CUMMENT LES ELEVES NE RESOLVENT PAS
LES PROBLEMES DE CHIMIE
Monique SCHWOB et F.- Marie BLONDEL INRP, DP5 - Montrouge
En collaboration avec A. VINAS Lycée Charlemagne - Thionville
MOTS-CLES : CHIMIE - RESOLUTION DE PROBLEMES - LOGICIEL.
RESUME: Dans le cadre d'un projet de recherche sur l'utilisation d'outils d'Intelligence Artificielle dans l'enseignement, nous étudions un environnement d'apprentissage de la résolution de problèmes de chimie quantitative dans l'enseignement secondaire.
Une étape principale delacréation d'un tel environnement est la modélisation de l'élève. Elle implique une bonne connaissance des méthodes de raisonnement et des conceptions erronés des élèves. Parmi les différentes méthodes de modélisation, nous avons choisi de mettre au point une bibliothèque d'erreurs. Nous présentons l'aspect méthodologique de ce !ravail qui s'appuie sur des analyses de copies et des interviews. Nous discutons les éléments essentiels de la bibliothèque d'erreurs que nous avons ainsi élaborée. Nous donnons enfin un aperçu des stratégies mises en oeuvre par les élèves à l'occasion de ces résolutions.
SUMMARY : In a research project about the use of Artificial Intelligence tools in tutoring systems, we are studying a learning environment on quantitative chemistry problems solved at secondary level. One of the main stage of the creation of such an environment is student modelling. It involves a sound knowledge of their reasonning process and their misconceptions. Among the various modelling methods, we have chosen to set up a bug library. We summarize the methodological aspect of this work which is based on written tests ans interviews. We highlight the main features of our bug library. Finally, we include a brief survey at the strategies developed by students when solving those problems
1. INTRODUCTION
Dans le cadre d'une orientation de recherche ponant sur les méthodes de l'Intelligence Artificielle dans l'enseignement, nous avons lancé un projet portant sur la conception d'un environnement d'apprentissage de la résolution de problèmes de chimie.[6].
L'idée d'environnement d'apprentissage se distingue de celle de tutoriel intelligent en ce sens qu'elle ne propose pas un enseignement théorique de la résolution de problème, mais considère au contraire le logiciel comme un outil pour la résolution et une aide pour l'élève. Tous les problèmes appartenantà la classe prédéfinie doivent pouvoir être traités dans cet environnement. A l'intérieur de cettec1a~se,l'élève définit le problème qu'il souhaite aborder, le logiciel n'ayant a priori aucune connaissance de l'énoncé.
Reprenant une architecture désormais classique [5], cet environnement comportera : - un module de résolution, expertise chimique du domaine considéré,
- un module d'analyse des erteurs et de diagnostic, qui constitue le modèle de l'élève, - un module d'aide et de conseil qui est en quelque sorte l'expertise pédagogique.
A ces trois composantes principales, s'adjoint une interface qui permet à l'élève de fournir les informations et les données de son problème, de construire et de rédiger sa solution, et de recevoir en retour une aide et une évaluation.
La résolution automatique du problème de chimie a été réalisée par un système de propagation de contraintes dont l'implantation dépend des données initiales
li
J.
La construction du modèle de l'élève ne peut s'envisager, dans cet environnement, sans une connaissance approfondie des modes de résolution et des difficultés des élèves. Il est donc indispensable de constituer un ensemble de connaissances sur cette question.
2. CONSTRUCTION D'UN MODELE DE L'ELEVE
Pour aborder le problème de la modélisation de l'élève, nous avons choisi une méthode qui s'appuie sur une "bibliothèque d'erreurs" [7]. La constitution de cette bibliothèque, qui doit être la plus complète possible, demande un travail important dont dépend fortement la qualité du modèle de l'élève.
L'analyse de protocoles de résolution d'élèves a porté sur deux types de documents :
- Des résolutions écrites (copies) récupérées à l'occasion de devoirs en classe, ou plus rarement à la maison.
En 1987-88, une première analyse par sondage a permis de dégager une ébauche de typologie? Un travail plus systématique en 88·89 a permis d'affiner cette typologie et d'analyser en même temps les stratégies de résolution mises en oeuvre par les élèves.
Nous avons travaillé avec nos propres élèves et ceux de collègues volontaires. L'ensemble représente un échantillon suffisamment varié de classes (8), d'élèves (environ 3(0), d'enseignants (7) et d'exercices (11).
Il est évident que ces travaux d'élèves ne correspondent qu'à la partie centrale de la démarche de résolution : décomposition du problème en sous-problèmes plus simples et exécution des opérations
nécessairesà ces problèmes simples [4]. La typologie dégagée ne fait donc pas apparaître les erreurs relatives aux autres étapes: analyse du problème et vérification de la solution (3].
L'expérience montre que le diagnostic de l'erreur est souvent difficile compte tenu de la manière dont les élèves rédigent : explications succintes voire inexistantes, peu de formules littérales explicites, vocabulaire très approximatif. Ces rédactions comportent à la fois des éléments de recherche de la solution et de réécriture de cette solution.
- Des enregistrements de résolutionsàhaute voix (interviews), effectués en nombre limité (19) dans le but
de:
o
valider la typologie établie, c'estàdire confmner les hypothèses que nous sommes souvent amenésàfaire pour interpréter certaines erreurs ;
o
apporter des éléments de stratégies (erronées, imprécises ou correctes) qui sont indispensables au diagnostic de l'erreur età l'élaboration, dans un deuxième temps, d'un profil d'élève.3. LES PRINCIPAUX TYPES D'ERREURS
Nous avons distingué cinq grandes classes d'erreurs dans la bibliothèque ainsi constituée/
Citons d'abord un ensemble d'erreurs dénotant une mauvaise analyse de la situation telle qu'elle est proposée (plus ou moins explicitement) dans l'énoncé. Il en résulte de multiples confusions: entre les différents corps mis en jeu (aspect descriptif de la réaction), entre les grandeurs concernées (aspect temporel de la réaction).
Les interviews confirment que cette analyse de la situation est très succinte, voire inexistante, et se limite le plus souventàune lecture partielle de l'énoncé, dont sont ensuite extraites, au coup par coup, diverses données ou renseignements.
Une deuxième classe d'erreurs, concerne la maîtrise des connaissances de base. Certaines de ces connaissances sont marginales par rapport aux problèmes de chimie (vocabulaire, calculs algébriques, calculs numériques...), mais n'en sont pas moins indispensables; d'autres traduisent des lacunes dans le domaine physico-chimique et sont donc directement liées au problème: calculs erronés de masses molaires, connaissance du volume molaire des gaz, état physique des corps mis en jeu dans la réaction...
La troisième classe d'erreurs que nous avons répertoriée concerne la manipulation des grandeurs physico-chimiques indispensablesàla résolution. On distinguera:
. des confusions entre les unités des différentes grandeurs utilisées (g, g/mol, mo1/!, Vmol, g/l),
- des confusions entre les grandeurs elles-mêmes (concentration molaire et masse molaire, quantité de matière contenue dans une solution et concentration molaire de celte solution...),
- des erreurs prouvant l'absence de maîtrise de certaines de ces grandeurs, en particulier la quantité de matière. Même les élèves qui font preuve d'une certaine habileté dans la manipulation du "nombre de moles" ne maîtrisent pas le concept sous-jacent.
A titre d'exemples:
o
dans un exercice portant sur l'équation 2CuQ+
Cm.> 2 Cu+C02o
dans un autre exercice portant sur l'équation C6H1206m_>2 C02+2 C2H50HLa masse fmale d'alcool, obtenue à la suite d'un raisonnement correct, est multipliée par 2 "pour les 2 moles d'alcool" ; un autre élève, en invoquant la même raison, divise par 2 le nombre de moles d'alcool obtenu!
Même le concept de masse n'est pas solidement établi: certaines erreurs dans l'application de la loi de Lavoisier montrent que la masse d'un gaz est parfois considérée comme nulle.
Les concepts étant mal maîtrisés, les relations entre les grandeurs correspondantes sont souvent erronées (masse=nombre de moles/masse molaire) ou appliquéesàtort (Loi d'Avogadro-Ampère appliquée à des solides ou des solutions par exemple). Le manque de maîtrise de la proportionnalité et des règles de calcul algébrique ne font qu'accentuer les difficultésàce niveau.
Les deux derniers ensembles d'erreurs rencontrées sont liés à la signification de l'équation de réaction chimique, signification chimique ou outil de calcul.
Certains élèves n'utilisent pas -ou peu- les coefficients de l'équation chimique même lorsque celle-ci est bien écrite et correctement équilibrée. Pour ces élèves, la loi de Lavoisier semble un des seuls modèles opérationnels, et est souvent utilisée "abusivement" :
- dans des conditions non stoechiométriques:
l'équation de réaction 2 Al
+
3 S---->A12S3 avec pour données initiales 20 g d'aluminium et 20 g de soufre, se traduit par "on obtient 40 g de sulfure d'aluminium".- appliquée aux nombres de moles:
la même équation avec pour donnée initiale 0,5 mol d'aluminium, et un calcul intermédiaire correct (0,75 mol de soufre) suscitera le résultat "1,25 mol de sulfure d'aluminium" (0,5+0,75).
Pour d'autres élèves, les réactions semblent toujours se faire "mole/mole" : dans le même exemple que ci-dessus, 0,5 mol d'aluminium impliquent 0,5 mol de soufre.
Il est important de noter que ces erreurs se produisent même lorsque l'équation de réaction a été correctement équilibrée, ce que les élèves savent en général assez bien faire. Ces erreurs prouvent toutefois qu'il s'agit plus de l'assimilation d'une technique que d'une compréhension réelle de signification de cet équilibrage.
Le dernier ensemble d'erreurs que nous avons isolées concerne les utilisation erronées de l'équation chimique.Ony trouve en particulier:
- des confusions entre proportions de l'équation et quantités de l'énoncé:
par exemple, dans le problème C+2 CuO---->2 Cu+C02, "il se forme 1 mole de dioxyde de carbone et 2 moles de cuivre"...quelles que soient les données du l'énoncé.
- des proportions entre masses, ou encore, entre volumes de corps non gazeux dans les proportions considérées.
dans l'exemple déjà cité, 2 Al+3 S_m>Al2S3. Pour 20 g d'aluminium, il faut 30 g de soufre avec éventuellement, "il se forme 22,4 litres de sulfure d'aluminium ".
- des erreurs d'élèves qui ne s'aperçoivent pas que les données, voire les deux, sans analyse préalable de la situation. Ces erreurs sont extrêmement fréquentes. Plusieurs stratégies guident le "choix" (ou l'absence de choix) de l'élève pour l'une ou l'autre des données. On remarquera que ces stratégies erronées ne conduisent pas toujoursàdes erreurs numériques, ce qui en rend le diagnostic d'autant plus difficile.
4. LES STRATEGIES DE RESOLUTION
Comme pour l'analyse d'erreurs. l'étude des stratégies mises en oeuvre par les élèves a pour support principal les résolutions écrites complétées par les interviews. Elles concernent donc principalement l'étape "opératoire" de la résolution.
Sur le plan chimique, on a déjà noté le rôle particulier de la loi de Lavoisier. Du point de vue stratégique, c'est un des modèles opératoires qui semble le mieux maîtrisé et appliqué par nombre d'élèves dès que les conditions le permettent. Les autres stratégies diffèrent essentiellement par le rôle dévolu à la quantité de matière. Elément central de la résolution pour les uns, elle est plus ou moins ignorée par les autres au profit de relations directes entre masses ou volumes.
Il est évident que l'étude de ces stratégies ne peut être dissociée de l'étude des méthodes proposées par les enseignants, méthodes le plus souvent centrées sur la notion de quantité de matière, privilégiée pour son caractère général. L'analyse détaillée des stratégies d'élèves dépasse largement le cadre de cette présentation.
Deux autres aspects stratégiques sont intéressants à étudier. Ils concernent tous deux le cas où les données de l'énoncé ne correspondent pas aux conditions stoechiométriques (problèmes d'excès). Les interviews permettent de préciser comment les élèves diagnostiquent cette situation, les travaux écrits ne pennettant qu'un constat (le problème a, ou n'a pas, été vu).
Une fois la situation reconnue, elle est gérée de façon diverse. On observe plusieurs stratégies correctes (choix de l'une des deux données pour déterminer la valeur théorique de l'autre, observation de contradictions ou résolution plus "mathématique" et générale du problème) et des stratégies erronées: le corps en excès est celui dont"ilyale plus", en masse, en mole ou en volume.
Dans le cas fréquent, où les élèves n'ont pas reconnu la situation, ils opèrent une sélection, en général implicite, parmi les données à leur disposition: le réactif "le plus à gauche" dans l'équation ou celui dont"il
yale moins". D'autres s'efforcent au contraire d'utiliser toutes les données de l'énoncé (par combinaison linéaire).
Les observations faites par différents auteurs concernant les stratégies de résolution de problème par des experts ou des novices tendent à montrer que ces derniers auraient plutôt tendance à partir du résultat cherché (chaînage arrière) [2]. Toutes nos observations, confirmées, par [4], tendentàprouver le contraire dans le cas de problèmes simples de chimie: les élèves combinent les données et tentent, en explorant successivement divers cheminements d'aboutir au résultat demandé (chaînage avant).
S. CONCLUSION
Une étude statistique de la fréquence relative de ces erreurs selon les types de problèmes posés ou les méthodes enseignées doit compléter ce travail.
La formalisation de cette bibliothèque d'erreurs permet dès maintenant d'aborder l'automatisation du diagnostic des erreurs, à partir de problèmes résolus sur machine par des élèves.
Elément important de l'environnement d'apprentissage que nous mettons au point, ce diagnostic permettra également de compléter et valider la typologie d'erreurs et d'affiner le modèle de l'élève.
6. BIBLIOGRAPHIE
[1] BLONDEL (F.-M.), SCHWOB (M.), TARIZZO (M.), 1988. - Résolution de problèmes en chimie.ln 3èmes Journées Informatique et Pédagogie des Sciences Physiques. INRP-UdP-IG, Grenoble, 95-102.
[2] CAILLOT(M.),1982. - L'ordinateur comme aideàla résolution de problèmes.InActes des4~mes
Journées./nternatioflllies sur l'.Education Scientifique "L'informatisation de l'éducation scientifique, Chamonix. U.F. de Didactique des Disciplines, Université Paris 7,221-227.
[3] DUMAS-CARRE (A.), 1987. -Larésolution de problèmes en physique au lycée. Thèse de doctorat,
Université Paris 7.
[4] KRAMERS-PALS (H.), LAMBRECHTS (J.), WOLFF (P.-J.), 1982.- Recurrent difficulties : solving quantitative problems.lnChemical education, 59 (6), 509-513.
[5]NICAUD (J.-F.),VIVET (M.), 1988.- Les tutoriels intelligents: réalisations et tendances actuelles de recherches./nT.S./.,7 (1), 21-45.
[6] SCHWOB (M.), BLONDEL (F.-M.), TARIZZO (M.), 1988.- Résolution de problèmes de chimie avec ordinateur. InActes deslO~mesJournées Interfllltionaies sur l'Education Scientifique, "Communication, Education et Culture scientifiques et techniques: Innovations et recherches", Chamonix. U.F. de
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