L'EXEMPLE DE L'ELECTROCINETIQUE
EN CLASSE DE SECONDE
Jean-Jacques DUPIN et Samuel JORSUA G.R.D.P.M. Université de Provence
MOTS-CLES : DIDACTIQUE - CONFLIT SOCIO-COGNITIF - ELECTRICITE.
RESUME : Peu de travaux ont porté sur les conséquences en classe des recherches sur les conceptions d'élèves. Que faire avec les conceptions? Une des possibilités est de prendre certaines au moins de ces conceptions comme une base effective pour une pré-modélisation explicite, soumise ensuite à un "débat scientifique", ancré dans une double confrontation, sociale (entre élèves) et pratique (à l'aide d'expériences-tests). Les auteurs présentent ici une telle recherche en classe de seconde,àpropos de l'étude des circuits électriques.
SUMMARY : Few of researches have considered the consequences of pupils' conceptions in a school situation. What has to be done with such conceptions ? One of the possibilities is ta consider at least sorne of them as an actual basis for a first kind of the modelization, trying to confront it in a social way (pupils debating), and in a practical one (experiments as tests of hypothesis), restoring a sort of "scientific debate" in a class situation. Here authors present a research about electric circuits, in grade 10 (16 years old).
1. LES CONCEPTIONS DES ELEVES EN ELECTROCINETIQUE
Les conceptions des élèves concernant les circuits électriques simples sont maintenant bien connues. En 1984, une rencontre internationale à Ludwigsburg (R F A) permit de comparer les résultats obtenus par des chercheurs dans divers pays occidentaux. TI apparut une réelle convergence. Quelques participants décidèrent de collaborer en présentant les mêmes tests dans leur pays respectifs (Angleterre, France, Pays-Bas, Suède, R.F.A.).
Cette recherche(SHIPSTONEet col.,1988) concernait des élèves de 15-17 ans. Elle montra que, malgré des méthodes, contenus ou programmes différents, les résultats étaient sensiblement les mêmes dans les divers échantillons testés. Il a été possible de proposer un modèle pour les conceptions des élèves. A cet âge-là, les conceptions archaïques (circuit "à un seulfil","courants antagonistes".) ont en général disparu. Pour un élève, "tension" signifie "puissance ou force du courant ou de la pile". La tension n'est jamais un concept utilisé; c'est le raisonnement en courant qui prime.Lapile délivre un courant constant quel que soit le circuit. Ce circuit est analysé en utilisant un raisonnement séquentiel: le circuit présente un "amont" et un "aval" qui sont "découverts" par le courant lors de sa progression. Le circuit n'est pas considéré comme un système; les événements y sont locaux: ce qui a lieu "après" ne peut influencer ce qui se passe "avant". Par exemple, à l'endroit d'une dérivation, le courant se sépare en deux parties égales puisqu'il ne "connaît" pas encore ce qui vient après. Pour retomber sur ces pieds, l'élève peut ensuite faire appel à l'usure du courant pour justifier le fait que le courant n'est pas le même dans les deux branches si leurs résistances ne sont pas égales.
Bien entendu, le physicien n'est pas satisfait. Le problème est que ces conceptions sont réellement efficaces pour traiter de nombreuses situationsde la vie courante. Aussi l'élève ne voit pas la nécessité d'en changer. Nous avons fait en France une étude des conceptions en électrocinétique depuis la classe de sixième (niveau 6, 11-12 ans) jusqu'à la quatrième année d'université (DUPIN et JOHSUA,1987). Elle montra que certaines de ces conceptions étaient très résistantes à l'enseignement, même pour des étudiants considérés comme experts. Par exemple:
- consommation du courant (ce n'est qu'à la fin de la classe de seconde (niveau 10, 15-16 ans) qu'une faible majorité d'élèves pense que le courant n'est pas consommé). Près de 30% d'étudiants de seconde année d'université scientifique parlent de consommation de courant.
- générateur de courant constant: l'enseignement n'a pratiquement aucune action sur cette conception jusqu'à la quatrième année d'université.
En général, nous avons observé que les professeurs ignorent ces conceptions. Ils/elles donnent les modèles-standard, en utilisant des expériences et exercices prototypiques. Les élèves sont capables de reproduire les modèles du professeur dans les mêmes situations, mais leurs propres conceptions réapparaissent dès que le moindre écart au standard existe. En fait, seul le modèle du professeur peut s'exprimer et les conceptions des élèves sont écartées comme fausses sans être spécifiquement combattues.
2. LE "DEBAT SCIENTIFIQUE" DANS LA CLASSE
Nous avons expérimenté une méthode d'enseignement dans laquelle l'expression explicite des conceptions des élèves est favorisée. Nous l'appelons le "débat scientifique dans la classe". Elle a été utilisée et évaluée:
- en 6ème et 4ème (niveaux 6 et 8)(JOHSUAet DUPIN, 1989) ; - en 2ème (niveau 10) (DUPIN etIOHSUA,1989).
Le professeur commence par montrer ce que l'on va étudier: une expérience ("on allume une lampe avec une pile") ou une situation-problème ("on met une lampe ou deux lampes en série ou en parallèle).ils'agit donc de se mettre tous d'accord sur l'objet de l'étude. Les élèves doivent alors proposer des explications pour décrire ce qui se passe ou pour prévoir ce qui va se passer. Le professeur n'intervient pas à propos de l'exactitude des hypothèses, même si des explications contradictoires sont proposées. Il/elle se comporte en meneur de débat, favorisant les échanges d'arguments entre les élèves. Ainsi, sous l'action des critiques réciproques, les divers modèles proposés évoluent, sont améliorés ou éventuellement abandonnés. Si des positions divergentes persistent, le professeur aideàles exprimer clairement par écrit.
Après cette phase de débat, le professeur demande aux élèves de proposer des expériences permettant de trancher entre les diverses hypothèses émises. Ceci donne lieuàun nouveau débat. Quand l'accord sur la (ou les) expérience(s) se fait, les résultats doivent être prédits dans le cadre des divers modèles proposés. L'expérience est faite et les résultats discutés pour voir si des hypothèses peuvent être éliminées.
Cette méthode nous semble féconde pour diverses raisons: - elle permet de mettre en évidence les conceptions des élèves;
- elle oblige à utiliser un premier niveau d'abstraction,àordonner des idées explicatives,à produire un modèle cohérent;
- elle montre que, pour un modèle donné, diverses hypothèses peuvent éventuellement être produites;
- elle donneàl'expérimentation le statut d'activité permettant de tester la validité ou non de ces hypothèses.
Finalement,ilest peut-être possible de dire que cette méthode est une transposition dans le domaine de l'école de l'activité du physicien.
3. UTILISATION D'UNE ANALOGIE
Denombreux auteurs ont aussi étudié les avantages comme les inconvénients de l'utilisation des analogies dans l'enseignement. Les Actes de l'Atelier International de Ludwigsburg donnent un bon aperçu de ce que l'on peut faire en électricité (KIRCHER, 1985 ; JENNEY et GENlNER, 1985).
Une telle analogie est essentiellement une image, une métaphore. Elle doit permettre d'introduire une idée nouvelle sous une forme concrète. Pour cela, l'analogie doit être accessible et familière pour l'élève. Le système analogue doit être moins compliqué que le système initial. Les relations structurant cette analogie doivent avoir une fonction explicative et rendre plausible une explication("si cela se passe comme ça dans ce domaine,ilest possible que cela se passedela~mefaçon dans cet autre domaine... ").Cette analogie ne s'appuie pas nécessairement sur une situation réelle, complexe. Nous préférons utiliser des situations simplifiées, idéalisées. Notre objectif n'est pas de développer un nouveau matériel expérimental de substitution, mais d'encourager des "expériences pensées". Les élèves doivent pouvoir utiliser le nouveau système, faire des hypothèses pour le faire fonctionner, en tester la cohérence interne... La confrontation avec les autres élèves et le professeur doit permettre de construire un modèle physique raisonnable: l'utilisation de l'analogie s'articule ainsi avec le "débat scientifique",
4. UN EXEMPLE
Dans nos classes expérimentales, près de 40% des élèves avaient, avant enseignement, une conception d'''usure du courant", Les professeurs avaient donc à établir la constance du courant le long du circuit-série. Pour cela, plusieurs séquences d'enseignement furent mises au point
Les élèves devaient éclairer une lampe en utilisant une pile et des fils. Sauf un ou deux sujets dans chaque classe, tous étaient capables de le faire. Les professeurs demandaient alors d'expliquer ce qui passait quand la lampe était allumée. Diverses explications étaient proposées et mises en discussion.
L'accord étant fait sur l'idée d'un courant qui circulait tout le long du circuit, le seul débat recevable par les élèves était donc de savoir si le courant était plus fort avant qu'après la lampe ou s'il était le même.
Leprofesseur ne conclua ni dans un sens ni dans l'autre, maisaidaà formuler le plus clairement possible les deux propositions adverses qui furent exprimées par écrit. A l'issue de cette première phase de débat, des élèves changèrent déjà d'opinion puisque les tenants de l'usure étaient 30% contre 60% pour la conservation.
Une autre activité fut alors proposée: les élèves étaient regroupés par quatre et devaient répondre à des questions écrites, mais en utilisant successivement les arguments des deux "modèles" proposés. Il s'agissait de voir si les élèves pouvaient faire fonctionner un modèle, utiliser sa logique et ses relations internes, même s'ils pensaient qu'il n'était pas le bon.
Cette activité, qui s'était révélée impossible avec des élèves plus jeunes (de 11à 14 ans), se déroula bien et pennit même de nouvelles évolutions: 17% pour l'usure, 77% pour la conservation.
Leprofesseur demanda alors de proposer des expériences pouvant départager les deux modèles. Très rapidement, les élèves se mirent d'accord sur le fait qu'il convenait de mesurer le courant "avant" et "après" la lampe, et donc de mettre deux ampèremètres en série dans le circuit. L'expérience faite,
le résultat fut accepté,ycompris par ceux qui croyaient à l'usure du courant.
Une fois la classe unifiée sur le modèle circulatoire avec conservation du courant, le professeur demanda alors: "comment peut-on expliquer que la pile s'use si le courant reste le même tout le long du circuit 1" Un débat s'engagea dans lequel des arguments furent échangés, mais aucun n'apparut convaincant.Laquestion centraleàrésoudre était: comment peut-ilyavoir transport d'énergie d'un point à un autre du circuit sans usure du porteur 1 Bien entendu, elle n'était pas formulée en ces termes ...
5. UNE INTERVENTION NECESSAIRE
Le professeur intervint alors pour débloquer la situation. 11 proposa un modèle montrant que cela était possible grâce à une analogie, l'analogie dite du "petit train"(JûHSUAetDUPIN,1987). Une série de wagonnets occupe toute la longueur d'une voie circulaire fermée. Dans une station des personnes poussent les wagons, avec une force constante. Des freins existent dans le circuit et agissent sur la vitesse des wagonnets. Cette analogie introduit une relation causale simple : les pousseurs (la pile) sont la cause du déplacement des wagonnets (des charges) tout au long de la voie ferrée (du circuit électrique). La vitesse des wagons, ou le nombre de wagons passant en un point à chaque seconde (l'intensité du courant), dépend des freins (de la résistance du circuit). L'analogie entre les deux systèmes est formelle, mais seuls les aspects métaphoriques furent utilisés.
Bien sûr, l'utilisation de l'analogie ne dura qu'un temps. Une fois les relations qualitatives établies, le professeur n'y fit appel que pour aider des élèves éventuellement en difficulté. De plus cette analogie avait ses propres limites: elle ne disait rien du potentiel local le long du circuit, ni rien sur les circuits avec dérivation. Elle ne répondait donc qu'à une série de questions spécifiques, et ne pennit que de commencer une structuration des connaissances des élèves.
6. EVALUATION
Une évaluation a été faite par des interwievs cliniques et des questionnaires papiers-crayons (31 items). Les classes expérimentales furent comparées àdes classes-témoins, de différents niveaux provenant de divers établissements.
n
n'est pas question de faire une étude détaillée de ces résultats ici ; ils montrent que les classes expérimentales ont mieux réussi que les autres. Ceci est en soi intéressant, mais il importe plus de savoir où il y a eu progrès.1. Les questions les plus faciles: pas de différences entre les deux groupes. 2. Les questions de difficulté intermédiaire: large progrès du groupe expérimental. 3. Les questions très difficiles: pas de différences entre les deux groupes.
Les progrès sont importants pour les questions traitées dans le cadre de l'analogie (tout ce qui relève de la conservation du courant ou des relations courant/tension). Ils le sont aussi pour d'autres traitées hors analogie, mais avec une insistance particulière (tension aux bornes des dérivations, additivité...). Us sont faibles ou inexistants quand les questions n'ont pas été traitées spécifiquement (énergie), ou quand l'analogie est peu adaptée (circuits avec dérivation). Dans ces derniers cas,les élèves reviennent bien souvent au modèle du générateur de courant constant, malgré les efforts développés par les professeurs.
En ce qui concerne le "débat scientifique", cette recherche montre d'abord qu'il est possible dans certaines conditions, et qu'il peut être fécond. Cela ne signifie nullement qu'il puisse être utilisé pour toute les parties de la physique. Mais il nous paraît intéressant pour le statut nouveau qu'il donne àl'expérimentation en physique, et aussi par le fait qu'il est bien admis par les élèves, surtout les plus faibles qui y voient une "dépénalisationa priori"de la réponse fausse (si elle est cohérente).
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