ARTheque - STEF - ENS Cachan | Force et mouvement : approche didactique à l'aide du logiciel Vecteurs en physique et mathématique

FORCE ET MOUVEMENT : APPROCHE DIDACTIQUE

À

L'AIDE DU

LOGICIEL VECTEURS EN PHYSIQUE

ET MATHÉMATIQUES

Christine SOLOMONIDOU·, Hélène STAVRIDOU·, Maria GRIGORIADOU··, Dionyssis MITROPOULO", Maria SAMARAKOU··

·Université de Thessalie, Dpts Pédagogiques ··Université d'Athènes, Dpt d'Informatique

MOTS.CLÉS : LOGICIEL PÉDAGOGIQUE VECTEURS FORCE ET MOUVEMENT -CONSTRUCTIVISME

RÉSUMÉ : Le logiciel

Vecteurs en Physique et en Mathématiques

est un environnement exploratoire multimédia que nous avons développé pour aider les élèves à construire un savoir scientifique opérationnel pour les vecteurs et certaines grandeurs physiques vectorielles. Le scénario 'La Poste' qui est décrit explore les relations entre force etmouvement et vise à aider les élèves à réorganiser leurs idées initiales.

SUMMARY : The software

Vectors

in

Physics and Mathematics

is an exploring multimedia leaming environmem, which we have developed in order to help studems construct scientific operational knowledge about vectors and some vectorial physical entities. 'The Post' scenario explores the relations between force and motion, its aim being to help students reorganize theirinitial

ideas.

1.

INTRODUCTION

Inspirés par des théories constructivistes et des données des recherches en Didactique de la Physique et des Mathématiques, nous avons développé le logiciel éducatif 'Vecteurs en Physique et en Mathématiques', qui est le résultat d'un travail de groupe financé par le Ministère de l'Education Nationale de la Grèce. Il s'agit d'un environnement exploratoire multimédia intégré, visantàaider les élèves de 14-15 ans à se familiariser avec les vecteurs, à réorganiser leurs idées initiales et construire un savoir scientifique opérationnel par rappon à cenaines grandeurs physiques vectorielles. Le logiciel est constitué de cinq unités, dont chacune comprend un nombre des sous-unités (chacune est un scénario) (voir Tableau 1).

Tableau 1

a/a Unité Scenario

1 «Position-Déplacemenb> «Aller à la Pêche», «Préparer un Voyage»

2 «Mouvement» «Quel Bateau Va le Plus Vite?», «En Voyageant», «Tapis Roulant», «Sauvetage du Nageun>, «En Jouant du Golf»

3 «Forces-Equilibre» «Des Corps en Equilibre», «L'Escaladeur»

4 «Forces-Mouvemenb> «La Poste», «Des Corps qui Tombent», «Loin de la Terre»

5 «Forces-Elan» «Des Chocs entre Corps»

Pour chaque scénario, nous avons développé un micromonde spécial, comprenant des outils de création et de manipulation des vecteurs et nous proposons un cenain nombre d'activités pour les élèves. Le logiciel est accompagné d'un livre d'activités pour l'élève, "d'un guide pour l'enseignant et d'un manuel d'utilisation.

2. LE SCÉNARIO 'LA POSTE'

Plusieurs recherches en Didactique de la Physique ont mis à jour les difficultés des élèves à comprendre et utiliser la deuxième loi de Newton à des situations de mouvementetde changement de mouvement qu'on rencontre dans la vie courante. Plus spécialement, les élèves ne peuvent pas concevoir le mouvement rectiligne uniforme de façon scientifique et pensent que quandily a un objet en mouvement il y a une force constante qui s'exerce sur l'objet. Les élèves ne font pas la distinction entre la force qui s'exerce sur un objet immobile juste pour un moment et le met en mouvement, etla

force qui s'exerce constamment sur cet objet pour une plus grande durée de temps. Quand l'objet arrête son mouvement rectiligne, ils/elles considèrent que celui-ci s'arrête parce que la force qui s'exerce diminue constamment et s'use complètement le moment où l'objet s'arrête. Ces élèves se

peuvent pas reconnaître que dans ce cas la force de frottement est la seule qui s'exerce sur l'objet, et que celle-ci agit en sens opposée du mouvement

Nous avons développé le scénario La Poste' pour aider les élèves à aborderlaquestion delarelation entre force et mouvement à travers des activités qui leur permettront de réorganiser et modifier leurs idées initiales. Ce scénario constitue un environnement interactif et ouvert d'apprentissage. puisqu'il permet à l'utilisateur de faire des prévisions, de donner des explications et d'exprimer ses idées par rapport à un certain nombre de situations de mouvement delavie courante. Le programme permet

à

l'utilisateur de tester ses idées personnelles en étudiant l'influence des différents facteurs sur le mouvement de l'objet (masse de l'objet, surface de frottement, grandeur et durée de l'application dela

force exercée sur l'objet).

Au début du scénario à l'écran de l'ordinateur apparaît une rue devant un bureau de poste et un garçon au bout de cette rue. En bas et

à

droite de l'écranil ya deux boutons.

En

cliquant sur le premier. les objets, c'est-à-dire trois coffres de masse différente (2, 4, 8 Kg), se font présenter devant la porte du bureau de poste. L'élève peut choisir un des trois coffres et, en cliquant sur son image. le coffre se situe devant le garçon. En cliquant sur le deuxième bouton, une fenêtre apparaît permettant le pilotage du mouvement de l'objet (voir Images 1 et 2). Àl'intérieur de la fenêtre du pilotage du mouvement l'élève peut choisir:

• la force que le garçon va appliquer sur le coffre : cette force peut être exercée sur l'objet soit juste pour un moment (coup de pied) soit pour une plus grande durée (poussée continue).

• la grandeur de la force exercée sur l'objet,

• la qualité de la chaussée de la rue : ciment. carrelage ou glace.

• l'apparition des traces du mouvement de l'objet et l'intervalle de temps d'apparition des traces, • l'apparition des diagrammes s-t, v-t, a-t.

En cliquant sur les boutons en haut de la fenêtre du pilotage, l'élève peut faire commencer le mouvement de l'objet, le faire arrêter, le faire arrêter à un moment donné et ensuite continuer son mouvement ou retourner à sa position initiale.

Pendant le mouvement le programme calcule trois grandeurs relatives au mouvement : le temps (en secondes),lavitesse (enmis)et la distance (en m). Les valeurs de ces grandeurs apparaissent sur trois conteurs à l'intérieur de la fenêtre du pilotage. Juste en dessous, deux autres conteurs mesurent la force du frottement et la force exercée sur l'objet. En bas et à gauche de l'écran il

y

a un espace vide où l'élève peut dessiner les forces exercées sur l'objet

à

des moments différents de son mouvement en utilisant les outils de manipulation des vecteurs. Ces outils permettent à l'élève de dessiner un vecteur, de le déplacer, de changer sa longueur ou son orientation ou de l'effacer.

Quand l'élève finit son travail de représentation des forces, il ou elle peut tester ses idées et prévisions de la façon suivante : iVelle peut arrêter le mouvement du coffre à un moment donné et provoquer l'apparition de vecteurs de force en cliquantàcôté du symbole F en bas etàgauche delafenêtre du pilotage. Ensuite iVelle peut comparer sa propre représentation des forces avec celle qui apparaît sur

l'écran. Par exemple, à l'écran de l'Image l, l'élève a choisi le coffre de 2Kg et le carrelage comme

grandeur de la force (petite, moyenne ou grande). Le programme lui donne la possibilité de voir la valeur exacte de la force choisie en touchant avec la souris sur le conteur de la force à l'intérieur de la fenêtre du pilotage (746 Nt). L'intervalle de temps choisi pour l'apparition des traces est de 0,5 sec. Le coffre fait un mouvement rectiligne et s'arrête après un temps qui dépend de la force initiale exercée et de la force du frottement (16 Nt).

En comparant la représentation des forces de l'élève et celle donnée par le programme, on peUl constater que l'élève a dessiné une seule force sur l'objet, la force de la poussée, et non pas la force de frottement. Les élèves peuvent effectuer un certain nombre d'activités qui leur permettront de comprendre le mouvement d'un objet sous l'influence d'une force initiale qui agit pour un moment sur l'objet.

Image 1. Mouvement du coffre sous l'influence d'une poussée

Ensuitepard'autres activités ils/elles peuvent saisir la différence entre le mouvement précédent et celui que l'objet fait sous l'influence d'une force qui agit constamment sur l'objet (accélération). Pour attendre ce bUll'élève peut reprendre la situation précédente et, en choisissant celte fois une force qui

agil sur l'objet de façon cOnlinue (voir Image 2), iVelle peut étudier et comparer le mouvement de l'objet, les traces, demander l'apparilion des vecteurs des forces, voir les diagrammes, etc.

Une évaluation formative du logiciel a été réalisée auprès des élèves d'une classe de collège et avec des enseignants de Physique et des Mathématiques. Les résultats de celte évaluation ont été pris en compte pour améliorer le didacticiel. L'évaluation finale sera effectuée dans un nombre d'écoles grecques avec des élèves de 14-15 ans.

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Image 2. Mouvement du coffre sous l'influence d'une force continue

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