A. GIORDAN, J.-L. MARTINAND et D. RAICHVARG, Actes JIES XXVI, 2004
LA PHYSIOLOGIE ET LA PHYSIQUE
DE LA COMMUNICATION VISUELLE
Rosa Maria MELIÀ, Maria Teresa MORATÓ, Imma ROS
Programa de Formació en Ciències Departament d’Educació Generalitat de Catalunya
MOTS-CLÉS : MODÈLE DE L’ŒIL – RÉFRACTION – APPRENTISSAGE DES SCIENCES – OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE
RÉSUMÉ : Cette séquence a été élaborée comme un travail dans le laboratoire ou la classe, autour de l’interaction des sciences et techniques et utilisant un modèle d’œil pour analyser la formation des images sur la rétine. Il nous permettra établir des relations entre modèle, schéma et réalité quotidienne. En utilisant une camera obscura modifiée, on atteint un haut niveau de compréhension du phénomène de la vision et du global du réfraction.
ABSTRACT : Our purpose is to describe an eye model that can help us to analyze the image formation at the retina. This work, either in class or in the laboratory, could help us to stabilize connections between the model and the everyday reality by using schemas. We use a dark camera that we adapt to model the human eye and to study the process of vision and, more generally, the refraction phenomena.
1. INTRODUCTION
La séquence de travail propose l’analyse des diverses lois de l'optique géométrique, comme la réflexion, la réfraction, la diffusion et l'absorption de la lumière, en les expliquant par rapport à la vision des objets.
Une séquence d'apprentissage a été élaborée pour étudier les phénomènes optiques abordant, au début, l’observation des phénomènes quotidiens proches des élèves et utilisant des matériaux simples. De cette façon nous avons la possibilité d'analyser les phénomènes dans le laboratoire, dans la classe ou a la maison. Avec une chambre foncée modifiée, on offre une modélisation de l'optique oculaire, en considérant simultanément
sa physiologie. Cette modélisation nous permet
d'arriver à une
compréhension de l'optique oculaire et d’analyser la loi de réfraction en relation avec notre propre corps.
Les élèves ont généralement l'impression que les phénomènes optiques sont totalement éloignés de leur vie quotidienne parce que, pendant l’enseignement secondaire, ils ont été présentés d'une façon très académique. Rien de plus éloigné de la réalité ! On a toujours la possibilité d'étudier l'optique de la vision de diverses manières en les reliant : ainsi, dans notre travail, un organe constamment utilisé par tous – l’œil humain – avec la biologie (sens de la vision), la physique (optique géométrique des lentilles) et la technologie (constructions d'appareils optiques) en initiant l’étude toujours à travers la vision des objets. Dans le schéma suivant, on peut visualiser la séquence d’introduction des principaux concepts à travers de la compréhension de notre propre corps.
abstraction
Interprétation du phénomène physique
Réfraction Portez votre attention sur un
crayon dans un verre d’eau ! On observe : …..
Pourquoi ?
Images formées
par miroir Images forméespar lentilles Étude de lacouleur
Lumière - énergie
Transmission de la lumière
réflexion diffusion réfraction absorption
Sources secondaires
2. L’ÉTUDE DES CONCEPTIONS
Nous sommes habitués à travailler d’abord les concepts de base, tout en suivant une progression jusqu'à leurs applications. Comme enseignants, on sait que tout cela ne garantit pas que nos étudiants restent intéressés par le phénomène et qu’ils acquièrent la capacité d'interpréter d’autres faits quotidiens par apport au même phénomène physique. La séquence proposée a été travaillée avec quatre groupes de 25 élèves d'un âge moyen de 15 ans et pendant deux années. Il constitue la base pour analyser la capacité d'interpréter phénomènes et effectuer abstractions.
Une première étude sur la compréhension des lois de l'optique nous a montré que les étudiants ont des confusions généralisées en ce qui concerne les diagrammes et schémas, les sources de lumière et le phénomène de la couleur. Il est bien connu que l'œil humain joue la fonction d’une lentille convergente, mais on ne interprète pas la formation des images en fonction des distances lentille-objet-écran pour visualiser l’image (rétine), la vision de la couleur, etc., et leur relation avec la réfraction de la lumière.
3. L’ŒIL HUMAIN : UN MODÈLE POUR LA COMPRÉHENSION DE LA RÉFRACTION La compréhension des phénomènes physiques dans la vision nous
permet une étude interdisciplinaire, avec l'analyse du comportement de l’œil sain et de ses déficiences les plus communes et les instruments nécessaires pour une vision correcte. Ainsi, nous travaillons la physique, le modèle biologique et l'instrument technologique.
Les défauts visuels comme la myopie et l’hypermétropie nous permettent de montrer la fonction des lentilles convergentes et divergentes et nous
servent d’introduction à une étude générale du phénomène de réfraction de la lumière. L'analyse de la vision des objets nous obligerait, d'autre part, à traiter les sources lumineuses primaires et secondaires, les phénomènes de réflexion et de diffusion, la composition de la couleur et l'absorption, etc.
Il s'agit d'une approche expérimentale qui nous aide à assimiler les concepts abstraits à travers un apprentissage en utilisant des procédures simples et en consolidant un premier concept de modèle. 3.1. Proposition de travail
Ce premier travail a été focalisé en optique visuelle.
Le niveau d'exigence et les objectifs fixés varient en fonction du groupe et du niveau auquel on effectue le travail.
Une chambre obscure modifiée, construite par l'élève, sera utilisée comme modèle d’œil. On peut travailler dans la maison ou dans la classe, avec l'aide du professeur. On a besoin de bristol noir et d’une lentille convergente qui fera les fonctions de l'ensemble convergente de l'œil. Les mesures suggérées sont 16x16 cm, avec un trou de 5 cm de diamètre dans la partie frontale, où nous placerons la lentille dans un système de support (voir la figure 1).
On utilise toujours lentilles convergentes et divergentes commerciales (concrètement une lentille convergente de + 1 et une divergente de - 0,1 dioptries) que nous fournirons à l’étudiant pour faire l'expérience à la maison.
La chambre sera modifiée
en effectuant une ouverture dans la partie supérieure. De cette façon, on peut observer confortablement le globe oculaire et l’image formée sur la rétine.
Nous analyserons la formation d'image sur la rétine a travers d’un objet asymétrique, face à la lentille de notre modèle et un foyer qui l'illumine.
3.2 La compréhension du phénomène
Il s’agit, avec une formulation de propositions qui favorise l'assimilation correcte les concepts et les phénomènes scientifiques, d’encourager un échange conceptuel à travers l'expérience du phénomène. Avec des élèves de 12-14 ans, on espère faire une distinction entre l'observation des phénomènes et les conclusions qui peuvent toujours être extraites de cette observation, sans oublier les apprentissages qu’ils ont acquis pendant leur formation scolaire. Dans les cours supérieurs (14-16 années), on travaille l'interprétation du phénomène et l’extrapolation des concepts appris, analysant d'autres phénomènes et utilisant diagrammes et schémas.
Après l'observation du fonctionnement du modèle d'œil et l’étude de la réfraction de la lumière, on peut continuer à travailler la vision des objets, analysant ensemble les phénomènes de diffusion, absorption et réfection et en traitant en profondeur la composition de la couleur.
Le cerveau réflexion, diffusion, réfraction Physiologie de la vision Action en la rétine Le processus chimique Optique visuelle L’oeil: morphologie Sources secondaires Sources primaires
4. ÉVALUATION DES RÉSULTATS
Après l’analyse des travaux de nos élèves, on comptabilise des difficultés au détour de la description, orale et écrite, des activités, observations et conclusions, des difficultés dans l’utilisation de la langue, même si on travaille avec des faits bien connus, proches de l'expérience personnelle des étudiants.
On trouvera une bonne façon d’apprécier les résultats obtenus afin que l’évaluation perde une partie de son caractère de jugement des capacités des étudiants, en introduisant la possibilité de discussion et justification des conclusions. Nous devons fournir notre travail avec des outils d'évaluation qui aident au développement des aptitudes par la observation des faits, et son interprétation à travers des concepts et lois abstracts.
On propose la résolution de petites énigmes comme méthode d’évaluation :
Pourquoi invertit-il les nombres en rouge, tandis que ces écrits en noir ils restent droits? Quels phénomènes optiques on peut conclure après cette observation ?
5. CONCLUSION
L'utilisation du modèle est une proposition pour travailler la science de manière expérimentale, de la réalité quotidienne jusqu’au concept physique, favorisant la participation des étudiants. Des résultats très positifs sont obtenus en utilisant cette séquence avec un groupe d’élèves qui ne sont pas beaucoup intéressés par l’apprentissage académique et montrent une grande tendance à la dispersion et distraction. 1. Du point de vue de l'acquisition et/ou de la consolidation des concepts, on obtient 70% de résultats positifs face à 25% des élèves ayant quelques connaissances des phénomènes avant de commencer la séquence.
2. Concrètement, en analysant la direction des rayons lumineux impliqués dans le phénomène de la vision, on obtient 90% des résultats positifs avec un 10 - 15% initial.
À la fin de ce travail, on attend que nos élèves soient capables :
- d’observer que, si entre un objet éclairé et nos yeux, on interpose un moyen matériel transparent, la vision de cet objet change en fonction :
du matériel : indice de réfraction, de la forme: convergent, divergent..., de la distance.
- d’analyser : la lumière émise par un objet, en traversant un nouveau matériel change : la vitesse
la direction
BIBLIOGRAPHIE
BABY J. M., FILLON P., CARRÉ-MONTRÉJAUD H., HADAMCIK, E. (1993). Physique Chimie, 4e Collection H . Carré. Paris : Éditions Nathan.
BRETHAUER W., KLAR G., LICHTFELDT M., REIMERS J., SCHMIDT M., WESSELS, P. (1993). Impulse Physik1. Ernst Klett Verlag.
DRIVER R. I., RAMADAS J. Aspects of secondary students'ideas about light, CLIS (Children's Learning in Science Project). Universitat de LEDS,
FAWAZ A., VIENNOT, L. (1986). Image optique et vision. Bulletin de l'Union des Physiciens, 686.
SECRÉTAN D., HÉNON J.-P., MACRON A., MONZAIN A.-M. (1989). Sciences Physiques; 3e Collection Danien Secrétan. Paris: Éditions Didier,
SOLBES J. I, ZACARÉS J. (1993. ¿Qué sucede con la enseñanza de la òptica?. Revista Española de Física, 7 (4), 38-43.
VIENNOT L., CHAUVET F. (1997). Two dimensions to characterize research based teaching strategies: exemples in elementary optics. International Journal of Science Education, 19 (10). VÖLCKER D. (1988). Physik: Optik, Magnetismus, Elektrizitätslehre, Atomphysik. München: Mentor Verlag.
Note : Ce modèle a été présenté à la "Girep International Conference PHYSICS TEACHER EDUCATION BEYOND 2000", Barcelona, 27 août 2000.
