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Le registre des modèles (atome, molécule, ion, liaison chimique) dans l’enseignement de la matière et ses transformations : du savoir de référence au savoir appris. Aytekin ÇÖKELEZ (Aytekin.Cokelez@USherbrooke.fr)

CREAS (Centre de recherche sur l'enseignement et l'apprentissage des sciences ) Université Sherbrooke, Québec, CANADA

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Système scholaire français

1re cycle du secondaire

2ème cycle du secondaire

CEGEP

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Plan

Objectifs de la recherche; Élaboration des questions et hypothèses de

recherche; Les principaux résultats relatifs à l’appropriation

des modèles (atome molécule, liaison chimique); Le registre des modèles et la représentation de

la transformation chimique; Conclusions.

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1- Présentation de la recherche Un constat : Les élèves rencontrent des

difficultés dans l’interprétation des transformations de la matière.

Une hypothèse : Ces difficultés ont pour origine la non maîtrise du registre des modèles.

Deux objectifs : analyser- le savoir relatif a ce registre assimilé par les élèves du lycée;- l’utilisation de ce registre pour interpréter les transformations de la matière.

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Présentation de la recherche

Un fil directeur : La transposition didactique

Savoir de référence

Savoir à enseigner

Savoir enseigné

Savoir appris

Etude historique

Instructions officielles et manuels

Supposé identique pour tous

Questionnaire d’enquête

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2- Élaboration des questions et hypothèses de recherche

Les modèles en chimie :

Leur spécificité : essentiellement explicatifs ;

La relation élèves – modèles : le modèle est une image de la réalité ;

Les élèves et les apprentissages :

Les conceptions : systèmes explicatifs alternatifs et organisés ;

Le changement conceptuel : est rarement total et nécessite du temps.

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Élaboration des questions et hypothèses de recherche

Les recherches antérieures menées sur le sujet :- Difficultés à différentier atome et molécule ;- Les atomes et molécules ont les propriétés de la matière;- L’atome est une sphère avec ses composants à l’intérieur ;- La règle de l’octet est un principe heuristique de raisonnement ;- Mauvaise compréhension de la signification des formules représentatives des molécules ;- Difficultés à différencier liaisons covalentes et « ioniques » ; liaisons intra et « intermoléculaires » ;- Difficultés à envisager la réorganisation des atomes au cours d’une transformation chimique.

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Élaboration des questions et hypothèses de recherche

Questions de la recherche et hypothèses: Question 1 : Quels modèles de l’atome, de la molécule et de

la liaison chimique ont la préférence des élèves ? Sont-ils ressentis comme une représentation exacte de la réalité ?

 Question 2 : Dans quelle mesure la modélisation de ces trois concepts a été assimilée par les élèves ?

 Question 3 : Comment évolue cette modélisation du début de la classe de seconde à l’entrée en classe de terminale S ?

Hypothèse 1: Bien que susceptibles d’avoir plusieurs modèles à leur disposition, les élèves exprimeront dans une situation non académique leurs modèles les plus profondément enracinés dans leur mémoire.

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Élaboration des questions et hypothèses de recherche

Questions de la recherche et hypothèses: Question 4 : Comment les élèves interprètent-ils la

transformation chimique et le changement d’état en termes de conservation (atomes ? molécules ?), de réarrangement et donc de rupture de liaisons ?

 Question 5 : Quel rapport établissent-ils entre les liaisons (« inter » ou intramoléculaire) et l’énergie de transformation?

Hypothèse 2 : Les élèves ne maîtrisant pas la différence entre les liaisons covalentes et les liaisons intermoléculaires auront des difficultés à interpréter la transformation chimique et le changement d’état comme un processus pendant lequel des atomes et/ou des molécules interagissent et se réarrangent différemment.

Hypothèse 3 : La conséquence de l’hypothèse précédente est que la relation entre l’énergie d’une transformation et l’énergie nécessaire à la rupture ou à la formation des liaisons n’est pas établie.

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3- Les principaux résultats relatifs à l’appropriation des modèles (atome molécule, liaison chimique);

Échantillon: Au total : 930 élèves ;

- 239 élèves de seconde, - 422 élèves de première,- 269 élèves de terminale.

Analyse : - Par rapport aux résultats des études antérieures

- Par rapport aux compétences attendues.

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Les principaux résultats relatifs à l’appropriation des modèles

Atome : schématisation

0

10

20

30

40

50

60

70

Answers (%/R)

Figure 1 : Comparative study of the levels of drawing diagram of the concept of atom

Grade 10 11 3 61 8 8 6

Grade 11 9 26 31 20 10 6

Grade 12 5 34 30 14 11 5

0-Other1-

Symbol+2-

Sphere3-

Composi4-Solar system

5-Electron

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Les principaux résultats relatifs à l’appropriation des modèles

Atome : description- Peu d’élèves sont capable de donner une description

acceptable à leur niveau d’étude du concept d’atome ;

- La distinction entre électrons des couches internes et externes et le dénombrement des électrons de la couche externe ne sont pas souvent réalisés ;

- La règle de l’octet semble constituer un « modèle mental » intégré par les élèves.

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Les principaux résultats relatifs à l’appropriation des modèles

Molécule : schématisation

0

10

20

30

40

50

60

70

Answers (%/R)

Figure 2: Comparative study of the levels of drawing diagram of water molecule

Grade 10 7 68 21 2 2

Grade 11 1 24 19 19 37

Grade 12 5 27 14 17 37

0-Other1-Space-

filling 2-Ball

and stick 3-Lew is structure

4-Lew is formula

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Les principaux résultats relatifs à l’appropriation des modèles

Molécule : description- Seul le niveau de description exigible en fin de

troisième est atteint par une majorité d’élèves ;

- La mention explicite d’une liaison covalente entre les atomes lors de la description de la molécule intervient peu ;

- La taille respective des atomes n’est pas respectée.

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Les principaux résultats relatifs à l’appropriation des modèles

Liaison chimique :

- Les élèves sont peu nombreux à décrire les liaisons covalentes simple et double en terme de mise en commun d’électrons ;

- Ils ont de réelles difficultés à différencier les liaisons covalentes et « ioniques » ;

- Ils confondent liaisons « inter » et intramoléculaires ;

|Na ─ Cl|

- La règle de l’octet est toujours utilisée comme base . de raisonnement.

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4- Le registre des modèles et la représentation de la transformation

chimique Le savoir à enseigner :

→ Au collège :

La transformation chimique est présentée comme un processus de réorganisation des atomes des substances de départ, par lequel se forment de nouvelles substances.

Au cours de la transformation, les atomes se conservent en nature et en nombre.

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Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique

→ En seconde :Ce sont les éléments qui se conservent au cours de la transformation chimique.Durant la réorganisation des atomes, des liaisons se rompent, d’autres se forment.

→ En première :Les transformations chimiques impliquent des redistributions d’électrons au niveau des couches externes des atomes.

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Le savoir appris : les questions1- Conservation des molécules et/ou des

atomes au cours de la transformation chimique ?

→ Lors d’une transformation chimique :

a) La nature des molécules ne change pas ; b) La nature des atomes ne change pas.

Réponses : de 1 « tout à fait d’accord » à 4 « pas d’accord du tout »

→ Justification de l’avis.

Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique

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Le savoir appris : les choix

Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique

0

20

40

60

80

100

%/ R

Figure 3 : Evolution des choix des élèves

concernant le changement de nature des molécules

au cours d'une transf ormation chimique

2nd 16 16 26 43 32 69

1r e 6 8 27 58 14 85

T er minale 7 5 20 68 12 88

A1 A2 A3 A4 A1+A2 A3+A40

20

40

60

80

%/ R

Figure 4 : Evolution des choix des élèves

concernant le changement de la nature des atomes

au cours d'une transf ormation chimique

2nd 44 20 19 17 64 36

1r e 51 18 15 16 69 31

T er minale 61 14 10 14 75 24

B1 B2 B3 B4 B1+B2 B3+B4

La nature des molécules ne change

pas

La nature des molécules change

La nature des atomes ne change

pas

La nature des atomes change

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Le savoir appris : les justifications (molécules)→ En termes de transformation chimique: 2nde 20%; 1re

42% ; terminale 31%, - au niveau macroscopique: « Les réactifs sont transformés

en produits », - au niveau microscopique: « Les molécules se

transforment/ se modifient … pour donner de nouvelles molécules ».

→ En termes de rupture des liaisons dans la molécules: (13%, 18%, 20%)« Les molécules se dissocient/ se divisent/se détruisent; les liaisons entre les atomes dans la molécule sont rompues » .

→ En termes de rupture des liaisons et de réorganisation des atomes dans les molécules: (33%, 12%, 14%).

Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique

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L’interprétation de la réaction chimique par les élèves de seconde considérant que la nature des molécules ne change pas :- En termes de mélange ou d'association de molécules (21%) : « Les molécules se mélangent avec d'autres molécules », « Les molécules peuvent s'associer entre elles », « les molécules s'assemblent et se rassemblent…  ».-  En termes de conservation des molécules (5%): « Les molécules restent les mêmes (gardent leur nature) mais elles sont plusieurs, différentes ou identiques à se réunir », « Ni la nature des atomes ni celle des molécules ne change mais des corps nouveaux peuvent apparaître ».

Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique

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Le savoir appris : les justifications (atomes)

→ La nature des atomes ne change pas :

● « Un atome est un atome, il ne change jamais », « Les atomes sont la base des molécules, on ne peut les diviser », « On retrouve les mêmes atomes dans les réactifs et les produits ».

● Pour certains, la nature des atomes ne change pas mais la structure électronique peut être modifiée (13, 16, 14%).

Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique

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Le savoir appris : les justifications (atomes)

→ La nature des atomes change :

En termes de modification de la structure électronique, essentiellement pour donner des ions.

Le concept d’élément a du mal à remplacer celui d’atome

Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique

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Le savoir appris : les questions2- Rupture des liaisons « inter » et/ou intra

moléculaires au cours de la transformation chimique ?

→ Lors d’une transformation chimique :c) Les liaisons « intermoléculaires » (entre les

molécules) sont rompues ; d) Les liaisons intramoléculaires (entre les atomes

dans la molécule) sont rompues.

Réponses : de 1 « tout à fait d’accord » à 4 « pas d’accord du tout »

→ Justification de l’avis.

Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique

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Le savoir appris : les choix

Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique

Rupture Rupture Non ruptureNon rupture

Figure 3 : Evolution des choix des élèves concernant la rupture des liaisons intermoléculaires lors d'une

transformation chimique.

0

20

40

60

80

100

2nd 34 38 15 13 72 28

1re 46 33 8 12 79 20

Terminale 40 37 12 11 77 23

C1 C2 C3 C4 C1+C2 C3+C4

Figure 4 : Evolution des choix des élèves concernant la rupture des liaisons intramoléculaires lors de la transformation chimique.

0

20

40

60

80

100

%/R

2nd 27 34 20 20 61 40

1re 46 31 12 12 77 24

Terminale 1 35 29 18 18 64 36

D1 D2 D3 D4 D1+D2 D3+D4

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Le savoir appris : les justifications→ Rupture des « liaisons intermoléculaires »

- « Les molécules doivent pouvoir se séparer pour donner de nouvelles molécules » (11, 33, 44%) ;- « Les molécules se détachent, se séparent, se dispersent » (21, 16, 0%) ;- « Les liaisons se rompent pour donner de nouvelles liaisons, de nouvelles molécules » ; « les atomes se réorganisent, s’échangent » (36, 29, 32%).

Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique

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→ Non rupture des « liaisons intermoléculaires »

- « Il n'y a pas de liaisons entre les molécules mais entre les atomes » ;

- « La rupture de ces liaisons est réservée aux changements d’états ».

Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique

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→ Rupture des liaisons intramoléculaires

- « Les atomes se détachent/ se déplacent/ changent de place/ se réorganisent », « Les atomes vont former de nouvelles molécules (les liaisons doivent se rompre) » (36, 35, 29%) ;

- « Les molécules changent pour former une nouvelle molécule », « Les réactifs donnent des produits différents » (19, 46, 22%).

Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique

29

→ Non rupture des liaisons intramoléculaires

« les liaisons intramoléculaires ne sont pas rompues/ les atomes restent ensembles/ liés »,

« les molécules restent les mêmes », « La transformation chimique n’a pas d’enjeu sur ces liaisons »(9, 13, 22%).

Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique

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5. Conclusions et perspectives

ConclusionsConclusions→ Choix des figurations des modèles : les plus

simples→ Niveaux d’intégration des modèles : très

inférieurs aux niveaux de formulation requis→ Apprentissage mécanique et superficiel des

modèles : lorsqu’ils ne sont plus objet d’enseignement, ils sont oubliés

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→ Difficultés à interpréter la transformation chimique :- En termes de rupture des liaisons intramoléculaires et de réarrangement des atomes ;- En termes de conservation des éléments ;- En prenant en compte la globalité des phénomènes mis en jeu : changement de nature des molécules et des atomes et rupture des liaisons « inter » et intra moléculaires.- En mettant en relation l’aspect énergétique de la transformation et la rupture des liaisons intramoléculaires

Conclusions et perspectives

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→ Difficultés à interpréter un changement d’état- En mettant en relation la rupture des liaisons

« intermoléculaires » et la réorganisation ou la mobilité des molécules (42, 35, 23%)

- En mettant en relation la modification de l’énergie de cohésion et l’énergie nécessaire à la transformation (22, 39, 50%);

- Des confusions persistent entre liaisons « inter » et intra moléculaires ainsi qu’entre changement d’état et transformation chimique

Conclusions et perspectives

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Conclusions et perspectives

Origines possibles des difficultés des élèves:

Structures explicatives organisées

● La règle de l’octet,

● L’équation de réaction

● Le principe de conservation.