QUELQUES OBSTACLES A LA CONCEPTUALISATION
Bernard VUILLEUMIER
Laboratoire de Didactique et d'Epistémologie des Sciences Université de Genève
Résumé:
Cet article examine des connaissances intuitives d'adolescents relatives à la chaleur. JI dégage quelques caractéristiques de leur pensée qui font obstacle à la conceptualisation.
ment, er: p:'lrl:=:u:t d'objets, déS expressions telles qJE; p0trs C!Ll '-ldll ) t!avDir de l~_ chaleur", " a 'io.ir une te1'.pérature élevf::e" ou encore "êtr,~ froid", Iir.' avoir 8.UCLlne chaléur'l, "avoir une temp':;'r':it~.lre bD.2Se". Ces expressions traduisent habi tuellernerJ.t des sensations, dlaillelH'~:; SOlJVent infid~les, r~sult~nt de contacts avec divers corps. Nous q11éllifions ainsi d' eau chaude de l'eau tiède dans laCluelle nous treT,-pons une main qui a séjourné préalablement dans de l'eau froide, et d'eq~ froide la ~~'~e eau si nous avons auparavant passé notre ~ain sous de l'eau cha~de. La conduction ther~iqle vient e~core compliquer la question: lorsque nous touchons un morceau de bois et un morceau de métal, nOlIS sentons oue le bois est plus chaud O'le le métal mê'TIe si les deux 'TIorceaux ont la :nôl~e temp';rélt11re. rous déclarons alors que le bois est plus chauu que le métal, ce qui traduit bien la
réa-lit~ sensible. Mais il ne faut pas perdre de vue que nO'lS sommes source de chaleur, que le bois et le métal ont des conductibilités thermiques différentes et q'le les sensations éprouv(Oes ne sauraient nO'IS rer:seigner sur la température du bois ou dèl métal.
En bref, "être chaud" n'est pas éq'livalent à "avoir une température êlevée".
Ces expériences familières de tact font intervenir le phéno~ène com-plet d'échange de chaleur et nécessitent, pour être décrites sans
a~biguité et d'une manière cohérente, des concepts qui,
historique-ment, sont d'une apparition tardive; il faut attendre le milieu du XVIIIe siècle pour que la notion de chaleur spécifique ait sa place dans la science et pour que les notions de température et de chal~ur soient distin['lées soigneusement. Corrélativement la di:lactique et la conceptualisation de ces notions se heurtent à de nombreux obsta-cles. lBS difficultés rencontrées sont-elles imputables aux seules i~précisions du langage ? Quel rôle les expériences familières jO'lent-elles? Comment la "pensée naturelle" en rend-elle compte? C'est à ces questions que nous essayons de répondre, en nous appuyant sur les résultats d'une enquête
(1)
menée auprès d'étudiants de 17 à 20 ans et qui sollicitait leurs connaissances intuitives sur les con-cepts de texpèrature, de q~e~tité de chaleur, de ci31eur spAcifiauc et d' ';l'lilibre tr:er:Ü,,',e.2 -L' P\QUETE
2.1.Pooulation
Nous avons interrogé par écrit 118 élèves de 2e et de 4e années de la section Diplône-Maturité de l'Ecole Supérieure de Commerce de Genève. Les éléves disposaient de 45 minutes pour répondre au ques-tionnaire (voir annexe).
2.2."1éthode
Pour révéler la "pensée naturelle" des élèves et tenter de saisir quelques obstacles à la conceptualisation, nous avons composé des questions mettant en jeu des situations familières; nous avons utili-sé, pour leur formulation, le vocabulaire du langage courant et nous avons évité d'utiliser les mots "température" et "quantité de cha-leur" afin de ne pas favoriser des réminiscences d'enseignements an-térieurs. De plus, nous avons sollicité des raisonnements qualitatifs pour éviter q~e des difficultés formelles ou de calcul n'occultent les difficultés de conceptualisation.
2.3.Jss ouestions
Les questions l et 2 cherchent à établir si, mIme sans très bien dis-tinguer les notions ds chaleur et de température, les élèves prsssen-tent le caractère extensif de l'une et intensif de l'autre et s'ils pondèrent intuitivement, dans le cas des mélanges, les températures des volumes en présence.
Les questions
3
et 4 cherchent à savoir s'ils prévoient un rapport entre volume ou poids, quantité de chaleur et élévation de températu-re, et comment ils anticipent la notion de chaleur spécifique.Les questions
5
et 6 ont pour but de déceler s'ils acceptent l'idée d'équilibre thermique et comment ils interprétent les sensations. Les premiers rés'..lltats d'un trélvail collectif en CO'lrs au Laboratoire de Didactique et d'Epistémologie des Sciences, ainsi que les diffi-cultés rencontrées dans la pratique de l'enseignement nous ontconn~iSS~~C0S à prOr03 des ccncept~ ~et~tlliS s'~d~fi ~t
pri~cip21e-Il Plus le volume dlea~ est gr;l~d, plus l'on l~ettra je te:Lps pour 1e
f~ire bouillir (ex.: petite c~sserole cour le thé:
3
minutes;gr,g :'de casserc.le p011r l~~s sp3[hett.i; 10 minutes)"
Tel ~utre précise:
"La bouillote d'eau ser8 plus rapide:nent froide que celle d'huile; pour s'en convaincre, il suffit de regarder une friteuse, mais je suis incapable d'expliquer pour'1uoi."
Il en résulte chez eux une pensée de type empiri1ue relativenert tien adaptée aux phéno~~nes de la vie courante, mais présentant néan-moins, du point de vu~ de la physique, des insuffisances et des limites ~anifesées. Fn p~rticulier:
- elle écho'Je dans les prévisions q'J~nti tatives. Si 92°~ des ré,Jonses â la question l fournissent une prévision qualitative correcte pour la température d'équilibre d'un mélange de de:Jx volum2E d'eau, 28"{ seule'nent des réponses â la q'lestion 2 donnent une valeur chiffrée eXélcte.
- elle ne pélrvient pas â cerner la notion de chélleur spécifi1ue, sanE doute parce que ce concept n'est pas directement lié â un donné sensible.
331
des répo~sesà la question 3b attribuent la même ca-pacité thermique à deux volu~es égaux de liquides différents. Les élêves rattachent en général l'inertie thermique RU volu~e, parfcis au poids ou â la de~sité de la matiêre, mais dans teus les cas à une grande'lr physique iffi!Jlédiatement accessible aux se~s.- elle confond constamment chaleur et température, la chaleur ét~nt pour elle la qualité d'être chaud perçue par les secs. Elle ne par-viont par conséquent pas â accepter l'idée d'équilibre thcrmin~e: 77:G des r"'ponses ac:x questions 5a, 5b et 6a prévoiant des te:q:érc-tures différentes.
(1) voir 3. Vuilleumier, L~ Chaleur: intuition et p~rajGxes, Mémoire FPSE, UniverGit~de Gen~ve (1983)
acces=itles 3UX Ee~s et S3 d0fi3nce â lr'~g3r~ des donn&es médiates sE:.':'!blent 32 rf:,!:forcer 2.VC::C l'âge. "Ftre éCFll~r.Jent fr~id" signifie plus fr-2que~l,;.entt'pr-0C\lrer la mê:r:e ser:.'3.qtion" (pl:ltêt "qu'avoir la
rnê,::e te,npénJture") pour les élèves de 4e que pO:.lr ceux de 2e ann,Se:
73%
des élèves se référent â la sensation dans leurs réponses à la question 6b en 4e contre 42% seulement en 2e année.L'exa:nen de leurs réponses per~et en outre d'inférer quelques carac-téristiques de leur pensée pour laquelle:
- la chaleur est une substance. Le froid et le chaud acquièrent alors une existence autonome:
"la neige est plus compacte et laissera :noins vite passer le froii dont elle est d'ailleurs composée"
"la veste de duvet est rembourrée, retient le chaud et empêche le froid de passer"
- les s1Jb2t8~ces peuver.t produire de la chale'.lr, être intrinsèquement chaudes ou froides ou accu:nuler de la chaleur ou du froid:
"l'alcool produit de la chaleur"
"la flanelle est un tissu q'li est toujours froid"
"en l'espace d'un jour, le tout a pu refroidir et je crois que les deux él[ments sont froids. Toutefois le métal sera plus froid que le caoutchouc"
"d'3ns le duvet qui a ter.dar.ce à accu.'nuler la ch;'l!eur, i l fera plus ch'ludll
"la carrosserie est une matière qui emmagasine plus facilement le fr8id que la matière des pneu8"
- i l existe jeux sortes d'isolants, les uns constitués de :natières intrins~quementchaudes ou capables d'accumuler de la chaleur, les
a~tres faits de matières intrins~que~ent froides ou capables
d'ac-cu~uler la froideur.
"J'utiliserais la paroi froide pour me protéger du chaud car elle rejette la chaleur, et celle qui me parait chaude pour me protéger du froid, car elle garde la chaleur."
"Pour le froid, j'utilise du bois car le bois retient légére~ent la chaleur; pour le chaud, j'utilise de la pierre car la pierre est éternellellent froide"
Les éléves tier.ne~t donc le raisonne~er.t suiv3~t: les ~atiéres per-çues chaudes au toucher protègent du froid et celles froides au tou-cher protègent du chaud. 52 élèves sur 118 raisonnent selon ce mode
Le type de pens~e que l'ex3:~e~ des réponses per~ct d'i~fér8r fait obstacle à 13 ca"cept'13l~3éJtion:
- en entrq~t en cO~D~titianavec les ccnceptions nlus abstraites q~e dispense l'ensei~nemect.res conceptions sont certes plus ef-ficaces pour expliquer les ph~comênes physiq~es, mais elles sont souvent moins pertinontes pour re~dre compte des ph~no~ènes de la vie courqnte auxquels les ~lèves se r~fêrent.
- en priviléçiant les a~alit6s sensibles, notamment en liant la cha-leur au volume, au poids, à la viscosit~ ou à la de~sité de la ma-tière, et en adoptant une attitude sceptique â l'égard de concepts plus abstraits tels q~e chaleur sp~cifique, conductibilit~ thermi-q~e, énergie, etc.
- en faisant usage d'anqlogies et d'un lanh3~e amblgu. Dans le cas des mélar.ges, les liq'~icies froids "neutralisent" les liq:.Iides cha'lds. Les substances "froides" (glisse:nent de sens) protégeront donc du chaud, et vice versa.
- en ayant recours, pour s~rmonterles contradictions, à des exnlica-tions ad hoc:
"la carrosserie est un m~tal qui peut attirer la chaleur quand i l fait cha'ld, et conserver le froid q'~and i l fait froid"
en s'attachant à une intuition substantielle qui confère une exis-tence matérielle à la chaleur et au froid.
- en témoignant sa confiance aux sensations pour les comparaisons de températures.
Nous avons rencontré des résistances à la conceptualisation relevant des mêmes obstacles dans d'autres domaines : en cin~matique (1), les élèves pensent visuelle~ent le mouve~ect dans l'espace et ont de la peine à imaginer ses caract~ristiqllesen fonction du te:nps. Sn dyna:ni-que (2), ils se forgent des représentations pra~~ati~uesinaJéquates et réfractaires aux abstractions.
Une pens~e se for.daLt préf6rer.tiellem0r.t sur 108 donn~es i:-:L::4di:J.tes
et reléguant les notions abstraites constitue, â n'en pas douter, un sérieux obstacle a~x conceptualisations nécessaires à la pens~e phy-sique pour rendre co~pte du r~el.
(1) B. Vuilleumier, La chute des corps: intuition et raisonnement (19Bl) (2) Id. Le ~ouve~ent (1982)
Pé~oircs FPSE, Universit6 de Genève. Voir ~gale~ent:
L. 'Jiennot, Le raisonne'::er,t spontané en dynami::J.le ~lé:nent3ire Her:nann 1979
'.~·J,-,;::tior: 1
-, l'une bC'Ji'L-::;).~s,
b) dc~x volu~es eg~l,lx d'
1:3:Jtre 6::..3C'~C
c) un crq~'i volLlme dlea~ frcide et U~ petit volu:ne jle3~ bouillante
fr~,.
0\ U~, Er'1::-~d -,}Ql:):,:€' d'2c:=-;)" b~'~l:::'l~_:.:j~:te r j ' ; : : , 9"-; volu:ne dICR'~ froide
f) d~~y valll~as §[~UX d'6RU, l'uLE b~~~J~_~~te. lls'ltre tiède
un ~~~'d v_}~~e d'e2J C
v ~~~e d!e~ll ch3~de
h) r cr'~rd volume d'83tl ch~~~ie et
_~~e j 1eAl1 glsc~e
i) 'j~IIX v:)lumGE ~ga'lx j'e3:1, l'
l ' '1'ltre Élac'~'e
j) ~:: ~r?~:j v~J.~~~e d'eai) glac \,·:::...l_,J~r:i,:;. d1;:-; L: c~a'Lie ~cde. ~';':>: v'~,l':..:.r:E':S e~----::2':X j t ~1-~'.ltre fr,,=.i,·:e JeT,':':' -'c'T'r' ) un Î ' ; :re à
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0 (' t"<- un l jtr:-:, ;~ ~ 0,'" ~ d~ ~ c ') U-
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,,",0 t un ~ l.C'o,~, ) " .~ -_. ""-',-4) a~3tre litres ~ 90°C et un J.itre ~ lo"r
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e te~-G2nes d e3 froide sur de~x fE-'lX ide:::ti':::l),:::~: "\T0 rI?
bçuillir~-t~elle ~n ~ [8
'-.---: I_.~~~,l':._
C:')i2,ini
te:~p:? '~: ;"YJ.TS b) en ~ê:~e te:~ps un ~t'~e V0~umc ril~ cr~::;e ,j~rç· _ln Dre~:
caf,:? ud, i'alc',Jol fort da:~s ~l!'; :1'2~e ,:&i L.~ '::(--:~:jt: l'alcool SJnt 4galo~e~t froids. Vo~s brassez. LeE de~lx caf0s se sont-ils refr~idis pareiller~ent?Pourquoi?
c) Y a~tr'"3-t-il 'ln C'3f,~ pl'J.s chaud ~11e l'a',.ltre si V~)'lS 3J ~ et nCID ;Jas :lD :-nê:;-;,:; vcl;J:~e';' Pourquoi?
a) VO'lS pli~cez ilne gr'3r.de et une petitè :<~'uillot'? d'8::;U c~ql,jde d,3:~S
de11x lits. ~eront-elles frJides en ~~~e te~ps? ?0urq~ci ?
b) Vous ae'1)' bcuillotes
da~s lits. J'une est le. ~era~t-clles froi~es e~
:e :nê,'r.e vc:l'~'TJe et .§ ,ql':~T.,="r.t c:;":'lli;:::,:~
lie --;:1'e'i
î-;1']
tr est re::Il~ ;::> ...;1-l'~ic) S~,
:-',1.
et :)~,s l~
c-.:.~r_
-':Jue:3ti·J":
S
a) ~rous S1l2Pl::r1,jt;Z ~3')r vot.re b,:-tlcoYl o:r,lJré3g'~' P::-{T une froide jcurrl'?8
d'hiver, une veste de duvet et ~ne v0ste de flan~118 POUl' les
aérer. Vous pIncez un ther~omètre dans la poche int&rle~re de
chaque veste6 Les valeurs ind~1uées par les ther~om~tres, dix
he~res plus tard, seront-elles ê[ales? Pourquoi?
b) Vous rép§tez l'op'~rationpar une chaude journée d'été. Les valeur2 indiquées par les ther~omètres, dix heures plus tard, seront-elles êgales ? Pourqloi ?
cl Vous mAngez une pizza q~i a été maintenue au chaud dans un four à 5üoC. La p§te vous ~pp~r~it-elleaussi chaude que les to~ateE? Pourq'loi ?
Question
6
al Vous placez er. hiver deux thermo~ètres, un dans une botte de pail-le, l'autre dans la couche de neige qui la recouvre. Les indica-tions fournies par les ther~omètres, une heure après, sont-elles égales? Pourquoi?
bl Une voit~re est stationnée à l'ombre depuis ur. jour. Sa carrosserie et ses pneus sont-ils égale~ent froids ? Pourquoi ?
cl Vous touchez de~x parois d'une même pièce qui sont de matières différentes. La première vous parait froide, la deuxième vous parait chaude. La matière de quelle paroi utiliseriez-vous pour vous protéger du froid ? et du chaud ? Pourquoi ?