microscopiques.
6.2 Comment les élèves se représentent-ils l’air à l’intérieur du verre ?
Pour cinq des six élèves interviewés, l’air est un mélange de gaz constitué de particules ou molécules. Un seul élève imagine ces particules éparpillées. Deux élèves imaginent ces particules en vitesse rapide. La représentation dominante est celle de particules tassées et immobiles faisant obstacle à l’acceptation d’une forte compressibilité de l’air et à ses propriétés pressantes.
6.3. Comment interprète-t-on, microscopiquement, la limitation de la montée de l’eau ?
Nous constatons que l’interprétation dominante s’appuie sur un modèle statique de particules tassées en volume, et en surface, qui occupent l’espace, et font obstacle passif à la montée de l’eau. Deux élèves imaginent les particules de gaz animées, dont Ga qui envisage des chocs.
6.4. Comment les élèves interprètent-ils la montée de l’eau à l’intérieur du verre ?
Les élèves envisagent la compressibilité de l’air, mais aussi sa dissolution, ou son échappement. La compressibilité de l’air est proposée par cinq élèves avec les termes de tassement/entassement. Mais seuls deux élèves (Ar, Ga) n’évoquent que la seule compressibilité. On est amené à penser que la compressibilité de l’air proposée par les cinq élèves pour justifier la montée de l’eau doit être limitée, car ils envisagent tous les cinq l’air sous forme de particules rapprochées ou tassées.
6.5. Comment les élèves utilisent-ils le terme pression au cours de l’entretien ?
Nous constatons que les termes pression, poussée, force, sont peu spontanément usités (rarement plus de deux fois). Séré et Tiberghien (1989, p. 925) constatent aussi que les élèves de collège, avant enseignement, “ ... se passent complètement des notions d’action, interaction ou force, a
fortiori de pression pour décrire ou expliquer les actions des gaz.”
Le terme pression n’est utilisé qu’en fin d’entretien, soit pour évoquer la pression de l’eau quand le verre est en eau profonde soit de façon neutre (pression ou pression de l’air...).
Un élève (Ga) semble plus familiarisé avec le mot pression, il envisage la relation pression volume.
7. CONCLUSION
Quels enseignements tirer quant à l’impact de l’expérimental sur les élèves et à leurs raisonnements interprétatifs ? L’expérience dont le déroulement ne correspond pas à ce qu’attend l’élève a un impact très fort sur celui-ci et il le manifeste spontanément. Cette expérience génère en lui un conflit cognitif entre le vu et le prévu. Mais, l’élève est susceptible de mettre en doute le fait réel, et de le nier. Dans les raisonnements, il ressort que l’air de la situation expérimentale proposée n’est pas conçu en tant que matière pressante. L’air qui intervient dans les chemins explicatifs a un rôle passif d’occupation d’un espace rempli par ses molécules entassées et immobiles. Le vocable pression est peu, voire pas utilisé. Nous pensons que leurs conceptions statiques (gaz = particules immobiles) de l’état gazeux font obstacle à l’idée de gaz pressant.
Enfin, pour les six élèves interviewés, la compressibilité de l’air est peu envisagée, elle a du mal à être perçue et surtout à être acceptée. Peut-il en être autrement, quand dans leurs représentations microscopiques, un seul des six élèves envisage l’air constitué de molécules éparpillées ?
Au plan curriculaire, il nous semble essentiel de familiariser les élèves aux propriétés pressantes et élastiques de l’air à l’aide de multiples situations expérimentales. Il faut aussi déstabiliser les conceptions selon lesquelles les gaz seraient constitués de particules tassées et immobiles.
BIBLIOGRAPHIE
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CHOMAT A., LARCHER C., MÉHEUT M., À la recherche d’une stratégie pédagogique pour modéliser la matière dans ses différents états, Revue Française de Pédagogie, 1990, 93, 51-61. CHOMAT A., LARCHER C., Modélisation de la matière en cycle central du collège, Bulletin de
l’Union des Physiciens, 2000, 94, 1341-1366.
LUC C., L’eau, l’air, le verre : une expérience à prévoir à faire à expliquer, in Actes colloque
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SÉRÉ M.-G., TIBERGHIEN A., La formation des concepts décrivant les états de la matière au collège, Bulletin de l’Union des Physiciens, 1989, 716, 911-929.
Nos remerciements à l’Administration et aux Professeurs de Physique-Chimie du Lycée Arago de Reims, ainsi qu’à Armelle, Gaëlle, Gilline, Grégory, Linda, Sabrina pour s’être prêtés volontairement à nos entretiens hors du temps scolaire.
