SCIENCES 12-16 :
L'INTRODUCTION DES CONCEPTS CHIMIQUES
Mercè IZQUIERDO
D.D.C.M. Universitat Autànoma Barcelona. Nuria SOLSONA
Centre Documentaùon et Experimentation des Sciences, Barcelona.
MOTS-CLÉS: PROJET - CHIMIE - CONCEPT - ÉDUCATION SCIENTIFIQUE
RÉSUMÉ: La ligne de travail du Projet Sciences 12-16 au niveau de la chimie se développeà travers de l'analyse de différents phenomènes chimiques, pendant les modules, qui sont interprétés avec un modèle de particules. La conceptualisation se fera dans l'Unité didactique finaleSystèmes chimiques.
SUMMARY: At a chemistry level, the Science12-16 Project works in the development through the analyse of different chemical phenomena, during the modules, that are understood with a parùcle mode!. The conceptualisation will be established in the final module namedChemical Systems.
1. LES CARACTÉRISTIQUES DU PROJET SCIENCES 12-16
Le Projet Sciences 12-16 est un projet d'enseignement des sciences au niveau de l'enseignement obligatoire, de 12 à 16 ans, soutenu par le Département d'Enseignement de la Generalitat de Catalunya.
Le Projet fait partie de la conception constructiviste des sciences et de l'apprentissage. En accord avec une perspective d'évolution conceptuelle, la planification faite pour l'introduction des modèles et des concepts scientifiques est integrée dans les curricula en spirale. Nous accordons beaucoup d'importance aux faits qu'on propose d'analyser aux élèves, c'est-à-dire au niveau factuel des sciences qui doit être toujours d'accord avec le niveau théorique.
La Réforme éducative en Catalogne oblige à travailler tous les concepts qui sont à la base de l'éducation scientifique, pendant les âges de 12 à 16 ans, en 8 unités didactiques distribuées en 4 ans.
1. Diversité et unité des matériaux. 2. Diversité et unité des êtres vivants.
3. L'eau, ce n'est pas de l'eau, qu'est-ce que c'est? 4. L'air, qu'est-ce que c'est et qu'est-ce qu'il fait? 5. L'énergie. Les machines.
6. Les êtres vivants, comment fonctionnent-ils ? 7. Systèmes chimiques.
8. La Terre et l'évolution.
Le Projet Sciences 12-16 ne travaille pas la chimie d'une façon spécifique, jusqu'à la dernière année scolaire de l'école obligatoire, à 16 ans. Mais les élèves ont, en ce moment, un petit univers de phénomènes chimiques travaillés, et dans un certain niveau, acquis pendant les différentes unités didactiques.
2. LA CHIMIE À TRAVERS LE PROJET SCIENCES 12·16
Nous indiquons quelques éléments du cursus sur lequels nous nous sommes appuyés pour construire une interprétation des phénomènes chimiques. Les différentes unités didactiques et les concepts qu'on a travaillés et qui ont des rapports avec la chimie, sont les suivants:
1. Diversité et unité des matériaux
Dans cette U.D., on travaille les différents états de la matière et on introduit un modèle de particules très simple pour expliquer les propriétés des matériaux, par rapport aux états:
1.Tous les matériaux sont faits des particules. 2. Les particules sont insécables et indéformables.
4. L'organisation spatiale des particules peut être avec ou sans ordre.
5. Les particules peuvent bouger d'une façon plus ou moins libre, les unes par rapport aux autres.
Les élèves travaillent et connaissent les propriétés des quelques matériaux, comme le sucre, le sel, la glycérine, le fer (en fil, en poudre, en acier), l'huile, le cuivre, l'air, ... On profite ici pour faire la différenciation entre un objet et une substance. Notre choix est de ne pas donner un modèle atomique très élaboré et performant avec le noyau, les protons, les neutrons et les orbitales. Nous avons introduit un modèle avec un niveau de complexité en accord avec les faits déjà introduits et connus par les élèves.
Nous voulons stimuler les élèves à faire l'élaboration d'une évolution conceptuelle à partir d'un modèle très simple. Notre idée, en accord avec ce qu'on a fait dans d'autres recherches, est de pennettre aux élèves d'interpréter les faits, dans ce cas les propriétés des matériaux, en utilisant un modèle de particules élémentaire commme modèle analogique. Ce modèle restera dans une forme très simple, sans charges électriques par exemple, jusqu'au moment où il faudra parler de la liaison chimique.
On utilise le concept d'analogie, commela relation entre deux parts des structuresdedeux domaines conceptuels, relation qui peut être analyséeàtravers des comparaisons entre les niveaux où ces structures ont une certaine ressemblance.
2. Diversité et unité des êtres vivants
Les élèves travaillent avec les levures. Même si l'idée principale est d'approcher des êtres vivants qu'on ne peut pas voir, quand ils font la fermentation du sucre, on leur propose de schématiser le processus qu'il y a eu dans le tub à essai de la manière suivante:
sucre+levure "donne" COZ+"levure"+autres substances
On leur explique qu'il y a eu une interaction entre la levure, l'organisme vivant et le sucre. Que la levure utilise le sucre comme source alimentaire, que s'alimenter consiste à transformer les aliments; à partir de là,le sucre fonne des nouveaux matériaux. On remarque la fonnation de C02, un gaz qu'on reprendra plus tard.
3. L'eau ce n'est pas de l'eau, alors qu'est-ce que c'est ?
Dans le cadre d'une étude interdisciplinaire de l'eau, on fait l'introduction du concept de dissolution. Nous proposons de justifier la non-variation du volume de la dissolution à cause de la distribution de particules de la substance à dissoudre entre les particules de l'eau, quand on travaille avec des petites quantités. En ce moment, une autre classification des matériaux est introduite: matériaux solubles et insolubles.
On introduit le concept desubstance pure,en faisant la comparaison entre l'eau-dissolution et l'eau-substance pure.Àpartir de ce moment, l'eau distillée sera le modèle pour le corps pur, pour le soufre et les autres corps purs qui apparaîtront dans les prochaines unités didactiques. L'établissement du concept desubstance purepar rapport à ses propriétés caractéristiques est un des concepts indispensables pour pouvoir établir le concept de changement chimique.
Au niveau du processus de modélisation, les molécules de l'eau-substance pure sont introduites comme un cas particulier des particules, en remarquant qu'il ne s'agit pas d'un synonyme. On fait attention au fait que l'état et la distance entre particules change, mais les particules sont les mêmes dans la glace, l'eau et la vapeur d'eau.
Notre idée est de profiter de toutes les situations et phénomènes qu'il y a dans l'apprentissage des sciences pour noter, signaler et connaître les phenomènes chimiques, quoiqu'il s'agisse simplement d'une première approximation. On reprendra ces phénomènes chaque fois qu'il sera possible, et bien sûr, dans l'U.D. Systèmes chimiques.
4. L'air, qu'est-ce que c'est et qu'est-ce qu'il fait?
Dans le cadre d'une étude interdisciplinaire de l'air, on dédie un chapitre à l'étude des gaz : leurs propriétés et les lois qui règlent leur comportement: la Loi de Boyle. On étudie les différents gaz qui sont dans l'atmosphère: NZ' OzetCOZ,et on parle aux élèves des molécules et de leurs formules. On remarque que l'élément chimique oxygène compose le gaz oxygène et le gaz owne. L'idée intuitive des élèves sur l'atome est recueillie pour parler des atomes d'oxygène.
Les élèves travaillent aussi la fonction de l'oxygène et du COZdans la respiration et la photosynthèse, en remarquant qu'il s'agit des transformations chimiques.
Àpartir de l'étude de la combustion, on établi la classification entre combustibles et non combustibles. Les élèves travaillent alors sur quelques oxydes, de Sn et de S.
Au niveau de la modélisation, on introduit le modèle cinétique,àtravers une maquette pour expliquer le comportement et les propriétés des gaz.
5. L'Énergie
En calorimétrie, quand on travaille sur la chaleur latente, on introduit une première idée sur l'aspect énergétique de la liaison entre particules: pour casser une liaison, il faut faire un apport d'énergie.
3. DIFFICULTÉS DE CONCEPTUALISATION
L'exploration des difficultés pour l'introduction des concepts qui rendent possible une interprétation chimique des phénomènes, se faitàtravers de deux voies:
3.1. L'étude des réponses des élèves aux questions mentionnées dans les unités didactiques faites avant l'unité finale qui estSystèmes chimiques.
Bilan de J'utilisation du modèle.
Le modèle a bien fonctionné pour expliquer les états de la matière, les propriétés des matériaux comme la densité ou la dilatation. Il a fallu faire attention aux élèves qui parlent de
''particules qui gonflent avec la dilatation". Nous n'avons pas ttouvé la manière de faire penser aux élèves la question des distances entre les particules. Le vide est resté un concept difficile à accepter.
Dans le cas de dissolutions, l'explication sur la non-variation de volume a été bien comprise. Mais pour voir la différence entre les matériaux solubles et insolubles, à la plupart des élèvesilleur suffit de trouver une cause explicative immédiate, qui est une transposition du comportement macroscopique au comportement microscopique:"Les matériaux sont solubles quand leurs particules peuvent se mélanger avec celles des autres, ils sont insolubles quand leurs particules ne peuvent pas se mélanger". Une autre partie des élèves parle de la ''forcedecohésion", de la ''force d'attraction" entre les particules, un aspect qu'il faudra renforcer dans les prochaines expérimentations. Dans le cas de mélange entre différents gaz, en plus de parler des forces entre particules, les élèves font référence à"la tendace des gazà occuper le maximum de volume possible", idée qui deviendra pour eux un "idéal explicatif', si on utilise la terminologie de Stephen Toulmin (1961).
3.2. L'étude des réponses aux questions ouvertes poséesàdes élèves qui ne suivent pas le Projet Sciences 12-16, et qui sont aussi en train de fmir l'école obligatoire.
Les questions passées aux élèves sont les suivantes: Question1 :Quand un clou se rouille, quel genre de changement lui est arrivé? Explique les raisons de ta réponse; Question2 : Une pornrne pelée devient foncée. Qu'est-ce qu'il lui est arrivé? ; Question3 :Donner une définition de substance pure et élément chimique.
On fait l'étude de ces réponses à travers des réseaux systémiques. On peut voir que les élèves utilisent comme modèles explicatifs, indifféremment les scientifiques et ceux que proviennent de leur expérience de la vie quotidienne. Dans l'enseignement de la chimie on a identifié chez les élèves des modèles explicatifs qui sont différents des théories scientifiques actuelles ou de celles de l'histoire de la science. Les élèves en utilisent d'autres qui ne sont pas exactement ni les unes ni les autres. Il faut les identifier aussi.
4. PERSPECTIVE DE TRAVAIL
La recherche en didactique signale que, par règle générale, les élèves disposent d'un ensemble très petit de phénomènes chimiques. Les phénomènes qu'ils connaissent de la vie quotidienne ne sont pas ni saisis ni retenus comme phénomènes chimiques. On pourrait dire qu'ils travaillent, par défaut, avec l'interprétation physique des phénomènes. Par règle générale, l'introduction des concepts chimiques se fait de façon isolée, sans signaler qu'ils représentent une nouvelle perspective, une nouvelle forme de regarder.
Nous attendons qu'à la fin de la Secondaire Obligatoire, les élèves disposent d'un univers de phénomènes chimiques de référence qu'ils auront acquis pendant le développement du Projet, et d'un processus de modélisation construit sur la base d'un modèle de particules, qui leur permettra
d'interpréter les phénomènes.
Le but de l'unité didactique Systèmes chimiques est d'augmenter l'ensemble de phénomènes chimiques connus ou "manipulés" par les élèves, renforcer la quantification et arriver jusqu'à un certain niveau de complexité avec le modèle atomique. Nous espérons que l'émergence de l'interprétation chimique des phénomènes sera plus favorable avec cette "masse critique" de phénomènes et l'aide du modèle analogique.
Notre intention est de ne pas réduire la chimie tout simplement à un "jeu de mots" qui n'est pas une garantie de l'apprentissage significatif, où la chimie devient pour les élèves un ensemble de formules et de nomenclature systématique.
11 y a différentes recherches en mathématiques et en physique, faites dans l'idée de renforcer la pensée intuitive des élèves, ou sur les points d'ancrage. En chimie, Ruth Stavy (1991), qui essaie de profiter de la pensée analogique, signale que les idées alternatives des élèves sur "la conservation" et "la permanence" font partie d'un système alternatif de connaissance plus fort que tous les autres genres de connaissance. Elle essaie de profiter de cette force pour l'apprentissage: si les élèves font la compréhension de la conservation de la matière pendant l'évaporation du iode, ils peuvent faire le transfert conceptuel de la conservation de la matière à l'évaporation de l'acétone.
Penser à travers des analogies est une habitude dans les raisonnements de la vie quotidienne. L'avantage de travailler avec une analogie, entre un fait connu et un fait inconnu, est qu'on a la possibilité de renforcer les connaissances intuitives des élèves. L'apprentissage à travers des analogies remarque qu'il s'agit des deux tâches semblables, et que, dans ce cas, l'apprentissage peut être plus facile.
Notre intention est de chercher une analogie de permanence qui puisse nous aider àla conceptualisation du changement chimique. On essaie d'établir une analogie avec le fait connu de l'accumulation du Hg des piles, dans les déchets, dans la mer, ou du plomb dans l'essence, avec la conservation de l'élément chimique dans un réaction chimique.
Nous essayons d'utiliser les représentations des élèves et d'établir des ponts avec le modèle de particules, pour arriver au plus grand niveau de complexité possible avec le modèle atomique. Les analogies doivent nous permettre un rapprochement successif d'un modèle atomique plus élaboré.
BIBLIOGRAPHIE
STAVY (R.), Students' Conceptions of Matter in adolesent Development and School Science, Ed. Philip Adey
1
Falmer Press, 1989.STAVY (R.), Using analogy to overcome misconceptions about conservation of matter, Journal of Research in Science Teaching, 1991,28,4,305-313.
