L'acquisition des compétences terminales en sciences
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L'acquisition des compétences terminales en sciences
L'acquisition des
compétences terminales
en sciences
Recherche-action sur la construction de séquences didactiques axées
sur le modèle allostérique de Giordan
Résultats de la recherche en pédagogie 009/99
Maryse HONOREZ, François REMY, Brigitte MONFORT, René CAHAY et Jean THERER
Laboratoire d'Enseignement Multimédia (LEM), Université de Liège
Sous la direction des Professeurs Jean THERER et René CAHAY
Introduction leur direction, qui ont accepté de mettre en
œuvre avec les élèves, les idées et les outils
Avant de livrer les résultats de la recherche, il développés au cours de cette recherche qui
nous faut remercier : s'est étalée sur 2 ans. Celle-ci avait pour
objectif d'aider les élèves à acquérir certaines
◆ Madame Michelle Baudoux, compétences terminales en physique et en chi-
Athénée royal d’Arlon, mie, en mettant au point des séquences
◆ Madame Germaine Manet, basées sur le modèle allostérique d'apprentis-
Athénée royal de Gilly, sage de Giordan et destinées à compléter les
◆ Madame Liliane Merciny, démarches habituellement utilisées par les
Athénée royal de Huy, enseignants.
◆ Madame Jenny Michaux,
La première année nous a permis, avec l’aide
Athénée royal Thil Lorrain de Verviers,
des enseignants, de construire et de valider le
◆ Madame France Quinet,
matériel tant en chimie qu’en physique. Les
Athénée royal Pierre Paulus de Châtelet,
résultats ainsi que la présentation du modèle
◆ Madame Myriam Vogels-Limbourg,
allostérique d'apprentissage de Giordan ont
Athénée royal de Nivelles, fait l'objet d'un rapport intermédiaire et d'une
publication (Honorez, 2000).
enseignantes de chimie et En bref, ce modèle se caractérise par :
- l'identification des conceptions des élèves sur
◆ Madame Suzanne Hoffelt,
la matière qui va leur être enseignée,
Athénée royal de Montegnée, - la définition « d'objectifs-obstacles » relatifs
◆ Monsieur Michel Kapenyak, à ces conceptions,
Athénée royal de Huy, - l'élaboration d'activités diversifiées destinées
◆ Madame Brigitte Lincé, à perturber ces conceptions dans le but de
Athénée royal de Montegnée, conduire l'élève à les dépasser ou à les
restructurer pour s'approprier la matière au
enseignants de physique ainsi que travers de démarches, raisonnements et
modélisations corrects.
41L'acquisition des compétences terminales en sciences
Résultats de la recherche L'identification des compétences terminales
étant toujours en chantier au moment de la
L
es thèmes disciplinaires sur lesquels s'est recherche, en accord avec l'inspection, les
basée la recherche ont été choisis en colla- compétences terminales visées au travers de
boration avec Madame l’Inspectrice de phy- ces objectifs ont été définies comme suit.
sique A. Dambremez, Monsieur l’Inspecteur de A l'issue du cours portant sur la cellule électro-
chimie J. Furnémont et Monsieur P. Collette du chimique, les élèves seront capables :
CAF (Centre d'Autoformation). ◆ d’expliquer le fonctionnement d’un généra-
teur électrochimique (piles, accumulateurs) ,
Il s’agit : ◆ d’utiliser de manière adéquate un vocabulai-
◆ en chimie : de la cellule électrochimique, re scientifique spécifique (compétences trans-
(public cible : élèves de 5 ème année, 3 périodes versales).
/ semaine) ;
◆ en physique : des lois de Newton, (public Le module «La cellule électrochimique et les
cible : élèves de 6ème année, 3 périodes / potentiels d’électrode», mis au point lors de la
semaine). recherche CF/240/96 (LEM, 1998), a constitué
la trame sur laquelle sont venues se greffer les
Que ce soit en chimie ou en physique, les étapes nouvelles activités.
qui se sont succédées au cours de l' année scolai-
re sont les suivantes: Les différentes étapes de la recherche et les
enseignements qu'on peut en tirer sont repris
1/ en pré-test, juste avant d’aborder la matiè- ci-après.
re, mise en évidence des conceptions par un
questionnaire (questionnaire "conceptions") , 1) Q UESTIONNAIRE "CONCEPTIONS"
Pour mémoire, le questionnaire "conceptions"
2/ intégration par les enseignants dans leur se présente comme un jeu et comprend :
cours, d'activités utilisant les outils mis au ◆ une liste de 18 mots (i.e. : accumulation de
point (vidéogramme, CD-ROM, expériences), charges, borne ou électrode négative, borne
ou électrode positive, circuit, conducteur, cou-
3/ à titre d'interrogation, une semaine après rant électrique, différence de potentiel ou ten-
avoir vu la matière, les élèves répondent à un sion ou voltage, électrolyse, électrolyte ou
questionnaire "évaluation matière" ( Ils étaient solution ionique, électron, intensité, ion néga-
donc censés avoir étudié), tif, ion positif, métaux, oxydation, pile, réac-
tion d'oxydoréduction, réduction),
4/ en post-test, environ 5 semaines après ◆ des paquets de petits "Post-it",
avoir vu la matière, les élèves répondent une ◆ des feuilles A3.
seconde fois au questionnaire "conceptions" du Il s’agit pour les élèves de réaliser, par équipe
début . de 2 ou 3, une carte conceptuelle (ou concep-
togramme) autour du concept de “ pile ” et de
A. Les résultats en chimie rédiger des phrases expliquant les relations
établies entre les mots. Ce sont ces phrases
Lors de l’analyse des résultats aux pré- et qui aident à identifier les conceptions des
post-tests de l'année scolaire 1998-1999 élèves. Le protocole de cette activité est repris
(Honorez 2000), des problèmes concernant la dans l'article de M. Honorez (Honorez, 2000).
structure de la matière (particulièrement celle
des métaux) et le déplacement des charges Le dépouillement s’est déroulé en 2 étapes :
(ions et électrons) ont été relevés.
1. relevé des mots utilisés parmi les 18 propo-
Sur cette base, des "objectifs - obstacles" ont sés et calcul de la fréquence d’utilisation de
été définis et formulés comme suit : chacun d’eux,
A l'issue du cours portant sur la cellule électro-
chimique, les élèves seront capables : 2. analyse des conceptogrammes et des com-
◆ d’expliquer la formation et le déplacement mentaires.
des ions positifs et négatifs dans une solution;
◆ d’expliquer le déplacement des électrons La fréquence d'utilisation de chacun des mots
dans les solides conducteurs, a permis de préciser les mots les plus couram-
◆ d’appliquer ces notions aux générateurs ment employés et ceux qui, au contraire, sont
électrochimiques. absents ou peu utilisés par les élèves.
42L'acquisition des compétences terminales en sciences
Le nombre moyen de mots utilisés par chaque L'électrolyse, qu'elle soit clairement citée
équipe en pré- et en post-test a été calculé. comme principe de fonctionnement de la pile
ou, qu'elle soit simplement décrite sans qu'une
Les élèves ayant eu la possibilité d’ajouter les relation explicite soit établie avec le concept de
mots qu’ils souhaitaient, ces derniers ont éga- pile, occupe une place importante dans les
lement été répertoriés. conceptogrammes des élèves. Cela n'a rien de
surprenant puisque le fonctionnement des
Les relations établies entre les différents mots, piles n'a pas encore été étudié; les élèves
par chacune des équipes d’élèves, ont été rele- cherchent une explication dans ce qu'ils ont
vées. déjà rencontré et qu'ils connaissent.
Il est arrivé que les élèves aient mis un des 18
mots en relation avec des mots qu’ils avaient Résultats du post-test
ajoutés. En fonction des commentaires des
élèves, les relations établies entre le mot ajou- 117 élèves répartis en quatre groupes (G2,G3,
té et les autres mots de la liste ont été consi- G5 et G6) ont répondu au post-test. Dans le
dérées ou non. groupe G2, les élèves ont travaillé individuelle-
Les différentes explications données par les ment.
élèves sur le pourquoi des mises en relation
des mots ont été étudiées et les erreurs réper- Tous les mots sont employés au moins une fois .
toriées. Les termes "borne positive et négative" sont
utilisés par tous les élèves comme c'était déjà
Résultats du pré-test le cas lors du pré-test .
Les termes "accumulation de charges" et
6 groupes (G1 à G6) provenant de 6 athénées "électrolyse" sont utilisés par un peu plus du
ont passé le pré-test, soit au total, 161 élèves quart des équipes, la fréquence d'utilisation de
(répartis en 83 équipes). Les élèves du groupe ces mots est nettement moindre que lors du
G1 ont répondu individuellement; les élèves pré-test.
des autres groupes ont travaillé par équipes de
2 ou 3. Quelle que soit la situation, il sera tou- A l'exception des mots "intensité" (utilisé par
jours question d'équipes pour ne pas compli- environ 1/3 des équipes) et "différence de
quer inutilement la lecture du texte. potentiel" (utilisé par environ la moitié des
équipes), tous les mots sont utilisés par plus
L'intérêt de ce pré-test est double: des 3/4 des équipes. Il faut noter une fré-
- vérifier que les élèves sont bien face aux quence d'utilisation supérieure à celle obser-
mêmes "objectifs-obstacles" que lors de la vée lors du pré-test pour les termes "oxyda-
première année de la recherche, tion, réduction, oxydoréduction".
- servir de référence pour analyser les résul-
tats du post-test. L'intérêt du post-test est de voir si les activités
proposées aux élèves ont pu les aider à dépas-
Le fait que le nombre de mots ait été réduit (de ser les obstacles identifiés. Pour ce faire, les
40 à 18) par rapport à l'année passée, a res- fréquences de quelques relations relevées lors
treint le champ conceptuel sur lequel les des questionnaires "conceptions" soumis aux
élèves devaient travailler. Cela a engendré une élèves au cours des deux années de la
diminution de la diversité et de la quantité des recherche sont comparées dans le tableau 1.
arguments avancés; par contre, cela a conduit
à une augmentation du nombre de relations
établies.
"L'accumulation de charges" reste l'argument
clé pour expliquer les signes des bornes et le
déplacement des ions.
43L'acquisition des compétences terminales en sciences
Tableau 1 : Fréquence d'apparition de quelques relations relevées lors des
différents tests
La comparaison montre que lors du post-test 2) Q UESTIONNAIRE "ÉVALUATION MATIÈRE"
2000, les élèves ont établi davantage de liens Le questionnaire "évaluation matière" compor-
entre les mots repris dans le tableau 1. tait les 2 questions suivantes :
D'un autre côté, il est curieux de constater que Question 1
certaines relations qui paraissent évidentes, Dans un tube en U dont les branches sont
sont moins souvent établies dans les post- séparées par un disque en verre fritté (poreux)
tests que dans les pré-tests : on plonge d’un côté, une lame de cuivre dans
◆ pile et différence de potentiel (pré-test 1999 une solution de chlorure de cuivre (II) (CuCl2)
: 23/88, post-test 1999 : 7/81, pré-test 2000 et de l’autre côté, une lame d’or dans une solu-
: 30/83, post-test 2000 : 11/65), tion de chlorure d’or (III) (AuCl3). Les deux
lames sont connectées à un petit moteur à l’ai-
◆ pile et intensité (pré-test 1999 : 14/88, post- de de fils conducteurs.
test 1999 : 4/81, pré-test 2000 : 12/83, post-
test 2000 : 4/65). A/ Schématisez le dispositif expérimental,
On peut émettre l'hypothèse que lors du pré- B/ Dessinez la disposition des atomes, des
test, les élèves font appel à leur vécu et/ou à molécules,…etc. dans :
leur cours de physique pour établir les rela- - les lames
tions alors que lors du post-test, ils ont en leur - les solutions
possession des connaissances qu'ils jugent - les fils conducteurs.
mieux appropriées à un cours de chimie et par
conséquent, ils délaissent les informations C/ Quelles réactions chimiques vont se produi-
considérées comme faisant partie du domaine re dans la pile décrite ci-dessus?
de la physique. Pour vous aider, sachez que, d’une manière
générale, lorsqu’on immerge une lame de
En conclusion, cuivre dans une solution de chlorure d’or, cette
On retiendra que : lame se recouvre d’or métallique et la solution
◆ les élèves ont pris conscience de l'intérêt de devient bleue.
l'électrolyte ainsi que de la relation qui existe
entre l'électrolyte et les électrodes, D/ Expliquez et indiquez sur votre schéma (au
◆ la nature métallique des électrodes a pris point A) à l’aide de flèches les mouvements
plus d'importance, des charges électriques.
◆ de nombreux élèves ont acquis une vision
plus dynamique du fonctionnement de la pile Question 2
intégrée dans un circuit. Paul, Annie et Sylvie discutent de la conducti-
vité électrique de l’électrolyte d’une pile en
fonctionnement.
44L'acquisition des compétences terminales en sciences
Paul : «Dans une solution aqueuse, le cou- En comparaison avec les résultats de l'année
rant électrique peut être dû aussi bien à un 1998-1999 et pour l'ensemble de l'échantillon,
déplacement d’ions que d’électrons». le nombre de réussites au test global a doublé;
Annie :“ Quel que soit l’endroit où ils se trou- pratiquement, plus d’1/4 des élèves a réussi.
vent dans la solution aqueuse, les ions néga- Si les résultats restent du même ordre de
tifs se déplacent vers la borne positive et les grandeur pour les questions 1A et 1C (les
ions positifs vers la borne négative ”. résultats à ces questions étaient déjà satisfai-
Sylvie : «Dans la solution aqueuse, les ions sants l'an dernier), ils s'améliorent pour toutes
positifs prennent les électrons arrivant à une les autres questions.
électrode et les transportent vers l’autre élec-
trode». A la question 1A, à l'exception de l'un ou
l'autre élève oubliant de noter le nom des solu-
Etes-vous d’accord avec un ou plusieurs de ces tions ou des lames, tous ont répondu correcte-
élèves ? Si oui, le(s)quel(s) ? Expliquez en ment.
critiquant chacune de ces affirmations. A la question 1B, seuls 21 % des élèves ont
répondu correctement, ce qui représente tou-
tefois dix fois plus d'élèves que l'an dernier.
6 athénées (184 élèves) ont participé à cette Tout comme en 1999, la question 1C a obte-
étape. Les groupes G1 et G6 ont répondu au nu un bon score.
questionnaire 5 semaines après avoir vu la L'année dernière, on avait observé un biais des
matière en classe et sans révision préalable. résultats suite à un manque de données dans
Dans le groupe G5, une partie des élèves (19) l'énoncé du problème. Pour rappel, les élèves
a répondu au questionnaire avant d'avoir étu- ne savaient pas qui, des ions chlorure ou du
dié la classification des couples rédox alors que cuivre, étaient oxydés. Au vu des résultats de
l'autre partie (30 élèves) y a répondu après. cette année, on peut dire que les modifications
apportées à l'énoncé étaient justifiées. En
Dans un premier temps, un dépouillement coté effet, à l'une ou l'autre exception près, les
a été effectué. Un demi-point a été attribué à élèves "n'oxydent plus les ions chlorure".
chaque réponse correcte à l'exception des Pour la question 1D, on observe une nette
équations et de la discussion de chacune des amélioration dans la détermination du sens de
affirmations qui rapportaient un point. migration des ions. D'environ 4 % de bonnes
Dans un second temps, toutes les affirmations réponses pour le sens de migration des ions
des élèves ont été relevées afin d'étudier les positifs l'année dernière, on passe à 35 %
arguments erronés. cette année. En ce qui concerne le déplacement
des ions négatifs, on passe de près de 14 % à
Résultats du questionnaire matière environ 39 %. Quant au sens de déplacement des
électrons, on note également une amélioration
Le tableau 2 reprend l'inventaire des élèves (de 53 % à 78 %).
ayant eu une cote égale ou supérieure à la 1/2 L'identification du nom ou du signe des bornes
des points à chacune des questions, sous- reste une difficulté pour les élèves.
questions et au test complet.
Tableau 2 : Nombres d'élèves ayant eu une cote égale ou supérieure à
la moitié des points
45L'acquisition des compétences terminales en sciences
En ce qui concerne les réponses à la question complètement fausse.
2, on note une grande hétérogénéité entre les Les élèves utilisent des arguments pertinents
6 groupes. dans leur discussion comme la charge des
ions, les signes des électrodes.
À l'affirmation 1 (Paul), «Dans une solu -
tion aqueuse, le courant électrique peut être 3) A CTIVITÉS PROPOSÉES
dû aussi bien à un déplacement d’ions que ET AVIS DES ENSEIGNANTS
d’électrons.», les arguments utilisés par les
élèves, montrent qu'une grande confusion Pour dépasser les "objectifs - obstacles" des
règne quant au sens à donner à "courant élec- élèves, les enseignants ont disposé d'outils
trique". Cette confusion est probablement à très diversifiés élaborés au cours de la
l'origine du peu de bonnes réponses fournies recherche:
par certains groupes. Certains élèves considè- ◆ des modèles,
rent que le courant électrique ne peut être dû ◆ des expériences,
qu'à des électrons (la physique et le langage ◆ des documents photographiques originaux,
familier les y encourage, d'ailleurs). Ils ne tien- ◆ des vidéogrammes,
nent donc pas compte de la nature du milieu ◆ un CD-ROM,
dans lequel circule ce courant électrique. De ce ◆ des textes sélectionnés dans la littérature
fait, quand ils répondent "uniquement d'élec-
mais à critiquer, vu les ambiguïtés, voire les
trons", cela ne signifie pas nécessairement
erreurs relevées.
qu'ils considèrent que ces électrons voyagent
dans la solution. Les résultats obtenus à la
Le bilan tiré par les enseignants ayant partici-
question 1 et ceux discutés ci-après pour les
pé à la recherche est globalement positif,
affirmations 2 et 3 corroborent cette
même si l'application de la démarche proposée
remarque.
demande du temps et dépend en grande par-
tie du niveau de la classe. La réponse d'une
De plus, de nombreux élèves oublient qu'on
enseignante résume assez bien la situation:
leur pose la question pour la solution ionique
"C'est une bonne méthode d'enseignement.
et ils répondent en considérant l'ensemble de
Pour de bonnes classes et par rapport au pro -
la pile placée dans un circuit fermé. Cette
gramme, cela prend trop de temps mais pour
constatation avait déjà été faite lors des pré-
des classes plus faibles, comme celle de cette
et post-tests l'an dernier, conduisant à modifier
année, ce n'est peut-être pas assez long".
quelque peu la présentation des affirmations
(utilisation des caractères gras) pour attirer
S'il faut du temps pour les élèves, il faut aussi
davantage l'attention des élèves sur ce point.
un temps d'adaptation à la méthode pour les
Il s'agit ici d'un problème d'apprentissage de la
enseignants, comme le résument les avis sui-
lecture et de compréhension du français qui
vants :
dépasse le cadre des activités proposées.
"La première fois que l'on donne un nouveau
"cours", on ne se sent pas toujours à l'aise; il
À l'affirmation 2 (Annie), «Quel que soit
y a des moments où l'on sent que l'information
l’endroit où ils se trouvent dans la solution
ne passe pas."
aqueuse, les ions négatifs se déplacent vers
"Au fur et à mesure des années, les expé -
la borne positive et les ions positifs vers la
riences s'affinent, le contenu théorique se cla -
borne négative.»,
rifie et la motivation des élèves pour ce cha -
79 élèves argumentent et donnent une bonne
pitre ne cesse de croître."
réponse. Cependant, parmi eux, 14 nuancent
négativement leur réponse, montrant de cette
4) C ONCLUSION
manière que cette notion n'est pas encore bien
ancrée dans leur esprit.
Le premier constat que l'on peut faire au vu
des résultats, c'est de noter l'existence d'une
À l'affirmation 3 (Sylvie), «Dans la solu -
hétérogénéité des groupes alors qu'il s'agit
tion aqueuse, les ions positifs prennent les
d'élèves ayant le même nombre d'heures de
électrons arrivant à une électrode et les trans -
chimie….
portent vers l’autre électrode.», 41 élèves
D'une manière générale, on observe une amé-
répondent parfaitement; 46 donnent une
lioration des résultats au questionnaire "éva-
réponse correcte mais ne répondent pas com-
luation matière" par rapport à l'an dernier.
plètement à la question; 24 ne répondent pas
et les autres fournissent une argumentation
46L'acquisition des compétences terminales en sciences
Cette amélioration se marque surtout pour les solutions). Il est certainement à l'origine de
questions qui concernent la structure de la l'amélioration observée.
matière et le sens de migration des ions et Alors que l'utilisation du CD-ROM était
électrons, notions qui faisaient l'objet des conseillée en synthèse, un enseignant a trouvé
"objectifs - obstacles". que son utilisation en introduction motivait les
On constate, qu'à court terme (c'est-à-dire élèves et leur offrait d'emblée une vue globale
pour les élèves ayant répondu à ce question- et dynamique du fonctionnement d'une pile.
naire immédiatement après avoir vu la matiè- On rejoint ici le concept d'effecteur allostérique
re), les objectifs sont atteints mais par une cher à Giordan.
fraction encore trop faible des élèves (prati-
quement 1/4 des élèves). L'apport du vidéogramme "Face aux piles" qui
comporte 3 parties a été diversement appré-
A plus long terme, c'est-à-dire 5 semaines cié.
après avoir étudié la matière, en ce qui concer-
ne le sens de déplacement des ions, une amé- La partie "Structure des solides cristallins" a
lioration est toujours visible puisque 1/4 des suscité de l'intérêt dans certaines classes et
élèves (au post-test de cette année) contre peut avoir joué un rôle dans la compréhension
1/10 (aux tests précédents) répond correcte- de la structure des métaux.
ment. Par contre, la deuxième partie sur la migration
des ions dans une pile et lors d'une électrolyse
Les élèves sont peu habitués au style d'énon- est apparue trop complexe.
cés qui leur étaient proposés, un avis partagé La troisième partie concernant la tension
aussi bien par les élèves que par leurs profes- contre-électromotrice a suscité peu d'intérêt. Il
seurs! s'agissait d'une activité de synthèse faisant
Gageons qu'une formulation différente de celle appel à des notions du programme de phy-
proposée (discussions argumentées, exploita- sique et jugées compliquées. Toutefois, elle a
tion des résultats d'une expérience décrite été utilisée par une enseignante dans son
sans recourir à sa réalisation pratique) aurait cours de physique.
conduit à de meilleurs résultats. On ne peut On remarque qu'il persiste un cloisonnement
donc que promouvoir une diversification entre les cours de sciences, et qu'un travail des
du mode de questionnement. enseignants en collaboration et avec du "maté-
Lors du dépouillement, s'est posée la question riel" commun (sujet, support,..) devrait aider
de savoir si une meilleure connaissance de la les élèves à établir des connexions entre les
structure de la matière avait eu une influence matières relevant de différentes disciplines.
sur la compréhension du déplacement des Comme une meilleure connaissance de la
électrons et des ions au sein d'une cellule élec- structure, notamment des métaux, favorise la
trochimique en fonctionnement. L'amélioration compréhension des phénomènes liés au fonc-
des résultats aux questions concernant le sens tionnement d'une pile, il faudrait aborder cette
de déplacement des ions et des électrons matière avec les élèves dans le programme de
conduit à répondre affirmativement, d'autant quatrième année, où l'on aborde la structure
plus que seuls 2 élèves sur 184 persistent des réseaux cristallins mais pas celle des
encore à faire circuler les ions dans les fils métaux.
conducteurs. La partie "Structure" du CD-ROM a d'ailleurs
été testée par un enseignant de quatrième
Quelle activité a conduit à cette améliora- année avec des résultats encourageants.
tion ? Dans les classes où il a été présenté, le vidéo-
gramme "Croissance cristalline" a suscité l'in-
Il est dommage que, malgré les consignes térêt des élèves.
données, les outils visuels (CD-ROM, vidéo-
gramme) n'aient pas été utilisés de la même On doit relever l'attrait qu'exercent, sur les élèves
manière par tous les enseignants (absence ou mais également sur les enseignants, les supports
présence de consignes préalables, vidéogram- animés, qu'ils appartiennent aux "nouvelles"
me visionné sans interruption). Toutefois, on technologies (CD-ROM) ou à une technologie déjà
peut signaler que le CD-ROM a suscité un vif plus habituelle (la vidéo). On retrouve de nouveau
intérêt tant de la part des professeurs que des cet attrait des nouveautés et des activités qui sor-
élèves. Il permet la visualisation du fonction- tent des sentiers battus comme cela a déjà été
nement dynamique d'une pile ainsi que de la mis en évidence lors de précédentes recherches
structure des matériaux mis en jeu (métaux et (LEM, 1998; LEM, 1999).
47L'acquisition des compétences terminales en sciences
En conclusion, le fonctionnement d'une pile 1. Q UESTIONNAIRE "CONCEPTIONS"
constitue une matière assez compliquée pour
les élèves. Le modèle allostérique d'apprentis- Le questionnaire "conceptions" est composé de
sage de Giordan apparaît comme un modèle 3 affirmations à discuter (D’accord - Pas d’ac-
qui peut aider les élèves à surmonter leurs dif- cord - Je ne sais pas - Commentaires). Le
ficultés. choix de ces affirmations a été opéré sur base
Les outils mis à la disposition des enseignants des résultats obtenus au test effectué l’an der-
ont permis une amélioration sensible de la nier dans les classes, test qui comportait alors
compréhension des phénomènes liés au fonc- 11 affirmations.
tionnement des piles. On peut néanmoins se C’est intentionnellement que leur formulation
poser la question de savoir pourquoi cette garde parfois un certain flou sur les conditions
amélioration n'est pas plus importante ? de l’expérience ou de l’observation, ceci afin de
◆ D'après certains enseignants, le niveau de la laisser à l'élève un champ plus grand pour l’ex-
classe était particulièrement faible par rapport pression d’hypothèses de travail. Ceci permet
à celui de l'année précédente. Des "objectifs - de se rendre compte de la pertinence de ces
obstacles" relatifs à des notions plus fonda- hypothèses éventuelles et de la logique (ou
mentales n'ont peut-être pas été pris en comp- des contradictions) accompagnant le raisonne-
te par les activités proposées. ment. Ceci ne bride en rien l’expression des
◆ Par ailleurs, deux des outils proposés (vidéo- conceptions, au contraire.
gramme portant sur la migration des ions dans
la pile et lors d'une électrolyse et sur la tension Les résultats du pré-test, du post-test et des
contre-électromotrice) étaient, apparemment, conclusions éventuelles sont présentés succes-
d'un niveau de difficulté trop élevé pour ces sivement pour chacune des questions.
élèves. Cela ne les a-t-il pas perturbés plus
qu'aidés dans leur raisonnement ? Nous avons relevé et classé les réponses des
◆ Le nombre et la diversité des outils fournis élèves.
aux enseignants peuvent avoir eu un effet
déstabilisateur sur ces derniers, réduisant par Affirmation 1
là l'efficacité de ces outils. Une brique tombe plus vite qu’un crayon.
Lors d'une réunion préalable avec ces ensei-
gnants volontaires, les outils et la démarche Réponse attendue
préconisée leur avaient été présentés; peut- (point de vue de Newton)
être aurait-il fallu que des fiches d'utilisation Pas d’accord. En l’absence de frottements, les
plus directives soient également mises à leur deux objets tombent à la même vitesse.
disposition.
Au pré-test, 58 élèves, répartis en 3 classes
B. Les résultats en physique (G1, G2 et G3), ont répondu individuellement
au questionnaire.
A partir des résultats de l'année scolaire 1998-
1999 (Honorez 2000), des "objectifs - obs- 33 élèves sur les 58 ne précisent pas s'ils tien-
tacles" ont été identifiés, à savoir : nent compte des forces de frottement ou non.
- qu'une force constante (en l'absence de frot- Seulement, 5 élèves envisagent les 2 possibili-
tements) conduit à une accélération constante tés. 22 élèves utilisent comme seul argument
et donc à un effet cumulatif sur la vitesse, la masse (ou le poids) de la brique. Pour ces
- que le mouvement doit aussi s’interpréter en élèves, la masse (ou le poids) de la brique est
termes d’inertie. plus importante que celle du crayon et de ce
Les élèves devront donc pouvoir expliquer le fait, celle-ci arrive la première au sol. Quelles
mouvement d’un objet en utilisant ces deux que soient les conditions envisagées, environ
idées. la 1/2 des élèves se trompe dans ses conclu-
sions.
Au post-test, 72 élèves ont répondu au ques-
tionnaire. Parmi eux, 18 n'avaient pas partici-
pé au pré-test (classe G4).
43 élèves ne sont pas d'accord, 19 ne savent
pas ou hésitent, 10 sont d'accord.
48L'acquisition des compétences terminales en sciences
L'analyse des arguments présentés par les lisée. Des expériences supplémentaires à
élèves pour justifier leurs réponses a mis en celles qui ont été effectuées en classe seraient
évidence qu'un même argument peut-être uti- apparemment nécessaires.
lisé pour justifier des réponses différentes. La masse n'est plus utilisée comme argument
On note qu'au post-test, 1/3 des élèves étudie que dans les situations avec frottements. Il est
les 2 situations possibles (avec et sans frotte- vrai qu'elle intervient puisqu'elle détermine le
ments; dans la situation sans frottements, poids et que celui-ci doit être pris en compte
les idées paraissent claires dans la tête des dans le calcul de la force résultante, mais mal-
élèves. Quarante-huit d’entre eux argumen- heureusement, ce n'est pas de cette manière
tent correctement. que les élèves l'utilisent dans leur raisonne-
Sur base des commentaires qu'ils fournissent, ment. Il n'y a pas de réflexion à partir de la
il apparaît que la séquence vidéo qui leur a été force résultante des forces de frottement et
proposée (chute simultanée d'une plume et du poids.
d'un marteau sur la Lune) n'y est pas étrangè-
re. Il faut noter toutefois que seuls 2 élèves
donnent à leur choix une explication cinéma- Affirmation 2
tique, à savoir, même accélération pour les Pour que le caddie, que l’on pousse dans les
deux corps. allées du magasin, roule de plus en plus vite, il
Lorsque les élèves considèrent la situation faut le pousser de plus en plus fort.
avec les forces de frottement, ils ne savent
pas toujours comment les faire intervenir. Il Réponse attendue
faut reconnaître que le raisonnement global, (point de vue de Newton)
en l'absence de données chiffrées, ne peut se Pas d’accord. A force constante, accélération
baser que sur des hypothèses et que, souvent, constante.
seule l’expérience permet de trancher.
Si l'on regarde les résultats de l'ensemble de
Dès qu'ils pensent "forces de frottement", un l'échantillon, on remarque que la plupart des
tiers des élèves utilise, de façon péremptoire, élèves sont d'accord avec l'affirmation. Par
la masse dans leur argumentation. contre si l'on regarde les résultats de chaque
groupe, on s'aperçoit que plus de la 1/2 des
Comparaison des résultats avec les diffé - élèves du groupe G2 n'est pas d'accord avec
rents tests (affirmation 1) cette affirmation, ce n'est pas la force qu'il faut
augmenter mais la vitesse du caddie ! Dans
Les résultats obtenus au pré-test et au post- cette question, tous les arguments utilisés
test de l'année scolaire 1998-1999 sont com- pour justifier un "pas d'accord" sont faux.
parables à ceux qui ont été obtenus cette Seuls 3 élèves argumentent correctement. Les
année au pré-test. autres se contentent d'une affirmation qui,
Si l'on compare les résultats du pré-test et du dans leur esprit, "va de soi" : si la force aug-
post-test de cette année, on note comme amé- mente, le caddie ira plus vite !
liorations que :
◆ la majorité des élèves stipule les conditions Au post-test, une majorité d'élèves répondant
dans lesquelles l'expérience est envisagée ; "pas d'accord" se dégage pour l'ensemble de
◆ 1/3 d'entre eux envisage les deux cas pos- l'échantillon avec une petite différence entre
sibles ; les groupes G1, G4 et G2, G3.
◆ les 2/3 ont mémorisé que, sans forces de Néanmoins une grande diversité dans les argu-
frottement, les objets arrivent au sol en même ments existe, dont certains sont pour le moins
temps. ambigus.
Des regroupements peuvent toutefois être réa-
Du point de vue de Newton, on peut donc par- lisés :
ler d'une nette amélioration des résultats. ◆ 28 élèves sur 72 signalent que l'application
Toutefois, l'hésitation des élèves face au choix d'une force constante conduit à une accéléra-
"d'accord" ou "pas d'accord" avec l'affirmation tion (= réponse correcte),
et le fait que l'argumentation utilisée dans la ◆ 14 élèves constatent qu'effectivement, si on
discussion du cas avec forces de frottement est pousse plus fort, le chariot va plus vite! Ils se
une mosaïque d'éléments vrais ou faux lais- limitent à cette affirmation qui pour eux est
sent penser que beaucoup d'élèves sont enco- une argumentation. Ils ne relèvent pas que,
re dans une phase de perturbation. L'étape de même si la force était constante, il y aurait
réorganisation des idées n'est pas encore réa- quand même une accélération,
49L'acquisition des compétences terminales en sciences
◆ 11 élèves font intervenir les forces de frotte- sur les forces de frottement et la notion de
ment, vitesse-limite à laquelle certains élèves font
◆ une vingtaine d'élèves présentent des argu- allusion.
ments hors contexte ou incompréhensibles.
On retrouve ici la confusion entre cause et Affirmation 3
conséquence. Les commentaires des élèves Quand on lance une balle, la force exercée au
font parfois référence à l'expérience avec le départ par la main continue à agir sur la balle
chariot qui leur a été proposée comme activi- tant qu’elle est en mouvement.
té. On leur demandait dans cette expérience
d'exercer sur le chariot une force constante; Réponse attendue
par conséquent, pour ce faire, ils devaient (point de vue de Newton)
accélérer le pas pour finir par courir. Pour les Pas d’accord. Une fois qu’il n’y a plus de
élèves, on peut dire que cela se résume à "il contact entre la balle et la main, la force cesse
faut aller de plus en plus vite pour que le cha- d’agir.
riot aille de plus en plus vite". Comme lapalis-
sade, on ne fait pas beaucoup mieux ! Au pré-test, on observe une dispersion impor-
Les élèves ne semblent pas réaliser qu'une tante des réponses et une argumentation en
accélération, c'est une augmentation (ou dimi- faveur de la continuation de l'action de la force
nution) de la vitesse. avec des variantes à propos de sa grandeur
(qualifiée d'intensité par les élèves).
Comparaison des résultats avec les diffé -
rents tests (affirmation 2) Au post-test, une majorité d'élèves n'est "pas
d'accord" et, en général, pour de bonnes rai-
◆ Pour cette année, le nombre de bonnes sons. Une nette amélioration est visible pour le
réponses "une force constante conduit à une groupe G1 où tous les élèves donnent une
accélération (sous-entendu : constante)" a réponse correcte. On constate aussi que pour
plus que doublé entre le pré-test et le post- le groupe G4, qui n'a pas participé au pré-test,
test. (28 élèves sur 72 contre 9 sur 58 ). toutes les réponses sont correctes.
L'année dernière, il y avait eu 3 réponses cor-
rectes sur 55 au pré-test (5ème année) et 2 Comparaison des résultats avec les diffé -
réponses correctes sur 44 au post-test (6ème rents tests (affirmation 3)
année).
◆ Le nombre de réponses "passe - partout" du Ici aussi, les résultats obtenus au post-test
type "si la force augmente, l'accélération aug- sont meilleurs que ceux qui ont été obtenus au
mente" diminue également. Il passe de 27 sur post-test de l'année dernière.
58 au pré-test à 14 sur 72 au post-test.
◆ Au pré-test, aucun élève ne parlait explicite- 2. Questionnaire "évaluation-matière"
ment des forces de frottement, au post-test,
11 les utilisent dans leur argumentation. Le questionnaire "évaluation-matière" compor-
v Par contre, le nombre de réponses hors pro- tait 3 questions qui seront reprises et analy-
pos ou incompréhensibles a fortement aug- sées individuellement ci-après.
menté, de 4 sur 58 au pré-test à 20 sur 72 au
post-test. 77 élèves répartis en 4 classes de 3 athénées
différents, ont répondu au questionnaire. Les
On constate donc dans l'ensemble une évolu- résultats sont présentés séparément pour
tion positive qui est due à l'expérience du cha- chaque groupe (G1, G2, G3, G4) ; les nombres
riot à laquelle les élèves font régulièrement entre parenthèses indiquent les nombres
référence. Cette expérience a provoqué une d'élèves. Les élèves des groupes G1 et G4 ont
déstabilisation des idées des élèves. Certains le même enseignant.
ont pu restructurer leur pensée, tandis que
d'autres sont restés dans une phase de désor- Dans un premier temps, un dépouillement a
ganisation qui s'est traduite par une augmen- été effectué avec la répartition des points sui-
tation et une diversification des réponses vante : un point pour la première question et
"aberrantes". 1/2 point pour chacune des réponses deman-
Pour aider ces élèves, il faudrait affiner les dées dans les questions 2 et 3.
expériences en mettant l'accent sur les causes
du mouvement et ses conséquences ainsi que
50L'acquisition des compétences terminales en sciences
Dans un second temps, un relevé des diffé-
rents schémas et commentaires a été réalisé.
Le nombre d’élèves ayant réussi chacune des
questions est repris dans le Tableau 3.
Tableau 3 : Nombre d’élèves ayant répondu
correctement à chacune des questions
Cinquante-sept élèves sur 77 réussissent le Question 1
test complet c’est-à-dire qu’ils ont au moins Pour un disciple d’Aristote, il est évident que :
2,5 points / 5. L'année dernière, 5 élèves sur «une force est nécessaire pour qu’un objet
23 avaient réussi (il faut rappeler encore une conserve un mouvement rectiligne uniforme.»
fois que les conditions expérimentales Donnez votre avis sur cette affirmation et com-
n'étaient pas identiques : ces élèves avaient mentez-la du point de vue de Newton.
répondu au questionnaire en fin d'année alors
que la matière avait été vue lors du premier Réponse attendue
trimestre). Tout dépend du milieu dans lequel se déroule
l’expérience.
Globalement les résultats sont comparables En présence de frottements, une force équiva-
dans les 4 groupes à l'exception des résultats lente aux forces de frottement mais de sens
obtenus à la question 3. Le nombre d'élèves opposé est nécessaire pour maintenir cet objet
ayant réussi cette question est nettement à une vitesse constante.
supérieur dans les groupes G1 et G4. En l’absence de frottements et une fois l’objet
Les sous-questions 2.A.3. et 2.B.3. sont, en mis en mouvement, aucune force n’est néces-
général, très mal réussies. Les résultats du saire pour le maintenir en MRU.
groupe G3 sont légèrement inférieurs à ceux
des autres groupes.
16 élèves sur 57 ont répondu correctement à
la totalité de la question en envisageant les cas
"avec" et "sans" forces de frottement; 37
autres élèves ont réussi en répondant à la moi-
tié de la question .
51L'acquisition des compétences terminales en sciences
On remarque que la majorité des élèves préci- Lorsque les élèves utilisent comme "argument" :
se les conditions prises en compte (avec ou "la résultante des forces appliquées doit être
sans frottements) contrairement aux élèves de nulle…", aucun commentaire relatif à la situa-
6ème soumis l'an dernier au même question- tion qu'ils envisagent n'accompagne la répon-
naire. se; cela ressemble à une simple restitution de
la théorie sans application à une situation
concrète.
Question 2
Les dessins suivants représentent la position d’une balle de golf et du club du golfeur
1. Avant 2. Pendant 3. Et après l’impact avec la balle
A/ Représentez sur ces schémas, les forces qui agissent sur la balle à ces trois moments.
B/ Choisissez parmi les vecteurs dessinés ci-dessous celui qui représente l’accélération de la
balle à chacune des positions.
Réponses
a a a a a a=0
1 = ...
A B C D E F 2 = ...
3 = ...
Réponses acceptées 1
force de force de forces de
réaction «frappe» frottement
du tee
A/
Gravité Gravité Gravité
1 2 3
Avec ou sans Avec ou sans force
réaction du tee de frottement
B/ 1 = F, 2 = B, 3 = A
1
Il n’entrait pas dans nos intentions d’inclure ici l’effet dû à l’interaction de la rotation de la
balle de golf et de l’air environnant lors de son déplacement. Aucun élève n’a d’ailleurs évoqué
cette question : seule la translation importait.
52L'acquisition des compétences terminales en sciences
Première partie: Dans ces 2 groupes, la 1/2 des élèves repré-
schématisation des forces sente encore la force de frappe du club de golf
alors qu'il est clair que ce dernier n'est plus en
A la sous-question 2.A.2., au moment de l'im- contact avec la balle.
pact du club sur la balle, les schémas, repré- On note toutefois un point "positif", à savoir
sentant ou ne représentant plus la force de que si les forces motrices et de frottement sont
réaction du tee, ont été considérés comme indiquées, elles ont la même direction et sont
corrects. Il en est de même pour la présence de sens opposés!
ou l'absence du vecteur "force de frottement". Un autre point préoccupant est la représenta-
tion, par environ 1/3 des élèves, d'une force
Etant donné la schématisation de la situation verticale dirigée de bas en haut appelée N ou
2, nous avons considéré comme exactes les R. Que représente cette force ?
représentations dans lesquelles on trouvait : Quelques hypothèses explicatives peuvent être
soit la gravité et la force de frappe impulsion- avancées :
nelle soit la gravité, la force de frappe impul-
sionnelle et la force de réaction du tee avec la ◆ c'est la force de réaction du tee qui persiste;
force de frappe impulsionnelle horizontale ou à
45°. ◆ c'est la force de réaction opposée à la gravi-
L'ambiguïté qui plane sur l'interprétation de té. Dans ce cas, cette force est mal dessinée,
cette situation a conduit à filmer le départ le point d'action n'étant pas la balle mais bien
d'une balle de golf avec une caméra ultrarapi- le centre de la Terre !
de et à l'inclure dans le vidéogramme "Fort ce
Newton!" pour pouvoir discuter avec les élèves ◆ c'est une force égale à la gravité mais de
de leurs représentations. sens opposé qui permet alors de calculer une
résultante nulle. Une balle en mouvement, sur
Les résultats obtenus aux 2 premières situa- laquelle agissent des forces dont la résultante
tions représentées (avant et pendant l'impact est nulle, reste en mouvement… à moins que
du club de golf) sont satisfaisants. ce ne soit pour avoir une force agissant dans le
sens du déplacement;
Dans le cas de la situation 3 (lorsque la balle
est en mouvement) une majorité de réponses ◆ c'est la poussée d'Archimède que subit la
correctes provient des groupes G1 et G4 où balle dans l'air (suggestion d'une enseignan-
aucun élève ne dessine une force motrice te),
"résiduelle". Toutefois ces réponses n'évoquent
◆ un élève a appelé cette force "Nclub " …
pas les forces de frottement.
Par contre, dans les groupes G2 et G3, les Même si l'on ne peut comparer directement
forces de frottement ont davantage la cote ces résultats avec ceux de l'année précédente
tout comme, malheureusement, une force (les conditions expérimentales étant trop diffé-
motrice "résiduelle" et une force de "réaction" rentes), il faut toutefois signaler que l'année
d'origine injustifiée Le dessin suivant, extrait dernière, plus de la moitié du groupe, consti-
d'une copie d'élève, illustre cette constatation. tué de 23 élèves de 6ème année, avait conti-
nué à dessiner une force motrice une fois la
balle en mouvement tandis que seulement 3
élèves avaient schématisé une force de réac-
tion verticale dirigée de bas en haut et de
nature inconnue (contre environ un tiers cette
année).
N R
F club
T
G
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