ARTheque - STEF - ENS Cachan | Une situation problème en formation des maîtres : un mobile magnétique

UNE SITUATION PROBLEME EN FORMATION

DES MAITRES : UN MOBILE MAGNETIQUE

Jean-Claude GUILLAUD et Guy ROBARDET Collectif de Recherche en Didactique des sciences physiques

Institut de Fonnation des Maîtres, Université Joseph Fourier, Grenoble

MOTSCLES : SITUATION PROBLEME REPRESENTATION DEBAT HYPOTIIESE -MODELISAnON.

RESUME : Cet atelier a pour but de montrer comment, placé devant la nécessité de résoudre une situation-problèmeàcaractère énigmatique, l'enseignant-physicien abandonnant son rôle d'expert ne fait que peu appel à ses connaissances, et surtout se trouve rapidement conduità utiliser ses représentations etàproduire des réponses en termes d'affirmations plutôt que d'hypothèses.

SUMMARY : The goal of this workshop is to show how a teacher-physicist compelled an enigmatic problem situation forgets his expert part and does not use his knowledge. Above all he uses his conceptions and gives answers which are assesments rather than hypothesis.

1. INTRODUCTION

L'atelier que nous avons animé correspond à un outil de formation mis au point pour des stages de didactique des sciences physiques proposés dans l'Académie de Grenoble.

Le compte-rendu comporte deux parties:

- une description de l'atelier et de la situation problème proposée,

- une analyse sommaire des 96 réponses obtenues dans le cadre des stages et de l'atelier.

2. UNE SITUATION PROBLEME : LE MOBILE MAGNETIQUE

Nous étions en septembre 1989 à la recherche d'un problème de physique. Ce problème devait être suffisamment étrange pour que personne ne connaissea priori la réponse. Il devait pennettre l'expression des représentations et la possibilité de formuler des hypothèses. Cependant la solution devait être abordable par un public hétérogène d'enseignants de physique (collèges, lycées).

Le mobile magnétique (voir page suivante) que nous avons utilisé nous a été proposé par C. Durnerin (Collège Gambetta. St Etienne) et A. Robert (Ecole Normale, St Etienne). fis utilisaient alors ce dispositif parmi d'autres comme situation d'écriture de textes explicatifs (les résultats de leurs travaux sontà paraître dans la revue du Centre de Recherche en Education de l'Université, Jean Monnet de St Etienne).

2.1. Six objectifs pour cet outil de formation

- Mettre des enseignants en situation d'utiliser leurs connaissances pour résoudre un problème. - Leur permettre de se rendre compte par eux-mêmes que pour résoudre un vrai problème, ils ont très vite tendance à faire appel à leurs représentations plutôt qu'à mobiliser leurs connaissances.

- Montrer que les participants qui raisonnent en tennes d'hypothèses sont loin d'être majoritaires.

- Comprendre quel peut être le rôle du débat et de la verbalisation dans l'élaboration d'une solution plus scientifique.

- Définir ce que peut être une "situation problème" et ses caractéristiques en vue d'en construire pour les élèves.(GOUBE et col., 1990).

- Préciser ce que peut être une activité de modélisation en réfléchissant particulièrement au rôle et à la place des hypothèses et de l'expérience.

Compte tenu de la durée de l'atelier et du public concerné (1/4 seulement des participants étaient physiciens) nous n'avons retenu pour celui-ci que trois objectifs (mise en situation, mobilisation des représentations, utilisation de l'interaction sociale).

2.2. Description de la mise en situation

sans aucun commentaire. Tel qu'il est présenté le mobile apparaît comme un pendule qui, écarté de sa position d'équilibre, effectue des "oscillations perpétuelles". Le mécanisme d'entretien des oscillations -l'aimant, le dispositif électronique et la pile- sont parfaitement invisibles (voir annexe).

Mobile magnétique

Une seule consigne de travail individuel est donnée "Imaginez comment ça marche?" Oralement nous insistons particulièrement sur le fait que les participants doivent imaginer une explication scientifique en mettant en relation ce qu'ils voient avec ce qu'ils savent. Ce qui nous intéresse, dans un premier temps, est davantage un raisonnement qualitatif qu'une réponse très élaborée.

Une réponse écrite individuelle est demandée et sera récupérée.

Suiteàce travail d'une vingtaine de minutes, suivant une procédure maintenant classique, les participants par groupe de quatre doivent élaborer une réponse commune. Tout au long de ce travail les participants ne peuvent qu'observer sans pouvoir intervenir surlemobile qui oscille depuis plus

d'une demi-heure sans diminution d'amplitude...

Les réponses individuelles des participants physiciensàl'atelier ont été intégrées et traitées avec celles des participants au stages. Cest cette analyse que nous proposons ci-desous.

3. ANALYSE 1 1 \

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5-1 :

4'e.l'ld

la.

Elle correspond au dépouillement de 96 réponses d'enseignants de sciences physiques et d'étudiants en maîtrise de physique.

18% font référence à un apport extérieur d'énergie. La justification invoquée est l'entretien du mouvement d'un système mécanique mettant en jeu de manière évidente des frottements. Deux remarques quant au fonctionnement du mobile peuvent être faites:

- suiteà la mise en mouvement les oscillations augmentent très nettement d'amplitude, - le mobile oscille ensuite sans diminution apparente d'amplitude pendant toute la durée du travail individuel.

12,5% envisagent un apport intermittent d'énergie, ce qui est la réponse correcte.

5,5% n'évoquent qu'un apport continu d'énergie (par exemple pile+électro-aimant). Ce qui revient quand mêmeàdire qu'un électro-aimant est une source d'énergie mécanique.(voir suite de l'analyse ).

82% considèrent par écrit que le système mécanique fonctionne seul, sans apport EXTERIEUR d'énergie

Rien n'apparaît dans leurs textes qui laisse supposer un apport extérieur d'énergie.

54% décrivent un système mécanique sensé osciller très longtemps de lui même (6% écrivent très explicitement qu'il s'agit d'un mouvement perpétuel. Est-ce sérieux? ironique? dérisoire ?)

28% prennent en compte, dans l'entretien du mouvement, l'existence du ressort et de la boule (voir schéma)

Exemple:

"Variation d'énergie potentielle par la défonnation élastique du ressort. .. ce delta Ep permet de compenser le travail des forces defrottements."

Dans cet exemple le système oscillant génère sa propre énergie.

26% justifient ce mouvement quasi perpétuel en invoquant des frottements nuls (!) ou

négligeables. - - ....

/ r " ,

Solo

=

Exemple: 1 _

1 : :') 1

"Je suppose SI etS2isolés

_"

~-~---L'explication est analogue à celle fournie pour une situation modélisée correspondant à la résolution d'un exercice type papier-crayon. TI y a ici confusion modèle-réalité.

28% donnent une explication exclusivement centrée sur l'existence d'interactions magnétiques dues à la présence d'aimants.

Exemple:

"Les deux pôles des deux aimants (balancier+socle) se repoussent augmentant l'énergie totale du système." R~fu.Îsl·on VOlln~uc.

i

~fUP~;o" 'lu;

fez.

On voit ici l'aimant jouer le rôle d'une source d'énergie mécanique; c'est la représentation majoritaire.

Si maintenant nous regardons non plus les réponses mais la structure du raisonnement, nous constatons que 21 % des participants seulement formulent des explications ayant un caractère d'hypothèses.

On retrouve dans cette catégorie des formulations très diverses où les hypothèses ne sont pas toujours explicites.

Certains (8,5 %) font plutôt part d'un doute, ce qui paraît être une étape importante en vue de formuler des hypothèses. Soit ils emploient le conditionnel ou des expressions de la forme le "mouvement semble être dû",soit ils n'affIrment rien dans leurs explications mais les présentent sous la forme d'interrogations (sur le mécanisme responsable du mouvement ou sur le rôle d'une des parties du mobile)

D'autres (12,5 %) proposent, de manière complètement explicite, vouloir tester plusieurs propositions ou, après une description du mouvement, font plusieurs hypothèses sur son origine ou son entretien.

4. CONCLUSION

L'enseignant de physique est plutôt expert dans l'exposition de la solution d'un problème que dans sa résolution.

En effet son activité habituelle n'est pas tant la résolution de problème que la reconnaissance de procédures algorithmiques déjà connues de lui. Dans notre esprit résoudre un problème c'est trouver la solution à une énigme(GIL-PEREZ 1987). 11 nous paraît important de pouvoir

réfléchir avec des enseignants de physiques àce qu'est un "vrai problème" pour l'élève et aux apports tant cognitifs qu'épistémologiques qui en accompagnent la résolution.

Ce "mobile-magnétique-situation-problème" amène les participants à fonctionner au niveau de leurs conceptions (qui ne sont pas obligatoirement naïves). Cette activité permet d'amorcer une réflexion qui peut déboucher, si elle est approfondie,àune modélisation autour d'une boîte noire ( formulation d'hypothèses, expériences-tests).

Cette étude incomplète ne nous permet pas du tout de formuler des affIrmations tranchées sur ce qui se passe au niveau des processus mentaux chez les participants, mais on peut quand même s'interroger sur le fait qu'en moyenne, un panicipant sur quatre seulement, mis en situation de résoudre, raisonne en termes d'hypothèses, alors que c'est en partie sur l'hypothèse que se fonde une véritable démarche expérimentale. (ASTOLFI,1980; JOHSUA etDUPIN, 1989 et beaucoup d'autres...).

5.BIBLIOGRAPHIE

ASTOLFI (J.-P.), 1980. - Quelques problèmes posés par la structuration des concepts dans l'enseignement expérimental. In Actes des 2èmes Journées Internationales sur l'Education Scientifique "Approche des processus de construction des concepts en sciences", Chamonix les 4, 5 et 6 février. Ed. A. Giordan, J. 1.Maninand - CNRS-INRP,. U.F. de Didactique des Disciplines, Université Paris 7,199-217.

CAUZINILLE-MARMECHE(B.),MATHIEU (J.), WEIL-BARAILS (A.), 1983. -Les savants en herbe. Ed. Peter Lang, Berne, Suisse.

GIL-PEREZ (D.), 1987. - La résolution de problème comme activité de recherche: un instrument de changement conceptuel et méthodologique. InPetit "x". Ed. IREM-Grenoble, 14-15 , 25-38. GOUBE (A.), GUILLAUD (J.-C), ROBARDET (G.), VIARD (J.), 1990. - Construire ses connaissances en utilisant ses conceptions: la situation-problème. InActes des 12èmes Journées Internationales sur l'Education Scientifique "Sciences, techniques et imaginaire", Chamonix les 30,31 janvier et 1er février. Ed. A. Giordan, J.1.Martinand et C. Souchon, U.F. de Didactique des Disciplines, Université Paris 7 (sous presse).

JOHSUA (S.), DUPIN (J.-J.), 1989. -Représentations et modélisations: le "débat scientifique" dans la classe et l'apprentissage de la physique. Ed. Perter Lang, Berne, Suisse.

ROBARDET(G.), 1990. - Enseigner les sciences physiquesà panir de situations problèmes. In Bulletin de l'Union des Physiciens, 720 , 17-28.

WEIL-BARAIS(A.), 1984. - Les élèves invententàpartir de ce qu'ils savent.Inouvrage collectif.-Expérimenter: sur les chemins de l'explication scientifique. Ed. Privat, Toulouse.

ANNEXE

DESCRIPTION DU SYSTEME ELECIRONIQUE PERMETrANT L'ENTRETIEN DES OSCILLATIONS

Ce dispositif est monté dans le socle support du mobile. Il fonctionne avec une pile de 9 V. La bobine (1) et l'électro-aimant (2) sont co-axiaux.

La bobine (1) sert de capteur par induction électromagnétique, ce qui permet au moment où l'aimant s'approche, de débloquerletransistor. L'électro-aimant (2) reçoit alors une impulsion et agit par attraction sur l'aimant mobile qui oscille. Dès que l'aimant s'éloigne de la bobine (1), le transistor se bloque et l'attraction cesse.

Remarque:Pour ceux que les kits intéresseraient! Un pendule electroniqueà"mouvement perpétuel" avec un circuit électronique beaucoup plus complexe est proposé dans la revue Elex nO 4 d'octobre 1988.