GUIDER DE JEUNES ÉTUDIANTS POUR MODÉLISER
UNE SIMULATION EXPÉRIMENTALE
À TRAVERS LA RÉALISATION D’UN EXPOSÉ SCIENTIFIQUE
Claire WAJEMAN, Daniel LACROIX
L.I.D.S.E.T., Université J. Fourier et I.U.F.M., Grenoble
MOTS-CLÉS : MODÉLISATION EN PHYSIQUE - RÔLE DE L'ENSEIGNANT - PROJET
RÉSUMÉ : Comment et à quelles conditions, des étudiants en 1e
année universitaire modélisent-ils une situation réelle en physique, au cours d’un travail autonome ? Nous nous intéressons ici au rôle de l'enseignant lorsqu'il guide les étudiants dans la réalisation d'un projet en physique. Après avoir catégorisé les travaux des étudiants, nous avons cherché à identifier les principales difficultés rencontrées par les étudiants, en relation avec les aides apportées et les jalons posés par l'enseignant pour aider les étudiants à passer par une étape de modélisation lors de la réalisation de leur projet.
SUMMARY : Which conditions are required, for 1st
year university students, to built a model of a real situation in physics, in autonomous conditions of work ? We are interested in the teacher's role while he guides the students working at a personal project in physics. We first define a typology of the students works. We identify the main difficulties encountered by the students, together with the helps and the markers that are given or settled by the teacher to help the students to go through a modelisation stage.
1. INTRODUCTION
Lors d'un enseignement optionnel de physique, en 1e année universitaire, des étudiants (scientifiques, géographes ou sportifs) doivent réaliser un projet personnel débouchant sur un exposé très court. Nous avons analysé et catégorisé les travaux des étudiants au cours de la réalisation de leur projet, en mettant l'accent sur la modélisation : quelles difficultés les étudiants rencontrent-ils ? Quel est alors le rôle de l'enseignant qui les encadre : quelles sont ses compétences, quelle aide doit-il apporter, quels jalons doit-il poser pour que les étudiants passent par une étape de modélisation ?
2. ÉTUDE DES TRAVAUX D'ÉTUDIANTS ET DU RÔLE DE L'ENSEIGNANT
Ce type d'activité est nouveau pour des jeunes étudiants non-experts en physique. Les aptitudes requises pour ce style de travail sont les capacités à choisir une situation réelle de la vie de tous les jours, et à l'analyser dans le cadre de la physique, puis à élaborer un modèle physique qui permet de rendre compte quantitativement des faits observés. Enfin, il leur faut être responsable d'un projet, le mener à son terme pour le présenter publiquement de manière concise et attrayante.
Plusieurs écueils sont a priori envisageables, au niveau des concepts, du langage ou des raisonnements. D'autre part, la recherche d'une trop grande généralité amène la perte de vue du problème à résoudre. À l'opposé, chercher à mettre en valeur les singularités de chaque situation particulière rend la modélisation difficile. Enfin, certains étudiants éprouvent des difficultés à faire dialoguer quantitativement les concepts et le réel, ce qui se traduit au niveau du travail effectué, par des difficultés à construire et faire fonctionner un modèle.
2.1 Typologie des travaux d'étudiants
Nous avons été amenés à distinguer quatre grands types de travaux d’étudiants en fonction des éléments suivants : distinction et hiérarchisation des concepts ; construction d'une explication scientifique par un dialogue porteur de sens entre les 3 pôles du réel, du modèle et de la théorie ; usage de divers systèmes de signes : langue naturelle, schémas, outils mathématiques, graphes, …
Type 1 : Présentation triviale de faits très généraux.
Seuls les concepts sont évoqués. Le dialogue n'est pas engagé avec le réel. Il n’y a pas de modélisation possible. Les concepts dégagés dans un premier temps sont pertinents mais inutilisés. L’argumentation est pauvre.
Type 2 : Étude d’une situation réelle bien délimitée, en utilisant des concepts physiques et des langages abordés antérieurement.
Il y a mise en relation des trois champs : le domaine de la physique et la situation réelle sont mis en relation à travers l'ensemble des éléments qui caractérisent le domaine physique considéré. C’est une démarche suivie par un grand nombre d’étudiants sous la conduite de l’enseignant. Les sujets sont le plus souvent simples.
Type 3 : Une analogie entre deux domaines de la physique est développée dans le but de donner une impression de familiarité avec des notions par ailleurs mal perçues par les étudiants : les champs théoriques sont mis en relation de manière répétée. L’analogie permet de mettre en ordre des connaissances antérieures, mais elle n’est jamais mise à profit pour discuter des concepts plus fins, ni une situation réelle. Il n’y a pas d'exploration du réel.
Type 4 : Présentation de modèles complexes utilisés comme des images, sans chercher ni à dégager les principes qui assurent le fonctionnement de ces modèles, ni à mettre en relation les modèles entre eux. Les modèles ne sont pas mis non plus en relation avec la situation réelle choisie. Il n'y a pas recours aux langages appropriés, et donc on ne peut pas construire de raisonnements logiques. La référence à un fond culturel, apparaît aux étudiants comme la seule exigence pour qu’une explication puisse être considérée comme plausible et acceptée.
2.2 Difficultés principales rencontrées par les étudiants et remèdes proposés par l'enseignant
Ces difficultés, qui doivent être franchies pour que le travail aboutisse, jalonnent les étapes successives du travail : choix et prise de contact avec le sujet, recherche documentaire, expérimentation, modélisation, synthèse, élaboration de l'exposé.
Aux différentes difficultés rencontrées, l'enseignant répond d'une part par une aide individualisée (encourager, suggérer, recentrer, faire expliciter, situer le travail… valoriser les échecs expérimentaux, proposer des documents, des solutions pratiques, etc., qui rencontrent l'adhésion des étudiants, …). D'autre part, l'enseignant impose des contraintes générales qui vont jalonner les différentes étapes du travail (poser des échéances, imposer un cahier des charges, organiser des exposés d'entraînement, …) : par exemple, la modélisation du phénomène physique apparaît explicitement dans les instructions données par l'enseignant pour la réalisation du projet ; le passage par la modélisation apparaît facilité lorsque le contrat impose également une tâche de quantification du phénomène physique envisagé.
2.3 Analyse d'un mémoire de type 2
Deux étudiants ont choisi de partir d'une situation réelle quotidienne : "Pourquoi les miettes de pop corn sont toujours au fond du paquet ?". Ils posent alors la question d'une organisation possible et de son origine physique.
Dès l'instant où ils proposent leur idée à l'enseignant, ils possèdent une idée a priori d'un phénomène physique susceptible d'expliquer la situation et une idée d'un modèle physique correspondant. Les connaissances théoriques utiles sont déjà acquises et le modèle physique est tiré tout fait des connaissances de terminale. Ils proposent, adoptent et mettent en œuvre immédiatement une activité expérimentale et une problématique. Ils envisagent de manière succincte avec l'enseignant les expériences à mener, les paramètres et leur gestion, les mesures à réaliser et le protocole. La suite du travail sera menée de manière quasi-autonome.
L'aide apportée par l'enseignant consiste à faire formuler et expliciter le problème, à proposer l'activité et orienter la démarche, à amorcer l'élaboration du protocole, la discussion sur les paramètres, à faire
reformuler et expliciter certains éléments du protocole réalisé, à apporter enfin quelques éléments complémentaires sur l'exploitation d'un graphe, la critique d'un élément de protocole…
Le dialogue est permanent entre les différents champs, le passage d'un champ à un autre étant conditionné soit par le protocole envisagé, soit par les problèmes rencontrés dans un champ ou un autre. Le mémoire rédigé dans la phase terminale du projet, réorganise les connaissances construites et la démarche suivie, ce qui traduit une prise de recul.
3. CONCLUSION
Nous avons privilégié dans cet article la présentation des résultats, sans faire de lien explicite et précis entre le contrat, les contraintes de l’apprentissage des sciences et des langages scientifiques à l’université, et les difficultés rencontrées par les étudiants.
Nous avons dégagé une typologie de travaux d'étudiants qui permet de mettre en évidence les principaux cheminements adoptés par les étudiants autour de la démarche de modélisation, et en réponse aux contraintes imposées : situation de projet, accompagnement par l'enseignant, réalisation d'un exposé court… Nous avons également dégagé et mis en relation, les difficultés rencontrées par les étudiants et les aides apportées par l'enseignant.
L'étape suivante sera de mettre en relation ces différents éléments (typologie, difficultés, aides et contraintes, compétences de l'enseignant), l'objectif étant d'affiner le contrat passé avec les étudiants et d'améliorer le guidage par l'enseignant, en vue d'optimiser l'apprentissage de la modélisation.