ARTheque - STEF - ENS Cachan | Séminaire de didactique des disciplines technologiques Cachan 1994-1995

SÉMINAIRE DE DIDACTIQUE

DES DISCIPLINES TECHNOLOGIQUES

CACHAN

1994-1995

Responsables : J.-L. Martinand & A. Durey ©Association Tour 123

SÉMINAIRE DE DIDACTIQUE

DES DISCIPLINES TECHNOLOGIQUES

CACHAN 1994-1995

Responsables : J.-L. Martinand & A. Durey © Association Tour 123

L

Bruillard, Éric

Maître de conférences à l'IUFM de Créteil Cartonnet, Yves

Professeur agrégé de génie mécanique École Normale Supérieure de Cachan.

Emptoz, Gérard

Professeur d'Histoire des Sciences à l'Université de Nantes. Larcher, Claudine

Professeur des Universités, Institut National de la Recherche Pédagogique

Lebeaume, Joël

Maître de conférences à l'IUFM d'Orléans-Tours Murphy, Patricia

Mac Cormick, Robert

Centre for Curriculum and Teaching Studies School of Education, the Open University, UK Martinand, Jean-Louis

Professeur des universités, École Normale Supérieure de Cachan. Orange, Christian

Professeur des Universités, Institut National de la Recherche Pédagogique

SOMMAIRE 3

S

INTRODUCTION 5

INTRODUCTION A LA MODELISATION 7

Jean-Louis MARTINAND

ACTIVITES DE MODELISATION AU COLLEGE 21

Claudine LARCHER

INTERET DE LA MODELISATION POUR LA DEFINITION DE 41 SAVOIRS OPERANTS EN BIOLOGIE.

Christian ORANGE

TEACHING AND LEARNING THE PROCESSES 55 OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Patricia MURPHY & Robert MCCORMICK

EIAO ET MODELISATION : DES REPERES 73

Éric BRUILLARD

INFLUENCE DU CODAGE DU RELIEF ET DE L'EXPERIENCE 111 PROFESSIONNELLE SUR LA COMPREHENSION DU

FONCTIONNEMENT CINEMATIQUE D'UN ROBOT

YvesCARTONNET

APERÇU HISTORIQUE DE L'HISTOIRE DES 131 TECHNIQUES EN FRANCE.

GérardEMPTOZ

NOTES BIBLIOGRAPHIQUES 143

LA TECHNIQUE. Jean-Pierre Séris par Joël LEBEAUME

INTRODUCTION 5

I

Ce cinquième volume des actes du séminaire de didactique des disciplines technologiques de Cachan correspond aux exposés de l'année universitaire 1994-1995. Nous avons regroupé dans une première partie les contributions relatives au thème de l'année et reporté en fin de volume les interventions portant sur d'autres thèmes choisis en fonction de l'actualité.

Le thème « L'enseignement des modèles et de la modélisation » correspond à un ensemble de travaux commencés depuis plusieurs années au LIREST. Une recherche coopérative sur programme en collaboration avec l'INRP a fonctionné pendant quatre années et deux ouvrages en ont résulté, le premier en 1992 « Enseignement et apprentissage de la modélisation en sciences » et le second en 1994 « Nouveaux regards sur l'enseignement et l'apprentissage de la modélisation en sciences ». Il s'agissait donc de reprendre les conclusions et les avancées théoriques issues de ces travaux pour les faire fonctionner et les interroger dans le domaine spécifique des disciplines technologiques.

Nous avons choisi à titre d'introduction au thème la contribution de J.-L. Martinand. Ce texte présente les avancées théoriques issues des travaux menés en collaboration avec l'INRP, puis il prolonge et développe le cadre théorique de lecture des problèmes didactiques liés à l'enseignement de la modélisation en introduisant notamment la notion de matrice cognitive dans le schéma de lecture initial. Dans le deuxième texte C. Larcher rend compte des résultats des recherches liées à la conception et à l'évaluation d'activités de modélisation au collège pour aider les élèves à se représenter la structure de la matière. Ce travail explicite les conditions didactiques qui permettent aux élèves de s'engager dans une démarche réelle de modélisation construite et contrôlée en référence à un problème de représentation des différents états de la matière. Dans le texte suivant C. Orange s'interroge sur les liens qui peuvent exister entre les savoirs opérants en biologie et la modélisation. A travers l'analyse des difficultés des élèves pour construire et se représenter des modèles « à compartiments » il fait des propositions de contenus de savoirs opérants fondés sur ces modèles. Dans la dernière contribution, Éric Bruillard fait un inventaire et propose des repères pour classer les utilisations éducatives de l'ordinateur intégrant la modélisation. Il distingue d'une part les outils permettant de modéliser (tableurs, solveurs, grapheurs etc.), des environnements permettant l'expression des modèles mentaux de l'élève (micromondes) ou l'exploration des modèles

(simulateurs). Il manque dans ce panorama, les outils de CAO utilisés dans l'enseignement. L'exemple du génie électronique montre que ces outils peuvent être utilisés dans l'enseignement à la fois comme outils d'expression et de construction de modèles de systèmes complexes à partir d'assemblages de modèles de systèmes ou composants élémentaires, mais qu'ils sont aussi et principalement utilisés comme moyen d'exploration des systèmes qu'ils représentent pour l'étude des fonctions de l'électronique.

La deuxième partie des actes du séminaire commence par une contribution de deux collègues anglais de l'Open University, P. Murphy et R. Mc Cormick qui nous font part de la très riche expérience anglaise sur le développement des curriculums en science et technologie. A l'aide d'une importante revue de question, les auteurs montrent tout d'abord les convergences et les différences dans les évolutions des curriculums et dans les résultats de recherche sur les performances des élèves et les pratiques des enseignants en science et technologie. Puis ils montrent comment les débats et les recherches sur les buts, la place des travaux pratiques, les conceptions sur les processus et les méthodes en sciences ont influencé le développement des curriculums et des pratiques enseignantes en sciences et en tirent les conséquences sous forme de messages pour l'éducation technologique. Y. Cartonnet nous expose dans le texte suivant les résultats essentiels de sa thèse. La question de l'efficacité des représentations graphiques dans les tâches de bureaux d'études est au centre du dispositif expérimental qui compare les lectures d'un plan en projection orthogonale, d'un dessin en perspective et d'une photo en relief, pour deux populations, des professionnels et des scolaires.

Nous terminons ce cinquième volume des actes par un aperçu du développement de l'histoire des techniques en France. Bien que l'histoire des techniques soit la plus jeune des disciplines historiques, G. Emptoz nous propose trois périodes qui permettent de fournir des repères et de saisir son évolution au cours du temps. La préhistoire qui part du moyen âge pour aller jusqu'au début du 19e siècle, la seconde du début du l9e siècle aux années 1930 et enfin la troisième période de 1930 à nos jours ou s'établit l'histoire des techniques en tant que domaine de recherche indépendant. Cette jeunesse de la discipline en France n'est probablement pas sans relation avec la prégnance d'une certaine vision de la technique comme une application de la science.

INTRODUCTION A LA MODELISATION 7

I

Jean-Louis Martinand

Le but de cet exposé est de présenter rapidement un certain nombre d’idées qui me semblent se dégager des travaux menés en commun ces dernières années avec l’équipe didactique des sciences expérimentales de l’INRP sur l’enseignement et l’apprentissage de la modélisation en sciences. Il me semble en effet que certains enseignements peuvent en être tirés pour la didactique des disciplines technologiques, où la modélisation joue aujourd’hui un rôle tout aussi fondamental qu’en sciences.

1. PRÉOCCUPATIONS

Pour ceux que préoccupe l’éducation scientifique des jeunes, la question des rapports entre concret et abstrait, formel, celle de l’articulation entre expérimental et théorique, passe par la prise en compte des modèles, du rôle que nous voulons leur faire jouer, de la manière dont ils peuvent être appropriés.

En même temps, on ne peut cacher une certaine inquiétude devant des incohérences : par exemple, promotion d’une physique concrète, « manuelle », et incapacité à proposer autre chose que des concepts déjà abstraits (température, rayons lumineux) comme but de l’apprentissage. Ou bien, autre exemple, éloge de l’expérience, et dérive théorique, comme on a pu le voir pour la physique et la biologie au lycée dans les années 80 (Figure 1).

Surtout, l’insatisfaction ressentie devant un enseignement dogmatique où les modèles sont présentés comme des évidences non questionnées, non rattachées à des problèmes, le rejet par les élèves de ce dogmatisme, la critique destructrice l’année suivante de ce qu’on a introduit (atome de Bohr), incitent à réfléchir sur la manière dont on pourrait enseigner et faire apprendre la modélisation, c’est à dire la construction, l’adaptation, l’utilisation des modèles.

La question est alors non pas : quel bon modèle enseigner ? Mais : comment donner aux modèles manipulés leurs trois caractéristiques essentielles :

• ils sont hypothétiques • ils sont modifiables

• ils sont pertinents pour certains problèmes dans certains contextes ?

Cette ambition se retrouve un peu partout. Citons seulement le projet Science for all Americans, de l’Association Américaine pour l’Avancement des Sciences, dans laquelle on propose comme fins (partie 11) : penser en termes de systèmes, de modèles (physiques, conceptuels et mathématiques), d’invariants, de figures de changement (tendance, cycle, chaos), d’évolution, d’échelles.

Il ne suffit pas cependant d’affirmer ces bonnes intentions. On voit par des travaux d’évaluation que l’usage des modèles, comme les modèles particulaires ou moléculaires n’est pas si fréquent, même après enseignement. Et les modèles « spontanés » peuvent résister fortement aux modèles enseignés. Sans doute faut-il donc prendre le temps de poser les problèmes de la modélisation dans tous leurs aspects.

Poumons matière chaleur, travail Reins TUBE DIGESTIF 45 l 180 l/j 178,5 l/j O matière matière 2 H O 2,5 l/j₂ H O 0,9 l/j₂ H O 1,5 l/j2 H O 0,1 l/j₂ matière H O 0,1 l/j₂ CO₂

INTRODUCTION A LA MODELISATION 9

Figure 1 : Schéma d’un organisme mettant en valeur ses entrées et ses sorties d’eau et le rôle du compartiment rénal (unité : litre/jour).

2. UN OBJET ET SES MODÈLES

2.1. Prenons comme exemple un objet présent maintenant en France de l’école primaire à l’université : la diode à semi-conducteur (Figure 2). Elle y apparaît d’abord comme un objet à manipuler. Son utilisation pratique en développe une expérience familière, qui, dans le cadre scolaire, débouche sur une connaissance empirique que nous qualifierons de phénoménographique.

B)

CB-150 DO-4

(CB-33) (CB-34)DO-5 A)

Figure 2 : A) Diodes de redressement au silicium B) Quelques aspects de diodes

Figure 3 : Caractéristique d’une diode

L’étude expérimentale de cet objet renvoie à un concept essentiel : celui de caractéristique, qui résume ce qu’on sait du comportement du “dipôle” en termes de grandeurs physiques, intensité de courant et différence de potentiel, et que l’on représente habituellement graphiquement (Figure 3).

Le constructeur fournit certains éléments sur les caractéristiques des objets qu’il fabrique et qu’il garantit (valeurs précises, conditions d’emploi) (Figure 4). L’ensemble de ces connaissances sur l’objet et son fonctionnement double donc la phénoménographie d’une sorte de phénoménotechnique.

L’important est ici de bien voir qu’il y a déjà une connaissance très importante, efficace, descriptive et prévisionnelle, liée à des moyens de symbolisation, et comportant des concepts, une “loi” (la caractéristique). Mais il n’y a pas à proprement parler de modèle.

Figure 4 : Caractéristiques typiques

2.2. Deux exigences indépendantes conduisent à modéliser à propos de cet objet :

* La première exigence est d’ordre pratique. Pour mieux maîtriser l’action, il s’agit de mieux dégager la fonction technique d’un tel objet, les conditions de son utilisation. On va alors procéder à une réduction opératoire, dont la trace graphique est visible sur la figure 5. Prenons le cas de la diode “passante”. Chacun des quatre encadrés contient de gauche à droite, un symbole de l’objet-diode, un schéma, et une représentation graphique de “caractéristique”. Les opérations de “modélisation” se lisent particulièrement bien sur les représentations graphiques puisque celle du bas à droite, analogue à celle de la figure 4 peut être considérée comme d’origine expérimentale et fait donc partie de la “phénoménographie”. Lorsqu’on parcourt ces représentations graphiques de bas en haut, on voit une successions de transformations qui sont des “abstractions” de certaines particularités de la courbe (linéarisation “par morceaux”, redressement de la deuxième partie de la courbe, effacement de la valeur Vd). Les schémas au

INTRODUCTION A LA MODELISATION 11

diode en termes d’éléments idéaux équivalents : ce sont précisément les schémas de modèles de la diode, à différents niveaux d’approximation. On peut donc lire sur cette figure le mouvement de modélisation lui-même avec ses caractéristiques de pluralité et de pragmatisme.

v i Vd 0 A i K 0 < i ≤ IFM +Vd A i K v interrupteur décalé v v i Vd 0 A i K 0 < i ≤ IFM +Vd A i K v interrupteur décalé v v i Vd 0 IFM I/R_d + A i K v Vd _R d 0 < i ≤ I_FM A i K v

interrupteur décalé avec résistance

A i K v + A K v v (i)d _{r (i)} d 0 < i ≤ IFM v i 0 _{v (i)} d r (i)d i₀ I/ caractéristique linéarisée

Figure 5 : La diode passante, réduction opératoire.

* Mais on peut être incité à modéliser pour de toutes autres raisons, expliquer par des théories la forme même de la caractéristique de l’objet (Figure 3), ou en tout cas une partie. C’est ce que fait la loi de Shockley (Figure 6), à partir de la théorie électronique des semi-conducteurs, elle-même application de la théorie quantique. Mais pour y arriver une longue série d’hypothèses a dû être posée ; elle correspond en fait à des modélisations du matériaux semi-conducteur et de l’objet “jonction entre des semi-conducteurs” :

• il suffit d’étudier les électrons dans un cristal parfait, • il suffit de faire comme si on avait un seul électron,

12 DIDACTIQUE DES DISCIPLINES TECHNOLOGIQUES 1994-1995

• on corrige la théorie des bandes d’énergie ainsi obtenues par la prise en compte des “impuretés” (tout à fait volontaires et contrôlées : ce sont les donneurs et les accepteurs de la figure 6);

• on considère que la loi de répartition de Boltzmann peut s’appliquer (pour représenter les effets de la température).

La loi obtenue alors reproduit bien la loi expérimentale : on a un modèle explicatif. ÉNERGIE + + + + + BANDE DE VALENCE BANDE DE CONDUCTION BANDE INTERDITE . + + + + + + ÉNERGIE BANDE DE VALENCE BANDE DE CONDUCTION BANDE INTERDITE LOI DE SHOCKLEY : € i = Is exp qV λkT−1       . ÉNERGIE ÉNERGIE BANDE DE VALENCE BANDE DE CONDUCTION BANDE INTERDITE BANDE DE VALENCE BANDE DE CONDUCTION BANDE INTERDITE + DONNEUR IONISÉ ATOME ACCEPTEUR ACCEPTEUR IONISÉ ÉLECTRON TROU ATOME DONNEUR

INTRODUCTION A LA MODELISATION 13

Bien sûr la distinction opérée entre visée scientifique et visée technique est provisoire : il n’y a pas opposition définitive ; d’autres préoccupations comme l'amélioration des composants et des matériaux conduisent à conjuguer les deux modélisations.

2.3. L’exemple de la diode vise uniquement à poser plus concrètement quelques questions didactiques. On peut insister dès maintenant sur l’existence de deux registres (Figure 7).

• Le registre du “référent empirique”, c’est-à-dire celui des objets, des phénomènes et de leur connaissance phénoménographique. Il y a bien une responsabilité de la didactique dans le choix, la définition du référent empirique : quels objets, quels phénomènes, quelles manipulations introduire en classe, et regrouper ensemble en un champ de familiarisation empirique pour les élèves ? Quelles règles pour réussir les manipulations ? Quelles notions et représentations pour décrire les phénomènes, quelle loi empirique ?

• Le registre des modèles construits sur ces référents, selon des exigences qui n’ont pas de solutions sur le premier niveau. Alors, quelles sont justement ces exigences, les problèmes, les visées ? Quelles sont les théories éventuelles, les outils symboliques utilisés ? Quelles sont les significations construites, les conditions d’utilisation, le champ de validité du modèle ou des modèles ?

S’intéresser à toutes ces questions, de manière approfondie, c’est ce que certains ont appelé, par analogie, sémantique, syntaxe et pragmatique de ces modèles (Walliser, B., 1977).

Quelques remarques doivent accompagner ce schéma.

1. Avec la notion de “tâche ou problème impliquant la modélisation”

nous voulons affirmer d'abord que ce qui nous intéresse avant tout, ce sont les processus de modélisations que les élèves peuvent prendre en charge, en tout ou en partie, et non les modèles plus ou moins “arrangés” que nous pouvons leur présenter au nom de la science ou des programmes. Nous pointons ensuite une question qui a donné lieu à de nombreuses discussions : comment définir précisément cette tâche ou ce problème directeur ?

2. La distinction modèle/référent empirique est une reprise et un

aménagement de la théorie du signe de de Saussure ou des schémas de la conceptualisation de G. Vergnaud (1987). Si les modèles (en tant que signifiés, exprimés au moyens de systèmes signifiants) jouent des rôles analogues aux concepts et “théorèmes”, ils réfèrent à un ordre de réalité que l'on appellera référent. Mais en sciences expérimentales, ce référent n'est pas constitué seulement d'objets et de phénomènes, ou d'actions sur des objets et d'interventions sur des phénomènes. Il y a “déjà là” des descriptions, des règles d'actions, des savoirs disponibles. Ils ont un statut “empirique”, même s'ils sont l'aboutissement de processus antérieurs d'élaboration conceptuelle, théorique ou modélisante, en ce sens qu'ils sont inconsciemment projetés sur la réalité. C'est ce que nous voulons désigner avec le syntagme “référent empirique”.

3. Outre la question de la définition précise de la tâche ou du problème

impliquant modélisation, un tel schéma permet de mettre en évidence et de discuter les composantes “sémantiques”, “syntaxiques” et “pragmatiques” de l'élaboration et de l'utilisation des modèles (Walliser, B., 1977), c'est-à-dire les enjeux, les systèmes symboliques, les ressources qu'apportent ces aspects du modèle pour questionner le référent empirique, se représenter, expliquer, prévoir, inventer. Il permet aussi de distinguer la description première, avant modèle, devant donner lieu à une construction consensuelle (phénoménographie) et la description seconde où le modèle se projette sur le référent (phénoménologie). Il permet enfin d'envisager cette manipulation-exploration du modèle et de ses virtualités, en relation avec le référent, qui n'est autre que la simulation.

3. PROBLÈMES CURRICULAIRES

3.1. Le schéma de la figure 7 peut-être utilisé pour penser les problèmes de construction et de pilotage d’un curriculum centré sur la modélisation.

Il présente une sorte de “cellule élémentaire” ou minimale qui fait apparaître, à un moment donnée d'un développement curriculaire, la plupart des questions qu'on rencontre lorsqu'il y a effectivement modélisation, dans les conditions où nous travaillons, c'est-à-dire en éducation scientifique de

INTRODUCTION A LA MODELISATION 15

l'école au lycée. Dans le détail, le schéma peut être complété et affiné, mais il peut être considéré comme représentant un moment d'un curriculum.

Un des résultats de nos recherches a été de montrer que dans la modélisation, il y a une tâche décisive : la tâche de représentation. La fonction de “représentation calculable” des modèles est essentielle ; les fonctions d’explication, de prévision et d’intervention qu’elle permet sont souvent insuffisantes pour solliciter et guider les élèves, contrairement aux suggestions de l’histoire des sciences et aux idées communes des didacticiens.

Un autre résultat a été d’attirer l’attention sur le registre du référent empirique. C’est celui des pannes et des aléas, des manipulations effectives, avec les représentations spécifiques qui sont associées aux actions et aux observations, mesures ou contrôles. Dans ce registre, la distinction entre phénoménologie et phénoménographie signale un des pièges majeurs de l’enseignement : les objets et les phénomènes restant les mêmes, les adultes instruits ne se rendent pas compte que les apprenants ne “lisent” pas (ne “décrivent” pas) comme eux la “réalité”.

En lui-même, le schéma de la figure 7 est donc un support pour poser les problèmes didactiques du triple point de vue d’une épistémologie appliquée, d’une psychologie des apprentissages et d’une ingénierie pédagogique.

3.2. Mais il permet aussi d’envisager, en tant que cellule élémentaire, ce qu’on peut appeler des figures de développement curriculaire.

À l'échelle d'un domaine et d'un niveau d'enseignement, la question centrale est celle des ruptures et des continuités qui caractérisent le développement des activités et des apprentissages qu'elles entraînent.

Un travail sur le modèle particulaire a mis en œuvre ce qu'on pourrait appeler une reprise amplifiante : un germe de modèle est travaillé pour prendre en compte progressivement de nouveaux référents afin de constituer une représentation unitaire. Une des questions non encore élucidée de cette recherche consiste à savoir si le passage des changements d'état physique aux réactions chimiques pourra se faire dans la continuité du modèle progressivement enrichi et précisé ou ci celui-ci devra être plus profondément remanié, avec donc une rupture marquée pour les élèves une tâche nouvelle.

Différents travaux sur des concepts de la mécanique, où les modèles provisoires ou plus permanents ont des statuts très divers, offrent un panorama exemplaire du jeu très complexe sur les tâches, les systèmes de symbolisation, les descriptions phénoménales prises en compte. Ainsi à propos de la quantité de mouvement passe-t-on de la recherche d'un modèle prédictif (modèle des objets) à un examen des formes de la relation prédictive (travail sur les modèles), pour finir par poser une relation générale comme un principe. Mais pour appliquer le principe théorique, il

reste toujours à modéliser les objets et les événements comme lors de la construction du modèle prédictif. À ce dernier stade peut être posé concept de quantité de mouvement, associé à son principe de conservation.

Dans des travaux à l'école élémentaire, le schéma apparaît de façon plus répétitive, sur un nombre important de petits domaines d'investigation, avec parfois une réflexion sur la valeur des modèles : limites, règles du jeu, comparaison entre modèles, bref ce qu'on peut appeler avec les auteurs une “métamodélisation”.

De façon plus générale, on voit que toutes les composantes du schéma doivent, dans une perspective curriculaire, faire l'objet de décisions précises de continuité ou de rupture : le référent (extension, description), les tâches impliquant modélisation (représentation unitaire, représentation de l'invisible, idéalisation du compliqué, explication, prévision), les modèles (systèmes symboliques, transformations et “calculs”...)

Quatre grandes “figures” peuvent être distinguées : • la répétition simple du schéma sans intégration, • la reprise amplifiante,

• le développement problématique,

• le changement de “niveau”, dont l'enseignement de l'électricité offre de bons exemples : circuit d'objet, circuit de courant, courant

d'électrons, etc… Dans le langage de notre schéma, cela implique la substitution d'une phénoménologie nouvelle à d'anciennes

phénoménographies.

Enfin toutes ces figures, mises en œuvre dans la pratique peuvent faire l'objet d'une réflexion rétrospective. C'est là qu'on atteint vraiment à un apprentissage de la modélisation, non plus seulement vécue en acte, mais conçue et critique. Les questions de la continuité, de la rupture, de l'explication et de la comparaison sont sans doute les questions de base pour envisager l'acquisition de compétences et d'attitudes transférables en modélisation

4. UN SCHÉMA DE LA MODÉLISATION

4.1. Les remarques qui précèdent nous invitent à compléter le schéma de la figure 7 : s’intéresser aux formes des lois dans les modèles, discuter de leurs limites, chercher une représentation à un niveau plus caché du réel, c’est travailler dans un troisième “registre”.

Christian Orange a proposé l’appellation “référent explicatif”.

Mais on peut être méfiant vis à vis de cette appellation, avec les confusions que le double emploi de référent peut induire (on aurait pu peut-être parler de références empiriques et de référent explicatif, mais de Saussure était déjà passé par là ...). Il ne s'agit pas non plus de reprendre un

INTRODUCTION A LA MODELISATION 17

oppositions empirique/théorique, modèle empirique (de "description")/modèle théorique (de "connaissance"), qui n'ont pas de pertinence avérée pour les niveaux d'enseignement où les modèles ne sont pas sous la “juridiction” de théories formalisées, comme c'est le cas à partir du baccalauréat.

Cependant on ne peut nier qu'un certain nombre de questions majeures doivent être posées : celles des enjeux et des “formats” de la connaissance, c'est-à-dire des formes de rationalité et d'objectivité, des outillages mentaux, graphiques, langagiers mathématiques ou théoriques pour penser et communiquer. Qu'est-ce qui est disponible et mobilisable ? Quelles en sont les possibilités ? Qu'est-ce qui doit être transformé pour être amené en conformité avec les exigences de la tâche ? Réciproquement, comment ces formes induisent et ouvrent ou restreignent les problèmes envisageables ?

Tout cela dépasse d'ailleurs la question du pouvoir explicatif, et personnellement, j'ai envie de parler de matrice cognitive, dans une perspective un peu analogue à celle des schémas d'intelligibilité étudiés par J. M. Berthelot en sociologie (1990). La matrice cognitive comprendrait à la fois des “paradigmes épistémiques” (conception de ce que doit être la connaissance, les formes, des “bonnes pratiques” théoriques ou empiriques), et les ressources théoriques (langages, schémas, théories).

Le schéma de la modélisation (Figure 8) rassemble toutes ces propositions

4.2. Aujourd’hui les recherches stimulées par le travail effectué sur la modélisation s’orientent dans quatre directions, si l’on met à part l’extension des investigations aux “champs techniques” :

• Celle de l'objectivation, des rapports à l'expérience, ou si l'on est déjà dans une visée d'élaboration de modèle, de la construction du référent empirique. L'interprétation du mesurage et des mesures physiques, la représentation des substances chimiques et de leurs interactions, avant tout modèle particulaire et a fortiori moléculaire, la représentation de processus physiologiques ou écologiques, révèlent en fait des difficultés parfois redoutables. Dans certains cas, ces difficultés ne sont d'ailleurs levées que par une modélisation qui permet de porter l'attention sur des systèmes idéaux complexes ou cachés, mais qui donnent prise à la représentation et permettent par là même l'objectivation.

• Celle des rapports entre conceptualisation et modélisation. Il n'y a pas de modèles sans concepts. Lorsque des états de la matière donnent lieu à des modèles particulaires pour les interpréter dans un effort de représentation unifiée, les caractéristiques de chaque état ont déjà dû donner lieu à conceptualisation, pour les désigner. Et lorsque, après de multiples essais d'ajustement du modèle particulaire à l'interprétation non contradictoire de plusieurs états de la matière, on peut effectuer provisoirement un “arrêt sur modèle” parce que celui-ci, certes encore hypothétique, a acquis un pouvoir de représentation général et d'interprétation cohérente, mais encore ouverte à de nouveaux “bricolages”, c'est le concept de particule qui devient lui-même mobilisable parce qu'il est associé à des spécifications précises et “combinables”, ajustables.

• Celles des opérations intellectuelles qui sont mises en jeu dans les tâches d'objectivation et de modélisation. Quels en sont les genèses, les appuis, les obstacles, les aides ? Lorsque les constructions et les apprentissages ont l'ampleur et la durée qui caractérisent de véritables activités d'élaboration et d'utilisation de modèles, seule une approche développementale peut être pertinente. Le point de vue classique de la résolution de problèmes offre un cadre manifestement trop étroit du point de vue psychologique.

• Celle des actions et des effets de médiation par les enseignants, le matériel, le contexte. Les caractéristiques des processus de médiation sont-elles avant tout les déterminants matériels, symboliques, individuels, sociaux ? Il est évident, comme l’avait reconnu Marcel Postic (1977) que la circulation de la parole est très insuffisante pour comprendre les processus dans des séances de travaux pratiques. Et c’est seulement très récemment que Niquette et Schiele (1991) ont

INTRODUCTION A LA MODELISATION 19

commencé à étudier des interactions comme celles entre parents et enfants dans un musée scientifique autour d’un élément d’exposition. Ce panorama est sans doute outrageusement simplificateur. J’espère cependant, qu’avec les données plus concrètes apportées par Claudine Larcher, il permet d’apercevoir tout ce que la problématique de la modélisation peut apporter à la didactique des sciences et techniques.

RÉFÉRENCES

AAAS (1989). Science for all Americans. A Project 2061 Report on Literacy Goals in Science, Mathématics and Technology. Am. Ass. for the Adv. Science, Washington.

BERTHELOT, J.M. (1990). L'intelligence du social. Paris : PUF.

MARTINAND, J.-L. & al (1992). Enseignement et apprentissage de la modélisation en sciences. Paris : INRP.

MARTINAND, J.L. et al (1994). Nouveaux regards sur l'enseignement et l’apprentissage de la modélisation en sciences. Paris : INRP.

NIQUETTE, M. & SCHIELE, B. (1991). Voyons voir. Attribuer un sens à l'exposition. In M.J. Choffel-Mailfort & J. Romans, Vers une transition culturelle. Nancy : Presses Universitaires de Nancy.

POSTIC, M. (1977, 1e édition). Observation et formation des enseignants. VERGNAUD, G. (1987). Les fonctions de la symbolisation dans la

formation des connaissances de l'enfant. In J. Piaget, P. Mounard & J.P. Bronckart (Eds), Psychologie. Encyclopédie de la Pléiade (pp 821-844). Paris : Gallimard.

ACTIVITES DE MODELISATION AU COLLEGE 21

S

:

A

Claudine 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 seconde critique concerne l'impossibilité d’utilisation rationnelle de ces

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.

ACTIVITES DE MODELISATION AU COLLEGE 23

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 dans une démarche de modélisation, c'est à dire pour initier un changement

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.

ACTIVITES DE MODELISATION AU COLLEGE 25 • 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

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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

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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.

ACTIVITES DE MODELISATION AU COLLEGE 31 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

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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

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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).

Pour la situation de compression, les élèves font des prévisions correctes en utilisant éventuellement le terme de pression ; ils disposent d'une

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.

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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