S
E REPRESENTER LA STRUCTURE DE LA MATIERE:
A
CTIVITES DE MODELISATION AU COLLEGEClaudine Larcher
1. LA STRUCTURE DE LA MATIÈRE AU COLLÈGE
Dès le collège, un premier regard est porté sur la matière, ses propriétés et ses transformations. Dans différents chapitres tels que, le courant électrique, la structure des métaux, les réactions chimiques, l’électrolyse, l’ambition est, au delà des descriptions, d’« expliquer » en faisant intervenir des électrons, des atomes, des ions, des noyaux, des molécules identifiés comme des objets microscopiques non visibles constitutifs de la matière. De nombreuses images illustrent ces explications verbales. Elles font apparaître des “objets” reconnaissables du monde qui nous entoure mais aussi, souvent sur la même image, des “objets” non identifiables dans ce monde.
Les liens entre les objets désignés verbalement et les objets figurés sur les images ne sont pas toujours explicités ni cohérents d’un chapitre à un autre (atome boule ou atome de Bohr, ion rond ou ovale, coloré ou non). Les propriétés de ces objets microscopiques ne sont pas permanentes (sphères impénétrables dans les cristaux ou imbriquées pour former la molécule d’eau par exemple, électrons libres de se déplacer de façon autonome dans les fils électriques mais plus en solution). L’explication apportée sur un exemple n’est pas compatible avec une proposition affirmée ailleurs (formation de Cu+ à partir de Cu expliquée par la solitude de l’électron externe, en solution c’est l’ion Cu2+ qui se forme).
Ce qui apparaît dans les manuels c’est plutôt un inventaire des différents objets non visibles utilisés par les scientifiques, certains objets désignés par un même nom apparaîssant sous différentes formes sur les images. L’usage de ces objets reste bien mystérieux.
La description ci dessus suggère deux critiques : la première concerne l'absence dans les livres d'enseignement de liens entre le verbal et le figuré pour construire le monde des objets non visibles et relève d’un point de vue selon lequel la signification n’est pas donnée, elle est à construire ; la
objets par les élèves. Ces critiques déplacent les objectifs d’enseignement vers l’appropriation par les élèves d’outils cognitifs leur permettant de contrôler l’usage possible de ces objets ; il ne s’agit plus alors de montrer aux élèves les différents objets qu’utilisent les scientifiques, et ponctuellement de leur montrer ce qu’on peut en faire, mais de les engager dans une démarche de modélisation dans laquelle ces objets sont des outils de pensée qui se construisent et se contrôlent en référence aux problèmes qu’on se pose et par l’intermédiaire de codes symboliques dont il faut partager la signification.
2. TROIS NOUVEAUX ENJEUX POUR DÉVELOPPER DES ACTIVITÉS DE MODÉLISATION
Prendre en compte l’apprentissage de la modélisation en classe impose de nouvelles exigences et de nouvelles contraintes qu’il s’agit de repérer. Nous avons donc travaillé hors du programme scolaire et de ses contraintes propres.
C’est au processus de modélisation par les élèves que nous nous sommes intéressés, dans trois séquences d’apprentissage l’une après l’autre élaborée, mise en oeuvre en classe ou avec des groupes de deux élèves puis analysée pour en dégager les caractéristiques et la fonctionnalité. Les analyses ont porté sur les tâches proposées aux élèves et sur les productions des élèves -productions écrites dans la première séquence mise en place en situation de classe, productions écrites et enregistrement audio dans les deux autres séquences mises en place en situation de groupes de deux élèves. Ces analyses ont permis d’objectiver le caractère authentique des activités proposées aux élèves comme activités de modélisation, c’est à dire relevant du développement d’une attitude intellectuelle de modélisation. Elles ont permis également de juger de la faisabilité de ces activités en classe par de jeunes élèves, c’est à dire de repérer les ressources disponibles et les difficultés rencontrées.
Ces trois séquences sont organisées autour de trois enjeux successifs : - se représenter la matière dans ses différents états de façon unifiée - se représenter les propriétés thermoélastiques des gaz de façon unifiée - se représenter les transformations chimiques de la matière
Ces enjeux sont définis par rapport à des contraintes de développement, ils correspondent à trois étapes possibles pour étaler dans le temps les acquisitions à la fois de modélisation et de l’usage des modèles compte tenu des conceptualisations préalables dont disposent habituellement les élèves. Ils sont également définis par rapport à une fonction des modèles qui est apparue fondamentale : la fonction de représentation. C’est à partir d’une représentation que peut se construire une explication et éventuellement une prévision.
En ce qui concerne les états de la matière, les élèves de début de collège disposent de descriptions phénoménologiques compatibles avec celles des physiciens même si la terminologie savante leur est inconnue ; par ailleurs, un modèle essentiellement statique est suffisant pour construire une représentation unifiante.
En ce qui concerne les propriétés thermoélastiques des gaz, les élèves disposent d’une conceptualisation de la compression suffisante pour prédire des évolutions, mais ils ne se représentent pas l’effet du chauffage d’un gaz à volume constant. Une représentation unifiante passe par la construction d’un modèle dynamique, ce modèle pouvant être explicatif ou prédictif d’évolutions.
Enfin, en ce qui concerne les phénomènes qui relèvent de la chimie, les élèves ne disposent pas de descriptions compatibles avec celles du chimiste ; il ne s’agit plus alors, comme dans les deux cas précédents, d’élaborer un modèle pour se représenter un phénomène identifié, repéré, mais de construire une nouveau champ de transformations de la matière en même temps que leur représentation.
Nous présenterons l’analyse détaillée des activités de modélisation de la première séquence, puis nous expliciterons les différences que présentent les activités proposées dans les deux autres séquences.
3. SE REPRÉSENTER LA MATIÈRE DANS SES DIFFÉRENTS ÉTATS
Cette séquence a été mise en oeuvre par les enseignants dans 14 classes de collège avec des élèves de 13-14 ans en suivant un protocole assez contraignant. Deux classes ont été observées pendant la durée de la séquence. L'ensemble des productions des élèves de toutes les classes sur des fiches prévues à cet effet a été recueilli et analysé (Larcher et al, 1990, Chomat et al, 1988)
3.1. Construction progressive d’un modèle
La stratégie employée dans la première séquence visant à faire construire une représentation unifiée de la matière comporte différents aspects :
• l’introduction d’un germe de modèle
Des recherches antérieures (Pfundt, 1981 ; Novick et Nussbaum, 1978 ; Méheut, 1982 ; Brook, 1984) ont montré que les élèves se représentent aisément la matière comme constituée de petits morceaux, mais que ces petits morceaux ont les mêmes propriétés que de plus gros morceaux c’est à dire fondent, se dilatent ou s’évaporent. Ces petits morceaux s’inscrivent dans une continuité de pensée d’une matière réelle. Ce n'est pas l'aspect particulaire qui pose problème, c'est la discontinuité entre les propriétés de la matière et les propriétés de ces particules. Pour faire entrer les élèves
de point de vue, nous avons introduit une rupture dans ce mode de pensée en leur fournissant un cadre hypothétique : “on peut se représenter un gaz comme un ensemble de particules qui ne se coupent pas, qui ne se déforment pas, qui gardent la même taille et la même masse”.
Cette phrase est une affirmation d’une possibilité (on peut) et incite à entrer dans un monde parallèle (se représenter comme). Le mot particule utilisé n’a a priori aucun sens pour les élèves mais il est associé dans la proposition à des propriétés d’objets. Pour les élèves, il s’agit de construire dans ce cadre une signification pour ce mot et de l’utiliser pour se représenter un gaz ; il s’agit d’imaginer comment on peut se représenter un gaz comme un ensemble de particules. Ce qui est fourni ainsi pour initier un processus de modélisation, ce n’est pas encore un modèle - tout le travail de construction d’une signification et d’une fonctionnalité reste à faire - c’est ce que nous avons appelé un “germe de modèle”. Les propositions d’invariance des particules fournissent un cadre de contraintes à l’intérieur duquel le modèle doit s’inscrire. Elles sont des outils de la modélisation, elles permettront de juger de la recevabilité des propositions.
• la reprise amplifiante
Pour faire construire un modèle qui permette de se représenter la matière dans ses différents états, nous avons proposé aux élèves de se représenter tout d’abord les gaz, ou plutôt comme nous le verrons plus loin certaines propriétés des gaz prises en compte successivement de façon que le modèle puisse être enrichi progressivement. Puis le modèle construit pour les gaz a été confronté aux propriétés des solides de façon à construire un modèle des gaz et des solides ; confronté aux propriétés des liquides, le modèle a été modifié à nouveau pour devenir un modèle qui permet de se représenter les différents états de la matière de façon unifiée. Dans ce processus que J.L. Martinand a appelé “reprise amplifiante”, les propositions nouvelles ne doivent pas être en contradiction avec les propositions initiales considérées comme incontournables ; les propositions construites peuvent être reformulées pour tenir compte du nouveau référent mais sans perdre leur validité par rapport au référent antérieur.
• l’explicitation du référent
La construction d’un modèle fonctionnel, qui ne soit pas une image fugace personnelle et incontrôlée mais au contraire qui ait l’ambition de développer des outils partagés de contrôle de la pensée nécessite que ce qu’on cherche à modéliser soit explicite et fasse l’objet d’un accord. Les situations support utilisées dans la séquence ont donné lieu à une description préalable par les élèves. C’est un ensemble de propositions descriptives explicites qui après discussion entre les élèves et l’enseignant est retenu comme «ce que l’on cherche à se représenter» à l’aide des particules.
• l’explicitation de codes symboliques
La stratégie utilisée pour faire construire un modèle a été de faire produire des dessins (représenter) puis d’en faire discuter la signification (se représenter). C'est cet aller retour entre le "représenter"permettant d'obtenir des dessins sur lesquels on puisse discuter et le "se représenter" qui consiste à construire la signification de ces dessins, à en faire des supports d'un modèle. Afin de s’éloigner au moins provisoirement de la tendance à attribuer une réalité à ces particules, des espaces de représentation distincts des objets du monde réel ont été imposés aux élèves. Les discussions ont porté sur la pertinence des dessins par rapport au problème posé, sur la compatibilité entre les dessins et le “germe de modèle” par l’intermédiaire de l’explicitation de la signification des codes symboliques. C’est à partir de la variété des dessins produits que les discussions ont permis de repérer les propriétés des particules (objets du modèle) utiles pour représenter ce qu’on avait pour but de représenter, et de les distinguer des caractéristiques des codes symboliques utilisés dans les dessins comme support visuel ; Certaines propriétés des particules ne sont pas représentées par les dessins, certaines caractéristiques des dessins ne sont pas considérées comme signifiantes pour le modèle. Ces dessins ont une valeur heuristique pour construire le modèle et pour le faire évoluer.
• l’explicitation des liens entre le registre du modèle et le registre du phénomène
Le modèle est construit lorsqu’on dispose d’un ensemble de propositions de propriétés des particules dont la pertinence est établie par rapport au problème posé. L’ensemble des propositions concernant les propriétés des particules constitue la “syntaxe” du modèle (Walliser, 1977), c’est un registre de discours qui peut fonctionner de façon autonome sans dire quoi que ce soit sur la matière. C’est la pertinence de ces propositions par rapport au problème posé, pertinence objectivée par l’établissement de liens entre les propriétés des particules et le référent, qui fait que cet ensemble de propositions devient un “modèle” du référent. Ces liens entre deux registres de discours constituent la “sémantique” du modèle, ils assurent la signification commune des propositions mettant en jeu les particules par rapport au référent commun fixé. Ils permettent d’assurer un contrôle de la pensée et de communiquer.
3.2 Les différentes étapes
Nous détaillerons les activités proposées aux élèves dans la première étape et indiquerons les apports des autres étapes.
3-2-1 Première étape : Représenter la compression d'un gaz
Le choix d'introduire un modèle particulaire en référence d'abord à des gaz s'argumente par le caractère "immatériel" attribué par les élèves à la
matière dans cet état. Ceci était supposé faciliter la distinction entre dessiner ce qu'on voit et représenter ce qu'on imagine.
Dans une grande seringue visible par tous les élèves, un gaz coloré est présenté par l’enseignant aux élèves. Le professeur appuie sur le piston. Les élèves doivent alors individuellement par écrit comparer le gaz au début et à la fin (Qu'est-ce qui a changé ?). Cette prise de position individuelle est un recueil de données pour vérifier que les élèves disposent d’une description commune du phénomène, c’est aussi un outil pour centrer ultérieurement l’attention sur la nécessité d'une description commune. Les différents aspects observés individuellement sont mis en commun, reformulés par l’enseignant. Celui ci fait de plus remarquer qu’il aurait pu appuyer davantage sur le piston, il écarte par ailleurs l’aspect changement de couleur noté par les élèves. Finalement l’ensemble de propositions retenues est :
- c’est toujours le même gaz, - il y en a toujours autant,
- le volume qu’il occupe est plus petit à la fin, - il est plus tassé à la fin qu’au début,
- il peut encore se tasser.
Le germe de modèle est alors proposé et les élèves invités à représenter le gaz au début (situation 1) et à la fin (situation 2) sur une fiche (fiche1), compte tenu de cette description commune. Sur cette fiche des espaces de représentation distincts des objets ont été prévus, ils prennent en charge la représentation de la modification du volume disponible. Ce n'est pas la transformation (compression) qui est à représenter, mais des états plus ou moins compressés du gaz. Des exemples de production des élèves sont présentés (fiches 1a, 1b, 1c, 1d).
Si pour certains élèves, le terme de particule n’a pas pris de signification, d’autres ont produit des dessins où figurent des ronds, des triangles ou autres formes en nombre et en taille variables.
Dans un second temps une discussion est menée par petits groupes ; il s’agit de juger de la pertinence des dessins (par rapport au problème posé) et de leur validité (par rapport aux contraintes imposées). C’est au cours de ces discussions que les arguments se développent et que les critères de critique s’élaborent. Au cours d’une discussion collective les liens entre les deux registres de discours sont établis explicitement :
un seul gaz un seul type de particules même quantité de gaz même nombre de particules le gaz est plus tassé les particules sont plus proches le gaz peut encore se tasser les particules ne sont pas jointives Ainsi des propriétés nouvelles des particules introduites par certains élèves ont pris de la signification et ont été reprises par d'autres : il peut y
avoir des espaces entre les particules, ces espaces sont modifiables ; la distinction entre les objets du modèle (les particules) et leur figuration (les codes symboliques) a pu être discutée à partir de la diversité des productions et le "droit " à représenter les particules par des triangles ou des carrés, verts ou bleus, petits ou plus gros, a été argumenté sur la base de la fonctionnalité.
Fiche 1 : exemples de production d’élèves
Le fait que la conservation du nombre de particules soit signifiante de la conservation de la quantité de gaz quel que soit le nombre de particules représentée est difficile à reconnaître pour deux raisons : la première est de
concevoir les quelques particules représentées comme constituant la totalité du gaz considéré quelque soit leur nombre (il s'agit d'une représentation globale), la seconde est de dissocier l'idée de conservation d'un nombre du nombre lui même. Cette relation proposée par quelques élèves a été beaucoup moins bien reprise en compte par l'ensemble des élèves que les autres propositions.
Des raisonnements de causalité à l'intérieur du registre symbolique (formes carrées par exemple pour être emboîtables) sont apparus mais n'ont pas été discutés, l'idée de particules non jointives étant dominante et argumentée en termes de pertinence.
Le souci de ne pas trop s'écarter d'un modèle canonique nous a fait introduire une contrainte non argumentée : les distances entre les particules sont grandes par rapport à la taille des particules. Cette affirmation, ici sans signification aurait pu être évitée, elle aurait pu apparaître plus tard lors de la comparaison de la compressibilité des gaz et des solides.
La disposition (rangée ou non) des particules n'a pas été discutée.
3-2-2 Deuxième étape : Représenter de l'air
La deuxième tâche proposée aux élèves a été de représenter de l'air, en se mettant d'accord au préalable sur une description de l'air. La description fournie par les élèves fait apparaître plusieurs propositions : c'est un mélange de deux gaz, oxygène et azote (la nouvelle nomenclature n'a pas été utilisée), il y a 1/5 d'oxygène et 4/5 d'azote.
Les productions des élèves sont discutées ; la nécessité d'une légende du codage est explicitée. Plusieurs types de représentation sont en fait apparues :
• une représentation dans laquelle la disposition des particules permet de repérer facilement le rapport 4 pour 1 (ou 5 pour 1 en cas de difficultés d'ordre mathématiques...), mais perdant de vue l'objectif de représenter un mélange de deux gaz (fiche 2-1)
• une représentation faisant apparaître des symboles emboîtés, des symboles nouveaux (fiche 2-2 et 2-3)
• une représentation dans laquelle on peut repérer localement des
groupes de cinq particules (une d'oxygène et quatre d'azote) (fiche 2-4) • une représentation ou les particules différentes en proportion de 4 pour
1 sont réparties indépendamment de leur nature (fiche 2-5). Cette dernière représentation est proposée par la moitié des élèves.
Pour discuter les deux premiers types, les élèves disposent d'arguments élaborés précédemment. Les deux autres types sont tous les deux valides pour les élèves.
Cette tâche permet de s'approprier une représentation de gaz et les critères de discussion de cette représentation et de se représenter un mélange, en particulier de donner du sens à une description en termes de pourcentage ou de "parts" en utilisant les nombres de particules.
Fiche 2 : « représenter de l’air »
3-2-3 Troisième étape : Représenter une diffusion de gaz.
Deux flacons sont séparés par une plaque de verre. Dans le flacon du bas, il y a un gaz coloré, dans le flacon du haut, il y a de l'air. La plaque de verre est enlevée avec précaution pour mettre en communication les deux flacons sans perte de gaz. Après quelques instants les contenus des deux flacons apparaîssent colorés.
La description commune du phénomène par les élèves est établie : - le gaz coloré s'est réparti dans les deux flacons
- l'air s'est réparti dans les deux flacons
- il y a autant de gaz coloré au début qu'à la fin - il y a autant d'air au début qu'à la fin.
Cette "description" va au delà de ce qui est réellement observable, mais fait l'objet d'un consensus. Les élèves ont pour tâche de représenter le contenu des flacons au début (gaz séparés) et à la fin en accord avec la description. Il leur est également demandé d'énoncer quelle propriété doivent avoir les particules pour rendre compte de ce phénomène.
Fiche 3 : « représenter une diffusion de gaz »
Des exemples de productions sont données (fiches 3-1, 3-2). En ce qui concerne la propriété des particules jugée pertinente deux propositions apparaissent majoritairement sous différentes formes : les particules peuvent se mélanger et les particules peuvent se déplacer. Ce qui est finalement institutionnalisé par l'enseignant c'est une formulation un peu différente : les particules sont libres de se déplacer les unes par rapport aux autres ; cette formulation anticipant un format de formulation pour un modèle des différents états de la matière qui soit compatible avec un discours canonique.
3-2-4 Quatrième étape : Représenter un solide.
C'est par comparaison entre les propriétés des gaz et celles des solides connues par les élèves que se constitue la description des solides. A travers les expressions utilisées par les élèves, c'est l'idée de cohésion d'un solide par opposition à l'expansibilité d'un gaz et la très grande différence de compressibilité entre un solide et un gaz qui sont les deux critères retenus.
Fiche 4 : « représenter un solide »
Les élèves disposent alors d'un modèle des gaz en référence à quelques propriétés des gaz et d'une comparaison entre les propriétés des gaz et celles des solides. ce qui leur est demandé c'est de construire un modèles des gaz et des solides en cherchant quelles sont les propriétés des particules qu'il faut modifier, les premières propriétés d'invariance devant être conservées. Une représentation par un dessin leur est aussi demandée.
- Les particules sont plus ou moins distantes les unes des autres (distances grandes dans les gaz qui sont très compressibles, faibles dans les solides qui sont très peu compressibles)
- Les particules sont plus ou moins libres de se déplacer les unes par rapport aux autres (libres dans les gaz qui peuvent diffuser et sont expansibles, pas libres - ou liées- dans les solides qui ont au contraire une propriété de cohésion).
Les dessins produits (fiches 4-1 et 4-2) ont souvent fait figurer des symboles rangés, ordonnés. Cette représentation ne correspondait à aucune contrainte dans le référent, elle est sans doute due plutôt au soin apporté par les élèves aux dessins pour faire figurer des symboles de même taille et presque jointifs. L'enseignant a a posteriori relié cette représentation aux propriétés des cristaux.
Des raisonnements causaux liant la proximité des particules et leur absence de liberté de déplacement les une par rapport aux autres ont été mis en oeuvre par certains élèves.
3-2-5 Cinquième étape : la sublimation d'un solide
Des cristaux de diiode introduits dans un ballon fermé sont chauffés ; on constate la formation d'un gaz violet. Le refroidissement du ballon fait réapparaître un dépôt violet sur les parois.
Cette étape permet aux élèves de réinvestir la représentation d'un gaz et d'un solide et de traduire un changement d'état. La description commune établie comporte les termes suivants :
- c'est toujours la même substance - il y en a toujours autant
- il occupe plus de place à la fin qu'au début
Les représentations obtenues (fiches 5) oublient parfois le permanence de la taille des particules (fiche 5-2), ou ne discernent pas le dessin des cristaux de diiode de la représentation globale de particules de diiode (fiche 5-3). Toutes les représentations et les commmentaires peuvent être discutés par les élèves avec des arguments de cohérence interne par rapport aux propositions antérieures et des arguments de validité par rapport à la description commune acceptée.
3-2-6 Sixième étape : représenter un liquide
La comparaison des propriétés d'un gaz, d'un solide et d'un liquide conduit aux considérations suivantes :
gaz solide liquide
compressibilité très grande compressibilité très faible compressibilité très faible
Fiche 5 : « sublimation d’un solide » Les productions discutées conduisent aux propositions :
gaz solide liquide
particules très distantes non rangées particules très proches rangées particules très
proches non rangées
propriétés figurables particules libres de
se déplacer les unes par rapport aux autres
particules liées particules un peu liées un peu libres de se déplacer les unes par rapport aux autres
propriétés non
Ces propositions comparatives s'articulent avec des propositions valables quel que soit l'état de la matière :
une substance : un type de particule représenté par un même symbole
plusieurs substances : plusieurs types de particules représentés par des symboles de forme, de taille ou de couleur différentes
conservation de la quantité de matière :
conservation du nombre de particules
3-2-7 Évaluation des acquisitions des élèves
L'évaluation des acquisitions des élèves a porté sur la distinction entre les représentations de gaz, de liquides et de solides dans des tâches de production ou de critiques de dessins ; il s'agit alors de tester l'appropriation du modèle. Elle a également porté sur la compétence à faire évoluer un modèle : en référence à une situation décrite de diffusion d'un gaz à travers une membrane, les élèves ont eu à prévoir si tous les gaz pourraient passer à travers cette membrane et à justifier leur réponse en utilisant les particules. La taille des particules qui jusque là n'avait servi qu'à distinguer un type de particules d'un autre est devenue pour certains élèves une caractéristique pertinente du corps représenté. Notons que le modèle utilisé par les élèves dans leurs explications n'est plus global mais local, cette explication met en jeu les particules de gaz, leur mouvement, leur approche des particules de solide constituant la membrane, leur possibilité de passage à travers les interstices.
4. SE REPRÉSENTER LES PROPRIÉTES THERMOÉLASTIQUES DES GAZ.
Cette séquence a été étudiée (Chomat et al 1992) dans des situations d'entretien semi directif avec des groupes de deux élèves de 5ème, l'intervenant étant dans un rôle de médiateur cherchant à cerner la "zone proximale de développement" (Vygotski, 1985). Ces élèves ont participé au préalable en classe à la séquence de construction d'un modèle particulaire de la matière dans ses différents états.
Le montage expérimental manipulé est représenté à la figure 6.
Ce montage permet de compresser l'air d'une des deux seringues, reliées par un tube flexible, par déplacement d'un piston ou par chauffage à l'aide d'un sèche cheveux. Une goutte de liquide coloré joue le rôle d'index mobile dans le tube ; une pince située le plus près possible de cet index permet de bloquer momentanément l'évolution du système. Le dispositif est construit pour écarter un raisonnement de "transmission" d'actions dans une même
direction utilisé par les élèves (Séré, 1985). Une évolution peut être observée après desserrage de la pince sans action sur les gaz.
Figure 6 : Montage expérimental
Un logiciel de simulation, produit dans le cadre de cette recherche, permet de proposer aux élèves une image animée : dans des espaces de représentation rectangulaires de tailles modifiables possibilité d'une case unique), des points (dont on peut choisir le nombre) se déplaçant avec une vitesse de direction initiale aléatoire (gérée par le logiciel) et dont le module peut être modifié (figure 7).
Figure 7 : Représentation d’une image animée du logiciel de simulation
Ces points subissent des rebonds lors d'un contact avec le bord d'un cadre. Ces rebonds sont gérés par le logiciel en considérant les point lumineux comme des objets auxquels on affecte une masse et qui se comportent en suivant les lois de la mécanique newtonienne.
Le déplacement d'une paroi (index mobile du dispositif) sous l'effet d'une différence de pression peut être simulé par le déplacement du trait séparateur entre les cases par calcul du nombre de chocs et de la "quantité de mouvement" des particules.
Dans ce contexte, deux situations expérimentales sont prévues : une situation de compression, puis une situation de chauffage de l'air d'une seringue. Dans chacune de ces situations, les activités prévues sont les mêmes : prévision, constat et explication (registre du phénomène), puis production et discussion de dessins (registre du modèle construit dans la première séquence) permettant de se représenter ce qui a été constaté, enfin utilisation de l'image animée comme support d'une nouvelle représentation (construction d'un modèle plus performant).
représentation en terme de tassement. Le tassement du gaz n'est pas en général considéré comme une variable ordinale, le gaz dans la seringue manipulée est plutôt considéré comme "trop tassé", "comprimé" faisant référence implicitement à un air "normal". Les dessins qu'ils produisent dans le cadre du modèle construit lors de la première séquence leur permettent d' expliciter les termes d'une comparaison de tassement. La description du phénomène évolue. Les différences de tassement étant traduites par des différences de distances entre particules figurées, les élèves s'interrogent sur l'état de tassement de chaque quantité de gaz aux différents moments (avant la compression, après la compression, après l'arrêt de l'index).
Lorsque l'image animée est proposée, les élèves ont à repérer les caractéristiques de l'image et à leur donner du sens par rapport au modèle. Le déplacement des particules qui avaient été "déclaré" utile dans la séquence précédente, est ici figuré sur l'image animé. Par ailleurs l'image joue le rôle prévu de suggérer le mouvement d'objets. En l'absence de connaissances de mécanique par les élèves, c'est le monde des objets matériels qui est utilisé pour interpréter les rebonds comme des chocs. La notion de pression évolue alors d'une idée de déséquilibre de tassement à une idée de poussée permanente.
Pour la situation de chauffage, les élèves sont démunis pour effectuer des prévisions. Le déplacement de l'index observé est expliqué en faisant appel à un état dilaté du gaz. Cet état intervient comme étape fictive dans un raisonnement : le gaz aurait du se dilater (on l'a chauffé) mais il ne s'est pas dilaté (le volume est resté constant) donc il est trop tassé (par rapport à ce qu'il devrait être après chauffage). Les dessins produits sont discutés comme dans le cas de la première séquence, et les élèves se rendent compte de l'impossibilité de produire, dans le cadre du modèle dont ils disposent, des dessins qui permettent de supporter une explication en termes de différences de tassement.
L'image animée leur est proposée comme un nouvel outil possible.
Certains élèves pensent alors à jouer sur la vitesse des particules. La relation entre modification de vitesse et nombre de chocs par unité de temps est difficilement établie, les concepts de temps et d'espace à parcourir devant être utilisés de façon astucieuse par les élèves pour construire un concept de vitesse suffisamment performant.
Cette étape de prise en compte d'aspects dynamiques dans le modèle particulaire paraît accessible, dans le cadre d'une médiation. L'étape suivante consiste à comparer l'efficacité des chocs pour expliquer l'immobilisation de l'index mobile après son déplacement alors que les nombres de chocs calculés par le logiciel sont identiques pour les deux côtés de l'index. Cette étape a pu être franchie par quelques élèves.
Dans cette deuxième séquence, ce n'est plus à partir d'un mot (particule) mais à partir d'une image animée que les élèves ont à construire un modèle, mais dans les deux cas il s'agit de construire une signification partagée en référence à une description commune.
Cette description cependant évolue au cours du temps. C'est un processus d'ajustement entre la description du phénomène et la construction du modèle.
La stratégie est encore de type "reprise amplifiante", mais il y a eu constat explicite des limites du modèle disponible et recours à un nouvel outil de représentation. Le mouvement des particules énoncé verbalement dans la séquence précédente, n'est devenu fonctionnel pour la situation étudiée que par l'intermédiaire d'un support visuel de ce mouvement. Cependant il n'y a pas de remise en cause des contraintes initiales imposées par le germe de modèle.
5. SE REPRÉSENTER LES TRANSFORMATIONS CHIMIQUES DE LA MATIÈRE.
Cette troisième séquence a été analysée (Larcher et al 1994) comme la seconde, dans des situations d'entretien entre un enseignant médiateur et des groupes de deux élèves de 5éme ayant participé en classe aux séquences décrites plus haut.
Dans les deux séquences précédentes, les élèves disposaient d'une description des phénomènes compatibles avec celle du physicien. Ce n'est pas le cas de l'ensemble des transformations qui leur sont proposées dans cette nouvelle séquence. La sublimation du diiode avait été interprétée en terme de conservation de la substance alors que l'aspect de cette substance changeait. En fait, la modification d'aspect n'est pas pour les élèves en début de collège un critère de changement de substance. Les transformations qui sont lues scientifiquement en termes de changement de substances et interprétées en termes de transformation chimique constituent une phénoménologie à construire par les élèves.
Nous avons envisagé d'explorer ce nouveau champ de phénomènes en cherchant à faire différencier par les élèves les transformations pouvant se représenter en termes de mélange de particules (insécables, indéformables, caractéristiques d'une substance) et les transformations pour lesquelles la critique d'une telle représentation leur était accessible. Nous avons pu repérer les difficultés que l'habitude d'une lecture en termes de transformations chimiques nous fait oublier. La reconnaissance par les élèves de l'impossibilité de représenter, avec le modèle disponible, les phénomènes observés constitue une première étape qui s'est avérée franchissable par les élèves. La modification du modèle (passage à un modèle de particules sécables) est plus délicate. Cette modification n'a pas
été proposée par les élèves. Elle peut être induite par un jeu sur les noms des corps : les parties communes entre les noms de substances différentes (chlorure de sodium, chlorure de cuivre) sont supposées être signifiantes d'une information que l'on peut coder dans les dessins particulaires par une partie de symbole commune. Les symboles alors constitués de plusieurs parties deviendront plus facilement sécables, propriété des symboles transmises aux particules dans un second temps. Mais tous les noms des corps chimiques ne se prêtent pas à ce jeu (l'eau en particulier). Ce type d'activités ne relève pas de la modélisation mais du passage d'un code symbolique (noms des corps) à un autre (représentation iconique).
Le choix d'un modèle à particules insécables ou d'un modèle à particules sécables ne repose sur aucune règle autre que l'«économie». On garde un modèle à particules insécables tant qu'il est suffisant pour représenter le phénomène observé et tant que ce qu'on croit observer est compatible avec ce qu'on peut représenter.
En fait la construction du champ des phénomènes chimiques se fait indépendamment de la modélisation qu'on peut en faire.
Ce changement de modèle (modification de la règle initiale d'insécabilité jusque là incontournable) n'est pas vécu par les élèves comme un changement arbitraire de règle mais plutôt comme une nécessité dans la mesure où l'inadéquation du modèle précédent a bien été repérée et dans la mesure où le rôle d'outil du modèle qu'ils ont eux mêmes construit est bien établi.
6. CONCLUSION
Dans ces séquences, les élèves ont effectivement participé à la construction de modèles en référence à des situations physiques, ils ont aussi amélioré leur conceptualisation de ces situations physiques. Le choix de ces situations de référence nous paraît très important : pour engager les élèves dans la modélisation, un minimum de connaissances partagées sur la description de ces situations est nécessaire. Lorsque les règles de fonctionnement d'une démarche de modélisation (nature des moyens de contrôle et des critères d'acceptabilité de propositions) commencent à s'établir, la modélisation peut devenir un outil d'exploration du monde ; c'est alors la cohérence entre la conceptualisation d'une situation et le modèle qu'on peut en faire qui joue un rôle prépondérant. Ce qui est donc primordial, c'est de faire construire ces moyens de contrôle par les élèves. Si les modèles construits ne sont pas très performants au regard de ceux proposés par les scientifiques, ils ont le mérite de pouvoir être maîtrisés par les élèves. Il ne s'agit pas de simples images personnelles d'utilisation libre mais d'un modèle partagé, discutable selon des critères reconnus.
RÉFÉRENCES
BROOK, A., BRIGGS, H., DRIVER, R. (1984). Aspects of secondary students' understanding of the particulate nature of matter. University of Leeds.
CHOMAT, A., LARCHER, C., Méheut, M. (1988). Modèle particulaire et activités de modélisation en classe de 4ème, ASTER, 7, 143-184
CHOMAT, A., LARCHER, C., MÉHEUT, M. (1992). Modèle particulaire et démarches de modélisation. In Enseignement et apprentissage de la modélisation, (pp119-169). Paris : Ed INRP
LARCHER, C., CHOMAT, A., MÉHEUT, M. (1990). A la recherche d'une stratégie pédagogique pour modéliser la matière dans ses différents états, Revue Française de Pédagogie, 93, 51-61
LARCHER, C., CHOMAT, A., LINEATTE, C. (1994). D'une représentation à une autre pour modéliser les transformations de la matière au collège. ASTER, 18, 119-140
MÉHEUT, M. (1982). Combustions et réactions chimiques dans un enseignement destiné à des élèves de ème (11-12 ans). Thèse de troisième cycle. Paris : Université Paris7
NOVICK, S., NUSSBAUM, J. (1978). Junior high school pupils'understanding of the particulate nature of matter : an interview study. Science Education, 62, 273-281.
PFUNDT, H. (1981). The final in the division process of the firsty building block. Pre-instructional conceptions about the structure of substances. Chemical Didactica, 7,75-94.
SÉRÉ, M.G. (1985). Analyse des conceptions de l'état gazeux qu'ont les enfants de 11 à 13 ans, en liaison avec la notion de pression, et propositions de stratégies pédagogiques pour en faciliter l'évolution. Thèse de Doctorat d'état. Paris : Université Paris 6.
VYGOTSKI, L.S. (1985). Pensée et langage. Paris : Messidor Editions sociales,
