MODELES PARTICULAIRES ET
APPRENTISSAGE DE LA MODELISATION AU
COLLEGE
Martine MEHEUT, C. LARCHER, A. CHOMAT,
M.BARBOUX
lIRESPT et INRP, Paris
MJ1'S ClF..s: Modèles part.iculaires- nodélisation- oollège
RESUME: De premières notions relatives
à
la st.ructure dl la natière acnt enseignées, dam di fférents curriculums,dès
le déb.1t de l'enseigneœnt seccnùaire. En quoi ces notions permettent--elles de oonstruire des nudèles ayant une forlCt.ion explicative OJ prédictive? Quelles activités d'élaboration et d'utilisaticn d'un rrodèle peut-a:l prq:Dser aux élèves? No.JS présentons ici deux déuarches l:L~gxJiques(nntrastées et exPOSCX1S les lignes direct.rices d'Wl essai réalisé dans des classes de oollège en France (13-14 ans).First notions about. structure of nutt.er are taught. in various curricllll~ns al:. the l>e'Jinnin<] of sec.'O<1dary Sdl<Xll. Is it fOSsible with these notiOllS ta hlil,j ex[>licatiw ar.l predicti~ noJels? \alat activities can "le offer ta the students in or,ler ta bJild and use ITOllels? lIe'll present here booQ
exanples of peda'PJical apprOi\ches and the Jreall directions"", haw chocaen fur an experimental teaching with 13-14 yeilr8 old student.s.
F:n paxtallt dl un eX'~llplt~, l'ensei9nesrent "du" nnœle atoniqL1e au a::>l lège, nOlis avons été <.n,.l,lits à fomuler quelY'le3 'l',estions qui Olt trait plus largement
à
l'ensei'jnelli~nt '},;'3 "o,],~les et ail développenent d'activités de lloclélisatim dans l'en'>ei'jnclœnt scientifique.1ère
plltie : Cadce épistéJJologi'llle 1.1 - tDièle po.Jr •••Une première dir(lct1001 d'ana lyse ,nncerne le dlillnp 8lvirique à pr0pc6 d.ique1 est développé le llodèle? Quels systèmes mxlé lise-t-cn 7 et plus précisément quelles propriétés de ce" systè,,'Cs peuvent recevoir 'lUe tradnctiO'l, Ule interprétiltioo clans le ca·1re du rrodèle prcposé ?
Nous cunsiolérols en effet, avec S. J3i\CHEIARD que "Le m::xlèle n'est rien d'autre que sa fonction . .. Halèle ~; lTodèle de, il renvoie à autre chose que
lui-nêne" (MOlEIARf) 1979).
La flotial de Ill:xlèle r-envoie donc
à
ce Ileœ
dlanp de référence errpidque constitué (il phéncll'ènes, <},; <i~ulI!'es, de résultats expédrrentaux. ces données, ces phénomènes sont des ='13tl-uctions, le l-ésultat œ ccnceptualisations antérieures "/\ "on ",vis, nous I~ rourralt! pruncncer lJ:le seule fhrase qui traduise en réalité 'Dl ~xu: fait d'expédence. Les 1I0t.s les plus sinples camejaLme, <:bu x , éllller, etc. qui sellblellt i"Jiq',er que de siJvles sensaticns, expriJ1-cnt déjà Je; oJ!lcept.s (l'U ont été foncés par abstractioo à partir de rrultiples fait.s (l'e~riences'' (BO(;r~,
cité
dans BADil'LARD 1979).La rroJélisation apparaît Jonc COTlœ la mise en relaticn cE deux niveaux de deSCriptiOfl Ù'W1 référent. Les questions utiles ne sont plus celles
œ
l'objec-t.ivité OJ .\i, la vérité d'lU nDdèle Illais celles de sa cohérence logique et de son éCCXlOlilie (qualités syntaxi'lues), de son fXX.Ivoir explicatif et prooictif, de sa falsifiabililé (qualités sé[[antirjues) (I)PllIJ'TRE 1979 - 11ALLI5ER 1977).l . 2 - t'bdéliser
fhléliser suppose dJIIC 'l.le l'on s'appuie :3ur Lnle œscription préliminaire œs systèmes et !*lénonènœ et Cjll'on Lui fasse =rrespcndre llllC deuxiè,re description
(llodèle du systè;œ, sillulation dl (lhér\C(~ne).
Les i'lctivités de m:xlélisaticn peuvent se situer
à
différents niveaux. Elles pellvent être pUn,jfCllt synlaxi'juet! : il s'aqit alors, ccmre le mt fort jolirrent R. 't'Ir:tl, de "fa tre juuer" le [[Dlèle, c' est.-à--dire de le faire fcnctionner suivant ses prqxes ro~jles. Ces activités syntaxiques peuvent apparaît.re cx:J[lre seo::nùaires, périphér iques, [Br rapport à la nodé lisatiCl:1 elle-nêrre.Des activités plus funclillœntales III [Dint ,È we
œ
la nodélisation l'Ortent sur la mise en relaticn de deux niveauxœ
,1escription, de deux lanqaqes, elles peuvent. être (jUëll i fiées <},; sémantiques.Ces activités {Uuvent êtr-e centr-ées sur- l'investi'jation éll dlalTp Je r-éférence: étant donné LUl m:xlè le, dont les r-èyles de fa1ct ionnement sont hien pr-écisées, quels phénomènes, 'l'.lelles situations V-d-t~ p:>ul.Gir- décrir-e, inter-pr-éter-, expliquer à l'aide Je ce nndè le ? (',omnent s illuler U1 no..lVeau fhénŒène ? L'inter-prétation
œ
rowe·3.UX [ilérarènes peut également cOllduir-eà
faire él.Gluer la syntaxe du llDC!èle,à l'enrichir, à la préciser-. Peuvent se poser égalelrent des questions relatives aux limites du cbllaine (i~ validité du nndèle dlOisi. Sans vouloir cal'itililer des caté'):>ries exclusives OJ exhaustives des activités auxquelles mrme liell la froJélisation, en ne {But nÉ>:Jli,]er un aspect qui consisteà
choisir le langage à l 'aide d~1"1el on construira le nndèle. Cette activité peut être vue, dans 'Ule per-spective erpir-iste, <XlT1le une activité d'induction à partir de l'expérience. Une perspec'tive moins elTpiriste conduità
faire intervenir ici cl'autres sources, qu' e Hes soient psychologiques, sociolO<JiqueB ru histori'!ues.2ène partie : L'tNSEIrntMENl' 0'11'1 PRl'MIER MJOELE PNUIOJlAlRE lE lA ~IP.RE Pt'lJT-IL ErRE [,'CJO:'ASICN D'AC1'lVlTES lE H:lIJf:LISIITlOO ?
2.1 - Etude de deux exenples
L'analyse porte sur des na nue Is français (classe de 4èrœ des collèges) et écossais (Science for the 70' s - Science 2(00); elle ccxlcerne:
- le oollTaine Œ référ-ence: situations expérillentales, niveau de description; - les m:x'lèles présentés: leur syntaxe, leur pertinence par raf>IXJrt au d1anp de référence;
les activités pr-O[Dsées aux élèves, leur place dans l'apprentissage du rrodèle.
2.1.1 - rEns le "Scottish Inte<]rated Science Ccurse"
Le m:x1èle repose sur un lexique restreint: atone et lwléo.tle. La structure in-ten1e de l'atonE n'est ici pas abxdée. le dlarrp de référence est =nstitué pH des phéllonènes [~lysi'1ueset dlill1i'111es. De lUnbr-ellses expériences sont prqx::osées, le niveau de descriptiŒl de ces lnénollènes reste cependant pal explicite. n;,ns les éditions 1970, la délTlardle pédagogique est assez précisément explicitée; l' i'\ccent est nùs sur l'activité des élèves. activité expérimmtale et indllcL ive :
"Objectif nOI1: Capacité
à
utiliser Wl raisOtmenent inductif pour =nstruire lIDe théorie de la structllt"e lE la nfitièreà
partir d'observations expérimentales." "Les élèves font des expériencesà
par'tir desquelles ils arriveront à la ex)nclusion que la neilleure explication de leurs observations est que lalTliltière est péirticulaÜe. "(MEE 1971 p.69)
cette déll1an.:he inductive, les activités d'infécence étant <XlIlSidérées a::Jnne pacticuliècaœnt diEficiles ('II'rUŒLL et KF:LLPnral 1982).
2.1.2 - D3.IlS les cx>l1è']es Ecançais
[\:! IDll~)(euses cel'césent.'ltion,q sont pcésentées silTUltanénent: elles
=crespcodent
à
diEEécents nuJèles: m:xlèle de billes dures, nodèle <le Rd1r, de Rutherford, de :><.lllœrfeid. lIodèle probabiliste (pacfois superflC6és S'lI" une mêneimaye). Le le>ei'ille est ciche : ataœ. lX7fau. électcoll. ion (parfois lIOlécule. l'coton, nelltron).
Le refécent est vagte: "'T'olte lIatière est o:JllStituée
à
partir d'atones"; la descciption empirique <les phénc...~nes est effe<..'luœ en des tenœs peu pcécis sur le plan ccl1ceptuel (le <XJUrant p'lsse ou ne p:lsse pas; du cuivre dispacait puis réappacait. .. ). Les nDièles n'apparaissent (Illetrès
pactiellesœnt explicatifs du (XJrp::>rtellent ,iès sysLèlles lrodélisés.Les IIY:ldèles, cidles au niveau dl lexique, sont assez pauvres syntaxiquenent (quelles SOllt les '1listoires" p:>ssibles pour les atones, électcons ... ?). Ils ne répcndent que peu à la déEinitial de S. RACHPJARD "si l'on ne considère pas
le m:x1~le p::Alr soi, on lui clenande de fonctionner par ooi". L'objet
d'ensei-gnement sellÙJle ici êtce le lrodèle lui-m~Jne, ccmœ objet doté d'un caractère bien réel "1 - Réalité de l'atan~: .... l)e :ns jours, la réalité de œs
parcelles, appelées atanes, n'est mise en doute par personne.
car
physiciens etdllinis tes ont accunul,j un grand narhre de preuves expérlirentales de leur existence" (QUROJZE 1979).
2.2 - Essai
2.2.1 - Modèle et challp de référence
Nous avons, dans une [j1ase exploratoice. retem quelques situations citées dins la l ittér-atll re <.D'liB susceptibles de penœttre la présentation. \Oire l'inductial ctu caractèce discret de la matière came réponse à des questiCilB sur l'"xistence ,j'un" limite
à
la divisibilité. Les entretiens et question-lu,ires. uti lisant dèS Situ3.tiollS de dilutions successives. de diffusion s81ective à travers Wleru
rai , d'étalerrent limité d'une g:>utte d'huile. de c'Ontr-action \UlumÏ<lue du nélan']e eau-alccol. noos ont IIDotréqlle ces (i"lénarènes ne suscitent lBS dlez les élèves de descriptions en te mes de discontliluité de la matière des pcopriétés maccoscepiques leur suffisent pour décrire les situations de diffusion, de la g:>uue d'huile ou de la <XlI1uaction wlumique ; C<l se heurte ,lalls le cas des dilutions su=essivesà
des problènes différents liésà
l' expérience de pensée. Par ailleurs. d:UlS une œscription micros-copique de ces ~Iénarènes. le seul caractèce diO>cret de la matière est toutà
fait il1Sllffisê1nt. r~1 <:bit en fait utiliser lili IlDdèle plus élaboré dms le:Juel les différences ent.re particules, les diffécences dans leur organisation et les différenc<'s ,ilns l,~urs intecactions ,bivent être prises en cx:npte.NaJs aVOns ,UlIe jlj,]é préférable de rClis Urniter
à
quelques situations que les élèves ont pu reno:>l\trer tÈns les classes précédentes, et [)()U[" lesquelles lne descriptiUl micr';.6ccpique à l'aide d'un lIudèle sint)le est [x>ssible: cœpres -sions, ciilatat ions, expansions. chan<jetooJlts d' éta t, rœlanges.Tes résultats fie la phase exploratoir-e OCllS cnt détel:minés à introduire a priod cert.aines caractéristiqucs cil Iludèle: la matière peut être représentée par un enserri>le de particules qui ne sc CXAlpent pas, de diIœnsions. fome et masse invadantes. Tes élèves ont ajouté les propoeitions suivantes:
une espèce de particule o::>rrespond
à
une substanced:>nnée,
les particules sont plus ( l i noiœ espacées suivant l'état physique.
les particules sont plus al noins liées, plus 01 llOins él<]itées suivant l'état physiq'le,
les lft!1:icules se o:>nserveJlt lors ct'un dlangeœnt d'état. 2.2.2 - ~ctivités de modélisation
Olaque situil.tion expérimentale étudiée a d:>nné lieu à une œscription n"Elcros-o:>pique discutée par la classe et in.. titutionnalisée par le professeur en tenœs de colpression, expulSion. évaporation. variatiUl du \Olluœ. ŒlClSer-vation cie la matière, de la masse. Les élèves ont alors été invités
à
repré-senter 1"1 situation oLGervée en utilisant le rrodèle particulaire puis à traduire verbalenent leur dessin en mettant en corresp:>ndance tel aspect 116croscopique et tel aspect microscopique. Les représentations pr~sées [ar les élèves ont été ensuite saurU.sesd.
la discussion : cette discussion a porté tout d'abord sur la <x>nformité au lTOdèle de ces représentations. puis sur le caractère signifiant 01 nen signifiant de certaines propriétés des synt:oles graphiques (fonœ CJJ COlleur par eXeJlple). O1<'Gue proposition ainsi élal::orée lors de la dis<..'Ussi<n par les élèves a ensuite été institutionnalisée par le professcur. Notons que, llE.lgré le caractère statique des représentations, le nuuvenent des p;uticules a été prqXJSé [ar les élèvesà
partir œ la lecture de dessins successifs rendant call'te de l'expansion d'un gaz: (Voir [X>5ter"Introluctial d'lUI rrodèle particu!;Üre au collège" C.lAROIER et al) 2.2.3 - !1éUlo},ÜoJie d'observation et d'évaluation
L'échantillol sur lequel porte l'étude est constitué de 14 classes de 4ène de collèges de la ré<~ionparÜÜenne (envircxl 400 élèves). cet échantillon n'a pas été (x)nstitué en fonction de S<l représentativité nais de la nutivaticn des ensci'Jllants les caractéristiques scx::io--culturelles œs =llèges a>ncernés sont cependant variées.
L'apprentissage s'est JéraJ1é pendant 6 semaines
à
raison d'une heure et demie par serœ.ine, soit environ 9 heures. Cette durée est nettemmt supérieure à celle habituelle"~nt o~acréedans cette classeà
la présentation de prerrueres notions sur la structure de la nfltière, les activités de lTOdélisation étant peudéveloppées actllellewent ,hns les =llèges.
Préalahlenent à l'apprellti3s~'Je, nalS aWllS, par un questionnaire écrit, recuei 11i nes infomations sur les deGcdptioos des situations retenues effectuées [>'lr les élèves. Ces infonœ.tions visent
à
préciser lÈœ quelle rcesure ces descriptions sont a<léquatesà
la nudélisation qui est prcposée età
repérer d'éventuels obstacles à ce niveau.Au cours des séances d'enseignement, des traces écrites des activités de lTodélisation (pnxluction, traduction verbale, critique de repréaentatiŒlS sYllboli']Ues) COlt été recueillies dms toute> les classes.
r:ans
troie classes, les séances ont été enreoJistrêes Cl.l1 magnétophone et la présence d'obaervateurs "l pennis de suivre plus particulièrellent les discussions de quelques grOupes d'élèves.Al' issue <le cet ilpprentissage, ~s avons évalué les a<X}uisitions en terne de descriptioo IMcroscopiLjl1e des pléncmènes étudiés et d'utilieat ioo clJ rn::>dèle particulaire. Les activités sollicitées lÈns les questionnaires d'évaluatioo sont i<lentiq'leB à celles dévelCflpées en classe production, critique de représentations synroliques, description verbale à l'édlelle ITBcro et/O].
microscopique. V>..s situ'ltions physi'1lles nodélisées sont pour la plup:l.rt des situations déjà renL.'Ontrées par les élèves en terne de descriptioo IT<icroscopique (dilatation, fusion ... ). L'analyse des rép.:mses sera effectuée dans les directions suivantes: dans quelle nesuce les élèves oot-ils respecté les règles inposées7 Ont-ils réutilisé ce nodèle, spontanéllent 01 non, de facpn pertinente [»Jr décrire, expliquer, prévoir, dans des situations I1C11velles?
REFERENCES
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