DES MAINS À LA TÊTE :
LA CONSTRUCTION D'UN CONCEPT PHYSIQUE
Marima HVASS-FAIVRE D'ARCIER*, Emmanuel CHANUT**, Serge TRICOIRE***
*1,2,3, sciences, **Youpi - Bayard presse, ***Uni. Nice - Union des Physiciens
MOTSCLÉS : EXPÉRIMENTATION SCIENCE VÉCUE DÉMARCHES FLOTTABILITÉ
RÉSUMÉ : Durant cet atelier, nous avons testé nos savoirs sur la flottabilité pour voir s'ils nous permettaient des prédictions valables. Puis, en construisant pas à pas, à partir nos observations, cette notion, nous avons vérifié qu'elle était alors plus facile à réinvestir. C'est le mode d'approche de l'association 1, 2, 3, sciences au cours des Fols après-midi auxquels elle convie toute personne curieuse quelle que soit sa formation.
ABSTRACT : First, we tested whether our knowledge on buoyancy was useful to predict results in new situations. Then, starting from our observations, we constructed the concept, step by step, and we were able to verify that so it was easier to reinvest. That is the way 1, 2, 3, sciences works during experimental afternoons to which any curious adult is invited.
1. PRÉSENTATION DE L'ASSOCIATION 1, 2, 3, SCIENCES
Créée il y a 3 ans par des praticiens concernés par la transmission des sciences, l’association 1, 2, 3,
sciences s’est fixée pour objectif de développer l’apprentissage de la démarche scientifique par les
enfants. Elle pratique la " didactique sauvage " en utilisant les procédures de la recherche : faire des propositions, les faire évoluer selon les observations et peu à peu dégager des généralisations, mises, ensuite, à l'épreuve.
Dans nos différentes pratiques d'enseignants, de scientifiques ou de journalistes, nous avons pu constater l’enthousiasme des enfants non seulement pour les activités expérimentales qui les mettent en contact avec le réel, mais aussi pour la réflexion qu’elles entraînent. Les conclusions auxquelles ils parviennent leur ouvrent les portes du monde : ils y sont très sensibles.
Nous avons constaté aussi la réticence des adultes pour penser les disciplines scientifiques comme partie intégrante de la culture, considérant qu’il s’agit de préoccupations de spécialistes. Ces mêmes adultes mentionnent souvent de mauvais souvenirs scolaires avec ces disciplines et se considèrent comme laissés pour compte de l’enseignement scientifique. Tout cela peut expliquer que les sciences étaient peu abordées à l’école primaire jusqu’à ces dernières années, malgré les Instructions Officielles.
Notre propos est de rendre la démarche scientifique familière, pour qu'elle ait une place dans la vie de tous les jours des enfants, mais aussi des adultes, avec, au rendez-vous, le plaisir et le jeu. Pour essayer de déterminer ce qui faisait blocage, nous avons réfléchi à l’objectif primordial de la démarche scientifique : la généralisation, conclusion locale provisoire réinvestissable, en nous permettant d’anticiper les conséquences de ce que nous vivons a paru un élément essentiel. Elle ne clôt pas le questionnement puisque le local et le provisoire demandent à être élargis, et que parfois, le réinvestissement ne s’avère pas probant.
Cependant, cette manière d’aborder les notions présente deux difficultés. En situant le point de départ dans la vie quotidienne, ce qui est sa force, elle peut être ressentie comme triviale, modeste, bien éloignée de l’image prestigieuse des sciences. Elle est aussi déstabilisante car le savoir ne vient plus d'un maître qui sait, mais du groupe producteur de savoir . Dans ce groupe qui réfléchit à voix haute, chacun est auteur, participant à la construction, et non plus seulement actif, réalisant les expériences préparées par le maître, voire acteur, improvisant selon sa pensée sur une trame proposée.
Cette implication personnelle forte, est gratifiée par le résultat. C'est ce que nous avons pu constater à La boîte à manip', dispositif mettant en œuvre cette approche. Il s'agit d'un lieu, à l'IUFM, accueillant des enseignants en poste ou en formation. Avec un animateur, et en utilisant du matériel de la vie quotidienne, le groupe vit des démarches expérimentales. Chacun des participants peut
ensuite les réutiliser dans sa classe selon le contexte et l'objectif particuliers, en ayant vécu ce qu'il transmet.
Ensuite, nous avons voulu mettre à l’épreuve ces hypothèses en dehors de l'environnement scolaire. Les Fols après-midi fonctionnent de facto selon une pédagogie différenciée : scientifiques et non-scientifiques construisent des notions, sans formalisme mathématique, ni gros mots non-scientifiques, grâce à un échange de compétences. Personne n’est là ès qualité et les scientifiques ne sont présents ni comme experts, ni comme maîtres. Cependant, nous veillons à ce que cela reste intéressant, captivant, ludique, pour tous. Le plaisir vient probablement de l’énigme à résoudre avec les seuls moyens de nos intelligences, de nos réflexions, de nos imaginations, et de l’observation des fonctionnements des uns et des autres.
Deux ou trois animateurs (des scientifiques) préparent un dispositif expérimental éprouvé, avec les objets disponibles à la maison ou à l’école, sans matériel spécialisé. Pendant le déroulement de l’après-midi leur objectif est de permettre au groupe d’aller le plus loin possible, à sa façon, dans une des directions qu’ils ont prévus (ou presque) et qu’ils ont déjà exploré pour eux-mêmes.
Le temps passe très vite, on n’a pas envie de dételer avant d’être parvenu à des réponses et à une formulation satisfaisante pour soi-même. Au bout de trois heures et demi, la moitié des participants argumentent encore. Souvent, ils emportent des éléments de leur questionnement à la maison ! Le lien avec la vie quotidienne se fait quasiment de lui-même. C’est la remarque " Mais alors, c’est la même chose quand je fais…" qui fuse tout d’un coup. Ce constat que la notion scientifique a un sens pour nous, pas seulement au laboratoire, nous entraîne à d’autres questions. Finalement les contenus élaborés sont vraiment ambitieux, par exemple, distinction entre chaleur et température, définitions de poids, masse, volume…, sans doute une illustration de la " zone proximale de développement " de Vitgosky.
Bien évidemment, cette remise en question de ce que l’on croit savoir, cette déstabilisation ne sont pas toujours faciles à accepter et entraînent des résistances : certains ne parviennent pas à entrer dans le jeu. Par ailleurs, il s’agit de faire ensemble le premier pas vers le plaisir des sciences, mais elles comportent aussi des connaissances, et notre démarche ne préjuge pas de la façon dont seront faits les pas suivants.
Nous avons aussi une forte interrogation pour trouver la forme des "traces" pour rendre ces moments transmissibles à d’autres qui ne les ont pas vécu. Le journal de l’association L‘agitateur est une tentative de solution. Il sert de lien et de lieu d’échange, mais cela ne répond pas complètement à la question.
À ce moment de notre réflexion, la proposition d’un atelier aux Journées de Chamonix était une forme de pari : expérimenter avec des " spécialistes " si nos savoirs sur la flottabilité (c'est le contenu-prétexte que nous avions choisi) sont fonctionnels, et si en regardant d’une manière plus
concrète, mais en formalisant ensuite nos observations, nous pouvions accéder à une connaissance plus facile à réinvestir.
2. COMPTE RENDU DE L'ATELIER Des mains à la tête :
la construction d'un concept physique… avec les mains et sans les maths
Une vingtaine de personnes ont participé à l'atelier. Après une présentation de l'association, nous sommes rentrés dans le vif du sujet en exposant le principe des fols après-midi. Il n'était malheureusement pas possible de réaliser un véritable fol après-midi compte tenu du temps trop court (1h30) dont nous disposions. Cependant la "règle du jeu" était la même : les adultes participent pour eux-mêmes. Il s’agit de faire d’abord pour soi, de tenter de se regarder cheminer et, dans le même temps, d'observer le groupe "en train de penser".
Les manipulations se font avec du matériel "non-scientifique", sans appareil de mesure, en favorisant une approche sensorielle, sans professeur, ni cours mais avec des animateurs qui proposent un dispositif ouvert (ils ne savent pas exactement ce qui va se passer), sans équation ni “gros mots” (les scientifiques présents ne sont pas là en tant qu'experts).
Le jeu est de retrouver l'essence des concepts, sans le formalisme des sciences. Les participants construisent la notion ou la loi "du jour" par tâtonnement.
Il faut donc trouver les réponses aux questions qu'on se pose uniquement avec les moyens mis à disposition et notre raisonnement.
En guise d'introduction aux activités expérimentales, une question anecdotique est posée : des haricots secs et une banane, ça flotte ou ça coule ? Une discussion démarre autour d’une question : quel est l’âge des haricots ? Il semble que l'assemblée soit certaine que ce critère conditionne la flottabilité. Au bout de quelques minutes, un consensus se dégage. Si les haricots sont vieux, ils flotteront.
Mais une personne précise que si on lui donne la densité, elle pourra prévoir la flottabilité sans aucune hésitation. Problème, nous ne la connaissons pas.
À ce stade, il est précisé que les haricots sont vieux et même très vieux. Le groupe conclut donc que les haricots flotteront.
En ce qui concerne la banane, les avis sont moins tranchés. Aucune discussion ne s'engage sur ce qui pourrait conditionner sa flottabilité et on conclut qu'on ne sait pas.
Le moment est venu de vérifier. Que se passe-t-il en vrai ? Pour le savoir, on plonge les haricots et la banane dans l’eau et résultat est une surprise ! Les haricots coulent et la banane flotte.
Visiblement, même si aucune prévision n'avait été clairement faite, la majorité du groupe ne pensait pas que la banane flotterait. Et en ce qui concerne les haricots, "no comment !".
Se pose donc la problématique : comment prévoir la flottabilité des objets ? Par exemple, il n’est pas question d'attendre la fin de la construction d’un paquebot pour tester sa flottabilité ! On doit en être sûr. À ce stade le passage à l’expérimentation s’impose et un autre défi est lancé : faire flotter de la pâte à modeler et surtout réussir à le prévoir avant la mise à l’eau. Autour des trois animateurs, trois groupes se forment. Le matériel mis à disposition est très simple : des bacs remplis d'eau, des balances à deux plateaux, de la pâte à modeler et divers objets de taille et de nature différents. Très vite les participants s’activent, ils tâtonnent en déformant la pâte à modeler. Certains vérifient si une boule de pâte à modeler flotte ou non, d’autres observent. Peu à peu chacun y va de son idée et de ses remarques. Assez rapidement, la solution est trouvée. La pâte à modeler flotte quand elle est creuse mais attention, avec des bords pas trop épais. Le tâtonnement a été efficace mais il a ses limites. À ce stade, on est toujours obligé de tester et d’ajuster de manière empirique. Comment faire pour prévoir ? Dans les trois groupes, les discussions entraînent des approches différentes.
Dans un premier groupe, la question de la masse est soulevée rapidement. Comment la masse intervient-elle dans la flottabilité ? Quelqu’un entreprend alors de classer différentes matières de la plus légère à la plus lourde. Remplissant à raz bord des récipients identiques, (contenants de bougie chauffe-plats) il compare des masses de matières à volume égal (sable, pâte à modeler, eau, bougie, polystyrène). Puis la constatation est faite que les matières plutôt légères flottent alors que les plus lourdes coulent. On se demande alors ce que signifie lourd ou léger. Il apparaît la nécessité d'une référence. On choisit le récipient contenant l'eau et on opère ensuite un classement par rapport à la masse d'eau. On constate alors que les matières plus légères que l’eau (à volume égal) flottent et les autres coulent. Réciproquement on observe que le volume des matières qui coule dans l'eau est, à masse égale, plus petit que celui de l'eau. Question suivante, comment faire flotter les matières qui coulent ? Les solutions proposées et vérifiées sont de conserver la masse mais d'augmenter le volume ou de conserver le volume mais de diminuer la masse, en creusant par exemple. On obtient ainsi des objets plus légers qu’un même volume d’eau et qui flottent.
Dans le deuxième groupe, ce sont les variations de niveau d’eau provoquées par les objets plongés dans l’eau qui intrigue. Quelqu’un remarque que, contrairement à ce qu’il pensait, lorsque la pâte à modeler (en forme de bateau) flotte le niveau de l’eau dans le récipient est plus haut que lorsque la pâte (en boule) coule. On en déduit que pour faire flotter la pâte à modeler, il faut augmenter son volume (sans changer la masse). On compare aussi la masse de l’eau déplacée à la masse de l’objet flottant. Résultat de la mesure, elles sont égales.
Quelqu’un décide alors de déterminer la masse de pâte à modeler équivalente à celle d’un certain volume d’eau. Son idée est de réaliser un objet de même masse que l’eau mais de volume légèrement supérieur. Son hypothèse étant que l’objet obtenu doit flotter. L’expérience est réalisée et l’hypothèse vérifiée.
On revient sur le problème de la banane. On conclut que pour savoir, il aurait fallu connaître son volume et sa masse.
Dans le troisième groupe, les participants se remémorent le théorème d’Archimède et la définition de la densité. Ils les connaissent parfaitement. Ils passent beaucoup de temps à discuter et exposer des idées sans passer à l’acte de la vérification par l’expérience. Ils ont du mal à trouver un lien entre ce qu’ils savent et ce qui se passe réellement. Sur quels paramètres ont-ils agi pour réussir à faire flotter la pâte à modeler ? Essayant de faire référence à la théorie, ils n’arrivent pas à trouver une stratégie de recherche.
Alors qu’un des participants manipule une boule de pâte à modeler, l’animateur leur présente une boule de pâte à modeler de même taille mais beaucoup plus légère. La confrontation des objets débloque alors la situation. L’une flotte, l’autre coule et le paramètre masse est évoqué. La démarche démarre, c'est seulement à ce moment que la dynamique du groupe l'a permis. Malheureusement, la séance se termine et il n'est pas possible d’aller plus loin pour le moment.
Après 50 minutes, d’expérimentation, c'est le moment de la mise en commun du travail des trois groupes. Elle permet de dégager clairement les paramètres qui conditionnent la flottabilité d’un objet, c'est-à-dire sa masse et son volume.
La discussion s'engage pour définir ce qu'on désignait comme volume de l'objet. Quand l’objet est creux et ouvert, quel est le volume à considérer ? Il est clair pour tout le monde, que si l'eau n'entre pas dans la partie creuse, le volume de l'objet à considérer est celui de sa matière et de son creux. Fort de cette précision, on énonce la condition de flottabilité d'un objet sur l'eau : " l'objet flotte si, à masse égale, son volume est plus grand que celui de l'eau ou/et si, à volume égal, sa masse est plus petite que celle de l'eau ".
ANNEXES
Le magazine YOUPI (Bayard-Presse)
Youpi est un journal documentaire qui invite les enfants de 5 à 8 ans à découvrir le monde et notamment à faire leurs premiers pas en sciences. Il propose des activités expérimentales et ludiques qui privilégient une découverte de notions scientifiques par le "faire" et par la mise en place d'un raisonnement plutôt que par un exposé explicatif. Il s'agit d'offrir aux enfants des occasions d'expérimenter, de se questionner et de leur donner envie de poursuivre leur démarche au-delà des pages. En leur proposant des activités avec du matériel très simple, Youpi leur montre que la science est à leur portée et dans la vie de tous les jours. Compte tenu de l'âge des enfants, les parents participent aussi à la lecture de Youpi. Il s'agit de les tenter et de les convaincre eux aussi. Un moteur très puissant de l'apprentissage se trouve dans la complicité de la découverte commune . Pour aider les enseignants qui souhaitent exploiter en classe les rubriques "sciences", la rédaction propose un complément au journal, le club Youpi. Les fiches montrent comment guider les enfants dans leurs questionnements à travers un travail de recherche basé sur l'expérimentation. Il s'agit d'aider les enfants à construire un raisonnement valide pour qu'ils parviennent à l'élaboration de savoirs généralisables dont ils sont les auteurs.
Au sein de la rédaction, nous menons une réflexion permanente sur la vulgarisation scientifique, sur le "comment faire des sciences". Nous nous interrogeons sur ce qui fait obstacle à l'entrée dans la démarche scientifique. Et nous cherchons sans cesse à la rendre accessible et séduisante au plus grand nombre.
L'Union des Physiciens UDP
L’Union des Physiciens est, en France depuis 1906, l’Association des professeurs de physique et de chimie. Elle a pour buts d’étudier et d’améliorer les conditions de l’enseignement des sciences physiques et chimiques, de rassembler toutes les informations d’ordre pédagogique ou technique relatives à cet enseignement.
Ses activités, assez variées, se situent à divers niveaux d’intervention :
- Au niveau national, l’association donne régulièrement ses avis sur les évolutions de contenus et les conditions de l’enseignement des sciences. Elle suscite et analyse des consultations et des enquêtes détaillées auprès de ses membres, qui lui permettent de se forger une opinion argumentée. Elle intervient auprès du ministère de l’éducation, des inspections, des groupes d’experts. Elle met en avant depuis des années les pédagogies innovantes (TPE- travaux pratiques encadrés) et propose la prise en compte d’une épreuve expérimentale au bac en séries scientifiques, par exemple.
- L’UdP organise chaque année les « Journées nationales », prises en charge par une section académique. Organisées en liaison avec l’Université et les collectivités locales, cette manifestation regroupe 400 à 500 participants autour de conférences, séminaires, ateliers, visites…
- L’UdP organise avec la SFP les « Olympiades de physique », projets expérimentaux réalisés en groupes de 4 à 6 élèves, soutenus par un chercheur ou un cadre d’entreprise.
- L’UdP participe aux « Olympiades de la chimie », cycle de découvertes et de réinvestissement pour des élèves scientifiques ou littéraires de fin de cycle secondaire.
- L’UdP organise ou participe à des universités d’été (en 2001 : « La place de l’expérience dans l’enseignement des sciences » et « L’énergie »).
La publication du fameux Bulletin de l’Union des Physiciens prolonge son action : le BUP est bien connu des étudiants et des enseignants, avec sa base de données CD-ROM « BUPDOC » référence de l’ensemble des articles de la revue depuis la création, avec textes intégraux des années 1990-1999 .
L’association a suivi et accompagné « la main à la pâte » depuis sept ans, et recherche avec passion et intérêt les moyens de répondre aux préoccupations des enfants et des enseignants du premier degré. Ses commissions et ses membres sont impliqués dans un certain nombre de recherches et d’actions de diffusion , de dédramatisation et de promotion des activités scientifiques à l’école élémentaire.
