ÉTABLISSEMENT D'UN CURSUS DE PHYSIQUE: LES PREMIERS PAS
Fabio BARBLAN, Kadri SADEK Collège de Budé,
CP 28!, 1211 GENÈVE 19, SUISSE
MOTSCLÉS: DIDACTIQUE PHYSIQUE MATIÈRE ENSEIGNEMENT -PROGRAMMES - TEST - CONCEPTIONS
RÉSUMÉ: Exploration des conceptions des élèves de 12 à 13 ans sur le premier chapitre du cours de physique actuellement en vigueur au Cycle d'Orientation genevois, à savoir la matière, af"m de construire une séquence didactique adaptéeàcet enseignement.
SUMMARY : Exploringthenotions which 12 to 13 yearold pupiIs have of the tirst chapterof the physics course, cmrently being used in the Geneva Cycle d'Orientation, namely the subject matter. The purpose of this research istOcreate a teaching unit based on the objectives of the course.
1. INTRODUCTION
Le Cycle d'Orientation genevois s'adresse aux élèves âgés de 11·12 ansà 14-15 ans : c'est les trois dernières années de la scolarité obligatoire (degrés 7, 8 et 9). Après une première année (7ème) gant le cours de physique est consacré essentiellement à une approche expérimentale de la stratégie d'expérimentation, sans acquisition de connaissances spécifiques (ni physiques, ni chimiques, ni biologiques), les élèves de la filière scientifique abordent le programme de physique en 8ème année avec une introductionà la matière.Le moclèle atomique et sa structure électronique est présenté et utilisé par la suite dans l'élaboration des notions de chimie. La compréhension et l'assimilation de ce programme pose, comme on peut s'en douter, certaines difficultés aux élèves. Ce chapitre n'est d'ailleurs pas le seulà poser ce type de problèmes. A donc surgit l'idée· le but de ce travail - d'explorer systématiquement les conceptions des élèves par rapport aux notions enseignées dans le cours de physique de 8ème et 9ème années.
Cette exploration - c'est une hypOlhèse de travail que nous faisons - doit nous permettre d'acquérir les informations nécessaires à la construction de séquences didactiques appropriées à "l'état de départ" des élèves età la notion qu'il s'agit de lem faire assimiler.
2. MÉTHODE DE TRAVAIL ET SES LIMITATIO/'iS
Ce travail est entrepris par deux maîtres en charge au Cycle d'Orientation genevois, en collaboration avec le LDES (Université de Genève). Les moyens (décharge horaire) misà disposition par l'institutionSOntnégligeables et expliquent les résultats modestes obtenus après un an et demi de recherches. Pour accéder aux conceptions des élèves sur les notions de physique concernées par le COUTSde 8ème année, nous avons adopté la méthode du questionnaire.Laformulation des questions, leur compréhension par les élèves, la réponse écrite (avec toutes les difficullés d'expression que possèdent les élèves) : voilà autant de biais qui sont introduits et qui rendent l'interprétation des résultats difficile. Nous sommes donc parfaitement conscients que les "Conclusion" - nous préférons le mot "Constatation" - que nous présentonsà la fin de ce texte, somà considérer modulo toutes les imperfections rattachées à l'instrument utilisé, et que des recherches mettant en oeuvre d'autres moyens (par exemple l'interrogation clinique des élèves) seraient indispensables pour apporter un autre éclairage à nos propres résultats. Malheureusement, ce type de recherche est en-dehors des possibilités accordées et supportables par des maîtres en charge.
Après avoir testé sur une cinquantaine d'élèves environ 20 questions concernant la matière, nous avons établi un questionnaire "final" contenant 12 questions, qui a été soumisà 20 classes de 7ème année (donc l'année qui précède le cours de physique). Les résultats analysés dans le paragraphe suivant proviennent du dépouillement de 161 questionnaires(laclasses). Au moment de la rédaction de ce texte, le post-test (élèves de 8ème année aprè.s le cours de chimie et élèves de 9èrne année) n'a pas encore eu lieu (le programme de chimie prenant fln au mois de mars seulement). Les personnes intéressées par les résultats complets (test, post-test) de ce travail peuvent nous demander à partir du mois de juin 1992 le document qui s'y réfère.
3. ANALYSE DES RÉPONSES AUX QUESTIONS DU TEST
Pour chaque question sontreponés ici lestraitsmarquants qui ont surgi des réponses des élèves. illustrés de quelques réponses typiques (en italique dans le texte).
Question 1 : La matière, qutest-ce que ctest pour toi'] 42,4 % DES ÉLÈVES UTILISENT LES SENS DU TOUCHER ET1OU DE LA VUE POUR RÉPONDRE.(Quelque chose qu'onpeUl voir et toucher). Cette manière de procéder amène les élèvesà donner un statut particulier aux liquides et surtout aux gaz, ainsi que nous l'avons constaté tout au long du dépouillement du questionnaire, et en particulieràla question 5.
Un autre type de réponse est: ça pew être une matière chimique, ça peut être aussi les difJérenres matières: français, gym, allemand. Seuls 3,7%des élèves disent que "tout est de la matière" et nous n'avons relevé que 3 élèves qui parlaient d'atomes. Remarquons aussi que 15,5% des élèves citent des exemples sans donner d'explications (C'eslle papier, le carton, le/er,la roche,
le bois. un liquide. un solide, elc...).Pour tenniner, il nous a semblé intéressant de relever que24,8 %des élèves utilisent les mots "solide, liquide, dur ou mou". (C'est quelque dwse de dur).
Question 2 : Lorsqu'on parle de MATIÈRE ou de SUBSTANCE, esf-ce la même chose ou non? Coche la bonne réponse et explique-la : POUR UNE MAJüR11É D'ÉLÈVES (59.7 %), A DEUX MOTS DIFFÉRENTS. IL CORRESPOND DEUX SENS DIFFÉRENTS. (Sil'on regarde dans le dico, l'on trouve une autre définition pour substance que pournulfière. Maisje neconnais pas la différence entre matière el substance). 26,1 % des élèves disent que c'est la même chose(IUlesubstance est pareillequ'unematière car on peut la loucher aussi bienl'une que l'autre). Pour étayer leurs réponses, les élèves utilisent les oppositions liquide1solide, dangereux1pas dangereux, visible1invisible, ou des arguments du type: l'un vient de l'autre.
(Non, carlasubstance est dangereuse, par exemple l'acide - Une substance esl la constitution de la matière,parexemple: Quelles sont les substances de ce parfum? De l'eau, de la rose, el de... _Et la matière? du liquide. -Une matière, c'est un mélange qui devient solide et substance liquide).
Question 3 : Connais-tu quelque chose qui ne soit pas de la matière? 26,7 % des élèves ne répondent pas. Si 8,7 %disent ne pas connaître, 64,6% prétendent connaître quelque chose qui n'est pas de la matière; (Nous, par exemple,MUSne sommes pas de la matière - Jepense que c'estdu liquide,qui n'estpasde la matière. Je pense que la matière, c'est quelque chose qu'oll peut toucher, mais je ne suispassûr1). Nous avons compté 103 citations de "non matière" qui en fait le sont:(del'eau .. l'air,. le gaz,. la fumée,. le fer)et 52 citations de ce que le "sens commun" admet comme n'étant pas de la matière: (Un rêve (enfin, je crois). Parce Qu'on ne peut pas le toucher, le
sentir, le prendredans la main .. ce n'est pas de la matière, quoi 1). Certains élèves mélangent les deux
genres: (Ulljantôme, une nuage, et l'air).
Question 4 : Explique quelle est la différence, s'il y en a une, entre un morceau de fer et un morceau d1aluminiurn. Une majorité d'élèves se réfèrent, explicitement ou implicitement, aux usages courants de ces deux matiètes pour les distinguer.(Le morceau de fer, c'est Quelque chose Qui pèse lourd elle morceau d'aluminium se découpe enfeuiiles pour envelopper des choses comme le poisson, la viande, des boutsdegâteau).Si 11,8%des élèves disent qu'il n'y a
pas de différences, 83,3%pensent qu'il yen a une.(L'aluminium est un assemblage de métaux, tandis que /efer, c'est naturel).Nous avons cherché à savoir dans quelle mesure la notion de masse volumique était présente chez les élèves, en comptant le nombre de fois qu'ils différenciaient le feret l'alumi- niumparla masse et1oulevolume.
Nous n'avons trouvé que8,7%de réponses allant dans ce sens:(Lefer est plus lourd que l'aluminium). Étant donné que ce sont les propriétés physico-chimiques qui sont prépondé- rantes dans les justifications,(L'aluminium est et c'est du fer blanc, Je fer est trèsdur - Lefer est très solide, ne peut être chiffoné comme l'aluminium),on peut se demander si privilégier une vision atomique de la matière est justifiable àcet âge.
Question 5 : Coche le (ou les) mot (s) qui te semble (nt) juste (s). La matière peut-elle se présenter sous forme: SOLIDE, LIQUIDE, GAZEUSE, LE STATUT PARTICULIER DES GAZ est mis en évidence ici. En effet, 31,7 %des élèves ont coché
.mfu:k.
seulement: (Je pense quela matière, on peur la toucher, la prendredans sesmains,donc elle est solide).31,1%des élèves ont coché solideetIiqqide :(Lesolide et le liquide, on peutie toucher et le prendre,maispas le gaz).26,7 %des élèves ont coché solide et liquide el gazeuse:(Lamatière ne peurpasetre seulement solide, elle peur avoir d'autres aspects qui nous paraissent moins logiques), le reste se répartissant entre 7,4%d'autres combinaisons et 3,1%de non réponses. On remarque que pour 63 %des élèves le gaz n'est pas de la matière. Autre constatation: 42 %des élèves se contentent, en guise de justification, soit de donner des exemples sans explications:(solide = lefer, liquide=l'eau),soit de ne donner ni exemples ni explications.
Question 6 : Quelle différence vois-tu entre un SOLIDE, un LIQUIDE et un GAZ? Notons tout d'abord que près de 20,3%des élèves renoncentà répondre à cette question et que 3.1 %d'entre eux disent qu'il n'y a pas de différences !! Nous avons noté que 22,9% des réponses opposaient solide à liquide / gaz ou solide 1liquideà gaz pour expliquer la différence: (Unsolide et un liquide, on les voit, et un gaz on ne le voit pas), alors que 54,7 %des élèves essaient de différencier en séparant les solides, les liquides et les gaz.(Lesolide est dur et solide, Je liquide on ne peut pas le prendre dans la main, et le gaz ne se voit pas. - Solide, c'est quelque cMse de dur. Gaz, c'est quelque cJwse de léger comme l'air. Liquide, c'est une
Question 7 : L'air est-il un gaz pour toi? Pour 60,3%des élèves, l'air est bien un gaz: (Oui, parce que c'est quelque chose de léger qu'on ne voir pas - oui, parce que l'air estfonné de l'oxygène et l'oxygène est un gaz).Pour 31,0%d'entre eux, l'air n'est pas un gaz: (Non, car l'air est fait d'oxygène et pas de gaz).Rappelons qu'à la question 5),26,7 %disaient que la matière peut se présenter sous forme de gaz. Ceci voudrait-il dire que pour 33,6%des élèves, l'air est un gaz mais n'est pas de la matière? Dans les justifications des réponses, 14,9 %des élèves utilisent les mots toxique respiration et pollution:(Oui, depuis qu'ilya toutes ces pollutions, je trouve que l'air est un gaz mais non dangereux. Si ce test avait été fair il )' a2ans, j'aurais répondu "non".).Pour 23,6%des élèves, il n'y avait soit pas d'explications. soit des réponses incompréhensibles, soit des réponses que nous avons appelées "tautologiques" :(Oui,il ya différents gaz sur terre el l'air est une sorte de gaz).Si la question 5) montrait le statut spécial des gaz, la question 7) met en évidence que PARMI LES GAZ, L'AIR A AUSSI UN STATUT PARTICULIER.
Question 8 : L'eau, la neige, la glace et la vapeur d'eau, est-ce la même chose pour toi? Le taux de "non réponse" est très bas. 77,6% des élèves disent que c'est la même chose,
(Oui, parce que l'eau, quand îlfairfroid, ça devientde la neige,et quand la neige glace, ça devient de la glace. La glace, quand eUe fond, ça devient de la vapew d'etlU.) dont46,0% justillent leurs réponses en disant queç'estlamême matière:(Oui, parcequechtufue fois, l'eau apparat!sous UJIe autre forme). Nous avons aussi cherçhé à repérer si llne idée de transfonnation réciproque apparaissait, et nous avons comptabilisé24,8%deréponsesallant dans ce sens: (Oui, la neige es!
forméeàpartir de l'eau, la glace est forméeà partir de la neige etde l'eau, la vapew d'eau c'est de l'eau qu'on fait chauffer et qui s'évapore dans l'air). Pour19,3%des élèves, ce n'est pas la même chose: (Non, parce que ça n'a pas la même solidité).
Question 9 : On dit qulun liquide ne possède pas de forme propre. Explique selon toi pourquoi un liquide prend automatiquement la forme du récipient dans lequel on le met. Beaucoup d'élèves (55,3 %) ne donnent pas de réponse à cette question. Ceux qui s'expriment le fom de manière peu satisfaisantes; 15,5%de réponses utilisant le mot (ou d'un équivalent) : (Parce que le liquide est mouvant) et18,6%lltilisant l'expression passolide (oud'une équivalente) : (Parce que le liquide bouge, et que ce n'est pas solide). Il nous apparaît que les élèves se comportent comme avantladécouverte de la constirution atomique delamatière.La"non fonne" des liquides (et desgaz)est une propriété de définition delamatière.Lebut de notre enseignement de pennettre à une majorité des élèves d'expliquer ce genre de situation grâce à une représentation atomique de la matière ? et si la réponse est oui, quelle serait la démarche qui les amènerait à ressentir le besoin, ou doit-on se contenter d'une description phénoménologique de la
matière?
Question10: Explique ce qui se passe lors dluneÉBULLITION.Legrandtauxde "non réponse" (52,8%ajouté à 13,0%de réponses du type tautologiques (Je crois qu'une ébullition est
quand on met quelque choseà bouillir) nous a surpris. TI nous semblait qll'une simple observation du
phénomène permettrait à une majorité d'élèves de donner une explication quelconque. Notons que 5,0 %des réponses se réfèrent explicitement à uneDOtiou decbilngement d'état: (Quand l'eau est trop
chaude, l'eau passeà l'état de la vapeur d'eau), 22,4%des élèves prennent comme exemple l'eau:
(L'eau devientde la vapeur. Ilya plein defumée).Enfm,18,0%des réponses font appelà la chaleur et 1ouà la température: (L'eau chauffe et elle fait des bulies et de la vapeur).
Question 11 : Peut-on séparer les constituants d'un mélange? Les élèves ont du mal à aborder cette question. En effet, 18,3%n'y répondent pasetun grandnombre de réponsesSOntdu type "tautologiques" : (Non parce qu'W/ mélange ne peut pas être séparé). Si pour31,1 %des élèves la réponseestoui: (Oui, parce qu'au début, ils sont séparés Oui, par exemple, l'eau est un mélange de H20 et à l'eau on peut séparer ces deux. matières et les rassembler quelques/ois),pour44,1 %des autres, la réponse est non (Non, dès que les mélanges s'assemblem s'ils sont liquides, nous ne
pouvons plus les séparer (jly a quand même des exceptions: l'huile)). Ce dernier pourcentage montre
que pour un grand nombre d'élèves de cette catégorie d'âge, "METfRE ENSEMBLE" est synonyme de "LIER DÉFINITIVEMENT".
propos de quoi? 41,6 % des élèves n'ont JAMAIS entendu parler d'atome 1! contre 52,8%qui disent en savoir quelque chose:(Oui, mllis je ne sais pas expliquer· Oui ... bombe atomique el volcan - Oui .. _parmasoeur - L'arome. c'est quelque clwse de très petit - Je ne sais plus, mais je crois que c'est des milliardsde petites parties rassemblées.).Force est de constater que LE MOT D'AroME EST LARGEMENT INCONNU ET QUE WRSQUE LES ÉLÈVES ONT ENTENDU PARLER D'AroMES, ILSNELE METTENT PAS SPONTANÉMENT EN RELATION AVECLA MATIÈRE.
4. CONCLUSION
En résumé, nous pouvons dire que les éléments imponants à narre avis, mis en évidence par ce travail,etqui doivent constituer le point de départ de la construction d'une séquence didactique, sont les suivants:
(a) Les élèves ressentent, tour comme le physicien, la nécessité d'avoir des critères de classification de la matière (critères sensoriels). Ces critères n'étant pas ceux du physi. cien, il s'agit de leur montrer les limitations (voir point (b» de leurs critères et de les ameneràchanger leur point de vue. (b) Par rapport justement aux critères de classification utilisés, les élèves attribuent aux gaz, et en moindre partie aux liquides, un statut [outàfait différent de celui accordé au solide(les gaz nesont pas dela matière:invisibilité, intouchabilité). TI s'agit donc, àce niveau, de rétablir l'équivalence entre les trois états de la matière.
(c) L'air, liéàl'action vitale qu'est la respiration, prend panni les gaz un statut particulier, dans la mesure où souvent, gaz est associé avec toxicité.
(d) Une forte tendance à considérer qu'il suffit de "mettre ensemble" (mélanger) pour qu'il y ait réaction chimique.
n
y a donc, à ce niveau, un gros travailàfournir pour rendre la notion de réaction chimique assimilable.(e) Une méconnaissance presque totale du mot : atome; soit parce qu'ils n'en ont jamais entendu parler, soit parce que, mis en relation avec tout sauf la strucntre particulaire de la matière, et pour tenniner, probablement très fortement liée au type d'instrument utilisé, une absence totale d'évocation spontanée de la structure particulaire de la matière.
