UN LOGICIEL MULTIMEDIA POUR L'ENSEIGNEMENT DE
LA STRUCTURE DE LA MATIÈRE À L'ÉCOLE PRIMAIRE
Hélène STAVRIDOU, Christine SOLOMONIDOU Dpts Pédagogiques, Université de Thessalie
MOTS-CLÉS: MODÈLES - STRUCTURE DE LA MATIÈRE - LOGICIEL - APPRENTISSAGE
RÉSUMÉ : Le logiciel
Phénomènes et modèles du monde physique
a conune but d'aider les élèves de l'école primaireà
développer des représentations de phénomènes tant au niveau empirique qu'au niveau des modèles de la structure de la matière et de les mettre en relation ou en correspondance. fi favorise un processus de modélisationà
propos de deux catégories de phénomènes : dilatation thermique et électricité statique.SUMMARY : The software
Phenomena and models of physical world
aims at helping primary students to develop mental representations of phenomena at the empirical and the alOmic level and10relate these representations appropriately. Thermal expansion and statie electricity are two categories of phenomena, which are used for the modelisation process promoted by this program.
1. INTRODUCTION
Le logiciel
Phénomènes et modèles du monde physique
a comme but d'aider les élèves de Ilà15 ans à développer des représentations tant au niveau empirique qu'au niveau des modèles de la structure de la matière et ensuite les mettre en relation ou en correspondance entre elles.Lelogiciel favorise le développement d'un processus de modélisation des situations simples qui d'habitude sont abordées à J'école uniquement au niveau empirique.2. DESCRIPTION DU LOGICIEL
Le logiciel comprend deux unités thématiques, dont la première se réfère à des phénomènes de dilatation thermique et la seconde à des phénomènes d'électricité statique. Dans chaque unité thématique l'élève peut explorer trois phénomènes. Pour la dilatation thermique les phénomènes étudiés sont les suivants:
a) chauffage d'une boule de métal,
b) chauffage d'une quantité d'eau qui se trouve dans une bouteille volumétrique, c) chauffage d'une quantité de gaz qui se trouve dans un ballon.
Lapartie consacrée à l'électricité statique comprend trois phénomènes qui se manifestent quand une paille en plastique chargée des charges négatives - après son frottement avec du papier de cuisine-s'approche a) d'un mur neutre, b) d'une pendule électrique, c) d'un électroscope.
Sur l'écran,
à
la partie inférieure, ily
a deux indications :modèle physique
etobserver le
phénomène.
En cliquant avec la souris sur la première indication,àl'écran apparaît une description du modèle qui est proposé pour l'explication du phénomène au niveau particulaire. En cliquant sur la deuxième indication, l'élève peut voir autant des fois qu'iVelle le désire le déroulement du phénomène au niveau empirique. Pour les phénomènes de dilatation thermique le programme proposeàl'élève un modèle particulaire simple, tandis que pour les phénomènes d'électricité statique il lui propose un modèle" d'édifice matériel" qui comprend des charges positives et des charges négatives. En plus, des représentations d'un corps neutre, d'un corps positif et d'un corps négatif sont présentées. Dans les deux cas sur l'écran apparaît une liste des propriétés et caractéristiques de chaque modèle. En passant d'une catégorie de phénomènesà
l'autre, l'élève peut comprendre que chaque modèle a son propre champ de validité et qu'en élargissant le champ empirique de référence il est obligé soit d'enrichir les propriétés d'un modèle, soit de le remplacer par un autre.3. APPROCHE DIDACTIQUE
L'étude des phénomènes de dilatation thermique se déroule en cinq pas. Au début, l'élève doit choisir un des trois phénomènes qui lui sont proposés. Ensuite, au cours du premier pas, le programme lui
présente un certain nombre d'objets et lui propose de faire une première observation de l'état initial de ces objets (par exemple,
la boule de métal froide passe
dtravers d'un anneau métallique).
Pendant le deuxième pas, le programme demande à l'élève de faire une prévision (par exemple,
si on
chauffe la boule de métal celle-ci continue de passer
dtravers de l'anneau métallique
?) et ensuite d'observer la simulation du déroulement du phénomène qui lui permettra de tester sa prévision (voir Image 1).Image 1. Dilatation thermique d'une boule de métal
En passant au troisième pas, l'élève doit répondre
à
une question qui lui demande de donner une explication du phénomène qu'il/elle a observé, en utilisant des termes du niveau empirique.Lebut de cette activité est la détection des idées et représentations de l'élève par rapport à l'évolution du phénomène étudié au niveau manipulatoire-empirique. Pour la constitution de la liste des questions nous avons pris en compte des données des recherches relatives aux conceptions alternatives, aux idées erronées et difficultés que les élèves rencontrent dans leur tâche pour comprendre les phénomènes étudiés. Par exemple, il est connu que les élèves confondent souvent le volume d'un corps avec sa masse et, par conséquence, ils/elles expliquent le phénomène de dilatation thenIÜque en tant que phénomène d'augmentation de masse. Ainsi, pour l'explication de.la dilatation thermique d'une boule, quatre idées sont proposéesà
l'élève qui est appelé/éeà
en choisir une (la masse augmente, le volume augmente, la masse et le volume augmentent, ni la masse ni le volumeaugmentent). Si l'élève ne choisit pas la bonne réponse, des informations supplémentaires lui sont
présentées.Pendant le quatrième pas, le logiciel propose un modèle particulaire simple, dont les propriétés et les caractéristiques sont expliquées. À l'aide de ce modèle l'élève peut aborder et comprendre la conservation delamasse et l'augmentation du volume du corps chauffé. La questionComment se fait que le volume augmente, tandis que la masse reste constante? ne peut être répondue de façon
satisfaisante qu'à partir d'une modélisation du phénomène.
Pendant le cinquième pas, le programme propose à l'élève de donner une explication du phénomène qu'iVene a observé en utilisant cette fois le modèle particulaire proposé. Le but de cetteactivitéestla détection des idées et représentations de l'élève par rapport à l'évolution du phénomène étudié au niveau atomique. En d'autres termes, nous avons voulu comprendre dans quel mesure les enfants ont réussi à établir des relations entre leurs observations au niveau empirique et des changements au niveau microscopique. Pour la constitution de la liste des idées - réponses - proposées à l'élève, nous avons pris en compte des données des recherches relatives aux conceptions alternatives sur ce sujet. Par exemple il est connu que pour expliquer la dilatation thermique certains élèves pensent que les particules se gonflent, se multiplient, etc.
La partie consacrée aux phénomènes d'électricité statique se déroule de façon analogue. La seule différence est que chaque scénario de cette partie contient un pas supplémentaire qui représente au niveau du modèle le transfert d'électrons d'un corps à l'autre et / ou le déplacement d'électrons à l'intérieur d'un corps neutre sous l'influence d'un corps chargé. La représentation des phénomènes au niveau microscopique n'est pas une tâche facile, en particulier lorsque cette représentation doit être dynamique de sorte de simuler l'évolution du phénomène dans le temps. L'utilisation des nouvenes technologies dans des buts éducatifs nous a permis de développer des simulations dynamiques représentant l'évolution dans le temps des phénomènes au niveau microscopique.
Un des phénomènes d'électricité statique étudié est le suivant.
On
frotte une paine en plastique avec du papier de cuisine et on suppose qu'ene reçoit des électrons (charge négative). Ensuite on fait rapprocher la paille chargée à un petit disque en aluminium neutre (pendule électrique).On
observe que le disque est attiré par la paille, il la touche pour un moment et ensuiteilest repoussé par la paine.La
simulation faite par le programme permet à l'élève de comprendre les trois phases du déroulement du phénomène au niveau des modèles de la structure de la matière. Au début, la simulation présente le transfert d'électrons entre la paille neutre et le papier de cuisine(1e phase, voir Image 2).Ensuite, quand la paille chargée se rapproche du disque neutre, les électrons du disque sont déplacés en arrière, fait qui explique l'attraction de la paille avec la partie du disque qui est chargée des charges positives (2e phase, voir Image 3). Le moment du contact, un nombre d'électrons passent delapaine au disque, qui acquiert des charges négatives. Ce fait explique la répulsion entre le disque et la paine. En même temps, le logiciel permet à l'élève d'observer le déroulement du phénomène au niveau empirique.
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2.
Transfere d'eleetrons entre une paille neutre et du papier de cuisine.Image
3.
Lapaille chargée se rapproche du disque en aluminium neutre
et les électrons du disque se déplacent en arrière.Le logiciel est en train d'être évalué avec des élèves en situation de classe. Les résultats seront pris en compte pour une éventuelle amélioration du logiciel.
BIBLIOGRAPHIE
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MASKILL R., CACHAPUZ A., KOULAIDIS V., Young pupils'ideas about the microscopie nature ofmauerin three different European countries,International Journal of Science Education, 1997,
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STAVRIDOU H., Modèles des sciences physiques et processus d'apprentissage, Athènes : Savalas, 1995.
