CHALEUR ET TEMPERATURE :
PHYSIQUE ET BIOLOGIE
DES PHENOMENES THERMIQUES
Enrica GIORDANO et Claudio LONGO· Istituto di Fisica Applicata, Università di Milano
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Dipartimento di Biologia, Università di Milano ItalieMOTS·CLES : CHALEUR - TEMPERATURE - PHYSIQUE - BIOLOOIE - DIDACTIQUE.
RESUME: Dans cet article nous présentons un livre sur l'enseignement de la physique et de la biologie des phénomènes thermiques. Ce livre, résultat d'un travail de recherches et d'expérimentations dans les classes des années passées, est proposé comme aide didactique pour formateurs et enseignants.
SUMMARY ; In this article we present a book about teaching of physics and biology of thermal phenomena. This book is the result of many years researches and experimentations in laboratory-c1assrooms andilis now proposed like help for teachers and for training.
1. INTRODUCTION
L'année passée lors des lOèmes Journées Internationales de Chamonix, nous avons présenté le projet T.I.D. (Technologie et Innovation Didactique) du C.N.R. d'Italie. (1)Ce projet qui a pour but la production d'outils pour la formation permanente des enseignants, est organisé en plusieurs sous-projets, dirigés par des chercheurs en didactique. En particulier nous avons travaillé à un sous-projet, dirigé par le prof. P.Guidoni, qui a produit une série de cahiers didactiques pour formateurs et enseignants (2).
Dans cet article nous présentons comme aide didactique notre livre sur l'enseignement de la physique et de la biologie des phénornènes thermiques, résultat d'un travail de recherche et expérimentation dans les classes des années passées.(3)
2. LE TRAVAIL DE RECHERCHE
Les caractères principaux de notre travail de recherche qui se fonde sur une hypothèse d'apprentissage constructif sont:
- le but de l'enseignement des sciences est l'éducation scientifique, c'est à dire qu'il faut construire, pour les élèves et avec les élèves, l'idée de science comme une façon de regarder la réalité, et pas seulement comme une série d'informations. En particulier les différentes sciences sont différentes façons de regarder, de décrire et d'interpréter la réalité
- pour faire cela il faut partir des idées et des façons de penser que les élèves utilisent dans leur vie quotidienne et provoquer chez eux une construction d'idées et façons de penser plus "scientifiques" dans un temps nécessairement très long
-pour suivre le processus de construction du savoir les chercheurs sont en interaction avec les élèves dans des situations de classe concrètes (classes-laboratoires avec enseignants-chercheurs)
- il faut partir de situations de la vie quotidienne et peu à peu apprendre à distinguer les aspects de la physique et de la biologie etc., apprendreàinterpréter des situations complexesàl'aide de modèles et schémas,àinterpréter les phénomènes en termes de variables,à séparer les variables etàles contrôler dans des situations expérimentales de laboratoire, et enfin retourneràla réalité
- pour provoquer apprentissage et construction de connaissance il faut que les élèves: organisent et réalisent des observations, des manipulations, des expériences; qu'ils donnent des descriptions et des interprétations écrites et parlées, avec le dessin et le geste;qu'ils discutent beaucoup entre eux et avec l'enseignant (et le chercheur) etc.
- dans la phase de recherche on construit des parcours flexibles avec les élèves sur le thème choisi - en même temps on réfléchit sur les sciences (physique, biologie etc et leurs concepts structurants) et sur les problèmes de la connaissance, de l'apprentissage etc.
Les parcours qu'on propose enfin aux formateurs et aux enseignants doivent tenir compte de toutes ces considerations.
Notre expérience de recherche démontre clairement que pour cela il faut une première phase qualitative qui requiert beaucoup de temps. Mais le temps "gaspillé" dans cette phase est regagné après dans l'étude plus quantitative et dans l'étude d'autres thèmes.
3. ORGANISATIONDU LIVRE Le livre est organisé en quatre parties:
1. un plan général qui donne un 'idée du travail qualitatif et quantitatif proposé
2. réflexions critiques sur la physique et la biologie des phénomènes thermiques (concepts structurants, etc.)
3. réflexions cognitives et didactiques (apprentissage constructif, infonnation/formation scientifique, interaction aux pairs, parcours flexibles...)
4. propositions pour la réalisation en classe de parcours sur le thème du livre. On trouve 18 exemples d'activité avec documentations du travail développé par les élèves des classes expérimentales (notre "laboratoire" de recherche).Les propositions de parcours sont fortement liées aux choix de physique, de biologie et de stratégies cognitives dont on parle en2 et 3.
3.1. Plan général
Observation/description de phénomènes de la vie courante, en particulier de phénomènes thenniques (sensations de chaud et froid, préparer le dîner, ...).
Premières expériences qui ne prévoient pas de mesures, mais qui sont fondamentales pour introduire l'idée de variables et la necessité de contrôle et séparation des variables dans une expérimentation (eau+glace dans différents récipients, comment chauffer de l'eau...) .
Les élèves font des prévisions, des observations, des manipulations et des discussions; on peut utiliser ces activités pour découvrir les connaissances préalables des élèves et partir de ces connaissances pour organiser les parcours didactiques.
On a dans la physique un réseau de concepts, thenniques (température, chaleur, chaleur spécifique, conductivité etc) et non ( masse, volume, temps etc ), qui sont tous nécessaires pour interpréter les phénomènes thenniques . Dans les parcours proposés, par conséquence, les concepts de température, chaleur etc ne sont pas introduits dans une séquence linéaire, mais les élèves arrivent àles distinguer graduellement. Toujours en utilisant observations, manipulations, discussions, intervention de l'enseignant etc, on obtient que les élèves se construient, les idées de "sources de chaleur avec production" (qui peuvent chauffer sans se refroidir) et de "sources de chaleur sans production" (tout objet peut être source de chaleur pour quelque chose àtempérature inférieure, en se refroidissant), les idées d'équilibre stationnaire et d'équilibre statique et en même temps l'idée de substances conductrices et isolantes (l'isolant est souvent identifié avec la source de chaleur avec production).
Dans cette phase les élèves utilisent les mots chaleur et température quelques fois de façon "scientifique" et quelques fois librement, comme on fait dans la vie quotidienne. Ici on ne donne pas de
Les élèves utilisent ces mots pour interpréter soit les phénomènes physiques soit les phénomènes de biologie (thermorégulation du corps humain, sensations de chaud et de froid, alimentation et production de chaleur...). Ainsi on fait passer ,sans ledireexplicitement, l'idée que l'on peut appliquer les mêmes concepts (température, équilibre etc..) aux êtres vivants comme aux corps inanimés, à une souris aussi bien qu'à une pierre.
Après cette phase qualitative de physique et de biologie, on peut passer à une phase plus quantitative et introduire des situations (changements d'état, chauffage de différentes quantités d'eau, chauffage de quantités égales de substances différentes, etc) ,où il faut faire des mesures. Dans cette phase on donne des définitions rigoureuses et on utilise les graphiques et les formules.
Dans ce livre on trouve seulement la phase qualitative qui est généralement négligée, mais à notre avis fondamentale.
Les proportions temporelles des deux phases peuvent beaucoup varier en fonction de l'âge des élèves, mais la phase qualitative ne peut jamais être complètement éliminée, même à l'université. 3.2. Concepts structurants
Pour interpréter les situations thermiques d'une façon qui est,ànotre avis, correcte du point de vue scientifique et efficace du point de vue cognitif et didactique, on peut distinguer deux types de situations différentes.
Dans les premières on a une source de chaleur "avec production": pour le physicien cela veut dire qu'il y a une transformation d'une forme d'énergie (électrique, chimique, etc) à une autre, l'énergie thermique. La chaleur "produite" et aussi "éliminée" (en partie) dans le milieu ambiant; le physicien parle de flux de chaleur. La source même, le corps humain par exemple, ou bien un autre corps à contact thermique avec cette source, peuvent être en situation d'équilibre thermique, dit stationnaire, si la chaleur est "produite" et "éliminée" dans la même mesure. La transmission de la chaleur à travers les solides est liée à la conductivité des substances.
Dans les situations du second type on a des sources de chaleur sans production; le physicien dit que tous les corps ont une énergie interne. Si un contact thermique a lieu entre deux corps qui ne sont pas "sources de chaleur avec production", le corps à température supérieure transfère énergie thermique (chaleur) au corps à température inférieure et tous les deux vontàla même température d'équilibre (statique). Dans ce cas on considère la quantité de chaleur et la chaleur spécifique des substances.
Du point de vue de la biologie on parle des relations entre "vie et température" ( à quelles températures la vie est-elle possible, différences entre les températures optimales pour la vie des différentes espèces vivantes; adaptation de plantes et d'animaux à des climats très froids ou très chauds ), des moyens de regulation de la température des différents organismes vivants (production et élimination de la chaleur par le corps humain, alimentation et métabolisme, la fièvre comme exemple de régulation altérée), des sensations de chaud et de froid ,etc.
3.3. Les 18 Ilropositions
Ici nous proposons les titres des activités qui sont suggérées comme exemple de parcours pour des élèves de 8-14 ans:
1.Premiers travaux d'observation.
2. Quoi observer? Quel est le but? Des alternatives.
3.Premières expériences qualitatives: de la complexité de la réalitéà une première "simplification".
4.Une expérience plus "spécifique":comment chauffer de l'eau?
5.Observation sur un phénomène particulier: la buée. 6. Le thermomètre: réflexions pour une utilisation correcte.
7. L'expérience de la monnaie: première approcheàl'idée de sources de chaleur. 8. Sources de chaleur: leur classification.
9. Une expérience de laboratoire: l'azote liquide.
10."Est-ce que la laine chauffe?": sources de chaleur et substances isolantes. Il.Substances et objects isolants: réflexions sur des situations de la vie quotidienne. 12. Construction des concepts et évaluation.
13. La température ambiante.
14. Sensations et mesures de température.
15.Isolants et conducteurs: une expérience qualitative pour individuer les variables.
16.Une situation expérimentale plus contrôlée: tiges chaufféesà une extrémité. 17. La température du corps humain.
18. Production de chaleur dans l'organisme.
4. CONCLUSIONS
Les activités dont on parle dans ce livre n'ont pas été conçues comme un parcoursàsuivre tel quel, mais comme des exemples de parcours didactiques possibles sur les phénomènes thermiques.
Le livre peut être utilisé par des formateurs des enseignants dans leurs cours, ou bien directement par les enseignants. Ils devraient le lire (dans toutes ses parties, non seulement les suggestions de travail!) et chercher à construire avec leurs classes leur parcours personnel ( pas nécessairement les mêmes activités dans le même ordre) en utilisant les réfléxions générales proposées.
Est-ce que le livre seul, sans interaction avec des chercheurs ou des formateurs, sera vraiment utilisable par les enseignants et sera une aide didactique? En ce moment nous n'avons pas de réponses sûresàcette question.
5. BIBLIOGRAPHIE
1.GAGLIARDI (M.)er al., 1988. -- La communication entre les enseignants et les chercheurs en didactique est-elle possible? Acres des lOèmes Journées de Chamonix, 561-566.
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GAGLIARDI (M.)et al., -- Forze,deformazioni e movimento. sous presse
3. Le point de vue de la chimie est aussi très important dans l'étude des phénomènes thermiques; il a fait partie de la recherche mais on n'en parle pas dans ce livre.
