ARTheque - STEF - ENS Cachan | Concept de chaleur : quelques conceptions des adolescents, savoir sur le concept et difficulté pédagogique

CONCEPT DE CHALEUR.

QUELQUES CONCEPTIONS DES

ADOLESCENTS SAVOIRS SUR LE CONCEPT

ET DIFFICULTES PEDAGOGIQUES

NSUMBU-A-NLAMBU Daniel Maurice, LDES et ISP de MBANZA-NGUNGU, ZAIRE

MOTS CLEFS : chaleur, température, équilibre thermique, conceptions, strattégies, didactiques, apprenants

RESUME: Les conceptions des aprenants constituent sans aucun doute le "cadre d'accueil" dans l'acquisition du savoir scientifique. Il est également certain qu'il existe un décalage entre ce cadre et le cadre scientifique.

Ces deux évidences ne garantissent-elles pas la perspective de l'élaboration d'un champ d'applicabilité des conceptions dans un enseignement donné? Une perspective qui contribueraàdécroître ce décalage etàaboutir vers uncadre d'accueil unifié.

Ainsi nous nous efforçons non seulement de dresser des nouveaux catalogues conceptuels des apprenants zaïrois (de MBANZA-NGUNGU) sur le concept de chaleur et de nous interroger sur leurs origines mais aussi de chercher des voies et moyens quant à leur usage dans les actions éducatives.

ABSTRACT : Students' concepts are undoubtedly a result of the "educational environment" wher these students receive scientific knowledge.

Il is also true that this environment does not match with the scientific environment. Don't these two postulates tell that planning of a field which would corresmond to the subject tought is needed ?

This planning would help to diminue ? (ea<;e) that difference and we would progressively gettaan educational environment with no contradictions.

This way we would make an effort not only to have new cathaloges about what young students from Zaire (MMBANZA-NGUNGU) think the heat and where their conceptions come from, but a]so try to find a way to use them in teaching strategies.

1.INTRODUCTION

Depuis maintenant plus d'une décennie un nombre considérable des recherches en didactique des sciences ont pris une sérieuse option sur l'examen judicieux des conceptions (ou représentations) que les apprenants possèdent relativement à un concept scientifique détemlÎné.

Dans un premier temps, la tendance était plus tournrée vers l'inventaire catégoriel des conceptions et des obstacles.

L'étape suivante est celle des questions ou hyothèses qui se rapportentà l'usage qu'on peut réserver dans un processus éducatif aux catalogues conceptuels mis en place. Les institutions de recherche telles que l'IRESPT et tant d'autres en France, LDES en Suisse, IPN de Kiel en Allemagne ... et les chercheurs anglo-saxons: Driver et al, Gaa1en, etc ... ou encore Chiyolo Tomizawa au Japon ... constituent des défenseurs attitrés de ce "nouveau" courant didactique qui prône la construction du savoir scientifique par l'apprenant lui-même de telle sorte que "son bagage" conceptuel soit la fondation sur laquelle doit reposer le savoir à construire.

Les apprenants,disent-ils, possèdent beaucoup d'idées sur les concepts scientitiques. Ces idées forment ce qu'on peut désigner par "pré-science". Cette denière doit elle être laissé pour compte par le processus éducatifs, ou au contraire doit-elle être prise en compte?

Dans le cadre d'une thèse que nous sommes entrain de préparer à l'université de Genève, nous nous essayons d'emboîter le pas aux éminents chercheurs précités. Avant de passer au vif de notre sujet, il nous faut, tradition oblige, retracer la méthode de recherche que nous avons utilisée dans les différents stades de notre inverstigation.

2. METHODOLOGIE

2.1. POPULATION ET ORGANISATION SCOLAIRE DES ECOLES DE

RECHERCHE

Notre recherche s'est déroulée dans 3 écoles secondaires de MBANZA-NGUNGU, ville du sud-ouest du Zaïre située à150 km de KINSHASA, la capitale.

Chaque école comprend un cycle secondaire complet c'est-à-dire : un cycle d'orientation de 2 ans et un cycle des humanités scientifique et littéraire de 4 ans. Le cycle d'humanité scientifique se divise àson tour en deux sous-cycles de 2 ansà savoir un tronc commun comprtant la 3ème et la 4ème scientifique. Au terme de ce tronc commun,les apprenants sont orientés en fonction des notes obtenues dans les options math-physique ou Bio-chimie.

Les chefs d'établissements scolaires précités ont mis à notre disposition 6 classes de 4ème scientifique totalisant 288 élèves d'âge moyen 16-17 ans.

2.2. RECUEIL DES CONCEPTIONS

Trois stades interactifs ont constitué les temps forts de cette phase de la recherche: le pré-test, les interviews et enfin le post-test.

Le pré-test, qui est en fait le stade le plus important car c'est à cette étape qu'on mobilise réellement les conceptions, a eu lieu avant l'enseignement sur la chaleur

(1610111987).

Quant aux interviews, cette technique qui est "un art et unartdifficile" comme le font remarquer les spécealistes(1. Piaget, G.I. Posner et W. Gertzog ... ), ne fut utilisée que dans le but d'amener quelques apprenantsàpréciser de façon plus ou moins claire leurs conceptions initiales et "finales" (1).

Le dernier stade fut celui du Post-test qui eut lieu à la fin du mois de Mai (3 mois après l'enseignement).

2.3. QUESTIONNAIRE

Le questionnaire du test se compose de 15 questions sur la chaleur, température, équilibre thennique, changement d'état, capacité calorifique, mélange et calorimètrie. La durée de chaque test était d'environ 2H30 minutes.

3. ANALYSE DES CONCEPTIONS

De prime abord, nous tenons à signaler que les résultats ci-après sont globaux. Ils sont issus de 3 étapes méthodologiques. Ils constituent des réponses aux 3 des 15 questions du questionnaire (cf. Annexe) données par un échantillon d'élèves (le tiers de la population). Ces résultats reflétentàquelques nuance près les réponses données par la populaton étudiée.

Il s'agit en fait des conceptions qui n'ont pas évolué car estimons-nous que c'est-elles qui forment le "noeud gardien" fournissant la matière à recherche quant aux stratégies didactiques à mettre en place afin de résorber ce conflit cognitif.

Nous les regroupons sous les thèmes suivantss.

3.1. CONCEPTIONS RESULTANT D'UNE SITUATION EXPERIMENTALE INTERPRETEE ANTICIPATivEMENT (Q. W 2, VOIR ANNEXE)

Dans une évaluation de la température de deux corps liquide (l'eau) et solide (tapis de laine) placés dans un même milieu ambiant (la cave), une proposition peu considérable d'élèves (cf, al) parviennentàdégager la notion d'équilibre thermique en précisant qu'ils sont à la même température : celle du milieu ambiant. Mais remarquons que ce résultat est le moins satisfaisant car en "creusant" un peu dans les interviews, nous avons constaté que la notion d'échange thermique dont l'équilibre thermique en constitue la limite est loin d'être acqise.

Quant au reste des élèves, ils fournissent des réponses très diversifiées. Elles sont catégorisées selon leur ressemblance.

qui permet à un groupe d'élèves d'évaluer la température de l'eau contenue dans la bouteille (voir ab).

Le modèle analogique qui se dégage du modèle précité est donc: la temprérature de l'eau vaut le produit de celle de la cave par le nombre des jours de la semaine ou la température de l'eau vaut le produit de celle du contenu (Il° disent-ils) par le nombre des jours de la semaine ajouté au produit de la température du contenant qu'ils estiment à 2°C par 7 jours.

A l'opposé de ce modèle succède l'évaluation qualitative en terme de supériorité de la température de l'eau par rapportàcellede la cave (Température de l'eau> 12° C) car déclarent-ils: "il fait chaud dans la cave" (voir aC).

D'autres, par contre, diseneque comme "il fait froid dans la cave", la température de l'eau est inférieure àcelle du milieu.

Apart ces élèves,signalons ceux qui ne quantifient pas la température mais adjoignent

àcelle-ci les qualificatifs chaud, froid ou tiède correspondant àl'état calorifique du milieu.

Avant de passer au tapis de laine, ajoutons que l'un des arguments qui ont limité à

cette comparaison qualitative des températures est l'origine de l'eau. En clair, la température de l'eau est inférieure ou supérieureàcelle de la cave selon qu'elle ait été pu iséede la source ou du robinet.

Quant au tapis de laine, l'équilibre thermique est évoqué par peu d'élèves. Bien des élèves croient que la température de la laine est plus petite ou plus grand que celle de la cave en vertu du fait qu'elle n'est pas établée. En son milieu, elle se refroidit si la cave est froide et s'échauffe dans le cas contraire.

A ces deux ctégories s'ajoutent des réponses du type: "la température de la laine vaut

aoc

acc

3.2. DIFFERENCIATION CHALEUR-TEMPERATURE

Dans leurs réponses aux deux dernières questions, on constate un étonnant chassé-croisé entre chaleur et température.

La température devient le quantificateur de la chaleur ou reciproquement. Peu d'élèves

(20%) déclarent évasivement que le chaleur est une forme d'énergie", Les deux notions sont aussi assimilée aux sensations chaude ou froide.

Par ailleurs d'autres élèves (14 %) substantialisent la chaleur: "C'est la vapeur dégagée par un corps",

Enfin une des réponses qui paraît étonnante pour les deux concepts est celle que les élèves au niveau d'élément essentiel dans l'existance des êtres vivants (14 D et 15 H). Ilya en fait l'émergence d'une idée très ancienne: le corps humain produit la chaleur qui garantit la vie. Bref, "la chaleur c'est la vie" disent ces élèves.

Ces conceptions foisonent et forment un réseau le moins aise ment extrincable. Mais est-ce là une apovie favorisant une vision pessimiste qui prône leur inutilité dans les processus éducatifs?

4. DIFFICULTES PEDAGOGIQUES ET PERSPECTIVES D'AVENIR

Les conceptions vont à rebrousse-poil vis-à-vis de la Science. Elles sont en plus tenaces.

Par ailleurs, "l'enseignement traditionnel a fait et continue à faire sont chemin car il fournit dans une proportion peut-être insatisfaisante l'élite sélective qui constitue en fait l'objectif visé; pourquoi alors chercher à innoverT'.

Telle est le langage tenu par les enseignants qui ont collaboré dans cette recherche. Il ressort de ces propos un obstacle disons institutionnel mettant en exergue "l'illusion lyrique" (2) de la phisique et ignorant de ce fait "l'illusion romantique" (2). Cette ignorance des conceptions des apprenants, pensons-nous, justifie la proportion insatisfaisante de l'élite obtenue car le fait de déconsidérer que les apprenants" font de la physique sans le savoir" (3) et de ne pas "les rendre conscients" (3) de ce constat a pour conséquence immédiate la juxtaposition de l'illusion lyrique sur les modèles explicatifs propres aux apprenants.

Pour revenir aux concepions,ajoutons une difficulté non moins négligeable, une difficulté d'ordre linguistique. Dans les langues nationales, chaleur et température sont désignées par un même mot: moto en lingala, tia en Kokongo, Tshoto en Swahili ... Le tableau dressé précédemment suscite en nous des questions en rapport avec le statut à accorder aux conceptions recueillies dans un processus éducatif.

Questions qui sont voisines à celles que A. Giordan et G. De Vecchi se posent dans leur livre (4) : "Les conceptions correspondent-elles à des moyens de connaître ou à des obstaclesà franchir? Faut-il apprender "avec" et "contre" les conceptions 7" Elles révèlent des problèmes inhérents aux stratégies didactiques à pourvoir afin de contribuer à l'évolution idéale des élèves vers non seulement des "descriptions communes des phénomènes" (5) mais aussi vers "enrichissement progressif des modèles" (5) convergeant vers un modèle unifié" (5) des conceptions. Ainsi dans une prochaine étape, les élèves seront mis devant des situations expériementales qui s'appuieront sur leurs coneptions; La confrontation de leur cadre de référence avec les conclusions qui découleront des résultats expérimentaux rendra compte de l'état évolutif ou non des conceptions.

5. CONCLUSION

Comme le montre le catalogue conceptuel dressé ci-avant, la notion d'équilibre thermique n'est pas axquise ; moins encore la différenciation chaleur-température. D'autre part, les influences négatives des apprentisages antérieurs plaqués sur les cadres d'accueil des apprenants est omniprésente dans ces conceptions. On constate aussi une régligence des formateurs envers l'introduction des nouvelles approches didactiques. Ils oubient que seules les innovations didactiques menant appui sur les mécanismes de compréhension lent et laborieux de l'élèves (distincts de ceux des formateurs, scientifiques ... ) peuvent aider l'enseignement dans son contenu et dans son organisation à éprouver autant que possible des démarches d'apprentissage propres

(1) Nous entendons par conceptions "finales" celles recueillies au post-test.

(2) Termes empruntés de Samuel Johsua dans constribution à la délimitation du contraire et du possible dans l'enseignement, Thèse, Marseille, 20 mars 1985.

(3) G. Brousseau, communication aux journées du centre inter-universitaire de recherche en didac. des disciplines scientifiques, Marseille, 1983

(4) A. GIORDAN et G. DEVECCHI, les origines du savoir, Neuchâtel-Paris, 1987, pp 129-133.

(5) J.L. MARTINAND, Modèles et Modélisation, séminaire, LDES, Mardi 912/88.

ANNEXE

QUESTION W 2

Julie descend à la cave, un thermomètre suspendu à une poutre indique 12° C, Evaluer la température.

a) de l'eau que contient une bouteille d'eau entreposée dans la cave depuis une semaine. Réponse .... Expliquer votre réponse.

b) du milieu d'un tapis de laine roulé dans un coin de la cave. Réponse ... Expliquer votre réponse.

a : l'cau

A. 23%

Températurê du milieu ambiant: l2°C B.

84°C= 7 jours x l2°C 20 %

98°C=7 jours xlia =2°X7 où 2°C (Température de la bouteille) 2%

70°C= 84° - 2° x 7 C.

La température diminue car il fait froid dans la cave (T < 12°). La température sera toujours froide. La température ne restera pas la même. 25% La température augmente carilfait chaud dans la cave (T> 12°C). La température sera tiède car il fait ni chaud, ni froid dans la cave

l'cau ou la température sera toujours roide car il fait froid dans la cave.

D.

La température=76 mm Hg

La tempérautre de J'eau= O°C car le froid commenceà0 ° C

E.

Pas de Réponse

b : Le tapis de laine A.

Température du milieu ambiant: 12°C

24%

B. 21 %

T< 12°C car la laine est enroulée

T < 12 oC car la laine ne se chauffe pas facilcmentLa laine ne peut avoir la même température que la cave. Milieu de la laine plus chaud ou tiède

C.

T=O°C carletapis ne se chauffe pas de plus ou le froid commenceàO°C. 16 % La température est proportionnelle à celle de la cave

le climat ou la température de la laine varie avecletemps

E. 13%

Tapis un peu froid ou toujours froid car le tapis garde la chaleur et le froid ou encore l'air ne pénétre pas dans le tapis.

F. La température est constante car la température pénètre lentement à eause de la couche de laine.

Température de la laine: - 12°C 14%

G. Pas de réponse 2%

QUESTION N°14 Qu'est-ce-que pour vous la température? A. Quantité de chaleur

· contenue dans un objet, dans le vide ...

.par degré Celsius 34 %

· obtenue en mesurant l'état d'un malade · absorbée ou cédée

· produite par un corps en la mesurant avec un thermomètre; · variable en degré d'un corps à un autre

Instrument de mesure de la quantité de chleur d'unCOITSchaud ou froid · degré de chaleur (sensation)

B. Résultat de la chaleur 5%

C. Sensation 43%

· du chaud ou du froid mesurable avec un thermomètre

état moyen de l'atmosphère

Temps ou classification de l'état chaud ou froid E. Pas de réponse

QUESTION N°1S

Qu'est-ce-que pour vous la chaleur?

A.

Sorte d'énergie dite calorifique 8.

Quantité de chaleur ou de température absorbée

C.

Degré de température ou température chaude

12% 20% 16 % 9% D. Elévation de la température particules constituées 7% augmentation de la vitesse de déplacement des

E.

Sensation du chaud ou du froid

Moyen de sentir la quantité de la température C'est le chaud ou le froid

14%

F. 12%

Vapeur dégagée par un coprs ou obtenue lors de l'ébullition d'un corps.

G. 4%

- Etude des corps chauds

- Température d'échauffement d'un corps

H. 6%

Ce qui permet aux êtres vivants de se développer

I. 4%

Changement d'état d'un corps dueàla variation de la température Ce qui nous éclaire (Soleil)

J.

Pas de réponse

298