GUIDER LES ÉLÈVES POUR RÉSOUDRE UN PROBLÈME
ET ÉVALUER LES RÉSULTATS SELON CET OBJECTIF
DO HUONG TRA
Faculté de physique, ENS Hanoi (Vietnam)
MOTS-CLÉS : PROBLÈME – OBJECTIF – ORIENTATION
RÉSUMÉ : À propos des problèmes des fluides, nous essayons de comprendre les stratégies spontanées des élèves et d’évaluer l’efficacité des différentes aides qu’on peut leur apporter. Des pistes de travail sont dégagées permettant aux élèves, placés en situation de recherche scientifique, de s’approprier les concepts et de « dialoguer » avec le savoir qu’ils construisent.
ABSTRACT : By the problems of fluids, we try to understand the spontanous strategies of the students and to evaluate the efficacity of different helps by which we can give them. The paths on working are launched permitting to dispose the students on the situation of sciencetist research.
2 1. INTRODUCTION
Aussi attrayante que soit la présentation d’un contenu d’enseignement, elle ne peut totalement déterminer les résultats attendus par l’enseignement en terme de compétences manifestées par l’apprenant pendant et après la séance. Guider l’élève pour résoudre les problèmes consiste à développer les capacités qu’il doit mettre en œuvre. Ces capacités se manifestent par des actes concrets – le résultat des opérations que l’élève peut réaliser – que l’on peut observer.
L’enseignant doit pouvoir répondre à des questions concernant : - Les pré-acquis des élèves.
- Les contenus d’enseignement. - Les méthodes d’enseignement.
Par ailleurs, cet enseignement se doit d’être :
- Concret (à partir de situations vécues ou tirées du quotidien). - Concordant (avec l’objectif visé).
- Réaliste (l’élève doit pouvoir réaliser ce qu’on attend de lui ; le temps doit être suffisant). - Mesurable, évaluable (à partir d’indices objectifs).
2. L’ENSEIGNEMENT DES FLUIDES : LIQUIDES ET GAZ
2.1. La méthode d’enseignement
En amont de son enseignement, l’enseignant imagine le processus de résolution des problèmes en relation avec le processus scientifique de construction des connaissances. Chaque leçon est alors divisée en unités de connaissances. Dans chaque unité, il détermine des questions fondamentales correspondant aux conclusions aboutissant à la construction de connaissances. Dans le processus de résolution de problème, les élèves proposent puis mettent en œuvre des solutions.
Conclusion générale/ induction
Connaissances devant être établies/appliquées Projet expérimental et données expérimentales Comment faire pour pouvoir observer/mesurer/établir
les attributs, les relations et tirer la conclusion Qu’est ce qu’il y a/attribut/relation
qui régit Événement
Exemple d’un processus de résolution des problèmes : l’arrosage des plantes/le rapport entre vitesse V et surface S
En pratique il apparaît que les élèves savent qu’il est impératif de boucher une partie du tuyau d’eau pour que l’eau jaillisse fortement. Pourtant, ils ne savent pas encore qu’il existe une relation entre la section et la vitesse.
Le raisonnement des élèves s’exprime de la façon suivante :
• Quand on bouche une partie du tuyau, la section est restreinte, l’eau jaillit fortement. • Quand on bouche une partie du tuyau, la force pressante de l’eau augmente.
• Quand on bouche une partie du tuyau, la pression augmente.
Dans leurs explications, on peut y avoir le rapport entre pression et force pressante, entre pression et vitesse mais le rapport entre vitesse et surface ne figure pas de façon spontanée.
Les groupes discutent pour trouver des phénomènes semblables dans la vie courante. Certains groupes révèlent que :
- À l’endroit où la surface d’un cours d’eau est large, l’écoulement d’eau est lent ; à l’endroit où la surface du cours d’eau est étroite, l’écoulement d’eau est rapide.
- En été, rester à la porte d’entrée est agréable car le courant d’air y est plus important.
Ensemble, les élèves trouvent un point commun entre ces deux situations : le changement de la surface de l’écoulement d’eau (ou du gaz) ; ils découvrent alors qu’il y a un rapport entre vitesse et surface et énoncent le problème à résoudre. Un des principaux objectifs de l’enseignement est atteint : Découvrir l’existence du rapport entre la vitesse et la surface.
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Le problème est à présent le suivant : comment faire pour trouver ce rapport ?
- Se basant sur les caractéristiques du liquide standard (incompressible), certains groupes proposent le rapport inverse entre 2 grandeurs v et S mais sans démonstration : « quand la surface est petite, la vitesse sera grande, c’est pourquoi v et s sont inversement proportionnelles ».
- 2 groupes en se basant sur la figure ci-contre, considèrent le liquide écoulé pendant Δt et trouvent que les volumes de l’écoulement d’eau sont égaux, c’est à dire :
S1v1Δt = S2v2Δt donc S1v1 = S2v2 S 1 S 1 S 2 S 2 Δt Δt S 1 S 2 Δt
- D’autres groupes ne parviennent pas démontrer le rapport des 2 grandeurs parce qu’ils considèrent les volumes de liquide à l’endroit où les surfaces d’écoulement changent, même s’ils savent que le liquide n’est pas comprimé et donc que son volume reste invariable.
Après discussion, la solution optimale est donnée : considérer le liquide écoulé pendant une unité de temps. C’est alors que le 2e objectif de l’enseignement est atteint : les élèves proposent la solution
et trouvent le rapport quantitatif entre la vitesse et la surface.
L’enseignant propose alors une nouvelle orientation du problème : le fleuve Rouge arrose le delta du Nord Vietnam depuis longtemps. Déterminer la vitesse de l’eau donnera des éléments importants en hydrologie. Quelle méthode peut permettre de mesurer la vitesse de l’eau en mouvement ?
Des élèves répondent en appliquant la loi de Bernoulli : - Suivant la formule
€
p + ρv
2
2 = const
on mesure la pression totale, la pression statique. Si on connaît la masse volumique du fluide, on pourra calculer la vitesse v (la première solution).
- Suivant la formule € p1+ ρv1 2 2 = p2 + ρv2 2 2
si on peut mesurer p1, p2, v2, connaissant la masse volumique du fluide, on pourra calculer la
Schéma d’application de la loi de Bernoulli - tube Venturi :
Lors de la discussion les élèves formulent plusieurs remarques :
- Pour déterminer la vitesse il faut choisir un référentiel et déterminer les coordonnés ; cette méthode est difficile.
- On ne peut pas repérer normalement le mouvement du fluide pour déterminer sa vitesse mais j’espère encore qu’avec la loi de Bernoulli on peut trouver la solution.
- Dans la 1re solution, on doit mesurer 2 pressions (pression statique et pression totale) ; c’est compliqué et moins exact.
- Dans la 2e solution, au lieu de mesurer 2 pressions on peut mesurer la différence Δp = p1− p2; c’est plus commode.
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- Au début, si le liquide (ou gaz) est immobile, en plus si l’on connaît la pression initiale alors on pourra mesurer la vitesse du fluide à partir de cette différence
€
Δp = p1− p2
- Mesurer la différence
€
Δp = p1− p2
c’est une bonne idée, d’autant que l’on connaît le dispositif du manomètre à eau.
Ultérieurement, l’enseignant demande aux élèves de prévoir le phénomène dans l’expérience démarrée et le problème est formulé par les élèves - eux-mêmes.
Les projets expérimentaux sont proposés : Les élèves utilisent des petits tuyaux en plastique, des bouteilles en plastique.
Ils sont très heureux parce qu’ils trouvent que l’eau monte plus haut dans la branche liée au tube ayant la plus petite surface et l’eau monte plus haut si on souffle plus fort ou la différence entre 2 surfaces est plus grande. Ils retrouvent la concordance entre le
résultat expérimental et le raisonnement théorique.
En plus, un groupe a l’initiative de garder le schéma et ne change que la section du petit tube (ainsi petite vue possible) et ce tube sera court permettant à l’eau de jaillir. Ils annoncent qu’ils retrouvent là le principe d’une pompe de parfum (figure 1). Un autre groupe découvre un type particulier de vase communiquant et ils améliorent le dispositif présenté par leurs camarades (figure 2).
2.2. La formation des « pensés créatives »
Nous nous intéressons non seulement à l’objectif de l’utilisation des connaissances acquises mais aussi à l’objectif de l’exposition des actes. La variété des prévisions, des hypothèses, des projets expérimentaux joue un rôle important et l’on peut faire en sorte de stimuler leurs élèves :
- En s’appuyant sur des associations d’expériences des élèves : à partir des expériences d’arrosage des plantes, ils sont en mesure d’avancer la prévision suivante : « la vitesse du fluide est proportionnelle inverse à la surface ».
- En s’appuyant sur l’analogie : « le liquide et le gaz exercent une pression sur le fond et la paroi d’un vase, en plus on sait que le liquide coule à une certaine vitesse, alors on peut en déduire que le gaz fera de même ».
- En s’appuyant sur l’apparition simultanée de deux phénomènes, l’élève peut prévoir les relations de cause à effet.
Figure 1
- En s’appuyant sur la remarque que deux phénomènes changent toujours simultanément (ils augmentent en même temps ou inversement ils diminuent en même temps) l’élève peut prévoir qu’il existe une relation de cause à effet entre eux.
- En s’appuyant sur le processus réversible du phénomène.
- En s’appuyant sur l’élargissement du domaine d’application : « les connaissances concernant le liquide en mouvement peuvent être utilisées pour le fluide gazeux ».
- En prévoyant la relation quantitative : considérer en un point le courant, quand la pression dynamique augmente alors la pression statique diminue. Cette raison entraîne à prévoir « la pression dynamique est proportionnelle inversement à la pression statique et la somme de deux pressions est constante ».
- À partir des hypothèses, il faut en déduire des conséquences pouvant être observées, ensuite confronter la théorie et l’expérimental. Par exemple : en raisonnant, l’élève trouve la loi de Bernoulli et en tire la conséquence : « à l’endroit où la vitesse est petite alors la pression statique est grande ». Le projet d’expérience est avancé “un tube ayant 2 différentes surfaces pour que les vitesses en ces deux surfaces soient différentes, il faut mesurer la pression statique en ces points”.
Le guidage, on s’en doute, est important mais l’enseignant doit se garder de trop intervenir, au moins de façon manifeste. Cependant, son intervention a permis de mettre en relief ces idées suivantes :
- Il faut considérer inconditionnellement l’élève comme un individu qui a sa valeur et il faut avoir confiance en lui dans n’importe quelle condition.
- Il faut éviter de faire des évaluations venant de l’extérieur, l’encourager à l’auto-évaluation. - Il faut être compréhensif à son égard et considérer le monde avec ses yeux, le comprendre et
adopter ses vues.
La communication joue un rôle important dans la maintenance de l’ambiance créative. Cependant elle pourrait ou consolider ou détruire cette dernière. Dans la pratique, créer des conditions propices à la pensée créative est beaucoup plus difficile que la création elle-même. Lors du processus de créativité, nous respectons le principe suivant : encourager la créativité qui est plus importante que la solution trouvée ou le résultat final. C’est l’objectif de l’exposition des actes des élèves que nous devons poursuivre et nous espérons qu’on y trouvera la variété des produits des élèves et non pas l’unification d’un produit.
8 3. CONCLUSION
Pour déterminer concrètement l’objectif d’enseignement, on peut établir un schéma d’enseignement basé sur le processus scientifique de résolution des problèmes. À partir de là, on peut évaluer quantitativement et exactement les activités des élèves. En même temps on pourra répondre à deux questions essentielles :
- Comment les élèves s’y prennent-ils face aux problèmes de physique ? - Comment les aider à apprendre à les résoudre ?
En plaçant les élèves en situation de résolution de problèmes scientifiques, nous nous servons jusqu’au bout de leurs expériences de vie, créant ainsi des conditions pour qu’ils puissent émettre de nouvelles idées et construire de nouvelles conceptions, ce que permettait mal la méthode traditionnelle d’enseignement.
BIBLIOGRAPHIE
TONG, PHAM HUU. (2001). Didactique de la physique. Maison d’édition de l’éducation.
TRA, DO HUONG. (2002) Situation - problème dans l’enseignement de la physique. Recherche en
