CONSTRUIRE SES CONNAISSANCES EN UTILISANT
SES CONCEPTIONS: LA SITUATION·PROBLEME
Anne GOUBE, Jean-Claude GUILLAUD Guy ROBARDET et Jérôme VIARD
Collectif de Recherche en Didactique des Sciences Physiques
Institut de Fonnation des Maîtres, Université Joseph Fourier, Grenoble
MOTS-CLES : CONJECTURES - HYPOTHESES - SITUATlüN-PROBLEME-CONCEPTIONS - ANTICIPATION.
RESUME: Que faire des conceptions initiales des élèves déjà répertoriées? TI ne suffit pas, en effet, de les connaître pour les faire évoluer. La voie de recherche que nous explorons consiste à donner aux élèves, au moyen de situations problèmes, l'occasion de mobiliser leurs conceptions initiales, de les faire fonctionner, d'en éprouver les limites et de rendre nécessaire l'introduction de nouvelles connaissances.
SUMMARY : What can we do with students' conceptions once we have established what they are? Knowing what these conceptions are is not enough to make them change. The purpose of our research is to create problem situations to give the students the opportunity to discover what their initial conceptions are, to use these conceptions and to determine their limits so that new knowledge is the required.
RIASSUNTO : Cosa si puo fare con le rapresentazioni degli studenti quando sono state registrate. Di fani non basta conoscere questa rapresentazioniperfarle cambiare. TI nostro lavoro di recherca e di dare l'occasione agli studenti in situazioni problematiche da noi constuite, di mobilizzare le loro rapresentazzioni,di usarle di trovarne i limiti e di rendre indispensabile l'intrduzione di nuove conoscenze.
1. PROLOGUE
Cette communication présente la réflexion développée au sein du Collectif de recherche en didactique de la physique de Grenoble. Ce groupe est constitué d'une douzaine d'enseignants (Collèges, Lycées, Université ). Certains d'entre eux interviennent régulièrement dans des stages de didactique des sciences physiques en formation initiale ou continue d'enseignants.
Notre recherche s'appuie sur une réflexion théorique et une pratiquede la classe centrée sur la question suivante: que faire des conceptions initiales des élèves lorsqu'elles ont été répertoriées? II ne suffit pas, en effet, de connaître ces conceptions pour les faire évoluer.Lavoie de recherche que nous explorons consisteàdonner aux élèves, au moyen de situations problèmes, l'occasion de mobiliser leurs conceptions initiales, de les faire fonctionner, d'en éprouver les limites et de rendre nécessaires l'introduction de nouvelles connaissances.
2. ACTE 1 EXPOSITION
Grand un, deux, petit un : le poids dépend du corps. Ceci est caractérisé par la masse petit m; m est exprimée en kilogrammes. Grand un deux, petit deux: le poids dépend du lieu. Ainsi un corps n'a pas le même poids au pôle Nord et à l'Equateur. On caractérisera cela par g qui est l'intensité de la pesanteur. On prendra g égal à dix Newton par kilogramme.
M'dam un p ou deux pàl'apesanteur ?
Un p bien sûr!Grand un, deux petit trois: Relation poids masse. (elle écrit au tableau P
=
mg et l'encadre en vert ...).P en Newton, m en kilogramme et g en Newton par kilogramme.Onl'encadre en vert m'dam ?
Je vous ai déjà dit que tout ce que j'encadre en vert est à savoir par coeur... Exercice: quelle est la force qui est responsable de la chute d'un corps de 2 kg ? (elle interroge les élèves ).
Laforce de l'air madame. L'apesanteur.
Alain. L'enseignant.
Ce travail de recherche a été présenté en séance plénière sous la forme de deux sketches suivi d'un exposé. La première scène se passe dans une classe de troisième. La leçon porte sur la pesanteur. L'enseignant "fait" son cours devant la classe. Les élèves essaient de suivre. Ils recopient sur leur cahier le cours que l'enseignant prend soin d'écrire au tableau au fur et à mesure que les connaissances sont introduites. Même si la leçon est émaillée de remarques se rapportant à l'expérience quotidienne ou si l'enseignant a pris soin de "montrer" la notion de poids,ilconsidère en fait que les élèves ignorent tout de la question traitée et que son rôle est d'abord de leur apporter le Savoir. L'enseignant. Alain. Bernard. Bernard. L'enseignant.
Bernard. Alain.
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Cécile. Euh .... L'intensité de l'apesanteur.
L'enseignant. Vous ne comprenez jamais rien! m
=
2 kg,g=10 Nlkg donc P=
20 N!Cette présentation n'est pas aussi caricaturale qu'elle le paraît. L'enseignant a introduit directement une connaissance résumée par la fonnule P=mg. Interrogés sur l'applicationdecette formule, les élèves répondent soit au niveau de leurs conceptions, soit par des mots videsdesens.
Examinons maintenant une autre démarche.
3. NOUVEL ACTE 1 ANTICIPATION
L'enseignant propose aux élèves la situation suivante :
L'enseignant. Onlâche un objet sur la lune,(ellelait le geste),que va-t-il se passer? Réfléchissez avant de répondre... Qui veut parler?
Alai n. Il s'envole m'dame. Bernard. Il flotte, il reste où on l'a mis.
Cécile. Il tombe doucement, comme une plume.
Les élèves ont formulé des anticipations en mobilisant leurs conceptions. L'enseignant les a consignées sans prendre parti. Il va maintenant recueillir leurs argumentations.
L'enseignant. Pouvez-vous expliquer votre point de vue?(elle inte"oge)
Alain. Sur la Terre c'est l'air qui appuie mais sur la Lune il n'y a pas d'air, alors il s'envole.
Bernard. Justement, s'il y a pas d'air m'dame, il reste où on l'a mis.
Cécile. Il va tomber doucement, d'ailleurs je l'ai vu à la télé quand ils sont allés sur la Lune.
Alain. Alors peut-être bien que surlaLune il y a un petit peu d'air Madame?
Comme on le voit, derrière ces conjectures,ilexiste un modèle de la pesanteur: La pression atmosphérique est la cause du poids. L'enseignant explicite le modèle proposé et suggère d'en tester la validité.
L'enseignant. D'après vous, c'est l'air qui fait tomber les objets ? Alain, Bernard et Cécile : Euh... oui .
L'enseignant. Imaginez une expérience que nous pourrions faire en classe pour voir si c'est vrai.
e
écil e. Faudrait pouvoir enlever l'air!Alain. Mais on peut pas enlever l'air,yen a partout!
L'enseignant. Moi je peux enlever l'air là-dedans(elle montre le dispositif: un bocal muni d'une pompe permettant d'aspirer l'air ).
Faudrait mettre quelque chose dedans, une pierre Madame! On va bien voir si ça flotte ou pas !
L'enseignant. Qui peut dire ce qu'on attend de cette expérience?(elle écrit au tableau ce que disent les élèves)
Bernard. Onenferme la pierre dans le bocal...Onenlève l'air du bocal... Si la pierre flotte, alors c'est l'air qui est responsable de la chute ...
Alain. (interrompant Bernard)Oui,maisil faut retourner le bocal M'dame. Bernard. ...Si la pierre tombe, c'est que l'air n'y est pour rien.
Cécile. Madame est-ce que jepeux:enlever l'air?
L'enseignant. Vas- ypompe!
L'enseignant fait réaliser l'expérience par l'élève. Remarquons qu'ici le rôle de l'expérience ne consiste pasàillustrer le discours de l'enseignant maisàvalider les anticipations des élèves. Les élèves observent que la pierre tombe et discutent entre eux sur la façon de conduire l'expérience. (l'enseignant se tient volontairement à l'écart tout en restant attentif au débat).
Alain. Madame, c'est pas possible!
Bernard. (s'adressantàCécile) Lebocal,retourne-le, mais tout doucement
Cécile. l'avais un peu raison ... d'ailleurs je l'ai vu à la télé quand ils entraînent les cosmonautes!
Alain. Madame,si l'air ne sertàrien, c'est quoi qui fait tomber la pierre?
L'enseignant. Et oui,tuviens de poser la bonne question: Qu'est-ce qui a fait tomber la pierre si ce n'est pas l'air?
Les anticipations des élèves ont été invalidées et leur explication mise en difficulté. Le problème est maintenant posé. L'enseignant est alors placé devant l'alternative suivante: ou bien il introduit un modèle d'attraction gravitationnelle à la portée des élèves, ou bien il amène les élèves à proposer eux-mêmes une explication. Remarquons que même dans le premier cas, s'il introduit lui-même le modèle, les élèves seront en mesure de le recevoir parce qu'il répond désonnais à une question.
4. ACTE 2 : VALIDATION DU MODELE
Dans le cas présent, qui est une histoire vraie, l'enseignant introduit lui-même le modèle d'attraction gravitationnelle puis propose ensuite à la classe d'utiliser ce modèle dans les situations correspondant aux activités suivantes:
- Projection du film montrant Annstrong sur la Lune,
- Lecturede quelques passages de Tintin:"Ona marché sur la Lune",
- Pour essayer de remettre en cause la conception de l'air responsable de la chute des corps, la classe propose diverses expériences ou observations montrant le rôle de freinage de l'air sur Terre : lâcher d'objets avec et sans parachute, fonne de la motrice du TGV, CX des automobiles ...
4.1. Les élèves ont· ils appris quelque chose ?
C'est-à-dire, se sont-ils approprié le modèle et ont-ils abandonné la conception de l'air responsable de la chute des corps ? On utilise l'imaginaire pour faire apparaître l'état des représentations, en posant la question suivante: " Si vous pouviez aller sur la Lune, quelle expérience
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auriez-vous envie de faire ? Dans le but de montrer quoi? "
La question est anonyme, les réponses écrites sont ramassées et analysées par l'enseignant. 43%des élèves proposent des expériences où des objets tombent alors qu'ils n'étaient que 18 % a voir les objets tomber sur la Lune avant enseignement.(voir annexe1).
4.2. Mettre en difficulté les conceptions qui persistent
L'enseignant propose aux élèves de travailler par petits groupes sur quelques-unes des expériences" sur la Lune" inventées par la classe(voir annexe2).
Ils doivent répondre aux deux questions suivantes: les expériences sont-elles cohérentes avec ce qu'on sait de la Lune? quel est le résultat attendu?
Dans cette séquence didactique:
- Le moteur est l'envie de savoir.
n
y a problème pour l'élève, il y a besoin de résoudre. - ils'agit de cas proposés par la classe, l'enjeu est donc important.- Le statut de l'erreur a changé: l'important n'est pas qu'une proposition soit vraie ou fausse mais qu'elle existe.
- Chacun a un avis sur la question et va défendre âprement son point de vue.
- La rencontre avec l'obstacle tourne parfois à l'émeute: les représentations des uns sont mises en grande difficulté par les autres.
- Un débat s'instaure dans chaque groupe. Les élèves s'affrontentàcoup d'arguments en référence aux modèles qu'ils ont en tête jusqu'à ce que l'emporte la référence au modèle d'attraction gravitationnelle.
4.3. Cette séquence a·t·elle été efficace ?
L'enseignant pose les questions suivantes par écrit :
Question 1. Sur la Lune on veut tester les conséquences de l'absence d'air. Quelle expérience proposes-tu ?
Aucun élève ne propose plus de flotter ou de voler. Ce résultat est très encourageant comparé aux réponses obtenues avant enseignement
Question 2. Sauter en parachute sur la Lune. Que va-t-il se passer? 90 % des élèves pensent que le parachutiste va s'écraser au sol.
Au départ, avant enseignement, aucun élève ne donnait cette réponse. Faut-il crier victoire, la conception de l'air responsable de la chute est-elle définitivement remise en cause ?
Question 3. Est-il nécessaire que les bottes des cosmonautes sur la Lune aient des semelles de plomb pour qu'ils puissent marcher
?
50% : Inutile. Carilest attiré par la Lune, ou nécessaire pour diminuer la taille des bonds. 40% : Indispensable. Sinonils'envole!
Même si notre séquence s'est avérée efficace, les conceptions sont résistantes etilnous faut rester modestes quantànotre pouvoir de les faire disparaître définitivement.
S, CADRE DIDACTIQUE DE NOTRE RECHERCHE
Plusieurs essais de situations du même type que celle-ci ont été expérimentées dans des classes de collèges et de Lycées de l'Académie de Grenoble. Ces essais nous ont conduitàl'élaboration d'un cadre didactique qui se substitueàladémarche inductiviste habituelle en sciences physiques.
APPRO- A~T~C~PAT~O~
PRIATION
[)J Expérience de pensée
PRJBI..B.I: Conjecture=Modèle Implicite EXPLlCI·
L'élève s'Implique dans la réso- TATION
PAR
lutlon de problème L'ELEVE
ENJEU PAR
~©'TI1I@1M
Construction d'une EXPERIENCE-TEST L'INTE-(In)valldatlondesanticipations RAeTION
VALIDA· TION
Introduction du modèle scientifique
[)J pour résoudre le problème
M:VElE SOCIALE
OO)~©@IM'if~wrlW~l1.il®~
'ifil@1M
SCIENTI-mu:
Le modèle acquiert le statut de CONNAISSANCE utilisable
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RENFORCEMENT
Pour cela, nous nous sommes inspirés de trois sources de notre point de vue fondamentales: 1.-Les recherches de Samuel JOHSUA (1988, 1989) sur les fonctions didactiques de l'expérimental en sciences physiques,
2.- Le travail de Daniel GIL PEREZ (1987) sur la résolution de problème comme activité de recherche, 3.-La théorie des situations didactiques élaborée en mathématique par Guy BROUSSEAU (1986).
La particularité de notre démarche consiste en un essai de transposition de la théorie de BROUSSEAUàla physique tout en respectant la spécificité de cette discipline. C'est ce respect qui nous conduità mettre l'accent sur l'anticipation.
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Dans une situation d'anticipation, l'élève, placé devant une expérience de pensée est conduit à prévoir le résultat de l'expérience et à argumenter son choix.Lebut est ici de l'amener à expliciter ses conceptions et, en les faisant fonctionner, de faire un pronostic sur le résultat
Chaque conjecture intervient alors comme une proposition de modèle. A partir de là , une situation d'action sera constituée par la mise en oeuvre, si possible par l'élève, d'une expérience concrète permettant de valider ou non les anticipations.
Deux conditions sont nécessaires à la mise en place du processus précédent:
D'une part la situation d'enseignement doit permettre à l'élève de bien s'approprier le problème en le mettant en relation avec ses conceptions initiales. TI conviendra donc d'être particulièrement attentif à la qualité de cette phase d'appropriation.
D'autre part,laconnaissance doit passer de l'implicite à l'explicite. Dans ce travail d'explicitation, le débat argumenté entre pairs - transposition du débat scientifique - joue un rôle déterminant: il implique pour ses acteurs de s'engager publiquement. Ce débat exigeant permet de dévoiler rapidement un certain nombre de contradictions et d'éliminer les conceptions les moins solides.
Il est fréquent qu'à ce stade, le modèle acceptable par le physicien ne fasse pas partie des conjectures de l'élève; et il y a peu de chances qu'il parvienne à le construire par lui-même. Cependant, nous avons pu constater que le travail effectué par l'élève sur ses conceptions lors de la situation d'anticipation le rend apte à accepter le modèle proposé par l'enseignant. Ce n'était pas le cas auparavant tant que les conceptions fournissaient à l'élève une réponse acceptable.Lemodèle introduit à ce moment prend alors un sens, même s'il n'est pas définitivement acquis:ilpermet à l'élève de répondre à une question qui est devenue la sienne, de résoudre son problème.
Il restera encore àfaire fonctionner le modèle dans différents environnements afin de le décontextualiser :ilaccédera alors au statut de connaissance.
L'introduction d'une connaissance nouvelle se fait donc au terme d'un long processus qui assure sa mise en relation avec le savoir antérieur par la médiation d'un problème.
Comme on le voit, le contexte épistémologique de celte démarche est très différent de celui que l'on rencontre généralement en France dans une classe de physique : nous ne faisons pas l'hypothèse qu'au départ l'élève ne sait rien et que l'expérience va lui révéler le savoir.
Bien au contraire, nous appuyant fortement sur ses représentations initiales, nous le conduisons à les faire fonctionner en les utilisant comme modèle implicite et à pratiquer une démarche scientifique de résolution de problème ,semblable à celle du chercheur.
Progressivement, il transforme ses connaissances initiales afin de les rendre plus conformes au savoir de référence. Ainsi, pour reprendre la terminologie de Thomas KUHN(1983), la classe fonctionne un peu comme une communauté de recherche au sein de laquelle s'opère un changement de paradigme: le passage d'un paradigme de sens commun au paradigme de référence.
6. BIBLIOGRAPHIE
ASTOLFI (J.-P.) et DEVELAY (M.), 1989. - La didactique des Sciences. Que sais-je? Ed. Presses Universitaires de France, Paris.
BROUSSEAU (G.), 1986. - Fondements et méthodes de la didactique des mathématiques. In Recherches en didactique des mathématiques. Ed.LaPensée Sauvage. Grenoble, 7 (2).
CHALMERS (A.F.) , 1988. - Qu'est-ce que la science?Ed.LaDécouverte, Paris.
GILPEREZ(G.) ,1987. - La résolution de probMmes comme activitéderecherche: un instrument de changement conceptuel et méthodologique. Petit x. Ed. I.R.E.M. Grenoble,14et 15.
JOHSUA (MA) et JOHSUA (S.), 1988, 1989. - Les fonctions didactiques de l'expérimental dans l'enseignement scientifique. InRecherches en didactique des mathématiques. Ed. La Pensée Sauvage, Grenoble, 8 (3) et 9 (1).
KUHN (T.), 1983. -Lastructure des révolutions scientifiques Ed. Flammarion, collection Champs. ROBARDET (G.), 1990. - Enseigner les sciences physiquesà partir de situations problèmes.In Bulletin de l'Union des Physiciens,
no,
17~28.STAGE PERFECI10NNEMENT ET DIDACTIQUE - MAFPEN GRENOBLE, 1988. - Pourquoi ça tombe?InBulletin de l'Union des Physiciens, 700, 45-49.
VIARD (J.),1989. - Les aidesàla didactique, outils d'introduction du débat scientifique. InActes des IIèmes Journées Internationales sur l'Education Scientifiques "Les aides didactiques", Chamonix les 24, 25 et 26 janvier. Ed. A. Giordan, J.-L. Martinand et C. Souchon, U.F. de Didactique des Disciplines, Université Paris 7, 259-265.
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Annexe 1 questions avant enseignement
QUESTION 1 :Onlâche un objet sur la Lune, que va-t-îl se passer? - 18% : Il va tomber.
- 65% :TIva flotter.
QUESTION2 : Sauter en parachute sur la Lune, que va-t-îl se passer? - 0% :Il va s'écraser.
- 17% : Il va tomber doucement. - 67% : Il va flotter.
QUESTION 3 : "(...) et le cosmonaute sur la Lune enleva ses bottes (H')"Imaginez la suite de l'histoire.
- 4% les bottes tombent.
- 35% le cosmonaute s'envole et les bottes restent au sol. - 20% les bottes s'envolent et le cosmonaute reste au sol.
Annexe 2 expériences "sur la Lune" proposées par les élèves
- J'aurais envie de faire du saut en hauteur pour voir si j'arriveà sauter plus haut sur la Lune que sur Terre.
- Jouer au tennis et voir si la balle tombe ou flotte.
- Avec une paire d'ailes, monter sur une colline et voir si une paire d'ailes suffitànous faire voler. Car en sautant sur la Lune on fait d'énormes bonds. L'attraction étant plus faible, peut-être l'homme peut voler par ses propres moyens sans moteur ni vent.
