ETUDE DES OBSTACLES A L'APPRENTISSAGE DU CONCEPT DE CHALEUR
Marie-Louise ZIMMERMANN Charles DE CARLINI
Laboratoire de Didactique et épistémologie des sciences Université de Genève
Résumé
Cette étude a été faite à partir d'enregistrements vidéo réalisés
en 5ituation de cJasse. Un film reprenant les séquences les plus intéressantes
1. I~TRODlJCTlON
l(~ sujte d1une [.JrenÜèrc étude (l), nous é.Jvons acquis la conviction que les repré-sentdtlon~des 01èves curlcornant les phénomènes scientifiques n'étaient pas forcémerlt
celles qu'on désirait obtenir, même après un enseignement systématique. Pour mettre en évidence ces représentations, nous avons enregistré intégralement deux leçons portant sur le thème de la chaleur dans une classe de 1ère année de l'Ecole de culture générale Jean Piaget. (4)
A partir de ces enregistrements (2) nous avons réalisé un film mettant en évidence les ubstacles rencontrés par les élèves.0)
2. l'IETHODOLOGIE
Les classes de 1ère année de l'école Jean Piaget sont constituées d'élèves dont la moyenne d'âge est de 16 ans, venant pour la majorité du cycle d'orientation; certains de ces élèves ne désirent rester qu'une année dans cette école (année de réflexion et d'orientation); d'autres espèrent poursuivre leur scolarité car ils ont déjà choisi leur avenir professionnel (profession sociale, profession de la santé, etc ... ).
La classe dans laquelle nous avons enregistré les séquences présentées était com-posée de 12 élèves qui suivaient le cours de sciences expérimentales (obligatoire pour tous les élèves de 1ère).
(l) l'1arie-Louis~ Zimmermann : mémoire "Etudes des représentations du concept de cha-leur" 1981, document interne, Université de Genève.
(2) Ces enregistrements et ce film ont été réalisés avec Christian Nidegger, Univer-sit é de Genève.
(3) Ce fdm est un document de travail, un document de recherche, en aucun cas un modèle.
Nous ne vuulons prôner aucune pédagogie, nous désirons simplement mettre l'accent sur les obstacles rencontrés par les élèves lors de la construction du concept de chaleur.
(4) Ecole Jean Piaget, Ecole de culture générale; elle accueille les élèves qui, a-yant terminé le ge degré de la scolarité obligatoire, ne s'engagent ni dans la voie gymnBsiale, ni dans une formation professionnelle (apprentissage, école spé-cialisée ... ). Elle donne un enseignement général dont le programme s'étend sur 3 ans.
3. RESULTATS
~ous avons pu mettre en évidence différents obstacles que nous avons classés en 3
catégories
les obstacles techniques les obstacles mathématiques les obstacles conceptuels En voici quelques e~emples : a) Les obstacles technigues
liés à l'utilisation du thermomètre
les élèves secouent le thermomètre pour le mettre è zéro
d'autres le mettent sous l'e3u courante pour le faire descendre à zéro - ils ne savent pas comment utiliser le thermomètre à mercure pour prendre la
température des corps solides.
- ils le frottent en l'introduisant dans le sage x
- l'utIlisation du thermomètre digital (inconnu des élèves) leur cause aussi des difficultés: les élèves ne savent comment le tenir, ni comment interpréter la lecture des chiffres apparus.
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Nous avons constaté des difficultés d'expérimentation: - la lecture des températures n'est ni précise, ni rigoureuse
- les élèves ne brassent par leur mélange de deux liquides afin d'obtenir un bon équilibre thermique
Remarquons que le simple obstacle technique est peut-être dépassé ici. En effet, on a affaire également à un obstacle conceptuel car l'élève ignore les modes de transmission de la chaleur.
b) Les obstacles mathématigues
Nous avons observé toute sorte de "cuisine mathématique" surtout lors de l' anti-cipation de l'expérience de mélanges de quantités inégales d'eau à des tempéra-tures différentes
300 + 500
=
800 donc en mélangeant de l'eau à 30 degrés et de l'eau è 50 de-grés on obtient de l'eau à 80 degrés ~- certains élèves tenaient compte des quantités d'eau mais trouvaient quand mê-me des résultats étonn8nts.
- des élèves, après une réflexion approfondie, sont convaincus que la température finale est comprise entre 30 degrés et 50 degrés et pourtant, leur résultat expérimental : 55 degrés, ne les choque pas.
c) Les obstacles conceptuels
Nous avons mis en évidence la confusion "sensation de chaleur - température". Les élèves étaient tellement convaincus que les objets "perçus comme chauds" et les objets "perçus comme froids" ne peuvent avoir la même température que leurs résultats expérimentaux en étaient faussés (ils voulaient observer une différence de température, le sagex devait être plus chaud que la plaque métallique ... ). Enfin, dans ces obstacles conceptuels, on peut citer aussi ceux dus à une
Dyne cette classe,CIl un nouveau type d'intervention péd"gogique a été utilis6, centré plus pélrticulièrement sur les élèves. Le rôle du maitre se trouvait mocLi-fié. Un observateur extérieur (2) assistait è toutes les leçons corlcernant la chaleur.
Les 6lèves
- Ils travaillaient par groupes constitués de 2 ou 3 élèves.
- Ils devaient répondre ~ des questionnaires : une anticipution leur était dem8n-dée, puis ils vérifiaient par l'expérience si leurs hypothèses 6taient confir-mées ou infirconfir-mées. Enfin, une justification de leurs réponses était exigée Le maître
Celui-ci avait un rôle dlobservateur, tldlincitateur!l et parfois même de "provo-cateur". I l devait s'efforcer de mettre en évidence les lIidées premièresIl des élèves. leur mode de raisonnement et les obstacles rencontrés par ceux-ci. L'observateur extérieur
Il ne jDuait pas seulement un rôle (j'observateur, mais participait à 18 leçon d'une manière semblable au professeur tItulaire. Toutefois, son statut de maitre extérIeur à l'école, donc sans aucune charge d'évaluation, favorisait le dialogue. 2.3. Recueil et traitement de l'information
Nous avons enregistré en vidéo, deux leçons de une heure trente chacune. La première avait pour thème : di fférence chaleur-température. On proposai taux élèves des échantillons de différentes matières (sagex, bois, aluminium, plasti-que, etc ... ) qu'on demandait de classer suivant la sensation de chaleur éprouvée en les touchant et suivant leur température. Des thermomètres étaient à disposi-tion pour une vérificadisposi-tion expérimentale.
La deuxième s'intitulait: les mélanges. On proposait aux élèves de prévoir 10 température finale d'un mélange de deux quantités d'eau à deux températures dif-férentes. Ensuite, les élèves vérifiaient expérimentalement.
il) Cette classe jouissait d'un statut spécial au sein de l'école Jean Piaget: "clas-~e expériment al e pour les sciences expér imentales seulementI l .
- Les thèmes étudiés ont été choisis par le maître. Il n'y a pas eu d'épreuve com-mune pour ces élèves.
- La salle a été aménagée de façon à permettre le travail de groupe.
- Une bibliothèque, composée de manuels de cours, d'ouvrages de référence et de photocopies diverses, dans la classe, était à disposition des élèves.
(2) Charles de Carlini jouait le rôle dlobservateur extérieur. Professeur de chimie et méthodologue, il n'appartient pas à l'école Jean Piaget
- une élève vidange è plusieurs reprises un peu d'eau è 55° de son bécher, ofin d'obtenir de l'eau b 500 !
Dès lors, quelle est sa constructiun du concept de chaleur? Eut-ce rattBch6 au '\.:a1 or ique11 ?
4. ANALYSE DES RESULTATS
Cette prise de conscience des différents obstacles que doit surmonter l'élève nous semble fondamentale car le maitre devra aider l'élève è surmonter ces obstacles. Sans toutefois les passer sous silence, car nous sommeS persuadés que l'apprentissage passe par une confrontatioCi de l'acquis d une situation-problème. C'est lors de cet-te confrontation que se formeCit et s'affermissent les relations qui constitueroCit le réseau des notions construites en concept.
Cependant, les obstacles ne paralssent pas offrir la même résistance à tout change-ment: cerL:Üns peuvent être qualifiés de 11 mineurs", dlautres de l'majeurs". Les obstacles Ilmineurs"
Nous regroupons sous ce qualific8tiF ceuX qui peuvent être "aisément" dépassés. Dans cette catégorie, nous pouvons classer les obstacles techniques; eCi effet, on peut acquérir sans trop de difficultés une bunne technique d'expérimentation au mo-yeCl d'exercices et de séquences de cours appropriés.
Certains obstacles mathématiques devraient aussi pouvoir étre levés sans trop d'ef-fort, particulièrement lorsqu'ils relèvent de l'usage irréfléchi d'algorythmes étu-diés parallèlement dans un autre cadre.
Ce sont les obstacles conceptuels (confusion chaleur-températurE~representations erronées). Ils sont plus "tenaces". Ils "choquent" la connaissance commune. Ils se renforcent avec l'âge. (1)
5. CONCLUSION
Si, au départ, nous n'avions pas connaissance de tous les obstacles rencontrés par les élèves, au terme de cette étude, et après de nombreuses discussions suscitées par celle-ci, nous nous posons de nombreuses questions:
- Quelle sera la méthode la plus efficace pour amener l'élève à dépasser les obs-tacles techniques ?
- Faut-il enseigner une technique d'expérimentation ou laisser l'élève tâtonner et découvrir par lui-même une technique?
(1) l'lémoire "La chaleur: intuition et paradoxes" B. Vuilleumier, F. P.S. E. Université de Genève
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[:'i~5t pour essayer de répoflcjre ~ ces questions que nouS allorls élaborer de nouvelle: h~potilèsesde recherche et continuer 11étude avec lJn8 nouvelle classe de 1ère année ~ l'école Jean Piaget.
