DIFFICULTES DE L'ACQUISITION DE LA
NOTION DE TEMPERATURE PAR LES ELEVES DE 6ème
A. TIBERGHIEN, M. BARBOUX L.I.R.E.S.P.T.
Paris VII
Résu mé
Pour un élève de 6ème, la température d1une substance dépend en priorité de la nature de cette substance et secondairement de son environnement, ce qui crée une difficulté pour l'acquisition de la notion de température. Par contre, la notion de température de changement d'état ne va pas à 11encontre des tlidéeslt des élèves puisque dans ce cas la température est caractéristique de la nature de la substance. De fait, J'acquisition de cette notion, inconnue par la majorité des élèves en début de 6ème, ne présente pas de difficulté particulière.
l, UITRODGcr:~J
des not.ions Qlli é[;.;::em \'i:ttc:rlij'':':~ (1é.'.flS ~2 pl'.:"cg:Céimme
Cette r?cherche pJr~e
noti.ons àe tempér3ture et
s'.'r
sur état gazeux et. pression -j[1,t;. '](;~Lli?G dans un autre artl ele (l).
Pour les notions de chale.ur-tempé!'3tiJrË notrè ~tude cl partic,-)~ièreni.ef1l
porté sur des situations de cha..ngement d 1état dans la mesure où de nombreux élèves de 6ème étudient c2tte partie et plus spécialerne~t les changements d'état de l'eau et de la glace.
En effet le programme de 6ème dans la partie "Propriétés Physiques de la matière!' demande d'étudier les points suivants:
l1excluant toute étude systématique des changements d'état ... on se bornera à quelques exemples familiers tels que: ... gel de l'eau, fusion de la paraffine;
lINot ion de température par le toucher) emploi du thermom~tre à liquide, lecture d$l.1fV-2 temp~rature en degré Celsius, en particulier dans le cas du mélange eau·-g]ace et dans le cas de l'eau bouillante".
t.em~éTature
utilisation IIPremLère bornera Zl
approche. de la distinction entre température et chaleur. On se
la r~alisation des deux expériences suivantes: él~vation de
de l'eau puis changement d'état sans élévation de température par de la même source. La notion de chaleur transmise restera uniquement qualitati,ve en première année ...
C'e.st ainsi que nous avons choisi d'étudier chez les élèves de Sème la notion clrinvarianc.e de la température pendant le changement à' état djune substance
(pure) •
Pour cela nous avons été amenés à étudier d'autres points liés à la notion de température:
le lien entre l,~ chauffage à'une substance et l'augmentation de la température de cette substance;
le lien entre la température d'une substance et la température de son env ironnement .
Nous avons également considérê les relations qu'établissent les élèves entre des paramètres d'opérations de chauffage:
durée, quantité du combustible consommé, augmentation de température de la substance. Nous ne présenterons pas ici les résultats concernant ce dernier point.
2. MOYENS ET METHODES
Voici quelques caractéristiques de la recherche: Durée : 4 ans
Personnes engagées:
- 10 à 12 professeurs de collège;
2
universitaires.entretiens individuels (une vingtaine) et des et en fin d' année, les questionnaires ont été passés questionnaires. En début
dans:
Compte tenu des possibilités que la recherche nous donnait, nous avons choisi différents moyens d'investigation. Nous avons recueilli:
- des donn~es permettant de faire un bilan: en début d'enseignement;
en fin d'enseignement; 6 Illois après.
Ces données sont des
- les classes des professeurs membres de l'équipe (300 élèves environ). Ces élèves constituent l'échantillon
d'autres classes de 6ème (300 élèves environ). Ces élèves constituent l'échantillon 2.
Ces deux échant i llons sont assez semb lab les en début d'année
Cl
0% ou moins d'écart pour chacune des questions).Six mois après) un questionnaire a été passé auprès d'une centaine d'élèves de l'échantillon 1.
des données permettant de connaître ce qui se passe au cours de l'enseignement:
Ces données obtenues dans les classes des professeurs membres de l'équipe sont: - des compte-rendus écrits de manipulations;
- des contrôles.
3. RESULTATS
Nous allons cl'abord donner les résultats essentiels que nous justifierons ensuite.
Pour la température d'ébullition de l'eau l'acquisition de: - son invariante avec la quantité d'eau)
- sa stabilité même si on prolonge le temps de chauffage, n'est pas une difficulté majeure pour les élèves de 6ème.
Il en est de même pour l'invariance de la température de fusion de métaux. Cette invariance n'est pas en contradiction avec leurs idées ou interprétations.
Par contre, les ~lèves de 6~me ont des difficultés:
- dans le cas de la fusion de la glace; un problème spécifique lié 1> la glace est apparu.
- dans la reconnaissance du fait quiil n'y a stabilité de la température que pendant le changemeut à'état.
fait qu'une substance augmente nécessairement de chauffée (en dehors des cas de transformations
(dans une objets en contact
L3 reconnaiss;;'tnce du .- dans
tempérH.ture quand elle est physiques et chimiques).
- dans L2. reconnaissance du fait que plusieurs pièce par exempte) son'c à la même température.
Plus génél-alement, les élèves one des difficultés majeures en ce qui concerne llacquisition de la notion de température.
Invariance de ln. t.empérature d-ébullition d_e l'eau
Con.sidérons les r~ponses à deux des quest ions des quest l.onnaires p2SS~S
e!~ d~bll;: et en fin ci:élnnée. La question du tableau l concernant 11 invariance de
Li, températl:re d'ébu lition avec la quantité d'eau montre qu'en début è'tlnnê2)
un~ minorité diélèvc~l (environ le quart) reconnait cette invariance. Par
cor:.t.ce, .;;:r; :r1n d!année. on constate de$ 'progrès très import.ants) en particulier
pv:r '"'échantillou l ::70% de bonnes réponses); pour l'écbantillol1 2, bii!rl gus:::
tr.()::"~jS impo:rcants les prügr~s sont nets.
insérer ta~leau l
La qu.estion figurant dans le tablesl] 2 c.oncerne la stabilité de .La tempfrature ci ~bullicion quand on prolonge le temps de chauffage. Dans cc CdS L'l d1,1351; en débu:~ d~année t;:nf~ minorité d'élèves (environ le quart) p.=connaît
i~?'clU a'J6fi:e;-~t;2' quand ':m 1.a c.hauffe" En fin d'année, les progrès sont égdiemenl
semblables ~ ceux .:::on:=;tat.ês pour la question. pr~cédente; très important.s pou!' les élèves de l'échantillon I, et nets, bien que plus faibles, pour les êlèves àe l'échantillon 2.
Les en~retiens donnent un élèmf'nt d'explication sur l'interprét3tion des 21èves drc': cAtte invariance de la tempér,3ture. Voici ce que dit un élève '~n
début d'J.nnée, qlli constate que la t'~mpér;]ture se stabilise à 100Q
et qui avait
pr~vu qu'elle allgmenterait.
"L';:-':-'8U va êtn: dêijà assez chaude, très très chaude, l(~ plus chaud qutelle puisEe fair~... et PUlS ça va s'arrêter".
On a ainsi constaté que des élèves faisaient spontanément appel à une !empérature maximum que peut avoir l'eau.
3.2 Invariance de la température de fusion de métaux
On a obtenu, pour une question sur la fusi.on d'un m~tal (tableau 3)~
des résultats tout à fait semblables à ceux obtenus d3ns le cas de l'~bullit1.on
de l'eau aussi bien en début qu'en fin d'année.
Insérer tableau 3
Ces progrès, du même ordre de grande:Jr que pour l'ébullition de l'eall, peu'Jent à priori étonner. En effet, au moins dans les classes de l'échantillon l, alors que sur l'ébullition de l'eau une expérience et plusieurs contrôles ont été faits l sur la fusion d'un métal aucune expérience n'a été réalisée et seul un contrôle a ét4 fait.
Ces progrès observés pourraient amener à supposer que les élèves n'ont pas de difficulté dans l'acquisition de la notion de température de changement d'état, et même plus généralement dans la notion de température, ce n'est pas le cas pour la notion de température.
J.J Cas de la fusion de la glace
la question relative à (qu'elle se passe à ltair Les progrès des élèves dans
l'invariance de la température de ambiant ou dans de l'eau tiède) que dans le cas des questions rnHa1.
les réponses à fusion de la glace
(tableau 4), sont nettement sur l'ébullition de l'eau et
moins importants la fusion d'un
On peut 3rgumenter que cette question n'est pas équivalente aux questions sur l'éhullition de l'eau et la fusion d'un métal. En effet pour l'ébullition, on a proposé l'invariance de la température avec la quantité d'eau ou la durée de chauff:ige alors que pour la fusion de la glace il s'agit de l'invariance avec
les conditions d'environnement. Cependant, la différence de type de questi.on n1est pas seule en cause, il nous est apparu que les élèves ont une difficulté attachée à la substance glace. Un premier argument est lié au contenu de llenseignement: les élèves de l'échantillon 1 ont réalisé une expérience de solidification de l'eau et deux de fusion de la glace dont l'une était semblable 'à celle proposée dans la question alors qu'ils n'ont réalisé qu'une seule expérience sur l'ébullition de l'eau. On aurait ainsi pu penser que, au moins pour les élèves de l'~chantillon l, les réponses seraient meilleures. Un deuxième argument est lié aux résultats obtenus dans les classes. Considérons ces résultats.
a - L'intérêt des élèves constaté par les maîtres est nettement plus grand pour l'expérience d'ébullition de l'eau que pour celle de fusion de la glace ou de solidificat.ion de l'eau. Cette observation est confirmée par la différence entre les descriptions que font les élèves de ces deux expériences (réalisées par eux).
On
constate une différence dans:- la longueur de la description, - les détai ls donnés.
Cette différence a été générale chez les élèves de l'échantillon 1.
b- Les réponses données par les élèves à des questions semblables posées après qu'ils aient fait des expériences d'ébullition de l'eau et de fusion de la glace sont très différentes.
A la suite cl' une expérience cons istant à faire fondre de la g lace à l'ai r ambiant puis dans de l'eau tiède, ils ont répondu par écrit aux questions suivantes:
A quoi sert l:eau (environnante) : quand il n'y a que de la glace?
quand il y a de la glace et de l'eau mélangée? quand il n'y a que de l'eau?
Lors d'une séance ultérieure, ils ont fait une expérience d'ébullition de l'eau, à la suite de laquelle ils ont eu à répondre par écrit aux questions suivantes:
A quoi sert la lampe à alcool (ou autre suivant la source utilisée pendant 1.:1 manipulat ion):
avant que l'eau bout? pendant que l'eau bout?
Dans le cas de l'ébullition, les élèves reconnaissent que la lampe à alcool sert à maintenir la "température stable " (37%), alors que seulement 8% dans le cas de la fusion attribuent ce rôle à l'eau tiède. Dans les compte-rendus, la
temp~~ature apparaît peu ou pas dans le cas de la fusion, alors qu'elle
intervient pour l'ébullition. La réponse majoritaire dans le cas de:
- la fusion de la glace est que l'eau tiède sert à faire fondre la glace quand il n'y a que de la glace (c'est à dire avant que la glace fonde) (61%).
llébullition de l'eau est que la lampe alcool sert à faire chauffer l'eau (c'est à dire à augmenter la température de lleau) avant que l'eau bout (73%) .
Ces réponses montrent nettement la différence de statut entre la glace et l'eau:
La glace a la propriété de pouvoir fondre mais elle nIa pas celle d'avoir une température. On a trouv,é une difficulté analogue chez les jeunes enfants: la différenciation entre un objet et sa propriété d'être chaud (2). Cette propriété affectée li la glace a été retrouvée au cours des entretiens. Ceux-ci ont également montré que la glace avait la fonction de refroidir.
Par exemple, quand on demande ce qui va se passer quand on met de la glace dans un verre dont l'eau est à 30° (on suppose qu'on est dans un pays chaud), dans tous les entretiens, les élèves disent bien sûr que la glace va refroidir l'eau. Et quand ensuite on leur demande ce qui va se passer si on met de la glace à 00 dans un verre d'alcool li -100 (on suppose qu'on est dans un pays très froid), des élèves pensent encore que la glace va refroidir comme ce garçon qui ~: "parce qu1un glaçon .. ça refroiditl l
• De plus, on peut noter que certains élèves ne reconnaissent à la glace que la possibilité d'être à 0°.
L'eau a la propriété de pouvoir devenir chaude. Les résultats obtenus montrent que la grande majorité des élèves admet que la température de l'eau auo;smente quand on la chauffe et que l'eau peut provoquer des brûlures.
(2) ALBERT, E. "The development of the concept of heat in children". Ph. D. dissertation University of Illinois (1974).
Ceci est lié à l'expérience quotidienne. Dans 12 vie courante: une eau est plus ou moins chaude qurune autre, alors que)le plus souvent la glace est froide en elle-même et non plus ou moins froide qu'une autre; de plus elle ct la fonction de refroidir. Il nIest pas commun d'affecter une tE:mpérature à la glace.
Ainsi dans le cas de l'eau les statuts de l'ébullition et de la fusion (ou de la solidification) sont apparus différents chez les élèves de 6ème: malgré un enseignement comportant des expériences semblables, l'apprentissage des élèves a été différent. Il semble donc que l'enseignement de ces deux changements d'état ne soit pas à aborder de la même façon.
3.4 Domaine d'application de la stabilité de la température d'un changement d'état
Des travaux en petits groupes (2 li 4 élèves) faits en fin d'année de 6ème, ont montré que certains élèves avaient des difficultés à reconnaitre que la
temp~rature de fusion de différents métaux n'est stable que pendant le
changement d'état (solide-liquide). Ils ont en même temps une difficulté à reconnaître le moment du changement d'état. Voici pour illustrer ces difficultés, une discussion entre trois élèves qui sont en train de faire chauffer un métal qu ' ..i15 doivent ident ifier grâce au résultat de leur expérience et ~ un tableau donnant les températures de changement d'état: ( Le métal est déjà fondu et la température qu'ils lisent sur le thermomètre est de 400·C; l'un d'eux (El) pense que c'est du plomb)
El: "parce qu'il y a marqué (sur le t ab leau) 327· et c'est la température la plus proche de 400·"'
Un peu après un autre élève dit:
E2: "'Oui, mais pourquoi ça n'est pas arrété 11 327 et c'est monté jusqu 'li 400"
E2: "de toute manière quand c'est fondu après ça rest.e toujours à la même températurell
E3: "ben oui"
El: "Non ça augmente parce que, non ça augmente puisque ça fond encore plus" E3: "Mais non. Tu as de l'eau (c'est liquide) comment tu veux que ça fonde encore plus"
La riifficulté de reconnaitre que la tèMpérature nlest stable que pendJ.nt le changemènt d l éLlt a été confirmée grâce à un questionnaire propos~ SLX m':Jis
apr~s la fin de l'anné scolaire à une centaine d'élèves ayant déjà répondu nux
questionnaires initiaux et finaux passés en 6ème. Une partie de la question consistait à demander, après avoir reconnu qu'une plaque de zinc fond 3. 4200
,
si la température de ce zinc mis dans un four à 1000° continue à 3ugmenter jusqu'à 10000 ou reste toujours ~ 4200
• Seulement 1
r;
des élèves reconnaissent que la température va augmenter jusqu'à 1000°1 69% pensent qu'elle reste à 4200
car, disent -ils pour expliquer leur réponse: "clest la température de palier" ou "le métal ne peut pas dépasser 4200
, c'est une propriété du métal".
3.5 Autres difficultés
Il est apparu (3) qu'en début d'année, les élèves reconnaissent que seulement certaines substances et non l'ensemble d'entre elles deviennent chaudes quand on les chauffe. Par exemple, pour la majorité cl' entre eux, quand on chauffe de l'eau sa température augmente, mais pour le sable ce n'est pas le cas. Nos résultats montrent que, même en fin de 6ème, un grand nombre d'élèves ne généralise pas à l'ensemble des substances la relation causale "on chauffe une substance alors sa température augmente". Pour eux la validité de cette relation dépend essentielle~entde la substance.
Une autre difficulté est également apparue: pour les élèves, plusieurs objets posés côte à côte dans une pièce n'ont pas nécessairement la même température, par exemple un objet métallique aura une température inférieure à un objet en polystyrène.
4. CONCLUSION
Ainsi, la conception de la t-empérature pour l'élève de 6èrne est bien différente de celle du physicien. Nous venons de voir que la température d'une substance ou la possibilité de variation de la température dépend en priorité de la nature de cette substance et secondairement de son environnement. Ainsi, l'écart entre la conception de l'élève de 6ème et celle du physicien se manifeste dans le cas où des systèmes à des températures différentes interagissent sans qu'il y ait transformation physique ou chimique (chauffage et équilibres thermiques).
(3) M. BARBOUX, A. CHOMAT, M.G. SERE, A. TIBERGHIEN.
"Les Représentations et les Interprétations d'élèves concernant les notions de température, chaleur, gaz pression en classe de sixième".
Par y:-> dans le CdS du changement J'état, la tempéJ:"atlJre ne dép~nctant que de la n;it!Jre de la suhst~nce (polIr une pression donnée») il n1y plus
Ces réSllltats nous amènent faire deux remarques concernant ; en:::;eigneinent:
l'i.mportance du temps passé à l'enseignement d1une notion, le nombre d!expéri-ences, de contr6l,~s, etc .La différence entre les deux échantillons illusi:.re ce pointJ elle est apparue:
. dans le cas de connaissances acquises par exemple l tinvariance de la température d'ébullition de l'eau;
dans le cas d'un transfert de connaissances) par exemple la généralisation différentes substances de la reconnaissance que leur température augmente quand on les chauffe.
l'importance, quand on enseigne une notion de considérer avec autant d'insistance la notion elle-même que son champ d'application.
lci , nous avons constaté qu'un pourcentage important d!élèves a appris la stabilité de la température sans avoir acquis son domaine d'application.
Cependant, après les remarques précédentes, on serait tenté de proposer un enseignement qui comblerait d'emblée les lacunes de celui qui a été expérimenté. Il serait tel que tout élève attentif acquerrait correctement les nocions étudiées et leur champ d'application. Hais un tel enseignement devrait comporter. un si grand nombre d'expériences, de contrôles, d1explications qu'il ennuierait très probablement élèves et professeurs. En effet, tous les professeurs de flème et de Sème 5 'accordent à dire qu1il ne faut pas rester trop
longtemps sur un même th~me au risque de lasser les élèves; de même, au sein de l 'équipe de travail de cette recherche, les professeurs qui travaillaient avec
léS chercheurs regrettaient que ceux-ci proposent souvent trop d'expériences, de cont rô les etc~.• Les chercheurs ont dO alors mieux tenir compte du fait que la responsabilité du professeur est d'animer une classe ce qui exige qu'il organise son enseignement non seulement en fonction du contenu conceptuel, mais aussi de tous les paramètres qui interviennent dans la vie d'un groupe. Clest pourquoi un enseignement considéré a priori cOmme "parfait!!, ne laissant nl
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