Enseigner la Enseigner la PhysiquePhysique

Vers un enseignement fondé sur le questionnement…

Jean Claude Guillaud IUFM – Université Joseph Fourier

jean-claude.guillaud@ujf-grenoble.fr

22Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

La poussée d’Archimède La poussée d’Archimède (niveau (niveau

collège)collège)« Mise en évidence :Nous faisons deux observations :

l’index se déplace sur la graduation ; il indique P’(= 1,7N) < P (=2N). Le fil par lequel est suspendu l’objet reste vertical. »

L’interprétation suit immédiatement :

« La diminution de poids observée n’est qu’apparente elle est due à une force exercée par le liquide. Cette force est appelée Poussée d’Archimède : Pa. Sa direction est verticale puisque le fil reste vertical. Son sens est vers le haut. »

33Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

La deuxième partie de la leçon La deuxième partie de la leçon concerne la détermination concerne la détermination expérimentale de la poussée expérimentale de la poussée d’Archimède…d’Archimède…

Plusieurs remarques sont faites :- la poussée d’Archimède est Pa= P-P’= 0,3N- le volume initial d’eau était de 300mL - le volume d’eau déplacée est de 30mL- Le poids de ce volume d’eau est Vg =

1x0,03x10 = 0,3NLa relation liant la poussée d’Archimède

à la masse volumique du liquide et au volume du corps est donc donnée : Pa= Vg

44Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Seul celui qui connaît la loi peut monter une telle expérience…

Le matériel, les manipulations effectuées sont choisis et organisés avec comme fonction essentielle la mise en évidence de la loi.

55Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Autre situation… (niveau Autre situation… (niveau 55èmeème))

66Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Quelques éléments Quelques éléments d’analyse…d’analyse…

Expérience prototypique

Mise en évidence LA LOI

Simple, mais riche, plusieurs faits en une

seule monstration

Désigne les grandeurs pertinentes et vise à

permettre d’emblée leur mesure

Le plus souvent unique pour un

phénomène donné

Les « conceptions » des élèves ne

sont pas prises en compte

Les conceptionsLes conceptions

88Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

« J'ai souvent été frappé du fait que les professeurs de sciences, plus encore que les autres si c'est possible, ne comprennent pas que l'on ne comprenne pas. Peu nombreux sont ceux qui ont creusé la psychologie de l'erreur, de l'ignorance et de l'irréflexion... Les professeurs de sciences imaginent que l'esprit commence comme une leçon, qu'on peut refaire une culture nonchalante en redoublant une classe, qu'on peut faire comprendre une démonstration en la répétant point par point. Ils n'ont jamais réfléchi au fait que l'adolescent arrive dans la classe de physique avec des connaissances empiriques déjà constituées : il s'agit alors, non pas d'acquérir une culture expérimentale mais bien de changer de culture expérimentale, de renverser les obstacles déjà amoncelés par la vie quotidienne. »

La formation de l’esprit scientifique G. Bachelard 1938

99Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Les élèves commettent des erreurs dont certaines ne sont pas accidentelles

On les retrouvent chez la plupart des individus ; Elles sont récurrentes ; Elles résistent à un enseignement qui ne les prend

pas en compte.

Ces erreurs s'enracinent dans l'expérience passée de l'élève

Sociale (culture commune) ; Didactique (produit de l'enseignement) ; Affective (structuration de la personnalité).

Les élèves n'arrivent pas en classe vierges de toute connaissance, mais avec des "conceptions"

1010Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Conceptions en Conceptions en électricité électricité (1)(1)

Les courants « antagonistes »Deux courants issus du générateur se heurtent dans la lampe, ce qui produit de la lumière.

Conception unifilaireLe courant va du générateur à la lampe.

1111Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

« Mais lorsque l’action électromotrice a lieu … il en résulte un double courant ; l’un d’électricité positive, l’autre d’électricité négative, partant en sens opposés des points où l’action électromotrice a lieu, et allant se réunir dans la partie du circuit opposée à ces points… c’est cet état de l’électricité dans une série de corps électromoteurs et conducteurs, que le nommerai, pour abréger, courant électrique. »

Mémoire présenté à l’Académie Royale des Sciences, le 2 octobre 1820 par A.-M. Ampère

1212Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Conceptions en Conceptions en électricité électricité (2)(2)

Vrai Faux

Je ne sais pas

1. La lampe L'1 va briller pareil que L1

2. La lampe L'1 va briller moins que L1

3. La lampe L'1 va briller plus que L1

L' 1 L'2

L'3

L1 L2

1313Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Conceptions en Conceptions en électricité électricité (3)(3)

Si le sujet considère que la pile est un générateur de courant constant, il répondra que L'1 brille autant que L1 ;

Si la lampe L'3 est considérée comme un obstacle, le sujet répondra que L'1 brille moins que L1 ;

Si le sujet possède (et utilise…) le modèle du physicien, il répondra que L'1 brille plus que L1. En effet, les lampes L'2 et L'3 étant en parallèle, leur résistance équivalente est inférieure à celle de L2 (nouvelle voie offerte au courant). Donc, l'intensité du courant délivré par le générateur est plus grande dans le deuxième circuit que dans le premier et L'1 brille plus fort que L1.

L' 1 L'2

L'3

L1 L2

1414Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Résultats obtenusRésultats obtenus

Le tableau ci-dessus montre que le nombre de réponses correctes est tout à fait dérisoire, sauf au niveau U4 (40%). Il s'agit donc d'une question particulièrement difficile dont la solution est réservée à une minorité de spécialistes ! Pour l'essentiel, les échecs peuvent être imputés à la conception de générateur à courant constant.

Qui oserait poser à ses élèves l'exercice ci-dessus ?Que penser d'un enseignement de l'électrocinétique qui

ne permet pas d'obtenir de bons résultats dans la résolution de ce genre de problème ?

Quelles sont les raisons Quelles sont les raisons qui justifient un qui justifient un

enseignement fondé sur enseignement fondé sur le questionnement ?le questionnement ?

Notion de situation-problème

1616Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Des raisons Des raisons épistémologiques…épistémologiques…

Les savoirs sont indissociables des problèmes qui leur ont donné naissance et qu’ils permettent de résoudre.

1717Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Des raisons liées aux travaux Des raisons liées aux travaux en psychologie cognitive …en psychologie cognitive …

(socio-constructivisme)(socio-constructivisme)

Le constructivisme Importance de la mise en activité de l’élève et

de la nécessité de concevoir ses apprentissages dans le cadre de la résolution de problèmes

L’interaction sociale Importance de la prise en compte des

processus d’interaction sociale dans la construction des connaissances chez l’élève

1818Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

« Ce qui est donné aux élèves dans le cours de biologie, de chimie et de physique ne saurait se réduire à une masse de connaissances objectives et impersonnelles qu’ils accumuleraient en mémoire pour les faire servir le moment venu. Il leur est d’abord et avant tout communiqué une certaine image de ce qu’est et de ce que prétend être la science au moment où ces élèves, garçons et filles, prennent connaissance des résultats acquis dans ces disciplines.Ainsi, les professeurs de sciences, qu’ils le veuillent ou non, qu’ils s’en rendent compte ou non, servent non seulement à transmettre tout un bagage théorique, mais également à légitimer et à valoriser l’activité scientifique elle-même. Ils se trouvent donc à transmettre une conception de la science au moment même où ils pourraient croire qu’ils ne transmettent que des connaissances acceptées. »

Jacques DESAUTELSConseil des Sciences du Canada

Des raisons éthiques…Des raisons éthiques…

1919Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Des raisons Des raisons institutionnelles…institutionnelles… Les programmes et commentaires de SPC font explicitement

référence à la nécessité du questionnement. « Il faut (…) insister sur le fait que la pratique expérimentale dans l’enseignement ne favorise la formation de l’esprit scientifique que si elle est accompagnée d’une pratique du questionnement et de la modélisation. »

BO N°6 spécial Août 1999 (Programmes de 2nde)

« Dans l’introduction relative au programme de seconde, était mis en avant l’intérêt de privilégier en classe des activités de réflexion scientifique construites sur des situations-problèmes donnant naissance à un questionnement. Ce questionnement, on le sait, ne saurait se réduire à la simple observation expérimentale (…) Comprendre, c’est toujours reconstruire le réel par la pensée. Ces images mentales des phénomènes sont les outils indispensables pour anticiper le comportement d’un système, opérer des analogies avec d’autres systèmes ayant des comportements semblables, élaborer des expériences nouvelles, créer des objets nouveaux. Les phases de questionnement sont les moments au cours desquels ces images mentales sont élaborées par les élèves, lors d’un processus de confrontation entre ce qu’elles permettent d’anticiper et l’expérimentation directe.»

BO N°7 31 Août 2000 p. 182 (Programme de Première S)

2020Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Les deux caractéristiques Les deux caractéristiques du problème du problème

la problématisation : construire, formuler, poser le problème

Explorer la (les) question(s) initiale(s), Rechercher les paramètres, les variables pertinentes, Interroger les phénomènes, Interroger les connaissances disponibles

la résolution : Chercher, construire la réponse

2121Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Mais une question n’est pas un Mais une question n’est pas un problème…problème…

Une question appelle une réponse alors qu’un problème appelle une procédure de résolution.

Le problème n’est pas donné au départ ; il se construit progressivement au cours d’activités (problématisation)

2222Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Conduite du Conduite du questionnementquestionnement

Une situation concrète….…suivie d’une demande de prévision argumentée (hypothèse).Présentation des différentes hypothèsesDiscussion : sélection des hypothèses à valider

2323Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Deux caractéristiques Deux caractéristiques importantesimportantes

Le choix de la questionToujours très concrète et orientée vers une réponse

aussi univoque que possible.Formulée en termes d’opinion et non de

connaissances (selon vous, à votre avis…) But : éviter toute réponses ambiguë, non exploitable

ou qui autorise une stratégie de contournement du problème.

Le rôle central de l’anticipationOn fait réfléchir, discuter en petits groupes d’au

moins trois élèves, et on demande de prévoir en l’absence de tout constat expérimental.

But : conduire les élèves à utiliser et à confronter des opinions généralement fondées sur l’évidence du sens commun.

2424Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Exemple 1 : où va tomber la Exemple 1 : où va tomber la balle ? (2balle ? (2ndende))

Un cycliste, roulant à vitesse constante sur une piste horizontale, abandonne sans la lancer une balle qu’il tenait à la main. A votre avis, où se trouvera le cycliste et son vélo lorsque la balle touchera le sol ? Vous travaillez par groupes de quatre et vous devez fournir par écrit une proposition de réponse précise et argumentée.

La réponse est univoque

2525Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Place de Place de l’expérimentationl’expérimentation

L’expérimentation est élaborée, une fois le problème construit, afin de tester (valider ou réfuter) les hypothèses retenues.Elle intervient après la problématisation, au niveau de la résolution du problème.Les élèves peuvent être associés à la construction de l’expérimentation.

Quelles sont les Quelles sont les différentes phases différentes phases d’une activité de d’une activité de

questionnement ?questionnement ?

2727Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Phase de présentationPhase de présentation

Il s’agit de mettre en perspective les activités qui seront proposées aux élèves

L’enseignant assure la «mise en scène» de la présentation devant la classe.

1

2828Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Il s’agit d’engager les élèves dans la construction du problème en leur demandant d’élaborer des propositions.

Recherches en petits groupes de trois à cinq élèves ; (confrontation d’opinions; expression écrite d’un point de vue commun ou des différences d’opinions)

L’enseignant s’assure, en passant dans les groupes, que les élèves effectuent bien le travail demandé.

Il veille à ne pas induire la réponse correcte ni à corriger des erreurs éventuelles.

Phase d’actionPhase d’action

2929Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Il s’agit de mettre à la disposition de toute la classe les différents types de propositions.

Travail collectif en classe. L’enseignant réalise au tableau une classification

des propositions de manière à en dégager les principaux types. Les propositions incohérentes sont éliminées lors de la discussion. Celles qui restent constituent alors éventuellement autant d’hypothèses qui devront être soumises à l’expérimentation.

Phase de formulationPhase de formulation

3030Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Après la construction du Après la construction du problème…sa résolutionproblème…sa résolution

Phase de validation But : valider ou invalider les hypothèses retenues

notamment par l’expérimentation. Les élèves participent éventuellement à la construction

ou à la mise au point du protocole d’expérimentation. L’enseignant permet la mise en œuvre du protocole

expérimental quitte, éventuellement, à le faire lui-même.

Phase d’institutionnalisation Le professeur décontextualise les connaissances

construites et les expose. Ces connaissances sont reconnues comme utilisables

dans un ensemble de situations bien déterminées (domaine de validité).

3131Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Retour sur la situation du Retour sur la situation du cycliste…cycliste…

En guise de En guise de conclusion…conclusion…

3333Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Un constat déjà ancien…Un constat déjà ancien…

Au début des années 90, seuls 1/3 des élèves de seconde disent préférer les SPC parmi les matières d’enseignementIls se sentent étrangers à cette discipline;Ils lui reprochent de ne pas les aider

à développer l’esprit critique ; à comprendre leur environnement scientifique et

technique ; à se faire une opinion sur les aspects politiques et

sociaux du développement scientifique et technologique.

3434Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Plus récemment…Plus récemment…Rapport Ourisson, pour l’Académie des sciences : « Désaffection des étudiants pour les études scientifiques », mars 2002 « Europe needs more scientists » : rapport pour la Commission Européenne (2004)Rapport Rolland pour l’assemblée nationale (2006) « L’enseignement des disciplines scientifiques dans le primaire et le secondaire »Rapport Rocard pour la Commission Européenne (2007) « L’enseignement scientifique aujourd’hui : une pédagogie renouvelée pour l’avenir de l’Europe »

La désaffection des jeunes pour les études scientifiques est un problème mondial.

3535Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

L’éducation scientifique dans L’éducation scientifique dans le monde présente plusieurs le monde présente plusieurs

constantesconstantesUn désenchantement général vis-à-vis de la science ;Une sous représentation des femmes dans les carrières scientifiques ;Un enseignement trop académique :

La crise des sciences ne se limite pas au problème des scientifiques sous-payés et mal-aimés. Les méthodes d’enseignement des sciences constituent une des principales explications mises en avant, notamment par les élèves eux-mêmes, pour expliquer la désaffection

Les sciences souffrent d’être perçues comme abstraites. Dans différents pays, cette impopularité est imputée aux insuffisances des programmes et des manuels qui conduiraient à un apprentissage purement mécanique, sans permettre une réelle compréhension des notions utilisées.

3636Jean Claude Guillaud Jean Claude Guillaud IUFM / UJFIUFM / UJF Vendredi 6 mars Vendredi 6 mars 20092009

Première des Première des préconisations du rapport préconisations du rapport

Rocard 2007Rocard 2007

« Renverser la pédagogie pour enseigner les sciences, en la faisant passer de méthodes essentiellement déductives à des méthodes basées sur l’investigation permet d’augmenter l’intérêt des jeunes pour les sciences »

Merci ! Merci !