A. GIORDAN, J.-L. MARTINAND et D. RAICHVARG, Actes JIES XXVI, 2004
PERSPECTIVES D’UN APPRENTISSAGE DE LA PHOTOMÉTRIE
Najoua ZAIANE
LIRDHIST, Université Claude Bernard Lyon 1 & EDIPS, ISEFC, Université de Tunis
MOTS-CLÉS : APPRENTISSAGE – RAYONNEMENT – INSTRUMENT DE MESURE PHOTOMÉTRIE VISUELLE – PHOTOMÉTRIE PHYSIQUE
RÉSUMÉ : Ce travail porte sur l’expérimentation d’une séquence d’enseignement de la photométrie. Des élèves et des étudiants tunisiens sont amenés vers la prise de conscience des limites de la photométrie visuelle et de la nécessité de l’utilisation d’un instrument de mesure physique du rayonnement basé sur des transformations énergétiques pour que les mesures photométriques soient objectives.
ABSTRACT : This study is about a sequence of teaching of photometry. Tunisian pupils and students should be aware of the limits of the visual photometry and the necessity of the utilization of a physical measure instrument of the radiation based on energy transformations in order to let photometric measurements be objective.
1. INTRODUCTION
Au cours de cette séquence d’enseignement, le professeur guide l’apprenant pour qu’il prenne conscience des limites de la photométrie visuelle (limites de l’œil pour le mesurage du rayonnement) et de la nécessité d’utiliser un instrument de mesure physique dont le fonctionnement s’explique par des transformations énergétiques.
2. MÉTHODOLOGIE
2.1 Conditions de passation. Déroulement. Recueil de données
La séquence a duré 50 minutes Elle est centrée sur la photométrie. Nous avons un échantillon de 22 élèves tunisiens d’une classe de 2e année secondaire et un échantillon de 22 étudiants tunisiens d’un groupe de travaux dirigés et pratiques de 1e année universitaire. Ces apprenants n’ont pas reçu d’enseignement sur la photométrie. Pendant la séquence, les apprenants sont regroupés (des groupes de trois ou de quatre apprenants). Chaque apprenant du groupe rend ses productions écrite et graphique. Les mesures faites à la fin de la séquence sont notées sur une feuille commune aux membres du groupe. Les consignes données aux apprenants sont écrites (six consignes) et orale (une consigne).
Pendant la séquence, le chercheur a joué le rôle d’observateur, en notant les activités expérimentales des apprenants. Il a joué le rôle de professeur en institutionnalisant, à la fin de la séquence, les limites de « l’instrument œil », dans le mesurage des grandeurs photométriques, en particulier lorsque les sources sont hétérochromes. Il a enseigné les paramètres géométriques et des concepts de photométrie (flux, éclairement et intensité).
2.2 Construction des situations
Concernant le choix des dispositifs expérimentaux et des situations matérielles, nous avons mis à la disposition de chaque groupe d’apprenants, pendant la séquence, un dispositif photométrique (dispositif simplifié de la sphère intégrante) et deux instruments de mesure du rayonnement (photopile et luxmètre sensibles au visible). Les apprenants avaient également sur leurs paillasses des feuilles de papier et deux lampes à peu près de même flux lumineux (et dont le rapport des puissances électriques est égal à 5) : lampe à incandescence (75 W, 820 lm) et lampe à fluorescence (15 W, 900 lm).
Il y a référence à trois contextes de réalité physique. Le premier est un contexte de réalité de la photométrie visuelle puisque la consigne exprime une demande d’observation visuelle vers des
comparaisons d’éclairements reçus par deux feuilles de papier. Le deuxième est un contexte de réalité évoqué de la photométrie physique où l’enseignant exprime un jugement négatif explicite sur l’instrument « œil » et demande à l’apprenant de suggérer un instrument de mesure physique. Le troisième est un contexte de réalité de la photométrie physique par l’introduction d’instruments de mesure (photopile et luxmètre) et par l’orientation de l’apprenant vers les mesures d’une quantité de rayonnement tout en respectant des paramètres géométriques et donc une méthode photométrique. 2.3 Recueil de données. Méthode
Pour chaque contexte, et après la construction d’une analyse a priori, nous élaborons une analyse des productions écrites (construction de catégories de réponses et précision des termes de repérage), une méthode d’observation des activités des apprenants et une structuration des données sous forme de tableaux.
3. RÉSULTATS
3.1 Contexte de la photométrie visuelle 1. Grandeurs et méthodes photométriques :
Bien que l’apprenant semble avoir déjà, grâce à son contexte socioculturel, des notions d’éclairement et d’intensité, il a des difficultés pour procéder à une conceptualisation des grandeurs photométriques en particulier de la grandeur « flux »). La majorité des apprenants a l’intuition d’une méthode photométrique en termes de dispositions spatiales des éléments du dispositif.
2. Hétérochromie des sources :
L’appréciation d’une différence de couleur des feuilles de papier et d’éclairements reçus est expliquée par l’apprenant par les propriétés et les qualités des sources et assez souvent par les qualités de couleurs de la lumière émise. Pour les apprenants, la qualité de la lumière n’est exprimée que par la sensation et elle n’est pas conceptualisée. Ils ne s’interrogent pas sur les spectres d’émission des lampes. Cependant, ils ont la notion de rendu de couleur. 3. Statut de l’œil dans le dispositif photométrique :
Pour les apprenants, les feuilles ne sont pas des « relais » entre la source - lampe et le détecteur - œil. Nous notons que l’œil n’est jamais représenté graphiquement. Les apprenants n’attribuent donc pas à l’œil une place centrale. L’œil, pour eux, relève du « naturel » et non du pensé. Même si le contexte leur a permis d’exprimer oralement un désaccord quant à leurs perceptions visuelles, il ne leur a pas permis de prendre conscience
du rôle fondamental de l’œil en photométrie et de ses limites pour effectuer des mesures. 4. Théories du rayonnement et photométrie :
L’apprenant a mobilisé des théories sensualiste et substantialiste du rayonnement dans ses discours écrits et une théorie géométrique dans ses productions graphiques.
3.2 Contextes de la photométrie physique
- Instrument de mesure du rayonnement : Au début, par leurs suggestions d’instruments de mesure du rayonnement, les apprenants sont partagés entre ceux qui sont loin des grandeurs photométriques (« lumièremètre », « luminomètre », « briomètre »), ceux qui sont conscients de quelques grandeurs de la photométrie visuelle (« éclairemètre », « fluxmètre », « intensimètre »), ceux qui expriment leur théorie substantialiste de chaleur rayonnante (« capteur à lumière et à chaleur »), ceux qui raisonnent en termes de transformation lumière - chaleur (« thermomètre ») et enfin ceux qui expriment une théorie photonique ou d’une théorie ondulatoire du rayonnement (« photomètre », « fréquomètre »). Il n’y a pas eu de proposition de construction d’un instrument de mesure, puisque leurs productions graphiques sont restées limitées à une représentation de l’instrument par une « boîte ». Nous soulignons que de nombreux apprenants ont exprimé une prise de conscience de l’importance de la sensibilité de l’instrument de mesure à la lumière, mais aussi parfois à la chaleur. Nous ajoutons, qu’après la proposition, par le chercheur, d’un instrument de mesure « la photopile », la majorité des apprenants expliquent le fonctionnement de l’instrument par des transformations de lumière, soit en « chaleur », soit en « énergie ».
- Grandeurs et méthodes photométriques : La conceptualisation, guidée par les consignes, évolue significativement d’une description visuelle des grandeurs photométriques vers une autre énergétique. La formalisation mathématique en photométrie a été produite par deux groupes d’étudiants.
Les apprenants ont spontanément suivi une méthode photométrique et mis en œuvre les paramètres géométriques. Pour cela, la majorité a produit des dessins. Ceci corrobore notre analyse en termes d’absence de conceptualisation des grandeurs photométriques.
- Théories mobilisées du rayonnement : À la différence des élèves qui mobilisent des théories visuelles du rayonnement, les étudiants ont eu recours à la mobilisation d’une théorie énergétique quantique du rayonnement et/ou d’une photométrie énergétique
4. CONCLUSION ET PERSPECTIVES
nécessité de la photométrie énergétique. Mais ils ont pris conscience de la nécessité d’une méthode photométrique et de notions photométriques (intensité, éclairement, pour quelques-uns flux). Ils n’ont pas mobilisé un cadre théorique énergétique et une photométrie énergétique (absence du concept de puissance de rayonnement). Enfin, la plupart ont pris conscience que l’instrument de mesure était basé sur une transformation énergétique.
Nous projetons de repenser une situation d’apprentissage des concepts et des méthodes photométriques. Nous aurons l’intention de proposer un cadre énergétique de modélisation à l’apprenant.
BIBLIOGRAPHIE
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