COMMENT OPÉRER UNE "TRANSPOSITION" DIDACTIQUE
DES CONCEPTIONS INITIALES DES ÉLÈVES PAR
RAPPORT AU CONCEPT DE CHALEUR POUR ATTEINDRE
LA CONCEPTUALISATION DE CETTE NOTION?
NSUMBU-A-NLAMBU Daniel L.D.E.S., Université de Genève
MOTS-CLÉS: CONCEPTIONS INITIALES - CONCEPTIONS-OBSTACLES-CONCEPTIONS-OBJECTIFS - OBJECTIFS-OBSTACLES
RÉSUMÉ:TIest question de transfonner les conceptions initiales des apprenants sur le concept de chaleur en conceptions-objectifs. À l'aide des stratégies didactiques prenant en compte les conceptions-obstacles des élèves, nous avons pu atteindre l'évolution conceptuelle et définir les objectifs-obstacles concernant la calorimétrie et la différenciation entre chaleur et température.
SUMMARY : How to transform pupil's misconceptions about heat? With didactic strategy leaning on pupil's "conceptions-obstacles" it is possible to reach this transformation.
1. INTRODUCTION
Étant donné que les conceptions initiales de l'apprenant sont révélatrices de deux paramètres précités,
ilest impérieux de les connaître et d'interférer avec. La connaissance des conceptions des sujets étudiés sur la chaleur permet de déceler leurs obstacles (Nsumbu-a-Nlambu, 1994). Il convient de rappeler ce qu'on entend par obstacles ou conceptions-obstacles, "objectifs-obstacles" (Martinand, 1986) et conceptions-objectifs. Un obstacle reflète la contradiction entre les conceptions du sujet et les notions qui sont enseignées. Le caractère non évolutif et résistant à tout enseignement des conceptions initiales génère ce qu'on peut appeler des conceptions-obstacles. Dans ce couplage,ilest question de définir les objectifs notionnels conjointement avec les obstacles rencontrés par l'apprenant. La caractérisation des obstacles conduitàla sélection des objectifs du savoiràfaire apprendre. Les conceptions-objectifs constituent des conceptions ayant atteint un niveau de conceptualisation canonique après un traitement didactique.
2. CONCEPTIONS-OBSTACLES MOBILISÉES PAR LA POPULATION ÉTUDIÉE Sensationdechaleur et température, équilibre thermique et évaluationli'une température
- L'interaction thermique est inexistante entre les corps mis en contact mais aussi avec la main. - L'interaction des corps avec l'air ambiant n'est pas envisagéeparcertains élèves. Dans le cas où elle est envisagée, la température proposée n'est forcément pas identiqueàcelle du milieu considéré. - L'interaction calorifique entre les éléments du système considéré est masquée même si l'influence des facteurs temps et milieu est évoquée.
- L'interaction calorifique est confondueà la pression d'un corps sur un autre. La pression atmosphérique étant excluse, elle n'influence donc pas la température des objets.
- Les conditions physiques (liées au milieu et au temps) préludantàl'égalisation des températures du corps sont méconnues. Ces facteurs sont inopérants lors de l'interaction thermique entre les corps. - Lachaleur et la température sont confondues.
- L'équilibre thermique dépend du temps; méconnaissance de l'échange thermique.
- Méconnaissance de l'établissement de l'équilibre thermique entre le thermomètre et le corps au profit des savoir-faire en rappon avec l'utilisation, la lecture et/ou le fonctionnement du thermomètre.
Les conceptions-obstacles montrent les difficultés que rencontrent les élèves du point de vue des mécanismes thermiques que des concepts de base (chaleur, température). L'absence de maîtrise des mécanismes calorifiques est corroborée par la méconnaissance des interactions thermiques entre les éléments d'un système. Pour les élèves, le milieu ambiant et les corps mis en contact sont souvent considérés comme des sources non actives. Dans ce cas, les corps étudiés possèdent des températures propres ou normales. Quand les interactions thermiques sont évoquées, elles dépendent plus des conditions climatiques que des grandeurs thermiques.
Les interactions thermiques étant méconnues et peu ou pas clairement explicitées par les élèves, il s'avère difficile de distinguer les statuts respectifs des grandeurs chaleur et température. La confusion entre ces deux grandeurs prouve que les rôles respectivement joués par ces dernières dans le principe de conservation énergétique ne sont pas discernés. La grandeur de transfert n'est donc pas dissociée de celle qui détermine le sens et la limite des interactions thermiques. Les paramètres inhérents à la chaleur sont fréquemment affectés à la température. Le principe d'équilibre thermique est par conséquent récusé ou inconnu. Il est difficile pour les élèves qui privilégient la perception tactile, les conditions physiques, la nature... des substances d'admettre que les éléments d'un système doivent atteindre une température commune. Il faut par ailleurs souligner le fait que chez les élèves, les savoir-faire concernant l'utilisation et le fonctionnement d'un thermomètre émergent plus que les interactions thermiques entre l'instrument et les éléments dont on veut connaître la température. L'établissement de l'équilibre thermique entre le corps et le thermomètre est ainsi masqué ou tout simplement ignoré. La rupture du contact thermomètre-corps a fait enfin apparaître un obstacle d'ordre technique. Certains élèves assimilent les thermomètres considérés au thennomètre médical.
Calorimétrie
- Lamathématisation prédomine sur les processus thermiques en jeu.
- Les grandeurs extensive et intensive ne sont pas dissociées. La transposition du statut et du rôle de la chaleur à la température confirme cet amalgame.
- Du point de vue mécanisme, le sens, la grandeur de transfert, celle qui détermine le sens et l'équilibre thermique ne sont pas maîtrisés.
Les fonctions caractéristiques des grandeurs chaleur et température ne sont pas discernées dans les processus calorimétriques. Leur mathématisation constamment envisagée par les élèves occulte les processus et les principes thermiques. Elle est manifeste dans l'inversion de sens de l'échange thermique, celle du taux de variation des températures et dans le chassé-croisé des propriétés extensive et intensive des grandeurs thermiques fondamentales. La somme algébrique et d'autres algorithmes de calcul appliqués aux températures initiales en vue de déterminer la température finale d'un mélange confirme cette confusion. Par manque de maîtrise des mécanismes et des propriétés thermiques, la limite des interactions thermiques en jeu est inconnue de bon nombre d'élèves. L'équivalence entre les quantités de chaleur échangées par les corps et l'atteinte de l'équilibre thermique ne sont pas connues d'une bonne majorité des élèves.
3. COMMENT FAIRE ÉVOLUER CES CONCEPTIONS-OBSTACLES?
Le cadre de référence des apprenants c'est-à-dire les expériences "pour voir" confirme certains obstacles conceptuels synthétisés ci-avant. Pour faire évoluer ce genre des conceptions-obstacles, nous avons proposé des situations expérimentales provoquant la perturbation conceptuelle. Il s'agit
des situations expérimentales que nous avons appelé expériences "pour prouver". Ces dernières sont afférentes aux thèmes abordés. Les prévisions des élèves sur les résultats expérimentaux constituent une phase de réinvestissement des conceptions-obstacles. Les inférences qui en ont résulté ont conduitàla mise en œuvre d'"un ensemble de conditions propresàgénérer des apprentissages" (Giordan et al., 1994). Elles ont en fait permis de créer un environnement didactique favorisant l'élaboration par l'élève lui-même du concept de chaleur. Les diverses confrontations, les contre-épreuves, les conflits conceptuels... et les séances de mises en commun ont mis en évidence l'importance des conceptions"dans les mécanismes d'appropriation du savoir" .. L'architectonique proposée s'étaye sur le micro-modèle allostérique. Il s'avére qu'"acquérir une connaissance, c'est passer d'une conception àune autre plus pertinente par rapport à la situation". Mais cette conceptualisation est-elle acquise par la totalité des élèves? Le dépassement des conceptions-obstacles n'est pas si facile pour une minorité d'élèves. Les îlots de résistance se sont érigés dans le cheminement didactique aboutissantà l'élaboration du concept de chaleur. Ils font apparaître la ténacité des conceptions initiales rencontrées.
4. CONCEPTIONS-OBJECTIFS CONCERNANT LES THÈMES ÉTUDIÉS
Sensationdechaleur et température, équilibre thermique et évaluation d'une température
- Les sensations sont les manifestations des interactions entre la main et les éléments d'un système. - Les corps placés dans un milieu quelconque et mis en contact prolongé finissent par atteindre la température ambiante.
- La température d'équilibre marque la limite des interactions thermiques entre les éléments d'un système.
- La température d'un corps indiquée par un thermomètre est la température d'équilibre thermique résultant des interactions thermiques entre le corps etl 'instrument.
La confusion entre les manifestations physiologiques des interactions thermiques et la grandeur d'état constitue une conception-obstacle majeure. L'élève ne pourra dissocier la grandeur d'état de la grandeur d'échange que dans la mesure où il arrive à franchir cet obstacle.
Calorimétrie
- L'échange de chaleur s'opère du corps à température élevée vers le corps à basse température. - Latempérature d'équilibre détermine la fin des interactions thermiques entre éléments en jeu. - Les quantités de chaleur échangées sont équivalentes.
La calorimétrie pose bien des problèmes aux élèves. Ils éprouvent bien souvent des difficultés dans l'utilisation simultanée des deux grandeurs. Les mécanismes d'interactions thermiques permettent cependant d'aider les apprenants de dépasser leurs difficultés.Lamaîtrise de ces mécanismes est donc impérieuse.
S. OBJECTIFS-OB STACLES CONCERNANT LES THÈMES ÉTUDIÉS
Comme les connaissances se situent à un niveau de complexité et d'abstraction élevé, les concepteurs des programmes et les enseignants ont souvent tendance à poser comme postulat que:
- les apprenants sont dépourvus ou possèdent peu de savoirs dans le cas où un concept scientifique n'a jamais fait l'objet d'un enseignement scolaire;
- les fondements conceptuels transmis les années antérieures constituent des acquis inaltérables et les seules notions formant le soubassement des enseignements ultérieurs.
Il en résulte une mise en évidence d'une partie seulement de l'objet enseigné dans les sciences expérimentales. Les phénomènes naturels qu'elles étudient ne sont pas totalement connus de l'élève mais cela n'implique pas que celui-ci soit démuni d'un savoir dont il se sert dans l'appropriation des notions scientifiques. Il apparaît en effet que l'élève n'a pas toujours pour habitude d'attendre la leçon de sciences pour élaborer ses propres réponses et explications aux questions qu'il se pose sur des phénomènes scientifiques. Ses conceptions constituent son savoir souterrain. Ce dernier lui permet de donner du sens aux phénomènes qu'il observe. Le courant qui consiste à se soucier du savoir initial de l'élève est récent. Il met par ailleurs en évidence que la mise à l'écart des conceptions initiales de sur un concept scientifique dans la définition des objectifs optimums d'enseignement ne peut conduire qu'à un apprentissage inefficace. Compte-tenu des conceptions-obstacles concernant la chaleur, quels objectifs-obstacles à définir pour que l'enseignement de ce concept épouse les conceptions initiales des apprenants? Avant de les énumérer signalons que ceux en rapport avec les deux premiers thèmes avaient déjà énoncésparZimmermann (1990). Nous les reprenons tout en les complétant.
Sensationdechaleur et température, équilibre thermique et l'évaluation d'une température
- savoir différencier chaleur-température.
- savoir que nos mains ne sont pas des thermomètres. - savoir qu'un objet n'a pas de température propre ou normale. - savoir utiliser le principe d'équilibre.
- savoir énoncer ses conséquences. - savoir utiliser un thermomètre.
- savoir Que le thermomètre se met en équilibre thermique avec l'obiet dont on repère la température.
Ladifférenciation entre chaleur et température est un objectif fondamental. Il ne peut être atteint que si les élèves arrivent à reconnaître les interactions thermiques en jeu. L'utilisation adéquate du principe
d'équilibre thennique et de ses conséquences doit confirmer la maîtrise des élèvesà manipuler les interactions thenniques.
Calorimétrie
- savoir que la chaleur est une grandeur extensive et d'échange thermique.
- savoir que la température est une grandeur intensive et détermine le sens de l'échange et l'équilibre thermique.
- savoir énoncer le bilan calorimétrique. - savoir utiliser l'équation calorimétrique.
La calorimétrie met en jeu des processus thenniques permettant à un apprenant d'acquérir le principe de conservation énergétique. La maîtrise de ces mécanismes par l'élève est pertinente pour discerner les statuts des grandeurs chaleur et température et les rôles qu'elles jouent respectivement.
6. NOUVELLES PERSPECTIVES SUR LA FORMATION DES MAÎTRES
Soulignons d'abord l'existence d'un obstacle culturel liéàla formation des maîtres. Cette dernière est plus centrée sur les connaissances et metà l'écart les problèmes épistémologiques et historiques de l'élaboration du savoir scientifique. L'histoire des sciences est bien souvent considérée du ressort de la philosophie.Lescientifique est alors réticentà s'aventurer dans un domaine qu'il croit hors de sa spécialité. La formation des maîtres ignore l'importance de l'histoire des sciences dans l'apprentissage alors qu'elle est un référent pour le savoiràenseigner et pour les conceptions-obstacles. Dans sa transposition didactique, le maître doit faire référenceàla foisàl'histoire des sciences et aux conceptions-obstacles. Ces dernières lui permettront de définir les objectifs-obstacles. Grâce aux objectifs-obstacles, le maître peut être en mesure d'élaborer des situations didactiques conduisantà l'atteinte des conceptions-objectifs.Laformation des maîtres et la sensibilisation des concepteurs des programmes doivent prendre appui sur le récent courant didactique.
BIBLIOGRAPHIE
GIORDAN A. et al.,Conceptions et connaissances,Berne: Peter Lang, 1994. MARTINAND J.-L.,Connaftre et transformer la matière,Berne: Peter Lang, 1986.
NSUMBU-A-NLAMBU, Conceptde chaleur: Étude des conceptions initiales d'un groupe d'adolescents français et zairois - recherchefiune architectonique pourl'enseignement de ce concept, Thèse, Université de Genève, 1994.
ZIMMERMANN M.-L.,Conceptdechaleur: contributiondl'étude des conceptionsfiélèves et leurs utilisations dans un processus d'apprentissage,Thèse, Université de Genève, 1990.
