La modélisation Une démarche essentielle pour l'apprentissage de la physique-chimie - Académie de Lyon

La modélisation
 Une démarche essentielle pour
 l’apprentissage de la physique-chimie

 Jacques Vince
 Lycée Ampère
 Enseignant associé à l’Ifé
 jvince@ac-lyon.fr
 @ProfesseurVince

 http://pegase.ens-lyon.fr

Journées de l’Inspection - mai 2021 1

Deux objectifs

 Illustrer l’apport
 Caractériser la pour notre
 modélisation pratique
 en d’enseignement
 physique-chimie et pour
 l’apprentissage

Journées de l’Inspection - mai 2021 2

1. Une première approche de la modélisation
2. Pourquoi est-ce si important pour l’apprentissage ?
3. Caractérisation de la démarche de modélisation
4. Un outil pour concevoir son enseignement et pour
 aider les élèves
5. Modélisation et type d’activités
6. Modélisation et compétences

Journées de l’Inspection - mai 2021 3

1. Une première approche de
 la modélisation
2. Pourquoi est-ce si
 important pour
 l’apprentissage ?
3. Caractérisation de la Une première
 démarche de modélisation approche de la
4. Un outil pour concevoir son modélisation
 enseignement et pour
 aider les élèves
5. Modélisation et type
 d’activités
6. Modélisation et
 compétences
Journées de l’Inspection - mai 2021 4

L’activité de modélisation

Journées de l’Inspection - mai 2021 5

Une invitation à la modélisation dans les programmes ?

Journées de l’Inspection - mai 2021 6

L’activité de modélisation

 Une démarche qui est intimement liée à la
 pratique expérimentale
 MONDE DES THÉORIES
 ET DES MODÈLES
 Lois, relations, concepts

 Ce qui donne du sens

 Ce qui est difficile

 MONDE MATÉRIEL
 Objets / événements

Journées de l’Inspection - mai 2021 7

L’activité de modélisation

 Le réel pour construire des savoirs théoriques…
 Lois, relations
 Loi d’Ohm
 Lois de Snell-Descartes
 MONDE THÉORIQUE
 Relation de conjugaison Lois, relations, concepts…

 Descriptions
 Construire des / représentations conceptuelles
 phénoménologies Équation de réaction
 Modèle du rayon lumineux
 Lien(s) mouvement / actions
 Modèle de l’œil
 Lien hauteur / fréquence Modèle de l’atome
 Modèle du pendule simple
 Liens état / température Modèle du système Terre-atmosphère
 Force
 Onde
 …

 MONDE MATÉRIEL
 Objets / événements

Journées de l’Inspection - mai 2021 8

L’activité de modélisation

 Une modélisation… de l’activité scientifique
 MONDE DES THÉORIES
 ET DES MODÈLES
 Lois, relations, concepts

 Construire des
 éléments théoriques,
 leur donner du sens… Exploiter des éléments
 à partir du monde théoriques,
 matériel ? pour traiter
 du monde matériel
 (description, interprétation,
 prévision…)

 MONDE MATÉRIEL
 Objets / événements

Journées de l’Inspection - mai 2021 9

1. Une première approche de
 la modélisation
2. Pourquoi est-ce si
 important pour
 l’apprentissage ?
3. Caractérisation de la Pourquoi est-ce si
 démarche de modélisation important pour
4. Un outil pour concevoir son l’apprentissage ?
 enseignement et pour
 aider les élèves
5. Modélisation et type
 d’activités
6. Modélisation et
 compétences
Journées de l’Inspection - mai 2021 10

Pour l’apprentissage

 Un exemple classique…
 Pourquoi ce livre est-il
 immobile?

 R Explication courante
 la table l’empêche de tomber ;
 la table supporte le livre.
 pas d’interprétation en termes de
 P forces
 En physique
 Le livre est soumis à deux
 R forces qui se compensent

 P

Journées de l’Inspection - mai 2021 11

Pour l’apprentissage

 Un exemple classique…

 2+ 2+
 ( ) + ( ) ⟶ + ( )
Journées de l’Inspection - mai 2021 12

Pour l’apprentissage
 Le risque de la superposition des deux
 mondes…

 R MONDE DES THÉORIES
 ET DES MODÈLES
 P

 R

 MONDE MATÉRIEL
 Objets / événements
 P

Journées de l’Inspection - mai 2021 13

Pour l’apprentissage
 Cette activité de modélisation nécessite d'étudier des
 situations “simples” ou très épurées...
 • pour lesquelles l'explication ou l'interprétation en
 physique-chimie ne présente pas a priori un intérêt
 immédiat
 • éloignées des situations que les élèves pourraient
 avoir envie de comprendre...

 … et qu’il faudra tenter de lier à des situations
 courantes éventuellement plus complexes
Journées de l’Inspection - mai 2021 14

Pour l’apprentissage

 Des confusions des deux mondes qui peuvent
 générer des « erreurs » ou des quiproquos…
 Titrage
 « L’équivalence est obtenue lorsqu’on a versé
 suffisamment de solution titrante pour faire
 réagir toute la solution titrée initiale »

 Ou des ambiguïtés…

 Optique
 Justifier que l’image est à X cm de la lentille.
 E1 : « parce que si je mets un écran à X cm de la lentille,
 je vois net »
 E2 : « car d’après la relation de conjugaison, ′ = X cm. »

Journées de l’Inspection - mai 2021 15

Pour l’apprentissage

 Des confusions des deux mondes qui
 peuvent générer des expressions gênantes…

 La température est de plus en plus chaude

 La vitesse va moins vite

 L’énergie s’épuise

 L’onde sonore se répand dans la pièce

 Un acide est une solution qui peut céder un proton

 Ce pH est acide

Journées de l’Inspection - mai 2021 16

Modélisation et idées initiales

 À la recherche de régularités
 Chercher des explications valides
 Théorie naïve
 sur une large variété de situations
 =
 une activité de modélisation Besoin d’explication

 Situations
 courantes

 Exprimer une idée initiale, c’est convoquer une
 théorie en référence à une situation observable
Journées de l’Inspection - mai 2021 17

Modélisation et idées initiales

 À la recherche de régularités
 Chercher des explications valides Image
 Théorie naïve
 sur une large variété de situations voyageuse
 =
 une activité de modélisation Besoin d’explication

 Image = photo
 ExemplesSituations
 d’images
 courantes
 renversées

 Exprimer une idée initiale, c’est convoquer une
 théorie en référence à une situation observable
Journées de l’Inspection - mai 2021 18

Modélisation et idées initiales

 À la recherche de régularités

 Théorie naïve

48%
 4%
45% Situation

 Exprimer une idée initiale, c’est convoquer une
 théorie en référence à une situation observable
Journées de l’Inspection - mai 2021 19

Modélisation et idées initiales

 Co-existence et brouillage des modèles

 Des coexistences de modèles peuvent générer de
 nouvelles idées erronées

 Exemple :
 L’effet Doppler est lié au L’effet Doppler est un
 déplacement (donc à la effet sur la fréquence
 position relative E/R)

 La fréquence du signal
 reçu dépend de la
 distance à l’émetteur…
Journées de l’Inspection - mai 2021 20

Objectifs généraux et axes forts MONDE THÉORIQUE
 Lois, relations, concepts…

 Une démarche qui se décline
 en une variété d’actions
 MONDE MATÉRIEL
 Objets / événements

 Choisir un modèle
 adapté pour
 expliquer des faits Établir des relations
 entre grandeurs

 Recourir à une
 simulation pour Démarche de
 Effectuer des
 expérimenter sur un modélisation
 prévisions et les
 modèle confronter aux faits

 Choisir, concevoir et mettre
 Simplifier la
 en œuvre un dispositif
 situation
 expérimental pour tester
 initiale
 une loi

 Extraits des préambules
Journées de l’Inspection - mai 2021 21

Pour l’apprentissage

 Un enjeu d’apprentissage à expliciter
 MONDE THÉORIQUE
 • Inhérent à la démarche scientifique Lois, relations, concepts…

 • Exigeant pour l’élève
 • Totalement intégré pour l’expert

 MONDE MATÉRIEL
 Objets / événements

 « Les concepts apparaissant dans notre pensée et dans nos expressions de
 langage sont – d’un point de vue logique – pures créations de l’esprit et ne
 peuvent pas provenir inductivement des expériences sensibles. Ceci n’est
 pas si simple à admettre parce que nous unissons concepts et liaisons
 conceptuelles aux expériences sensibles si profondément habituelles que nous
 perdons conscience de l’abîme logiquement insurmontable entre le monde du
 sensible et celui du conceptuel et de l’hypothétique. »
 A. Einstein,
 Remarques sur la théorie de la connaissance de Bertrand Russel

Journées de l’Inspection - mai 2021 22

Un risque : la confusion des deux mondes

 Exemple de confusion des « deux mondes »

Journées de l’Inspection - mai 2021 23

Un risque : la confusion des deux mondes

 que faire ?

Journées de l’Inspection - mai 2021 24

Un risque : la confusion des deux mondes

 Exemple de confusion des « deux mondes »
 2nde Hachette collection Hélios

 TS Spécialité Bordas

Journées de l’Inspection - mai 2021 25

Faire prendre conscience de la modélisation

 Comment expliciter l’activité de modélisation ?
 ➢ En permettant la mise en lien par l’élève
 ➢ En donnant un statut effectif aux concepts

Journées de l’Inspection - mai 2021 26

Faire prendre conscience de la modélisation
 Conséquences (côté enseignement)
 Ne pas dérouter l’élève : Présenter la façon dont la
 physique et la chimie fonctionnent

 Assumer que modéliser ce n’est pas copier la
 réalité mais implique de perdre des informations

 27
Journées de l’Inspection - mai 2021 27

Pour l’apprentissage

 Ce qu’on peut retenir…

 ✓ Faire de la physique et de la chimie, c’est modéliser
 ✓ Masquer cette activité de modélisation peut être
 source d’arbitraire ou de difficulté
 ✓ L’assumer et l’expliciter permet
 → de donner une image plus authentique de la
 discipline
 → d’anticiper et de comprendre les difficultés
 ✓ Faire modéliser et pas seulement enseigner des
 modèles…

Journées de l’Inspection - mai 2021 28

Pour l’apprentissage

 Conséquences (côté pratique)

 Penser à des « petits pas » de
 modélisation
 (ce qui questionne les situations très ouvertes...)

 Distinguer physiquement les éléments du
 modèle du reste des documents fournis
 Une feuille à part
 Éventuellement de couleur

Journées de l’Inspection - mai 2021 29

1. Une première approche de
 la modélisation
2. Pourquoi est-ce si
 important pour
 l’apprentissage ?
3. Caractérisation de la Caractérisation
 démarche de modélisation de la démarche
4. Un outil pour concevoir son de modélisation
 enseignement et pour
 aider les élèves
5. Modélisation et type
 d’activités
6. Modélisation et
 compétences
Journées de l’Inspection - mai 2021 30

Caractérisation de la démarche de modélisation

 Théories et modèles
 (point de vue épistémologique)

 Des champs expérimentaux « couverts » de
 plus en plus vastes
 Des théories « emboitées » ou concurrentes 2e loi
 de Newton

 La frontière entre théorie et « modèle théorique »
 est parfois floue…
 Dans l’enseignement secondaire, les grandes théories sont
 réduites à certains de ces modèles théoriques, des modèles
 liés aux situations étudiées : modèle de la chute libre, modèle
 du pendule simple, modèle du gaz parfait…
 Le « modèle théorique » a une valeur explicative et prédictive

Journées de l’Inspection - mai 2021 31

Caractérisation de la démarche de modélisation

 Une simplification

 Champ théorique
 Lois, relations, concepts, définitions, paradigmes…

 En épistémologie
 Instrument reliant champs Modèle Liens visés
 empirique et théorique pour
 l’apprentissage

 Champ empirique
 Objets / événements

Journées de l’Inspection - mai 2021 32

Caractérisation de la démarche de modélisation

 D’autres exemples

 Différents modèles pour la transformation
 chimique (Extrait de Kermen & Méheut (2008))
Journées de l’Inspection - mai 2021 33

Caractérisation de la démarche de modélisation

M. Melzani
Journées de l’Inspection - mai 2021 34 34

Caractérisation de la démarche de modélisation

 Lorsqu’on peut distinguer théorie et modèles

 texte

 M. Melzani, Sup PTSI, Lycée P. de Coubertin
Journées de l’Inspection - mai 2021 35 35

Caractérisation de la démarche de modélisation

 Une simplification

 Champ MONDE DES THÉORIES
 théorique ET DES MODÈLES
 Lois, relations, concepts
 Modèle

 Le rôle particulier
 de la mesure

 et de la simulation…

 MONDE MATÉRIEL
 Objets / événements

Journées de l’Inspection - mai 2021 36

Caractérisation de la démarche de modélisation

 La place des modèles
 (point de vue épistémologique)

 Le Maréchal & Bécu-Robinault (2006)

Journées de l’Inspection - mai 2021 37

Caractérisation de la démarche de modélisation

 La place des modèles
 (point de vue épistémologique)

 I. Kermen

Journées de l’Inspection - mai 2021 38

Caractérisation de la démarche de modélisation

 Les modèles descriptifs
 Les éléments théoriques, les croyances, les intuitions
 influencent l’observation

 → Représentation d’une situation en sélectionnant certains
 aspects, certains paramètres :
 « Modèle d’objets ou d’événements » / « Réalité idéalisée »

 Halbwachs (1974) : « un modèle est une représentation d’une
 situation physique » Réaction chimique Onde progressive
 Espèce chimique Image optique

 Point matériel Source idéale de tension
 Rayon lumineux

 Ces modèles n’ont pas de valeur explicative en eux-mêmes
Journées de l’Inspection - mai 2021 39

Caractérisation de la démarche de modélisation
 Des exemples de modèles descriptifs…
 le modèle est ce qui imite la réalité, une réalité idéalisée…

Journées de l’Inspection - mai 2021 40

Caractérisation de la démarche de modélisation

 Les modèles descriptifs
 MONDE DES THÉORIES ET
 DES MODÈLES

 Modèle d’objets Condensateur
 Modèle descriptif

 Chercher du commun,
 faire des choix, épurer…

 MONDE
 MATÉRIEL
 Objets / événements

Journées de l’Inspection - mai 2021 41

Caractérisation de la démarche de modélisation

 Des exemples de modèles descriptifs…

 3 + 2 ⇌ 3 − + 3 +

 de l’action de la raquette

 voire même :

Journées de l’Inspection - mai 2021 42

Caractérisation de la démarche de modélisation

 Le modèle comme « opérateur sélectif »
 Suzanne Bachelard (1979) : « Loin de fonctionner comme copie, le modèle
 fonctionne comme opérateur sélectif. […] Il représente non pas l'ensemble des
 propriétés du réel, mais seulement certaines des propriétés, il aide à
 sélectionner des données d’une expérience, il sépare le pertinent du non pertinent
 par rapport à la problématique considérée, le modèle est un fictif réalisé » ; « le
 modèle n’est jamais pris en soi. Il est toujours relationnel »

 MODÈLE

 Choix de
 modélisation

 MONDE MATÉRIEL
 Objets / événements

 + question(s)

Journées de l’Inspection - mai 2021 43

Caractérisation de la démarche de modélisation

 Le modèle comme « opérateur sélectif »

 MONDE THÉORIQUE
 Lois, relations, concepts… MONDE THÉORIQUE
 Lois de la mécanique

 Ԧ = Ԧ
 Équations-horaire
 Trajectoire

 MODÈLE

 Ԧ

 Choix de Choix : pas de prise en compte
 des frottements
 modélisation

 MONDE MATÉRIEL
 Objets / événements
 MONDE MATÉRIEL
 + question(s) Lancer de la balle + Question
 (quelle hauteur va-t-elle atteindre ?)

Journées de l’Inspection - mai 2021 44

Caractérisation de la démarche de modélisation

 Les modèles explicatifs
 Un modèle explicatif met en lien des phénomène et/ou des
 concepts

 → Il établit des causalités
 Lois, principes, théorèmes, relations…
 2nde loi de Newton
 Loi de Beer-Lambert

 Relation de conjugaison
 Conditions d’interférences constructives
 1er principe de la thermo

 → Le modèle explicatif a besoin de modèles descriptifs

Journées de l’Inspection - mai 2021 45

Caractérisation de la démarche de modélisation

 Le modèle issu de théories plus vastes

 THÉORIES DISPONIBLES MÉCANIQUE CLASSIQUE

 Ԧ = Ԧ
 Équations-horaire
 Trajectoire

 MODÈLE Modélisation pour prévision

 Ԧ
 Choix : pas de prise en compte
 des frottements

 MONDE MATÉRIEL
 Objets / événements
 + question(s) MONDE MATÉRIEL
 Lancer de la balle + Question
 (à quelle hauteur va-t-elle aller ?)

Journées de l’Inspection - mai 2021 46

Caractérisation de la démarche de modélisation

 D’autres exemples
 ÉLÉMENTS THÉORIQUES ÉLÉMENTS THÉORIQUES
 réaction chimique, transfert de
 Lois de la mécanique classique
 charges, électromagnétisme
 → modèle de l’oxydo-réduction
 Ox + e- = Red ; couple
 oxydant/réducteur
 Ox1 + Red2 → Red1 + Ox2
 ℓ
 = 2 
 
 Corde de longueur ℓ Modèle du
 Fe + H20 + ½ O2 → Fe(OH)2 pendule
 (puis 2Fe(OH)2 + H2O + ½ O2 → 2Fe(OH)3) simple
 Centre d’inertie
 de l’enfant
 (masse m)

 MONDE MATÉRIEL
 Pourquoi ce
 changement de MONDE MATÉRIEL
 couleur lorsque ça L’enfant peut-il
 rouille ? choisir d’aller plus
 ou moins vite ?

Journées de l’Inspection - mai 2021 47

Caractérisation de la démarche de modélisation

 Pour le post-bac...

 Les choix de modélisation peuvent être déjà effectués ou
 masqués :
 l’élève est immédiatement dans le modèle de la situation.

 Conséquences possibles :
 • il y a un risque de laisser croire qu’on n’étudie que des
 situations idéales
 • le retour à la situation initiale après traitement des
 éléments théoriques peut poser problème

Journées de l’Inspection - mai 2021 48

Caractérisation de la démarche de modélisation

 Pour le post-bac... Une modélisation par toujours assumée

Journées de l’Inspection - mai 2021 49

Caractérisation de la démarche de modélisation

 Pour le post-bac...

Journées de l’Inspection - mai 2021 50

Caractérisation de la démarche de modélisation

 Pour le post-bac...

Journées de l’Inspection - mai 2021 51

Caractérisation de la démarche de modélisation

 Pour le post-bac... CC INP – PC – session 2021

Journées de l’Inspection - mai 2021 52

Caractérisation de la démarche de modélisation

 Ce qu’on peut retenir…

 ✓ Dans l’enseignement secondaire, modèle et théories
 peuvent être confondus
 ✓ Un modèle peut être descriptif mais aussi explicatif
 ✓ L’activité de modélisation revêt des facettes variées
 qui permettent de décrire les capacités visées pour
 les élèves

Journées de l’Inspection - mai 2021 53

1. Une première approche de
 la modélisation
2. Pourquoi est-ce si
 important pour
 l’apprentissage ?
 Un outil pour
3. Caractérisation de la concevoir son
 démarche de modélisation enseignement et
4. Un outil pour concevoir son pour aider les
 enseignement et pour
 élèves
 aider les élèves
5. Modélisation et type
 d’activités
6. Modélisation et
 compétences
Journées de l’Inspection - mai 2021 54

De deux à quatre mondes

 Apprendre en physique
 Extraits des préambules

Journées de l’Inspection - mai 2021 55

De deux à quatre mondes
 Apprendre en physique

T/M
 Théories
 Modèles

O/E
 Objets
 événements

Journées de l’Inspection - mai 2021 56

De deux à quatre mondes
 Apprendre en physique
 Vie quotidienne Physique

 Modèle
 Modèle
T/M « naïf »
 scientifique
 Idées initiales

 Situations
 expérimentales
 Situations
O/E à traiter :
 courantes à traiter
 interprétation,
 prévision…
Journées de l’Inspection - mai 2021 Production erronée 57

De deux à quatre mondes

 De 2 à 4 mondes

 Image Modèle de
T/M
 l’optique
 voyageuse
 géométrique

 Image = photo
 Expériences
 Exemples d’images
O/E renversées
 canoniques :
 objet/lentille(s)/écran

Journées de l’Inspection - mai 2021 58

De deux à quatre mondes
 Apprendre en physique
 Vie quotidienne Physique

 Modèle de
 Image
T/M l’optique
 voyageuse
 géométrique

 Que voit-on si on cache la
 Araignée sur l’objectif : moitié supérieure de la lentille ?
 est-ce possible ?
O/E

Journées de l’Inspection - mai 2021 La moitié de l’image L’image moins lumineuse
 59

De deux à quatre mondes
 Apprendre en physique
T/M
 Modèle « naïf » Modèle
 Idées initiales scientifique

 Situations expérimentales
 Situations
O/E à traiter :
 courantes à traiter
 interprétation, prévision…

 Production erronée
Gaidioz, P., Vince, J., Tiberghien, A. (2004). BUP, vol. 98, n° 866, 1029-1042.
Tiberghien A., Vince J., & Gaidioz P. (2009). International Journal of Science Education, 31(17), 2275-2314.
Journées de l’Inspection - mai 2021 60

De deux à quatre mondes

 Extension des idées…
 Vie quotidienne Physique

T/M Accélération =
 
 augmentation Ԧ =
 
 de la vitesse

 donne du sens permet de lister

 Situations Situations
 classiques de calcul
O/E où l’on d’une accélération
 « accélère » (dont mvt circ unif)

Journées de l’Inspection - mai 2021 61

DeHypothèse
 deux à quatre mondes 2
 d’apprentissage

 Vie quotidienne vs modèle ?
 Une confusion classique…

Journées de l’Inspection - mai 2021 62

DeHypothèse
 deux à quatre mondes 2
 d’apprentissage
 Un modèle d’apprentissage opératoire
 pour tous les niveaux
 Vie quotidienne Physique

 La Terre attire tous les
T/M objets, mouvement car force

O/E La balle tombe

Journées de l’Inspection - mai 2021 63

DeHypothèse
 deux à quatre mondes 2
 d’apprentissage
 Un modèle d’apprentissage opératoire
 pour tous les niveaux
 Vie quotidienne Physique

 Un objet posé R
T/M
 ne bouge pas
 P

 Pourquoi ne bouge-t-il
O/E pas ? Le livre est immobile

Journées de l’Inspection - mai 2021 64

DeHypothèse
 deux à quatre mondes 2
 d’apprentissage
 Un modèle d’apprentissage opératoire en physique et en chimie
 Cu2+ + 2e- = Cu
 Vie quotidienne Chimie Zn2+ + 2e- = Zn

 La pile donne de
 l’électricité et
T/M
 lorsqu’elle n’en a plus,
 la pile est usée
 Capacité Q

 Cu2+(aq) +2e- (électrodes) → Cu(s)
 Zn(s) → Zn2+(aq) +2e-(électrodes)

O/E

Journées de l’Inspection - mai 2021 65

Connu À construire
 Vie quotidienne Physique Physique Vie quotidienne
 • Le son se propage avec
 • Le son est un objet qui
 une certaine vitesse
 se déplace • Émission (vibration,
 • Le son ne se propage pas
 • Le son se faufile caisse de résonance).
 dans le vide
 • Milieu de propagation.

 Théories /
 • Le son monte
 Théories /
 modèles

 • Conditions de

 modèles
 • Le son ne se propage • Distinction entre période
 propagation • Hauteur d’un son
 que dans l'air et fréquence
 • Notion de vitesse de • Timbre du son
 • Plus le son est fort, plus • Relation entre période et
 propagation
 il va vite. fréquence.
 • Fréquence (domaine
 • Plus le son avance, • Intensité sonore, niveau
 audible, ultrasons,
 moins il va vite sonore.
 infrasons).

 • Le son est de moins en • Lien entre distance • Lien vibration source / vibration
 milieu.
 moins fort si on s'éloigne parcourue, durée, • Nécessité d'un milieu pour • Un son fort peut être
 de la source vitesse. propager la vibration dangereux

 Relations
 Relations

 • Le son va moins vite • Il existe des sons • Un son = phénomène périodique • Est douloureux à partir
 • Lien qualitatif entre intensité
 dans l’eau que dans l’air audibles, non audibles en sonore et niveau sonore. de 120 dB
 • Plus le milieu est dur, lien avec la fréquence • Lien niveau sonore et dangers • Timbre caractéristique
 moins le son va vite • Le son se propage dans • Lien amplitude-intensité d'un instrument de
 tous les milieux • Lien fréquence-hauteur
 • Si un objet vibre vite, le • Indépendance fréquence- musique
 son va vite. • Vitesse de propagation amplitude
 dépend du milieu • Lien timbre-forme du signal

 • Distinguer aigu/grave
 fort/faible • Deux sons joués par deux
 • En hauteur, j’entends mieux.
 • Vibration visible avec HP instruments différents.
 • Plus aigu => plus fort
 • HP + GBF • Son aigu et grave.
 évènements

 • Film : on entend les lasers.

 évènements
 • Il y a des vibrations • Cloche à vide • Il existe des US et des IS
 • On entend mieux les aigus.

 Objets /
 Objets /

 qu'on n'entend pas. • Expérience flamme devant
 • On voit l'éclair avant • Son dans les métaux
 HP
 d'entendre le tonnerre • sonar • Diapason avec et sans caisse.
 (entendre les voisins dans
 • Mur du son • HP + GBF ? les tuyaux en cuivre).
 • Mesure de la période et de la
 • Écho : ça résonne • Risques auditifs • La voix comme émetteur.
 fréquence : micro, carte,
 • Instruments de musique • Exemple de sons forts,
 oscillo, simulateur
 • Micro, smartphone,
 • Son produit par dont il faut se méfier
 enceintes, casque…
 microcontrôleur • Dans le vide, pas de son
Journées de l’Inspection - mai 2021 • Sonomètre 66

De deux à quatre mondes

 Ce qu’on peut retenir…

 ✓ La modélisation se fait spontanément dans la vie
 courante
 ✓ La description du monde matériel peut se faire dans
 la vie courante et en physique-chimie
 ✓ Une analyse préalable en « 4 mondes » est longue
 et difficilement exhaustive mais elle peut être utile
 pour concevoir son enseignement

Journées de l’Inspection - mai 2021 67

1. Une première approche de
 la modélisation
2. Pourquoi est-ce si
 important pour
 l’apprentissage ?
3. Caractérisation de la
 Modélisation et
 démarche de modélisation
4. Un outil pour concevoir son
 type d’activités
 enseignement et pour
 aider les élèves
5. Modélisation et type
 d’activités
6. Modélisation et
 compétences
Journées de l’Inspection - mai 2021 68

Modélisation et type d’activités

 Modélisation et type d’activités
 MONDE DES THÉORIES
 ET DES MODÈLES

 ✓ Relier l’énergie échangée
 à la masse de l’espèce qui
 change d’état
 Exploration expérimentale
 ✓ Représenter et exploiter la
 (dont induction)
 Nouveau concept caractéristique d’un dipôle
 Élaboration de modèle
 Nouvelle loi
 Interprétation

 MONDE MATÉRIEL
 Objets, événements

Journées de l’Inspection - mai 2021 69

Modélisation et type d’activités

 Modélisation et type d’activités
 MONDE DES THÉORIES
 ET DES MODÈLES

 ✓ Vérifier que le réactif limitant est celui prévu
 ✓ Tester la relation de conjugaison
 Illustration ou ✓ Tester la loi fondamentale
 vérification expérimentale de la statique des fluide
 Appropriation
 d’un modèle descriptif
 Utiliser une loi pour prévoir

 MONDE MATÉRIEL
 Objets, événements

Journées de l’Inspection - mai 2021 70

Modélisation et type d’activités

 Modélisation et type d’activités
 MONDE DES THÉORIES
 ET DES MODÈLES

 ✓ Réaliser un titrage direct
 ✓ Déterminer la célérité
 d’une onde

 Détermination
 expérimentale

 MONDE MATÉRIEL
 Objets, événements

Journées de l’Inspection - mai 2021 71

Modélisation et type d’activités

 Modélisation et type d’activités
 MONDE DES THÉORIES
 ET DES MODÈLES

 ✓ Passer d’un modèle
 d’optique géométrique à
 Test et Test et
 un modèle d’optique
 amélioration amélioration
 d’un modèle
 ondulatoire d’un modèle
 ✓ Modèle d’une source réelle
 de tension continue

 MONDE MATÉRIEL Température moyenne
 Objets, événements de la Terre

Journées de l’Inspection - mai 2021 72

Modélisation et type d’activités

 Modélisation et type d’activités
 MONDE DES THÉORIES
 ET DES MODÈLES

 Résolution
 de
 problème

 MONDE MATÉRIEL
 Objets, événements

Journées de l’Inspection - mai 2021 73

Modélisation et type d’activités

 Modélisation et type d’activités

Journées de l’Inspection - mai 2021 74

1. Une première approche de
 la modélisation
2. Pourquoi est-ce si
 important pour
 l’apprentissage ? Modélisation et
3. Caractérisation de la
 compétences
 démarche de modélisation travaillées dans le cadre
4. Un outil pour concevoir son de la démarche
 enseignement et pour scientifique
 aider les élèves
5. Modélisation et type
 d’activités
6. Modélisation et
 compétences
Journées de l’Inspection - mai 2021 77

Modélisation et compétences

 L’explicitation de la modélisation :
 une aide pour l’apprentissage

 • On demande sans cesse aux élèves de modéliser
 (faire des liens entre les deux mondes).
 • Ces liens sont inhérents à l’activité scientifique

 La modélisation permet aussi de
 caractériser les compétences
 travaillées dans le cadre de la
 démarche scientifique

Journées de l’Inspection - mai 2021 78

Modélisation et compétences

 La modélisation :
 une omniprésence qui traverse les compétences

 MONDE DES THÉORIES ET
 DES MODÈLES

 S’APPROPRIER
 ▪ Énoncer une problématique
 ▪ Représenter la situation
 ▪ Décrire avec les concepts
 appropriés
 ▪ Faire le lien avec une
 situation déjà étudiée
 ▪ …

 MONDE MATÉRIEL
 Objets, expériences, faits

Journées de l’Inspection - mai 2021 79

Modélisation et compétences

 La modélisation :
 une omniprésence qui traverse les compétences
 VALIDER
 MONDE DES THÉORIES ET • Vérifier l’homogénéité
 DES MODÈLES • …

 VALIDER
 • Tester des hypothèses
 • Discuter un résultat
 • Discuter les choix de modélisation
 • Proposer des améliorations du
 modèle
 • …

 VALIDER
 MONDE MATÉRIEL • Estimer la vraisemblance
 • Comparer
 Objets, expériences, faits • Accord réponse/question
 • …
Journées de l’Inspection - mai 2021 80

Modélisation et compétences

 La modélisation :
 une omniprésence qui traverse les compétences
 MONDE DES THÉORIES ET
 DES MODÈLES
 Comparer deux modèles, deux lois…

 Analyser
 /raisonner Analyser/
 Analyser/raisonner
 Formuler des hypothèses
 Établir raisonner
 - une stratégie Concevoir un protocole
 Choisir un modèle, des lois
 - une démarche Choisir le matériel adapté
Identifier une grandeur d’influence
 - des étapes Prévoir
 Planifier

 MONDE MATÉRIEL
 Objets, expériences, faits

Journées de l’Inspection - mai 2021 81

Modélisation et compétences

 La modélisation :
 une omniprésence qui traverse les compétences
 Réaliser
 • Traiter/utiliser un modèle
 • Effectuer des procédures courantes (calcul littéral et numérique,
 représentations, écriture d’un résultat, analyse dimensionnelle…)

 MONDE DES THÉORIES ET DES MODÈLES

 Réaliser
 • Faire des mesures,
 • Acquérir et exploiter des données

 MONDE MATÉRIEL
 Objets, expériences, faits
 Réaliser
 • Décrire une observation
 • Réaliser un protocole donné ou conçu
 • Faire des choix expérimentaux pertinents
 • Utiliser du matériel en respectant les règles de sécurité

Journées de l’Inspection - mai 2021 82

1. Une première approche de
 la modélisation
2. Pourquoi est-ce si
 important pour
 l’apprentissage ?
3. Caractérisation de la
 démarche de modélisation Et finalement ?
4. Un outil pour concevoir son
 enseignement et pour
 aider les élèves
5. Modélisation et type
 d’activités
6. Modélisation et
 compétences
Journées de l’Inspection - mai 2021 83

Et finalement ?

 L’explicitation de la modélisation :
 une aide pour apprendre
 • L’articulation des « deux mondes » est au
 cœur des apprentissages.
 • Même si elle est parfois exigeante, elle rend
 compte de façon authentique de la
 discipline.
 • L’explicitation de ce qui relève d’un monde
 ou d’un autre permet de clarifier, pour les
 élèves, ce qui est attendu, et de rendre
 compte des démarches mises en œuvre.

Journées de l’Inspection - mai 2021 84

Et finalement ?

 L’explicitation de la modélisation :
 une aide pour enseigner
 Pour la conception des séquences, cela permet de :
 – repérer les objectifs en termes de modélisation
 – structurer les notions
 – choisir des situations d’études
 – penser les consignes soumises aux élèves, qui
 relèvent souvent de l’articulation entre les deux
 mondes : interpréter, justifier, expliquer,
 caractériser, tester, prévoir…

Journées de l’Inspection - mai 2021 85

Et finalement ?

 L’explicitation de la modélisation :
 une aide pour enseigner
 En classe, cela permet de :
 – adopter une nécessaire vigilance sur le vocabulaire
 utilisé
 – clarifier les objectifs, les attendus
 – anticiper d’éventuelles difficultés.

 Ne pas se contenter d’enseigner des modèles…
 Enseigner aussi la modélisation

Journées de l’Inspection - mai 2021 86

Et finalement ?

 N’oublions pas…
 Les programmes sont des points de mire…
 Une possible dégradation, surtout cette année,
 entre savoirs visés et connaissances des élèves

 Rendez-vous dans deux ans,
 en pariant que nous n’en arriverons pas là…

Journées de l’Inspection - mai 2021 87

La modélisation
 Une démarche essentielle pour
 l’apprentissage de la physique-chimie

 MERCI pour votre attention
 jvince@ac-lyon.fr
 @ProfesseurVince

 http://pegase.ens-lyon.fr

Journées de l’Inspection - mai 2021 88

Éléments de bibliographie
 • Coince, D., Miguet, A.-M., Perrey, S., Rondepierre, T., Tiberghien, A. & Vince, J. (2008). Une
 introduction à la nature et au fonctionnement de la physique pour les élèves de seconde. Bulletin
 de l'Union des Professeurs de Physique et de Chimie, vol. 102, n° 900, 3-20.
 • Coince, D., Vince, J., & Tiberghien, A. (2009) La notion de modèle au cœur de la physique. Cahiers
 pédagogiques N°469 - Faire des sciences physiques et chimiques.
 • Evrard T. & Amory B. (dir) (2015) Les modèles, des incontournables pour enseigner les sciences !
 De Boeck.
 • Gaidioz, P., & Tiberghien, A. (2003). Un outil d’enseignement privilégiant la modélisation. Bulletin
 de l’union des physiciens, 850, 71-83.
 • Gaidioz, P., Vince, J., Tiberghien, A. (2004) Aider l’élève à comprendre le fonctionnement de la
 physique et son articulation avec la vie quotidienne. Bulletin de l'Union des Professeurs de Physique
 et de Chimie, vol. 98, n° 866, 1029-1042.
 • GRIESP (coll.) (2016) Expérimentation et modélisation, la place du langage mathématique en
 physique-chimie. Téléchargeable avec ce lien.
 • Melzani, M. (2018) Enseigner explicitement la démarche de modélisation et le fonctionnement des
 sciences physiques. Bulletin de l'Union des Professeurs de Physique et de Chimie, vol. 112, n°
 1008, 1179-1201.
 • Monod-Ansaldi R. & Prieur M. (2011) Démarches d’investigation dans l’enseignement secondaire :
 représentations des enseignants de mathématiques, SPC, SVT et technologie. Rapport d’enquête
 IFÉ – ENS de Lyon. Décembre 2011. Téléchargeable avec ce lien.
 • Morge L., Doly A.-M. (2013) L’enseignement de notion de modèle : quels modèles pour faire
 comprendre la distinction entre modèle et réalité ?. In: Spirale. Revue de recherches en éducation,
 n°52, 2013. L’enseignement intégré de science et de technologie (EIST) au collège : à la recherche
 d’un curriculum. pp. 149-175.
 • Sensevy, G. & Santini, J. (2006) Modélisation : une approche épistémologique. ASTER n°43
 • Vince J., Monod-Ansaldi R., Prieur M. & Fontanieu V. (2013) Représentations sur la discipline, son
 apprentissage, les démarches d'investigation et quelques concepts-clés : quelles spécificités pour
 les enseignants de Sciences Physiques ? 1ère partie. Bulletin de l'Union des Professeurs de Physique
 et Chimie, 1ère partie : vol. 107, n° 950, 31-50 ; 2e partie : vol. 107, n° 951, 147-165.

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