SCIENCE COGNITIVE ET DIDACTIQUE DES SCIENCES EXPERIMENTALES
Michel CAILLOT L.I.R.E.S.P.T. Université Paris 2 Place Jussieu 75251 PARIS Cedex OS Résumé:
D"ctuellement le développement de la didactique des disciplines 8';t rt0ut [e fa it der e che r che5 e mpi ri que5. r..1 ai5 de p ui s que 1que5 a nIlées, JP.5 chercheur" en didactique ne peuvent plus ignorer un domaine fiOUVé8U de recherche ;:-Jppelé "Science cognitive". lette Science cognitive se veut éJU point d~ reflcorltre, entre aulre, de la psychoiogie cognitive et cJe l'intelligerlce Hrtificielle. La cJidact'rque qui s'occupe de l'acquisition de cUflnaissance doit prendre en compte la structur8tion du saVOir chez J'apprenarll, comment le sujet a accès en mémoire aux connaissancf'S déjà acqui.~e5 pt comment jJ les traite, cam menl de rlQuvelles cannais-e, "Il ces s' agrè g erit 0ure m pla c ent 1e S fin cie n n es, com fTl e nt 1es pro cédur e:; '>ont disponible". pour rÉsoudre les problèmes, etc. La cOrl5idératiorr de ce:; différen élémerlls pour construire en séquences didactiques doit ;JlnE, rie r à ce que cc rta in sont 8Ppelé une ''1n génie rieli.
Nous présenterons dans ce papier des exemples où les concepts de la psychologie coqnitive perlTlettent d'éclairer des situations observées iors de la résolution de problème en électricité. Nous montrerons aussI lIn C'x.:emple d'"lngénierie cognitive" sur une possible structuration du savoir en électricité qui far:ititerait la résolution de problème.
l - INTRODUCTION
La didactique particulière à une discipline s'occupe de la transmission d'un savoir hautement spécifique. Elle doit prendre en compte d'une part les caractéristiques propres du sujet à qui est destiné l'enseignement et d'autre part les caractéristiques internes de la discipline considérée. Or depuis une dizaine d'années, la psychologie cognitive qui modélise le traitement de l'information a bien délimité les caractéristiques du système humain de traitement de l'information (par exemple les tailles et les caractéristiques des différentes mémoires). L1intelligence artificielle, dont une des tâches premières est de simuler le
en mémoire. Pour ce, comportement
connaissances
humain, eu d'autre part à s'intéresser à la structuration différents modè 1es ont été ut i lisés. Mais
des leur point commun a été d'associer savoir procédural (procédures, heuristiques, savoir-faire) au savoir déclaratif (les faits, les évènements, les assertions, etc). C'est ainsi que certains ont pu représenter les connaissances en mémoire sous forme de ltschémasll
(1), de "frames" (2) en encore de lIscr iptsll (3). La rencontre
ent re la problémat ique des chercheurs s' intéressant au fonctionnement cagnit if et celle des chercheurs en intelligence artificielle a abouti à un nouveau champ disciplinaire appelé "Science cognitive".
Actuellement certains se posent la question de savoir si les contraintes liées d'une part au sujet et d'autre part au savoir considéré ne nécessitent pas des recherches appliquées ou prescriptives. Cette approche volontariste qui a pour but de modifier le comportement habituel de l'apprenant conduit h ce que certains ont appelé l' "Ingéniérie cognitive humaineIl (4) ou encore "Ingéniérie
didact ique". La concept ion de s~quences cl'enseignement, l' expérimentat ion d'apprentissage sont des conditions ext~rieures parfaitement contrôléesl ou encore les différents projets d'E.A.O. dits intelligents (6) montrent qu'une nouvelle approche des actes didactiques est en train de se mettre en place.
Nous montrerons ici à travers des exemples pris en physique comment des concepts particuliers de la psychologie cognitive tels que la notion de schéma (1)
et de prototypes éclairent àes situations didactiques. Les activités choisies sont relatives à des activités de résolution d'exercices d'électricité. Nous montrerons aussi comment la réflexion sur ce qui doit être une résolution de problème réussie en électricité aboutit à le conception et ~ la production cl'une base de savoir
hiérarchis~e) structuration du savoir totalement différente de ce qu1
0n trouve habituellement dans les manuels d'enseignement. Ce type de travail, bien que
2 - SCHÉ~iAS (UNITÉS DE SAVOIR) ET RÉSOLUTION DE PROBLÈME
RUf-ŒLHART (1) suppose que les connaissances relatives aussi bien à des faits de la vie courante qul~ des matières d'enseignement sont structurées sous la forme de ce qu'il appelle des "schémas". Il précise que ces schémas sont les blocs sur lesquels est construite notre connaissance. DIaprès NORMAN et al. (7)J un
schéma fournit un cadre où différents éléments cl1information sont reliés pour constituer une unité conceptuelle. Il consiste à la fois en énoncés des principales propriétés de l'unité et en règles de choix et d'utilisation de ces propriétés, c'est-à-dire qu'il associe savoir déclaratif et savoir procédural.
A propos du problème ci-dessous donné à des élèves de classe de 2ème
3.'1.
---+
l,SA
r
~
2A
Trouver les intensités dans BCJ
GB, DF. CF.
nous avons été capables de montrer que la loi de conservation de l'intensité du courant était structurée sous forme de différents schémas (8 et 9):
- un schéma de circuit canonique où la loi de conservation est associée à un circuit ayant une forme spécifique. Ce circuit est constitué d'un circuit principal (la partie contenant la pile) et de dérivation (2 branches en parallèles). La loi est alors Iprincipal
=
Il + 12 Les élèves utilisent uniquement ce schéma même lorsque le circuit est très différent du circuit de référence.- un sc héma Intensité / Tension où dans cette unité de connaissance les élèves ne retiennent qu'une relation mathématique d'addition ou d1égalit.é saus savoir si la relation s!applique à des tensions ou à des intensités. La loi de conservation est alors mémorisée juste sous la forme d'une formule sans que ses conditions d'application aient été incluses à l'unité de savoir.
- un schéma de noeud électrique. C'est le schéma qui contient le maximum d' in format ion. Il est suffisannnent général pour Siappliquer tout problème cl'électrocin~tique. Il comprend une relation mathématique (en
l'occurence une addition) qui s'applique à plusieurs grandeurs
parfaitement reconnues (les intensités) en un point précis (un noeud électrique) de tout circuit électrique. C'est ce type de connaissance que possèdent les professeurs considérés comme des experts et les élèves qui réussissent ~ résoudre l'exercice.
3 - L'EMPLOI DE PROTOTYPES DANS L'INTERPRÉTATION DES DESSINS SYMBOLIQUES
En sciences expérirnentales,on utlise largement les dessins symboliques. C'est un moyen commode de présenter sous une forme réduite une grande quanti té cl'information. Mais au delà du dessin propre, le signifiant, il y a toute la sémantique du symbole représenté. Les sujets doivent "comprendre" ce que le symbole signifie.
Aussi en électricité, le schéma du circuit électrique donne des informations sur les propri~tés de relation entre les divers ~léments composant
le
éircuit. Au delà des conventions utilisées, les élèves doivent comprendre que seule la topologie du circuit est importante. A une disposition particulière des composants peuvent être associées des formulations simplifiées des lois de l'électricité. C'est ainsi que les circuits série ou parallèle ont un statut particulier dans l'enseignement. Les lois de l'électricité prennent alors des formes simples :l'intensité est la même dans des éléments en série,
la différence de potentiel aux bornes d'éléments en parallèle est la même. Mais au delà de ce contenu profond, l'habitude est de représenter les éléments en série sous le dessin suivant
Dipôles Résistances Piles
A contrario, des ~léments dessinés alignés ne sont pas forcément en série, ni des
~lémenl. dessiné. parallèles, en parallèle.
L'enseignement fige les formes canoniques dessinées ci-dessus. Ces dessins deviennent des prototypes du circuit série Ou parallèle et les propriétés électriques des deux types de circuit sont complètement occultées. La psychologie cognitive (l0) nous apprend que le. sujets utilisent plus facilement les prototypes comme représentants des catégories considérées. Donc ici, en situation de
résolution de problème, les élèves reconnaîtront plus facilement des circuits ayant des éléments dessinés alignés/parallèles comme des circuits série/parallèle même si d'un point de vue physique les circuits ne sont ni en série ni en parallèle.
Si on donne ~ des étudiants de 1ère année d'Université les schémas de circuits suivants: A 16SL 1
s "
2Sc-' - 1
A 1l
ç
2SlD-'1.
~~
,
4~1
$12.Jl-r
li
e>--'L
4SLy12JL
9-"Z.--rr
~ç:
B / / 1 A Bet 51 on leur demande de calculer la résistance équivalente, on trouve les résultats suivants:
- circuit 1 - un étudiant considère que les deux résistances sont en parallèle alors qu'elles sont en série;
- circuit 2 - 4 étudiants considèrent que les r~sistances4 et
SJL
sont en série ou que toutes les résistances sont en série; - circuit 3 - 4 étudiants considèrent que les couples de résistances 2 et4JL et 3 et 12Sl....sont en série;
- circuit 4 - étudiants considèrent que seules 3 et 6
J"L
sont en parallèle et que 5 etzSl...
sont en série, ou bien que 18.fL est en parallè le avec toute combinaison desrésistances.
autres
Cette expérience montre bien clairement qu'au niveau visuel, les étudiants utilisent des prototypes et qu'ils ne comprennent pas ce que signifient des éléments en série ou en parallèle.
4 - VN EXEMPLE DE BASE HI2RARCHIStE DE CONNAISSANCES
Quand on considère une discipli,ll', on s'aperçoit que la connaissance du savoir déclaratif ne suffit pas. Les exemples précédents montl-4
ent bien que les savoir-faire sont tout aussi importan:s. Un ~nseignelnent efficace doit donc p~endre
en compte la tr.:H1smission des connaiss3nces procédurales. A cÔté des procédures générales (heuristiques générales) qL:i s'avèrent dans le domaine scientifique en gé.néra1 bien insuffisantes, il existe tout un domaine de savoirs procéduraux spée ifiques qui sont dissémtnés tout au long de li enseignement, sans jamais être explicités et encore moins enseignés. Sp.uls les meilleurs élève': sont cap.'lhl'~,,"i d'acquérir ces savoirs impJicites. Par eX'2mpll-~, Je seul moyen act.uel dtapprencire à résoudre des problèmes est d'en faire le plus possible. D'où l'écL:;sicn chez je
~diteurs de toutes les cnll~ctions i1annales, de corrig~s de problèmes ou
dlcxercices~ ecc. L~ p~:incip(~ 12n est qu'~ c~aque él~ve s"= conS7:"it~l;-~ la OlT:;; ?:"a;îd,~
hLbi liothèq!J€' dt: pr;)[-,1è:nes ;~n ~~sp2rant quI.:: L~ jour Ôu cuntrôle. ~ê prn:;lèI-;"!E' ait déja été vu partiel12ment O~J f-"l totalité. Cb. .J. dr),)C en. fait \.i.e:: ens~·i:sn'~rrH_>nt qui privilégie une structuratiocl de.:'; conna.issances SL)tlS fDrme d..? :::~-=hé,r;3S h2 1,!-::ement spé::ifiqueB au lieu d'avoir un~ stuctu.rat.ion suus forme de SC:-,é:T1B,q suffisaml'';1ent
cor:.n.aiSS3nces dans LTI dO'113.1.ne lirt~i.té améliorait lèS ':)~~r·for'TI:::nC2s +:: r<;~!';,)lljt.,:on ,les
sujets. Au SO:1l111e.t de la hiéracchie se trouve clio savoir très géné!"al j;:> type qualitatif, aussi peu formalisé que possible. A mesure quloe: desce:-Jd dans la hiérarchie, on introduit par affir18ments successifs un savoir q\~1ntitatif(lois
rt-~la.tions). Tout en bas de 13 hiérarch-Lè on trouvE' It:~s cas pai.ticulierso A chaque
niv,~a.u de la hiérarchie) la quantité d'info:l::"rr.ation introduite re::;te !,3iblf<. Ainsi
une basp hiérarchisée de connaissances facilite le :;-appel en ;némoir~ d~
l'inf()rmation. La résolution de problème se trouve alors facilitée Dar l'err:ploi de différentes représpntations. REIF (12) a montré la possibilité d':..me telle basc' de-savoir en mécanique.
Nous présentons une base semblable pour l'enseignement de l'électicité et d'2S circuits électriques (voir Fig_). Sans entrer dans les détai 18 qui seraiènt er: dehors des buts de ce papier, nous remarquons qu'au nivea:..l le plus élevé j,~ le. hiérarchie des connaissances, le savoir appar.g,it sous uot' f,)rme qUd] lt2tive; u;(
BASE DE CONNAISSANCES SUR LES CIRCUITS ELECTRIQUES
S~'!voir géné.ral
Cludlitatif
Systèmes de charges en interaction dans des.
sys-tèmes rnacroscoDiques SYSTE~ESMACROSCOPIQUES CIRCUIT
/ \
Descrip- PrinciDes tian lois de Kirchhoff Relation ~s cripteurs DIPOLE Entrée-Sortie\
/
Descnp-teurs/
\
ELECTRIQUES Interactioni
1'JI
différents niveaux de description >;avoir qUJrr-titatif RI ~ V+E ~ particuliers CAS PARTICULIERS -résistance purefon:::'i,1]1,1(:'l (! n>-"~ -~12'ITH' ...
-' 1;;r <~;l';:::' :-J..ri
: l l,' j,t.::, Jl,)c.s
En:ln au b3S Cl:;' la
hi'~r]rcniv., ni, tfl,lIJV'--' les cas j),''lrt tCllliers d'2"s circ:uits sp(.ci fi'lues) co;nmc~ ll"s
circuits St~Li.' (Hl yarallè'L', avpc leurs rel<ltions fonctionn~lles et to?üLygiques partlculièrc,;.
On v()it qUI' dail:::; C'~,tt,:, base di' conn.Jissanc .... s relariv'2s <hl;>; circuits, ri'~'.n [l~:' r~nf(lrcf> 13 tcnd.:lTlce considt"rer cert.:Jins circuits com'Ile des prototypes. L'JCCellt e:-;t miS :111 contraire sur de:; schémas généraux (Je COf1i1als~:;;ance::; qui peuve'1t être instanciés d:'lns de nombreux C35. NOliS devons souligne.r qu1
une telle stucturatioo (111 s3voÎr ne se retrol\ve III d-3ns l'enseign'~!"!"H-"nt actu~l ni délnf; les Inanuel~ Jisponihles sur le march4.
Il est évident qu':1U stade Actuel de notre recherche, rièn ne nous dit qu~
ce, mOc!'21è di' conn.:JlSs.:J.nC~S dans un d<Jfll,:JinÇ:' particulier de 13 physique SOlt un
m00èTe UnH!Ue et efficace. Disons au~ c'~st un modèle plausible basé sur des c3ractt5:-isriques rS'yc:.hologique..~; ries sujets humains, sur ce qu'on sait de de leur fonctionnement cognitif ainsi que sur des r~cherches menées parall~lement ~n
lntclli~,ence artificiêlle. Seule l'éprèuve d~ l'exp~rimen:atio:lèiriactique pourrd
nous dire S~ une telle base de connaissances am~li0re l'enseignement de l'électricité.
5 - CONCLUSIONS
A travers les trois ex(~mples présentés , tous ?';~5 dans 1(' .JolTlainr. d~~
l'{le~t-ricité. nnllS ;-ivons voulu 1Ti')ntr~~r C{)!TlJn'~nt la did.'1ctiqur~ p;)uvai::: s,,= trau'/cr
éc lairéè sous un jou," nOUV2J.U par- L:: sciencp cognitive. l'o.. nos ~,r~ux. };j r.id2C~iqut' en [>lus
a
des dOiHaines dl-'- conn.JiSS.=111CeS compleK~s. I"J. Sci~:1ce cognitive D.')u5 fùllrLllL (1'.~S c(),1C'~Dts utiles :'1'l~;Sl :,icn pour- expliquer dps f2its di-:iactLout'S q:1P pour n()US -:3.id',-T '?:! cl)ns,[r'..Jir~ J25 rnod21f:'s prescriptifs cH: sé'1ut'.nces did;iC~iqll'~S.BIBLIOGRAPHIE
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