L’enseignement de la chimie organique dans le
secondaire belge francophone : des conceptions
alternatives à de nouvelles approches pédagogiques
Thèse présentée par Laureline VAN OVERMEIR
en vue de l’obtention du grade académique de docteure en sciences
Année académique 2018-2019
Sous la direction de la Professeure Cécile MOUCHERON
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Remerciements
Pour arriver au bout de cette thèse, heureusement, j’ai été bien accompagnée. De nombreuses
personnes se sont relayées au cours des années pour m’aider dans ce travail, en participant
directement aux études menées, ou en me supportant sur le côté. À toutes ces personnes, je tiens à
dire merci ; que votre contribution ait été ponctuelle ou que vous ayez été présents du début à la fin,
sans vous, je n’y serais pas arrivée. Alors, dans un ordre alphabétiquement neutre, je tiens à remercier :
Anne, Anouar, Antoine, Aurélie, Aurore, Benoit, Caroline, Catherine, Cécile, Céline, Christel, Christian,
Christine, Claudine, Damia, Damiano, David, Döne, Éric, Félix, Flore, François, Françoise, Gaétan, Gilles,
Imane, Jean-Christophe, Jérémie, Jérôme, Jessica, Jonathan, Joyce, Kevin, Kristin, Laurent, Lionel,
Ludovic, Maggy, Maï, Maman, Marianne, Marie, Marine, Matthieu, Melissa, Michèle, Nadège, Natalia,
Nathalie, Nathan, Neal, Nico, Nora, Papa, Pascale, Pauline, Philippe, Pierre, Quentin, Raphaël,
Redouane, Robin, Samir, Sarah, Sébastien, Simon, Sofia, Sophie, Stéphane, Thierry, Tifaine, Virginie,
Xavier, Yannick, Zakia.
À qui se sent concerné, merci :
o De m’avoir accueillie à l’ULB pendant autant d’années et de m’avoir laissé carte blanche pour
ce travail ;
o De m’avoir ouvert les portes de vos écoles et de vos classes aussi chaleureusement, d’avoir
répondu à mon appel et de m’avoir laissé expérimenter et tester mes idées sur vous et vos
élèves ;
o Pour tout le temps que vous m’avez accordé pour répondre à mes questions ou simplement
pour discuter de différentes théories, pratiques ou améliorations possibles, toujours dans une
optique bienveillante et positive ;
o Pour les souvenirs d’une bonne ambiance au bureau et au labo, durant ces premières années
où j’y étais encore et où l’on pouvait compter sur d’excellents encadrants ;
o De m’avoir accompagnée lors des différentes étapes de ce travail ;
o Pour les relectures de ce travail de longue haleine qui aurait été un peu moins bien rédigé et
un peu plus couvert de fautes sans votre contribution ;
o De m’avoir persuadée à continuer, à travers les années, malgré de nombreux moments de
démotivation et l’envie d’abandonner avant la fin ;
o À ces collègues qui ont contribué au fait que ces six années d’assistanat restent un excellent
souvenir ;
o À tous mes élèves, de l’ULB, d’écoles secondaires ou d’ailleurs, qui contribuent encore
aujourd’hui à mes réflexions, à mon apprentissage et à mon dépassement quotidiens ;
o À ces quelques élèves plus particulièrement, qui m’ont fait comprendre que ma place était
dans une classe plutôt que dans un labo et qui ont initiés cette réflexion ;
o Pour toutes ces discussions tournant autour d’une éducation nouvelle et de projets un peu
fous pour révolution ce monde ;
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Résumé
Nous avons tous quelque chose qui nous passionne, qui nous prend aux tripes, pour lequel nous ne
pouvons rester discrets lors d’un débat ou qui nous incite à repousser nos limites. Pour certains d’entre
nous, cette passion est même double. Et quand nous nous retrouvons face à la passion de
l’enseignement à laquelle se mêle la passion de la chimie organique, c’est un point de départ pour une
nouvelle aventure. Enseigner la chimie organique dans l’enseignement secondaire en Belgique
francophone n’est pas une tâche aisée de nos jours. Beaucoup de contraintes à respecter ne
permettent pas à l’enseignant de captiver facilement les élèves qu’il retrouve devant lui. Nous avons
donc voulu, par ce travail de thèse, apporter une petite pierre à l’édifice titanesque qu’est la refonte
du système éducatif actuel en proposant aux enseignants une nouvelle manière d’embarquer leurs
élèves à bord du voyage passionnant que constitue la découverte de la chimie organique.
Cet ouvrage présente notre travail de recherche, mené depuis 2014, et qui a pour objet l’enseignement
de la chimie organique dans les écoles secondaires de Belgique francophone, enseignement qui est
assuré durant les deux dernières années du secondaire.
Nous nous intéressons à cette période précoce de l’enseignement de la chimie organique car nous
pensons qu’il serait bénéfique pour l’apprenant d’aborder cette matière le plus tôt possible, la chimie
organique étant présente dans une très large part de notre vie quotidienne. Nous constatons qu’à ce
niveau d’enseignement, une grande partie de l’apprentissage s’effectue « par cœur ». Or, nous faisons
l’hypothèse que l’apprenant est capable d’aborder la chimie organique sous un angle différent et que
cet enseignement peut être mené en se basant sur d’autres compétences que la seule restitution.
Dans la première partie de ce travail, nous présenterons l’objet et le cadre de cette recherche en
partant tout d’abord à la découverte de l’histoire et de l’épistémologie de la chimie organique dans le
chapitre 1. Cette exploration nous mènera aux défis de l’enseignement de la chimie organique dans le
chapitre 2, ainsi qu’à l’étude des différentes problématiques déjà mises en avant dans de précédentes
recherches sur le sujet. Le chapitre 3 établira nos questions de recherche ainsi qu’un aperçu général
de la méthodologie que nous suivrons pour y répondre.
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La troisième partie concernera l’étude des conceptions alternatives des élèves concernant la chimie
organique. Pour les repérer, nous irons sur le terrain pour effectuer une étude quantitative : lors du
chapitre 1 de cette troisième partie, nous établirons un plan d’attaque en nous basant sur la littérature
concernant l’identification des conceptions alternatives. Au chapitre 2, nous établirons un premier
diagnostic des thèmes problématiques grâce à un questionnaire à réponses ouvertes. Un second
questionnaire sous forme de questions à choix multiples permettra d’affiner ce diagnostic au cours du
chapitre 3. Le chapitre 4 nous permettra de rentrer plus en profondeur dans la question de la
compréhension des apprenants face à certaines difficultés mises en évidence précédemment, par le
biais d’entretiens semi-dirigés. Enfin, nous conclurons cette partie au chapitre 5 en résumant les
conceptions alternatives mises en avant chez les élèves et en sélectionnant deux thèmes pour la suite
de notre travail.
La dernière partie de ce travail se concentrera sur le développement de deux séquences
d’apprentissage. La première se focalisera sur l’introduction de la chimie organique aux apprenants
7
Table des matières
REMERCIEMENTS
2
RESUME
5
Partie 1 : Objet et cadre de la recherche
CHAPITRE I : HISTOIRE ET EPISTEMOLOGIE DE LA CHIMIE ORGANIQUE
17
Une histoire de chimie 17
Tentatives de classification des molécules organiques 18
Analyse immédiate 18
Analyse élémentaire 18
Clarifications du vocabulaire 19
Premières classifications 20
Théorie des radicaux 21
Théorie des types de Gerhardt 22
Théorie de l’atomicité de Wurtz 22
Les fonctions chimiques de Berthelot 24
Structure des molécules organiques 25
Vers la notion de valence 25
Les isoméries optiques et géométriques 26
La structure du benzène 27
La synthèse organique 28
Vers une définition de la chimie organique 33
CHAPITRE II : ETAT DE L’ART DES RECHERCHES EN DIDACTIQUE DE LA CHIMIE
ORGANIQUE
35
L’enseignement de la chimie organique 35
Origine des problèmes d’apprentissage de la chimie organique 35
Le choix de la méthode : mémorisation ou compréhension ? 35 Une base incertaine : concepts de chimie générale mal maitrisés 36 Un symbolisme nouveau : des flèches et des barres 36 Le décalage entre savoir savant et savoir enseigné en chimie organique 36
La recherche dans l’enseignement secondaire 37
Diversité de contenu en fonction du pays 38
La chimie organique n’a que récemment été insérée dans les programmes 38
8
La recherche dans l’enseignement supérieur 40
Propositions de nouvelles manières d’enseigner 40
Modification du contenu à enseigner 41
Approche par la compréhension des étudiants 43
Vers un nouvel enseignement de la chimie organique 44
CHAPITRE III : QUESTIONS DE RECHERCHE, OBJECTIFS DE LA THESE ET
METHODOLOGIE GENERALE
45
Objectifs de la thèse et questions de recherche 45
Méthodologie générale 46
Première étape : Analyse du contenu à enseigner en secondaire 46 Deuxième étape : Diagnostic des conceptions alternatives 46 Troisième étape : Construction de deux séquences d’apprentissage 47
Partie 2 : Analyse du contenu à enseigner au niveau secondaire
INTRODUCTION
53
CHAPITRE I : ANALYSE DU SAVOIR A ENSEIGNER EN CHIMIE ORGANIQUE
55
Problématique de l’enseignement de la chimie organique 55
Problématique de l’enseignement des fonctions organiques 55 Problématique de la mise en contexte de la chimie organique 56 Problématique de l’enseignement des objectifs de la chimie organique 56 De l’importance d’apprendre la chimie organique en secondaire 57
Le savoir à enseigner en secondaire francophone belge 58
Les référentiels de compétences 58
L’organisation des options scientifiques en Belgique 58
Classification du savoir à enseigner 59
Création d’un corpus représentatif 59
Analyse du savoir à enseigner 60
Les objectifs avancés par le ministère 60
La structuration du savoir à enseigner 64
Les grands thèmes abordés 66
CHAPITRE II : ANALYSE DES EVALUATIONS PROPOSEES AUX ELEVES
69
L’évaluation des élèves 69
Les types de questions 70
Création d’un corpus à analyser 71
9
Analyse des évaluations en fonction du type de question 72 Analyse des évaluations en fonction du thème des questions 80 Analyse des évaluations classées par fonction organique 86
Conclusion 93
Partie 3 : Etude des conceptions alternatives des élèves
INTRODUCTION
97
CHAPITRE I : COMMENT IDENTIFIER LES CONCEPTIONS ALTERNATIVES
PRESENTES CHEZ LES ELEVES ?
99
Les conceptions alternatives en chimie 99
Qu’est-ce qu’une conception alternative ? 99
Comment identifier une conception alternative ? 100 Les conceptions alternatives identifiées chez les élèves 100
Méthodologie appliquée afin d’identifier les conceptions alternatives 102
Questionnaire à réponses ouvertes 103
Questionnaire à choix multiples (QCM) 106
Entretiens semi-dirigés 108
CHAPITRE II : QUESTIONNAIRE A REPONSES OUVERTES
111
Thème 1 : Questions générales & vie quotidienne 111
Q1 : Qu’est-ce que la chimie organique ? (N = 460) 111 Q2 : Identification des molécules organiques (N = 460) 113 Q3 : Exemples de produits de la vie de tous les jours (N = 460) 114 Q4 : Donnez un exemple de produit de la vie quotidienne ou de molécule biologique contenant une
fonction… 115
Q5 : Citez un polymère naturel (N = 162) 115
Q6 : Expliquez le principe de la distillation du pétrole (N = 240) 116
Récapitulatif des réponses au thème 1 117
Thème 2 : Structure des molécules organiques 117
Q7 : Qu’est-ce qu’un isomère ? (N = 259) 117
Q8 : Reliez les différents isomères entre eux (N = 259) 118 Q9 : Dessinez tous les isomères de l’hexane (N = 259) 119 Q10 : Dessinez les molécules de formule brute C4H8 (N = 243) 120
Q11 : Donnez un exemple d’alcool primaire, secondaire et tertiaire (N = 228) 121 Q12 : Identifiez les fonctions présentes (N = 246 à 363) 122
Récapitulatif des réponses au thème 2 122
Thème 3 : Propriétés des molécules organiques 123
10
Q16 – Parmi les molécules suivantes, entourez celles qui peuvent faire des liens H (N = 312) 125
Récapitulatif des réponses du thème 3 125
Thème 4 : Réactions organiques 126
Catégorie A – Restitution 126
Catégorie B – Application 130
Catégorie C – Transfert 134
Thème 5 : Nomenclature organique 137
Q31 : Nomenclature des alcanes (N = 282) 137
Q34 : Nomenclature 143
Récapitulatif des réponses au thème 5 144
Analyse globale du questionnaire 145
CHAPITRE III : QUESTIONNAIRE A CHOIX MULTIPLES
147
Partie 1 : Questions à choix multiples 147
Q1) La chimie organique est : 147
Q2) Un polymère est : 148
Q3) Un alcool primaire est : 148
Q4) Parmi les molécules suivantes, laquelle est un alcool secondaire ? 149
Q5) Un isomère est : 150
Q6) Pour faire passer une molécule de la phase liquide à la phase gazeuse, il faut chauffer la molécule afin
de : 151
Q7) Pour qu’une molécule soit polaire, il faut : 151 Q8) Qu’est-ce qu’une liaison hydrogène (ou lien H) ? 152
Partie 2 : Tableaux à compléter 153
T1) Voici une liste de produits de la vie quotidienne. Est-ce qu’ils font partie de la chimie organique ? Si oui, quelle est la fonction principale qui les compose ? 153 T2) Les molécules suivantes sont-elles des polymères ? Si oui, sont-ils des polymères de synthèse ou des
polymères naturels ? 154
T3) Voici plusieurs paires de molécules. Déterminez si les deux molécules représentées sont identiques,
isomères, ou ni l’un ni l’autre. 155
T4) Les chimistes organiciens utilisent le plus souvent l’écriture topologique pour représenter les molécules organiques. Cette écriture ne représente pas les carbones ni les hydrogènes liés aux carbones, elle ne montre que les liaisons entre carbones, et les autres éléments. 157 T5) Voici une molécule organique. Identifie les différentes fonctions qui ont été entourées. 159 T6) Voici différentes molécules. Pour chaque molécule, détermine si elle est polaire ou non polaire, et si elle
peut faire des liaisons hydrogène ou non. 160
Analyse globale du questionnaire 161
CHAPITRE IV : ENTRETIENS SEMI-DIRIGES AVEC LES APPRENANTS
163
Q1 – Qu’est-ce qu’une réaction chimique ? 163
11
Q2 – Peux-tu donner un exemple de réaction chimique ? 165
Les élèves proposent des réactions 166
Les élèves expliquent leur réaction par toute une série de notions 166 Les élèves dessinent la structure des molécules impliquées dans leur réaction 168 Les élèves n’utilisent pas un langage chimique correct 169
Q3 – Peux-tu donner un exemple de réaction organique ? 169
Les élèves ne savent pas tous écrire spontanément une réaction organique 169 Les élèves ne se souviennent pas des fonctions organiques 170 Les élèves écrivent les produits d’une estérification 170 Les élèves dessinent la structure des molécules impliquées dans l’estérification 171 Les élèves expliquent la réaction organique (estérification ou combustion) par toute une série de notions 171
Q4 – Qu’est-ce que la chimie organique ? 173
Les élèves donnent leur définition de la chimie organique 173 Les élèves associent la chimie organique et la chimie du vivant 174 Les élèves face au conflit cognitif créé par l’association chimie organique et chimie du vivant 174
Q5 – Peux-tu donner des exemples de produits organiques dans la vie quotidienne ? 175
Les élèves citent des produits quotidiens organiques 175 Les élèves doivent déterminer si un produit est organique 175 Les élèves citent uniquement des produits liés au vivant 177 Les élèves citent des produits inorganiques 177 Les élèves estiment la quantité de produits organiques autour de nous 177
Q6 – Préfères-tu un médicament naturel ou synthétique ? 178
Les élèves choisissent un médicament naturel ou synthétique 178
Conclusion 179
CHAPITRE V : CONCEPTIONS ALTERNATIVES PRESENTES CHEZ LES APPRENANTS
181
Thème 1 : Questions générales et se rapportant à la vie quotidienne 181
CA1 : La chimie organique est la chimie du vivant 181
CA2 : L’eau est une molécule organique 183
CA3 : L’ADN n’est pas une molécule organique 183
CA4 : Le pétrole est un polymère naturel 184
CA5 : Un polymère est une très longue molécule ou un produit composé de beaucoup de molécules 185 CA6 : Un médicament synthétisé en laboratoire est moins « bien » qu’un médicament naturel, bien qu’il soit
plus efficace 185
Thème 2 : Questions se rapportant à la structure des molécules organiques 186
CA7 : Un alcène cis et son isomère trans sont la même molécule 186 CA8 : Deux molécules contenant des fonctions différentes ne peuvent pas être isomères 187 CA9 : Deux molécules dessinées différemment sont des isomères 187 CA10 : Un alcool primaire est une molécule contenant un groupement –OH et un alcool secondaire est une
molécule contenant deux groupements –OH 188
12
CA11 : N’importe quel hydrogène peut être utilisé pour faire une liaison hydrogène 189 CA12 : La température d’ébullition d’une molécule dépend du nombre de liaisons au sein de cette molécule
190 CA13 : Une molécule polaire est une molécule composée uniquement de liaisons polarisées 191
Thème 4 : Questions se rapportant aux réactions 192
CA14 : Pour fabriquer une molécule, il suffit de faire réagir tous les éléments qui la composent 193 CA15 : Une réaction chimique est une transformation magique de choses en d’autres choses, et l’explication du processus de transformation des réactifs en produits peut se faire, au choix, grâce à toute une série de
notions 193
CA16 : Si une molécule est stable, elle ne peut pas servir de réactif dans une réaction 193
Thème 5 : Questions de nomenclature 194
CA17 : La chaine principale est la chaine horizontale 194 CA18 : Lorsqu’il y a plusieurs ramifications différentes, on les écrit en commençant par celle portant le
chiffre le plus petit 195
CA19 : Lorsque les élèves utilisent l’écriture topologique, ils associent une « barre » tracée avec un carbone,
ils écrivent donc un carbone de trop. 195
Conclusion 196
Proposition de réorganisation du savoir à enseigner 197 Proposition de modification des évaluations 198
Partie 4 : Développement de deux séquences d'apprentissage
INTRODUCTION
203
SEQUENCE I : ABORDER LA CHIMIE ORGANIQUE PAR LA VIE QUOTIDIENNE ET
DECOUVRIR LA VARIETE DES FONCTIONS ORGANIQUES
205
Elaboration de la séquence d’apprentissage 205
Objectifs de la séquence d’apprentissage 205
Bref aperçu de la séquence d’apprentissage 206
Evolutions de la séquence d’apprentissage 206
Déroulement de la séquence d’apprentissage 210
Cours 0 : Préparation du matériel de cours avec les élèves (10 minutes) 210
Cours 1 : Les représentations des molécules (environ deux périodes de cours) 216
Cours 2 : Les différentes fonctions organiques (environ deux périodes de cours) 226
Evaluation de la séquence d’apprentissage 231
Tests de la séquence dans les écoles 234
Échantillon 234
Difficultés rencontrées par les élèves 234
Remarques 235
Analyse des résultats des élèves 237
13
Séquence donnée par l’enseignant habituel des élèves 246 Conclusions sur l’efficacité de la séquence d’apprentissage 248
Analyse des retours des élèves et des professeurs 250
L’avis des élèves 250
L’avis des enseignants 254
Perspectives pour l’enseignement de la séquence 256
SEQUENCE II : CLOTURER L’ENSEIGNEMENT DE LA CHIMIE ORGANIQUE PAR LA
SYNTHESE DES MEDICAMENTS
257
Elaboration de la séquence d’apprentissage 257
Objectifs de la séquence d’apprentissage 257
Bref aperçu de la séquence d’apprentissage 257
Évolutions de la séquence d’apprentissage 258
Déroulement de la séquence d’apprentissage 261
Évaluation de la séquence d’apprentissage 273
Tests de la séquence dans les écoles 276
Échantillon 276
Difficultés rencontrées par les élèves 276
Remarques 277
Analyse des résultats des élèves 279
Analyse de l’évaluation de fin de séquence d’apprentissage 279 Conclusions sur l’efficacité de la séquence 285
Analyse des retours des élèves et des professeurs 287
L’avis des élèves 287
L’avis des enseignants 292
Perspectives pour l’enseignement de la séquence 293
