ZAIROIS (l6-17ANS), CONFRONTEES AVEC LES
HYPOTHESES EMISES, A PROPOS DU CONCEPT
DE CHALEUR
Daniel Maurice NSUMBU·A-NLAMBU L.D.E.S., Université de Genève
et LS.P. de MBANZA-NGUNGU -Zaïre
MOTS-CLES CHALEUR TEMPERATURE CONCEPTIONS CONCEPT
-AFFIRMATIONS ET HYPOTHESES.
RESUME: Est-il possible de transformer les affirmations des apprenants concernant quelques phénomènes relatifs au concept de chaleur en hypothèses? Comment opérer cette transformation? En confrontant les faits affirmés avec ceux qui les contredisent? La lecture qui résulte des explications des phénomènes thermiques vécus quotidiennement peut-elle conduireàla lecture scientifique de ces phénomènes et aideràfaire évoluer les conceptions des apprenantsàpropos du concept de chaleur ? Autant de questions auxquelles nous tentons d'apporter quelques éléments de réponses dans ce texte.
SUMMARY : We formulate the following questions: is it possible to change "the students afftrmations" concerning phenomenas related to the notion of "warmth" into a more "hypothesis directed attitude"? How does this transformation operate ? Is the confrontation of afrmnations with reality the principal mechanism of this transformation? And, how the "reading" of the explanations given to everyday thermie phenomena could help the process of transformation of the different notions related to warmth into a more scientific reading ? These are the questions wetryto answer in the following text.
1. INTRODUCTION
"Sachant que l'eau en ébullition atteint une température maximalede100 degrés, même quand j'ajoute autre chose (par exemple du sucre, du sel ou du riz etc), je suis sar que la température ne change pas car ça continue à bouillir. -(Diok:a:16ans, 4ème scientifique)
En demandant aux élèves de proposer et de réaliser quelques expériences inspirées de leur vécu quotidien où les notions telles que chaleur et température interviennent, ceux-ci en ont fourni un bon nombre dont les interprétations de faits confirmés avant de les réaliser ou celles des résultats obtenus lors de l'expérimentation, confèrent aux notions précitées des significations polysémiques.
Il ressort de la majorité des explications fournies la mise en évidence d'une cohabitation conflictuelle entre deux modes opposés de lecture:
- celui faisant usage du vocabulaire courant exprimant les croyances traditionnelles et les actions habituellement exécutées;
- le type de lecture où ils "utilisent" certains concepts scientifiques.
Pour chaque type de lecture proposé nous avons tenté de décrypter deux types d'hypothèses: explicites et implicites.
A raide de contre-épreuves proposées bien souvent par un autre groupe d'élèves, nous avons confronté les fausses affirmations fournies par un groupe d'élèves aux hypothèses explicites dégagées des interprétations des résultats issus des contre-épreuves correspondantes.
Cette confrontation a conduit non seulementàdéceler certains obstacles conceptuels mais aussi àunessai d'interprétation conceptuelle de quelques phénomènes thermiques observés.
Dans cet article, nous rapportons uniquement trois expériences sur l'ébullition d'eau proposées par les élèves. Avant de passer aux résultats, décrivons rapidement les phases méthodologiques suivies.
2. APPROCHES METHODOLOGIQUES
2.1. Questionnement
Cette étape se compose de deux phases.
A - La phase d'anticipation dont le but est la récolte des affmnations. Les élèves proposent des expériences dont ils décrivent et expliquent les faits observés en se souvenant d'une expérimentation antérieure ou qu'ils vont observer en réalisant l'expérience proposée.
Pour les obligerà répondre d'abord aux questions ci-dessous avant de passeràl'étape suivante, l'exécution de cette phase avait eu lieu le jour précédent celle de la réalisation des expériences.
Consigne et questions:
Dans la vie courante, vous avez certainement observé des phénomènes en rapport avec la chaleur. Dans le catalogue de vos expériences quotidiennes (expériences de cuisine...), choisissez une expérience simple et facilement réalisable dans laquelle interviennent les notions de chaleur et de
température, ou d'autres notions liéesàla chaleur et température.
a) Expliquez en quelques mots votre expérience et faites un dessin en portant les indications nécessaires pour qu'on puisse la comprendre.
b) Comment aviez-vous expliqué les faits que vous aviez observé?
c) 1- Quelles sont, selon vous, les notions de physique qui sont intervenues dans votre expérience ?
2- Expliquez votre réponse.
Après avoir réponduàces questions, les élèves passent alorsàl'accomplissement de la tâche suivante:
B - Phase de réalisation de l'expérience dont le but est la séparation des variables et la formulation des hypothèses. Ils préparent le matériel, montent et décrivent le déroulement de l'expérience. Ils en rendent compte par écrit.
Par ailleurs, signalons que les discussions entre élèves lors de chaque expérimentation ont chaque fois été enregistrées sur magnétophone.
Consigne et questions :
Faites votre expérience. En tenant compte des faits observés au cours de la réalisation de votre expérience, qu'est-ce que pour vous:
- la chaleur ? - la température ?
2.2. Séances de discussion
Le but visé au cours de cette étape est celui de réfuter ou de corroborer les hypothèses émises afin de mettre en évidence les conceptions faisant obstacleàla conceptualisation du thème de notre étude. Mais aussi de mettre en oeuvre certaines stratégies pouvant aider à modifier ces conceptions-obstacles et conduisant vers l'interprétation conceptuelle des phénomènes thermiques observés.
Les élèves d'un groupe donné rapponent oralement leur expérience et les résultats trouvés. Un autre groupe ayant réalisé la contre-épreuve de l'expérience décrite par le groupe précédent, expose les faits observés et les résultats de la contre-épreuve.
Les discussions ne commencent qu'après avoir écouté et pris note des compte rendus exposés. Avant de passer au traitement des données, remarquons que toutes ces séances avaient été enregistrées. Et qu'en plus cette phase de recherche s'était déroulée bien avant l'enseignement sur la chaleur.
2.3. Traitement des données
Toutes les données récoltées au cours des phases précédentes ont été retranscrites.
Notre analyse repose sur des questions qui s'inspirent des facteurs mis en oeuvre par B. INHELDER.
Pour toute expérience proposée par l'apprenant, nous nous sommes chaque fois posé les questions suivantes:
- quels sont les mobiles d'action de l'apprenant? ou quelle orientation de recherche prend-il en compte au cours des phases expérimentales?
- quel est le type de stratégies expérimentales mises en oeuvre par l'apprenant pour essayer de caractériser "l'ensemble des démarches destinées à organiser l'expérience" ?
- sa lecture de l'expérience peut-elle conduire à l'élaboration "des faits et des lois à partir des résultats de l'action(INHELDER,1954(1»)
- la confrontation entre les prévisions et la lecture de l'expérience a-t-elle contribuéà faire évoluer les affirmations de l'apprenant vers des explications hypothétiques?
3. QUELQUES RESULTATS
3.1. Les affirmations recueillies
Panni les expériences proposées par des élèves, une bonne partie est en rapport avec le phénomène de l'ébullition de l'eau. Il s'agit bien souvent de la cuissonàl'eau de divers aliments en utilisant différentes sources de chaleur.
- Source de chaleur: brasero
Le groupe1composé des élèves Dioka,Luzolo et Niturnfuidi propose de préparer du riz. lis savent qu'avantdemettre du riz dans le récipient placé sur le feu et contenant de l'eau, l'eau doit d'abord bouillir. Dès que l'eau bout ils enlèvent le récipient du feu et le déposent sur le pavé afin d'y plonger les grains de riz.
Avant d'accomplir toutes ces actions, ils disent que: "comme l'eau bout à 100 degrés ...ça continuera à avoir 100 degrés même quand on le met quelques temps hors dufeu...le riz+l'eau remis sur lefeu ça aura toujours ]00 degrés...car le brasero chauffe toujours et ça continueàbouillir et ça garde sa température maximale" .
Après avoir décrit leur expérience ils la réalisent sans utiliser le thermomètre. - Source de chaleur: plaque électrique
Le groupe 2 (Mbumba, Tsibasu, Kiyedi et Mbuyi) propose une expérience similaire à celle du groupe précédent mais ils proposent de mettre du sel dans l'eau dès qu'elle se mettraàbouillir. Et de la laisser sur la plaque jusqu'''àsa disparition complète", disent-ils.
Pour eux ( en particulier Mbuyi) :"la température de l'eau salée qui bout ne doit pas être égale à 100 degrés car l'eau salée ce n'est pas la même chose que l'eau non salée (...) l'eau salée quand on l'a gollte, ça pique surlalangue".
En réalisant leur expérience, ils observent la formation des bulles au fond du récipient qui montent après un certain moment pour s'écraseràla surface de l'eau.
"Lachaleur, déclarent-ils, monte debasen haut...."
Exp.1 : Vous pensez que c'est toujours pareil dans tous les cas?
"Oui car elles montent en panant du fond jusqu'à vers le niveau où on met le couvercle (...) c'est cela d'ailleurs quifait que quand l'eau bout, le couvercle monte.."
Exp.: vous avez dit que vous allez continuer à chauffer l'eau salée jusqu'à sa disparition, que restera-t-il dans le récipient?
"Ilyauradusel comme nous l'avons mis" ..
Exp.: "comme nous l'avons mis" veut dire que le sel ne changera pas de fonne et de couleur?
"Oui parce qu'il doit revenir commeilétait avant. "répond Mbumba.
Après l'évaporation complète de l'eau,ilya du sel mais légèrement coloré et n'ayant pas la même fonne qu'avant.
- Sourcedechaleur: thermo-plongeur.
Le troisième groupe ( Mampasi, Ndala, Zola et Wumba) utilise le thermo-plongeur dont l'extrémité s'arrête presqueà mi-chemin entre la surface de l'eau et le fond du récipient pour préparer du thé.
Ils observent les différents phénomènes suivants :
. formation des bulles autour du thermo-plongeur qui vont s'écraser certaines contre le fond et d'autresàla surface de l'eau, bref le phénomène de convection.
-la température de l'eau en ébullition est de 100 degrés.
- la température du mélange: eau qui bout et feuilles de thé est environ 103 degrés. Quelles hypothèses pouvons-nous déduire des situations décrites ci-avant ?
3.2. Hypothèses explicites et implicites.
3.2.1. Température d'ébullition d'eau. Tous ces élèves savent que la chaleur fournie à un corps accroît la température de ce corps.Et qu'en plus l'eau boutà 100 degrés Celsus.
Us formulent les hypothèses explicites suivantes;
- l'eau ayant atteint sa température maximum, elle la conserve quelques instants même si elle n'est plus en contact avec une source de chaleur active;
- la chaleur fournie mène l'eauàl'ébullition. Comme la température atteinte par l'eau qui bout ne doit plus varier elle est alors transposableà tout mélange constitué de l'eau bouillante et d'une autre substance (groupe 1).
Implicitement on peut globalement déduire de ces deux hypothèses que:
- du fait de l'inexistence d'échange thermique entre la quantité d'eau qui a bouilli et le milieu ambiant, la quantité de chaleur se conserve;
- seules les notions (chaleur et température) liées directement à une intuition sensible2jouent
un rôle dans les phénomènes évoqués.
Bien familiariser aux processus de refroidissement de réchauffement, le principe d'équilibre thermique est méconnu. Quant à au concept de chaleur massique,ilest totalement inconnu car n'ayant reçu aucun cours sur la chaleur.
3.2.2. Propagation de la chaleur par convection et température de l'eau salée qui bout. et ... Pour le groupe 2, il apparaît clairement que la chaleur se propage de manière univoque (de bas en haut) et unidirectionnelle (direction verticale). Mais ce qui paraît intéressant est la différenciation du point de vue sensible entre l'eau salée et non salée. Ainsi induisons nous
l'hypothèse que cette remarque partie d'une perception sensible semble suggérer l'intervention d'une donnée physique médiate.
Cest cette donnée médiate qui remet en cause la généralisabilité de la température d'ébullition de l'eauàtout mélange formé de l'eau bouillante et d'une autre substance.
Quant au résidu salin observé après évaporation de l'eau, on peut avancer l'hypothèse explicite suivante: en dépit de sa dissolution dans l'eau qui bout, le sel retrouvera non seulement son état initial mais aussi sa forme et sa couleur initiales.
Implicitement, ces élèves semblent dire que la chaleur ne pouvait opérer uniquement sur l'eau puisqu'elle doit absolument et complètement s'évaporer.
4. HYPOTHESES REFUTEES OU CONFIRMEES ?
La situation expérimentale proposée et réalisée par le troisième groupe semble être la preuve pour corroborer ou inIrrmer les hypothèses formulées par les autres groupes.
Lors de la séance de discussion en rapport avec les expériences précitées, cette expérience reprise plus d'une fois n'a ébranlé les convictions des autres élèves que sur la non-identification de la température d'ébullition de l'eau avec celle du mélange d'eau bouillante et d'une autre substance.
Tandis que la propagation de la chaleur que nous avons qualifiée d'univoque et unidirectionnelle a exigé la mise au point d'une autre expérience celle d'une barre de fer chauffée en variant les positions de la barre (oblique, horizontale, verticale... ), du point de contact de la barre avec la source de chaleur (un brûleurà pétrole) mais aussi celui de la main qui tient la barre qu'on chauffe.
Mais quelle leçon tirons-nous de ces quelques considérations?
5. CONCLUSION
Du pointde vue conceptuel, ces situations rendent évidentes l'existence d'une compétition entre les conceptions plus abstraites que l'enseignement se doit de dispenser et les croyances bien tenaces sur lesquelles se basent les phrases explicatives fournies.
L'enseignement de ces notions gagnerait s'il fait émerger les ruptures entre ces deux types de lectures car nous estimons qu'une rupture qui consiste à douter sur l'évidence infère un début de démarche scientifique.
Une démarche scientifique qui partirait des "procédures d'exploitation globale" vers les "procédures d'exploration organisées"(NUMEZ-FERNANDEZ, 1978(2),VUILLEUMIER, 1983(3), MEHEUTet col.,1986(4),DEVECCHI etGIORDAN,1989(5))en confrontant les hypothèses explicites et implicites.
6. BIBLIOGRAPHIE
(1)INHELDER (B. ), 1954. - Les attitudes expérimentales de l'enfant et de l'adolescent.InBulletin de Psychologie.Paris, 7 (5), p. 272.
(2)NUNEZ-FERNANDEZ, 1978. -La démarche expérimentale chez l'enfantde
la
à13ans.Thèse, Université de Genève, p.67.(3)VUILLEUMIER (B. ), 1983. - Quelques obstaclesà la conceptualisation.InActes des 5èmes Journées Internationales sur l'Education Scientifique "Quels types de recherches pour rénover l'éducation en Sciences Expérimentales",Chamonix le 31janvier, 1er et 2 février. Ed.A.Giordan et J.-L. Martinand, U.F. de Didactique des Disciplines, Université Paris 7,433-440.
(4)MEHEUT (M.), SERE (M. G.) et TIBERGHIEN (A. ), 1986. - Les états de la matière: du vécuà la physique et retour. InActes des 8èmes Journées Internationales sur l'Education Scientifique "Education scientifique et vie quotidienne", Chamonix les 3, 4 et 5 février. Ed. A. Giordan et J.-L. Martinand, U.F. de Didactique des Disciplines, Université Paris 7, 121-129.
(5)DE VECœI (G.) et GIORDAN (A.), 1989. -L'enseignement scientifique: comment faire pour que "ça marcheU ? Z'éditions, Nice, 208 p.
