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IUFM de Bourgogne Concours de recrutement : Professeur certifi ´ e Quelques pratiques pour aborder l’enseignement expérimental en sciences physiques Par Sophie Sugny Discipline : Sciences physiques Directeur de mémoire : M. Gouthière Lycée Montchapet, Dijon Année 2006 Numéro : 04STA00141

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IUFM de Bourgogne

Concours de recrutement : Professeur certifie

Quelques pratiques pour aborder l’enseignementexpérimental en sciences physiques

Par

Sophie Sugny

Discipline : Sciences physiques Directeur de mémoire : M. GouthièreLycée Montchapet, Dijon

Année 2006 Numéro : 04STA00141

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Table des matieres

Introduction 1

1. TP protocole 51.1. Apprendre un savoir-faire non experimental : le trace de graphique . . . . . 5

1.1.1. Deroulement de la seance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.1.2. Analyse de la seance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.1.3. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2. Apprendre a manipuler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.2.1. Deroulement et analyse de la seance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.2.2. Evaluation pratique des gestes experimentaux . . . . . . . . . . . . 101.2.3. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2. TP tournant 132.1. Deroulement du TP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2. Analyse de la seance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2.1. Point de vue de l’enseignant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.2. Point de vue des eleves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.3.1. Ce qu’en ont retenu les eleves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.3.2. Concernant la forme du TP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3. TP top 193.1. Deroulement de la seance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.2. Analyse de la seance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.3. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4. TP assiste par ordinateur 234.1. Deroulement de la seance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.2. Analyse de la seance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.3. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Conclusion 26

Annexes 31

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sophie
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Bibliographie 32

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Introduction generale

J’enseigne en classe de seconde, au lycee Montchapet, a Dijon. La classe qui est cetteannee sous ma responsabilite est composee de trente quatre eleves, dont sept redoublants.L’ensemble de la classe est d’un niveau tres heterogene avec quelques eleves presentantun important interet pour les sciences et quelques eleves completement perdus en sciencesphysiques. La plupart des eleves sont cependant d’un niveau moyen dans ma matiere ainsique dans les autres disciplines scientifiques, mathematiques et sciences de la vie et de laTerre.

Les sciences physiques ont une particularite par rapport a d’autres matieres qui est levolume horaire important consacre aux travaux pratiques (notes TP par la suite). Effecti-vement, par semaine, en seconde, trois heures de heure de cours sont dediees a l’enseigne-ment experimental. Notons que, pour chaque eleve, cela revient a une heure trente car ilssont en demi-groupe durant ces seances. L’importance de l’horaire des TP reflete bien lagrande place qu’occupe actuellement l’enseignement experimental dans nos programmes.D’apres le bulletin officiel de l’education nationale (BOEN) [1], il est clair que l’enseigne-ment de sciences physiques ne peut plus se concevoir sans integrer pleinement aux cours unenseignement pratique : ”Les activites experimentales jouent un role important dans l’en-seignement. Celles-ci peuvent s’articuler autour de deux poles distincts : l’experience decours ou la seance de travaux pratiques au cours de laquelle l’eleve doit manipuler seul ouen binome.” Cette composante presente des avantages non negligeables au niveau secondemais egalement au niveau college. Certains eleves sont en effet deja depasses par un ensei-gnement scientifique theorique faisant appel a des competences mathematiques qui ne sontmaheureusement pas toujours acquises. L’un des avantages principaux de l’enseignementen sciences physiques est qu’il permet, grace aux TP, de redonner un interet aux sciences.Les competences qu’il faut mettre en œuvre lors des activites experimentales ne sont eneffet pas celles exigees lors d’analyses plus theoriques. Cela permet donc a certains elevesde se reinvestir dans cette matiere au lieu d’abandonner completement par depit.Un autre aspect interessant de cette matiere est qu’elle permet de s’interesser a desphenomenes de la vie de tous les jours. Il semble que les concepteurs de programme,au college comme en seconde, aient particulierement pris en compte cet aspect. Depuisplusieurs annees, cette idee a fait son chemin. En France, c’est grace a G. Charpak que la

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methode de la main a la pate [2] fut introduite dans les ecoles primaires pour remedier auxdifficultes des ecoliers a s’investir dans un cours de sciences. L’apport de cette methode,par laquelle les ecoliers doivent se questionner sur un fait de la vie courante et construirele raisonnement scientifique leur permettant de comprendre le phenomene etudie, doit per-mettre d’eveiller chacun a la science. Ce meme procede, appele methode d’investigation,est actuellement mis en place dans tous les colleges (a partir de la rentree prochaine).

C’est a partir de ce constat, selon lequel les sciences experimentales ne se limitent plusa la simple execution d’une fiche protocole, que je me suis plus particulierement interesseea la place que j’allai accorder lors de mon enseignement aux activites experimentales.a

La premiere question qui m’est alors venue a l’esprit etait : quel est le but des seancesTP que je vais realiser ? La fonction de ces seances est bien decrite dans les textes of-ficiels (BOEN). Un premier objectif consiste a amener les eleves a manipuler correcte-ment, notamment en utilisant la verrerie correcte pour l’experience realisee ou bien endeterminant les differentes sources d’erreurs pour ainsi comprendre la maniere d’ecrire unresultat experimental. Le BOEN precise en effet que ”les travaux sont le seul moyen d’ap-propriation de techniques et de methodes.”Je me suis de plus rendue compte que lors de ces seances experimentales, les eleves devraientnon seulement acquerir des savoir-faire mais egalement des savoirs theoriques (disciplinairesou transversaux). Ainsi, quels types de TP vais-je mettre en oeuvre au cours de l’annee ?Est-il necessaire de varier les formes de TP, existe-t-il des travaux pratiques plus adaptesque d’autres pour inculquer telle ou telle competence aux eleves ? Voila les principalesquestions auxquelles j’aimerais apporter une reponse (meme partielle) dans ce memoire.

Ce travail ne se voulant pas exhaustif, j’ai envisage au cours de ce debut d’annee den’experimenter que quatre grands types de travaux pratiques.Tout d’abord, le TP ”classique”, que j’appelerai par la suite TP protocole, au cours duquelles eleves doivent suivre precisemment un enonce et realiser plusieurs experiences dontle protocole est decrit de facon detaillee. Soulignons ici le fait que ce TP a toujours eteenvisage dans le cadre de l’acquisition d’un savoir-faire precis, qu’il soit experimental ounon. Il s’est donc tout naturellement impose en debut d’annee pour la premiere partie ducours de chimie intitulee ”Chimique ou naturel”.

Dans un second temps, je me suis interessee a une forme legerement differente du TPprotocole, le TP dit tournant. Ce type de TP consiste a donner plus d’autonomie auxeleves en les laissant manipuler seuls, sur differents postes de travail, tout en leur donnantle protocole des experiences a realiser.

Ensuite, j’ai realise un type de TP que je nommerai TP ”top” dans ce memoire. C’estune approche tres differente des TP presentes precedemment puisque dans le cadre d’unTP ”top”, les eleves sont amenes a etablir eux-meme le protocole experimental afin derepondre a une question posee en debut de seance.

Enfin, je discuterai de l’apport des nouvelles technologies comme l’ordinateur et les logi-

aLes experiences de cours ne seront pas evoquees dans ce memoire.

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ciels de simulation pour etudier des phenomenes non realisables en salle de classe, commele lancement de satellites. Cette derniere etude depasse un peu le cadre experimental aproprement parler, puisque les eleves ne manipulent pas durant ces seances, mais il mesemble tout de meme interessant de voir ce qu’apportent ces nouveaux outils pour notreenseignement.

Afin de mesurer l’efficacite de chaque pratique pedagogique testee, j’ai utilise differentsmoyens selon les seances comme :

– les impressions des eleves grace a un questionnaire donne en fin de seance– mes impressions personnelles– des productions d’eleves realisees durant le TP ou apres (compte-rendu, exercice)– le resultat des eleves a des controles ecrits ou a des evaluations experimentales

J’evoquerai par ailleurs dans la conclusion les difficultes rencontrees lors de cette evaluation.

Signalons enfin que, tout au long de ce memoire, j’ai prefere presenter en premiermes experimentations ainsi que mes analyses personnelles. Une discussion des pratiquesrepertoriees dans la litterature sera effectuee en conclusion de ce memoire.

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Chapitre 1

TP protocole

L’objectif de cette partie est de determiner ce qu’apporte un TP dit protocole auxeleves. Il me semble que ces travaux pratiques au cours desquels les eleves doivent suivreprecisement un protocole deja etabli par l’enseignant ne sont guere enthousiasmants poureux. Ce sont pourtant les TP les plus repandus dans nos ecoles, ou du moins etait-ce le casjusqu’a une periode pas si lointaine. Je me propose donc d’analyser ce que nous apporte cetype de travaux pratiques. Pour cela, je m’interesserai a deux enseignements qui semblentpropices a ce type de TP :

– d’abord, un enseignement faisant appel a des competences transversales, liees aulangage mathematique, enoncees dans le BOEN : ”apprendre a tracer un graphiqueet savoir l’utiliser” [1]

– puis, la transmission d’un savoir-faire experimental, notamment en chimie

1.1 Apprendre un savoir-faire non experimental : le

trace de graphique

1.1.1 Deroulement de la seance

Cette seance de travaux pratiques se deroule dans la premiere partie du cours de phy-sique intitulee ”Les messages de la lumiere”. Elle suit directement les cours concernantles differents moyens de mesure, du monde microscopique au monde macroscopique. Cettepartie portant sur les lois de la refraction doit ensuite nous amener a comprendre les in-formations accessibles grace a la lumiere (distance, temperature ou composition des etoilespar exemple).

Le but de ce TP est d’amener les eleves a verifier la loi de Descartes. J’ai ici fait le choixde ne pas introduire cette loi en cours afin de preserver un plus grand interet a cette etude.Je ne souhaite effectivement pas que la seance se limite a des mesures d’angles sans reflexiondes eleves sur le modele qui rend compte des variations des angles refractes en fonction desangles incidents. Ainsi, j’insiste dans cette seance particulierement sur la notion de modele

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et sur la traduction mathematique d’un modele. Je voudrais que les eleves comprennent quela lecture d’un graphique construit a partir de donnees experimentales permet de valider ounon l’enonce d’un modele. J’aimerais aussi qu’ils acquierent un savoir-faire concernant letrace de graphiques. C’est ici la premiere fois que nous construisons ensemble des graphiqueset je souhaite profiter de cette seance, peu compliquee du point de vue des manipulations,pour leur expliquer ce que j’attends d’eux pour tracer correctement un graphique.

Etant donne que le sujet est nouveau pour eux, j’ai juge important de realiser uneexperience preliminaire pour leur introduire les mots de vocabulaire necessaires pour la suitedu TP. La premiere experience que je montre aux eleves permet d’aborder visuellement lanotion de refraction. La fiche protocole de ce TP est donnee en annexe A1. Apres avoirobserve le changement de direction d’un pinceau lumineux issu d’un laser au passage del’air dans l’eau, les eleves doivent schematiser ce qu’ils ont vu. Avec toute la classe, a l’oral,je donne ensuite le vocabulaire permettant de legender leur schema.La deuxieme phase du TP consiste a trouver experimentalement qui a enonce correctementla relation qui lie angle incident et angle refracte parmi trois scientifiques : R. Grossetete,J. Kepler et R. Descartes. Les eleves (qui travaillent en binome) doivent alors lire les troispropositions pour saisir les experiences a realiser afin de repondre a la question : ”Quia raison parmi ces trois physiciens ?”. Apres quelques minutes de reflexion, une mise encommun orale est faite. Les eleves expliquent comment ils vont devoir s’y prendre avec lemateriel qui se trouve devant eux. Ils doivent egalement, a ce stade du TP, avoir compriscomment ils pourront dire si R. Grossetete a raison ou tort a l’aide d’un graphique.

La suite du TP se deroule en autonomie pour les differents groupes qui font leursmesures et les analyses a leur rythme. Aucune reprise en fin de seance n’est prevue car jeprefere (pour des contraintes de temps) faire la synthese de ce TP durant la prochaine heurede cours, en classe entiere. Les eleves savent en revanche qu’ils doivent rediger un compte-rendu et que je leur demande deux graphiques, realises selon mes exigences. Afin que celles-ci leur soient connues, je leur distribue une grille d’aide a la realisation de graphiques. Cettegrille, donnee dans la table 1.1, regroupe tout ce que j’estime indispensable pour tracercorrectement un graphique. De plus, je leur explique qu’ils doivent se tenir a ces criterestout au long de l’annee et qu’ils seront prochainement evalues sur cette competence lorsd’un controle.

1.1.2 Analyse de la seance

La seance s’est assez bien deroulee. Les eleves ont ete interesses par l’experience prelimi-naire, ce qui a permis une participation importante de leur part par la suite. La deuxiemepartie du TP leur a cependant pose de nombreuses difficultes. Outre les manipulations quirequierent une certaine reflexion pour lire correctement les angles sur l’hemicylindre, letraitement mathematique, meme simple dans notre cas, est un probleme pour la plupartdes eleves.Dans un premier temps, il a fallu faire la transposition des trois propositions en langagemathematique, ce qui a ete complique pour environ 70 % des eleves. Comme on peuts’y attendre, seule la tete de classe parvient sans trop de peine a prevoir les allures des

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Tab. 1.1 – Grille d’aide a la realisation d’un graphique.

Consignes ”Graphique”

J’ai legende les axesJ’ai mis un titre

J’ai represente les points avec des +J’ai repasse les axes

J’ai mis des fleches au bout des axesJ’ai gradue les deux axes

J’ai trace la droite moyenne a la regle (eventuel)J’ai lisse la courbe (eventuel)

J’ai utilise un crayon de papierMon travail est soigne

courbes et les coefficients directeurs attendus pour les trois cas. Pour les autres eleves, desexplications ont ete vraiment necessaires pour les debloquer.Dans un second temps, il a fallu faire les graphiques selon les criteres imposes. La plupartdes eleves ont reussi ce travail sans grande difficulte. Le choix des graduations a posequelques problemes a la moitie de la classe. Ce sont ces memes eleves qui ont eu aussibeaucoup de mal a savoir quelles variables devaient se trouver en abscisse et en ordonnee.

A la fin de la seance, j’ai ramasse tous les compte-rendus. Les graphiques etaient plutotbien effectues. La grille ”graphique” leur a donc apparemment ete utile. Seul le soin apporteau trace laissait a desirer mais il ne faut pas oublier que le travail demande etait a faire entemps limite, durant la seance de TP. Certains n’ont donc pas eu tout le temps necessairepour tracer proprement leur graphique. Ils ont en revanche tous pense a mettre un titre,a bien marquer leurs axes, meme si la facon de graduer n’est pas tres academique (tousne graduent en effet pas les axes de maniere reguliere) et a lisser les courbes, etape qui lesgene d’ailleurs beaucoup parce que la notion d’erreur experimentale est encore peu ancreedans leurs esprits.

1.1.3 Conclusion

Il semble que ce type de TP, ou les eleves savent precisemment ce qu’ils doivent faireet ou les experience sont simples a realiser, favorise l’apprentissage d’un nouveau savoir-faire. L’interet est ici important parce qu’utiliser l’outil mathematique pose un veritableprobleme a la majorite des eleves et qu’il est plus facile au professeur de s’attarder sur cetheme en classe dedoublee qu’en classe entiere. Les eleves ont ainsi pu poser toutes leursquestions concernant cette competence, qui peut paraıtre a priori simple mais qui se revelecomplexe aux yeux des eleves parce que tres codifiee.

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Il nous reste cependant a savoir ce qu’en ont retenu les eleves plus tard dans la progres-sion du cours : Lors d’un exercice a faire chez eux, les eleves devaient tracer l’evolution dela longueur d’onde λ en fonction de l’indice n d’un milieu. J’ai ramasse les exercices afin decontroler ou ils se situaient par rapport aux competences normalement acquises lors du TPrefraction, effectue environ trois semaines plus tot. Les graphiques les plus caracteristiquessont donnes en annexe A2. Les erreurs les plus frequentes sont les suivantes :

– le choix de la graduation des axes n’est pas judicieux (75 % des graphiques)– l’absence de titre (60 % des graphiques)– la longueur d’onde se trouve en abscisse au lieu d’etre en ordonnee (40 % des gra-

phiques)– les axes ne sont pas legendes (40 % des graphiques)– le trace de la courbe a ete realise a la regle (cf. le premier graphique de l’annexe A2),

les eleves considerant dans ce cas le premier point comme un point aberrant (20 %des graphiques)

Il semble donc que malgre mes impressions positives dues aux compte-rendus du TPprecedent, les competences soient malheureusement tres loin d’etre acquises. Je supposeque les eleves n’ont pas pris le temps de revoir la grille d’aide a la realisation de graphique.Lors du cours suivant, lorsque j’ai corrige cet exercice, j’ai donc decide de leur montrerleurs productions au retroprojecteur pour qu’ils me disent ce qui ne va pas dans le gra-phique projete. Je fus tres surprise de leur reaction. Ils se sont tres vite impliques et ontrapidement trouve toutes les erreurs. J’ai alors suppose que, soit les eleves ayant reponduen cours sont les 25 % qui ont fait correctement leur graphique, soit l’exercice avait eterealise un peu trop rapidement.

Lors du controle qui a suivi, je leur ai demande de tracer une droite a partir d’un tableaude valeurs. Les resultats ont ete beaucoup plus satisfaisants que ceux de l’exercice, ce quim’amene a penser qu’ils n’avaient pas fait cet exercice avec tout le serieux necessaire. Legraphique etait note sur 4 points et la moyenne de la classe sur cette question est de 3.Beaucoup ont perdu des points car il manquait le titre ou parce que abscisse et ordonneeont ete confondues.

Pour finir, j’ai demande un graphique environ deux mois apres ces seances, lors d’unTP ou les eleves mesurent la periode d’un pendule en fonction de la longueur du fil. Cettefois-ci, le resultat est tres satisfaisant puisque environ 85 % des graphiques sont conformesa ce que j’attends. Je pense pouvoir ainsi considerer que cette competence est acquise dansla duree par la majorite de mes eleves.

1.2 Apprendre a manipuler

1.2.1 Deroulement et analyse de la seance

Deroulement

Dans le cadre du premier chapitre de chimie ”Chimique ou naturel”, les eleves doiventacquerir de nombreuses competences experimentales. Ils ne savent en general pas bien ma-

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nipuler en chimie des que l’on utilise de la verrerie autre que les tubes a essais. Il estdonc veritablement important de leur faire prendre des le debut de l’annee de bonnes ha-bitudes quand ils manipulent, que ce soit du point de vue de la securite ou des gestesexperimentaux. Tous les TP de chimie de debut d’annee que j’ai realises sont des TP pro-tocole pour apprendre aux eleves a manipuler correctement. Je ne detaillerai ici qu’un TP,le premier, intitule ”Extraction de l’anethole de l’anis etoile”.

Durant cette seance, les eleves doivent apprendre a pratiquer correctement les gestessuivants :

– extraire une molecule a partir d’une substance solide grace a un solvant– filtrer– realiser une chromatographie sur couche mince

Pour que les eleves, encore peu familiarises avec les notions de solubilite, comprennentbien la serie d’experiences proposees, je fais une explication orale en debut de seance dela premiere partie du TP (extraction de l’anethole). Ainsi, les eleves peuvent commencerleurs experiences, par binome. En suivant la fiche protocole (donnee en annexe A3), ilspeuvent avancer a leur rythme, la principale contrainte etant qu’ils doivent rediger uncompte-rendu en meme temps qu’ils manipulent. Afin de verifier que les gestes executessont corrects, je passe dans les rangs et observe leurs attitudes, les corrigeant si necessaire.L’occasion de discuter du choix de la verrerie employee se presente lors des trente minutesdurant lesquelles les eleves laissent agiter la solution. Je peux ainsi justifier l’emploi de telou tel materiel et aussi discuter des consignes de securite.

Une fois l’extraction et la filtration effectuees, les eleves passent a la deuxieme partiedu TP, la chromatoraphie sur couche mince. Exceptes les redoublants, personne ne connaıtcette technique d’identification (pas encore introduite en cours). Il est donc imperatif a cestade de bien decrire le protocole experimental en le justifiant. La fiche eleve est de plustres detaillee pour cette premiere fois. Lorsque les eleves realisent leur premiere CCM, jeveille a ce que les consignes donnees precedemment soient bien respectees.

Quand ils ont tous realise leur CCM, je reprends la classe pour faire une synthese avecles eleves sur ce qu’ils ont fait lors de la seance.

Analyse

Dans l’ensemble, la seance s’est bien deroulee. Quelques erreurs de manipulations ontete relevees, notamment lors de la realisation de la CCM. Malgre les recommandationsorales que j’avais donnees, beaucoup d’eleves ont agite la cuve juste apres avoir introduitleur plaque chromatographique dans la cuve a eluer. Le depot des substances est egalementtrop souvent peu soigne.

J’ai repete cette facon de proceder lors des TP suivants de chimie, pour leur apprendrea utiliser une ampoule a decanter pour realiser des separations liquide/liquide ou a realisercorrectement une filtration. Les eleves sont toujours actifs et semblent avoir acquis, au fildes seances, les savoir-faire presentes precedemment.Afin d’evaluer precisemment les competences acquises lors de ces TP, comme cela est

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dorenavant preconise par les concepteurs de programme, j’ai effectue un TP evalue. Celame permettra egalement de tester l’efficacite de ce type de TP. Les resultats de cetteevaluation sont presentes dans la partie suivante.

1.2.2 Evaluation pratique des gestes experimentaux

Deroulement de l’evaluation

Cette seance particuliere de TP s’est deroulee de la facon suivante. Les eleves etaientpar groupes de huit (les groupes de TP etant dedoubles par commodite), chacun travaillantseul. Les huit autres eleves du groupe se trouvaient au CDI pour realiser une recherche do-cumentaire.La fiche eleve leur a ete distribuee en debut de seance, immediatement a leur entree ensalle. Elle est donnee en annexe A4.Ils ont alors 40 minutes, sans intervention de ma part, pour realiser les experiences decritessur la fiche, a savoir une extraction, une filtration, une separation liquide/liquide et uneidentification par chromatographie sur couche mince. Un petit compte-rendu leur estegalement demande.L’evaluation des gestes est guidee par une grille que j’ai jointe en annexe A5. Le choix dela verrerie, les gestes realises et l’exploitation de la CCM sont notes.

Resultat

Les eleves ont eu 12,5 de moyenne sur 20 a cette epreuve dont 8 points pour la partiepurement pratique, notee sur 13. Dans l’ensemble, la verrerie a ete judicieusement choisie.L’emploi de l’ampoule a decanter a en revanche pose plus de difficulte. Les eleves oublienten effet souvent de mettre un becher sous l’ampoule ou ne debouchent pas l’ampoulepour recueillir les phases aqueuse et organique. La chromatographie sur couche mince aegalement ete bien reussie, a part pour quelques eleves qui agitent leur cuve lors du debutde l’elution.

1.2.3 Conclusion

Grace a ce type de TP, les eleves ont dans la grande majorite appris de nouveaux gestes,sans les difficultes liees a l’elaboration d’un protocole. L’efficacite de ces TP est averee memes’il me semble qu’il faille repeter ces gestes plusieurs fois avant de les considerer commeacquis.L’interet de ces TP protocole est l’apprentissage de technique de base, necessaires endebut d’annee pour pouvoir envisager par la suite d’autres formes de travaux pratiques,ou les eleves ne se concentrent plus sur le geste mais sur le raisonnement scientifiqueexperimental. Ces gestes, acquis en debut d’annee, deviennent alors non plus des obstaclesmais des connaissances sur lesquelles les eleves peuvent s’appuyer pour construire d’autrescompetences. Par exemple, en milieu d’annee, lors d’un TP pour introduire la notion demole, les eleves ont eu a etablir un protocole experimental permettant de determiner le

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nombre d’atomes dans un cylindre en aluminium (voir le chapitre ”TP top”). Ils se sontalors concentres sur la maniere de repondre experimentalement a cette question et pas surles gestes experimentaux.

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Chapitre 2

TP tournant

Le premier objectif de cette experimentation est d’evaluer l’efficacite d’une seance pra-tique pour introduire des notions de cours. Ces notions seront ensuite reprises en classeentiere lors d’une synthese avec la participation orale des eleves pour construire le cours.La premiere question est donc la suivante : Est-ce qu’un TP avant le cours permet auxeleves de construire efficacement leurs connaissances ?Le second theme que j’aimerais etudier lors de cette experimentation est l’interet de cetteforme de TP a proprement parler. Autrement dit, ce TP, dit tournant parce que les elevespassent d’une experience a une autre, apporte-t-il un plus aux eleves par rapport a un TPordinaire (TP protocole) ?

2.1 Deroulement du TP

Cette seance de travaux pratiques s’inscrit dans la partie du cours de physique s’intitu-lant ”Les messages de la lumiere”. Le but de ce TP est d’amener les eleves a la notion despectres, qu’ils soient continus ou discontinus, d’emission ou d’absorption. Pour cela, unepremiere experience introductive est realisee par tous les eleves simultanement. Puis, cinqexperiences sont realisees alternativement par les eleves, regroupes exceptionnellement pargroupe de trois.

La fiche protocole que les eleves avaient a leur disposition est donnee en annexe B1.Je ne rappelle ici que brievement ce qui leur etait demande. Dans un premier temps, leseleves doivent etudier la decomposition de la lumiere blanche par un hemicylindre puispar un prisme. Cette experience est realisee par tous les eleves sans mon interventionpuisque le materiel a deja ete utilise lors d’un TP precedent pour l’etude des lois de larefraction. A la suite de ces manipulations, les eleves notent rapidement leurs observations.Une reprise collective des resultats observes est effectuee au tableau afin que tous les elevescomprennent bien ce qui a ete realise.

Ensuite, les consignes concernant le TP tournant a proprement parler sont donneesoralement :

– les eleves doivent travailler par groupe de trois, la composition des groupes etant

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etablie par eux-memes.– les six groupes devront realiser toutes les experiences dans l’heure impartie. Pour

cela, ils doivent s’organiser seuls pour effectuer les rotations entre les tables.– personne ne doit rediger sur une table ou se trouve du materiel, pour ne pas empecher

les autres groupes de manipuler.

Une fois ces consignes donnees, les eleves se mettent en groupe de trois. Je leur presentealors les differents postes de travail :

– une table est dediee a l’etude de la dispersion de la lumiere blanche par un reseau.L’experience a cote est similaire sauf que le reseau est remplace par un prisme.

– un poste permet d’etudier le spectre d’absorption des solutions de permanganate depotassium et de dichromate de potassium.

– trois autres postes permettent enfin de voir les spectres d’emission de trois sourceslumineuses (une par table) : la lampe a mercure, la lampe a helium et le laser.

C’est ensuite aux eleves de travailler sans mon intervention. Ils ont a leur disposition unefiche sur laquelle sont posees les questions auxquelles ils devront repondre sur leur compte-rendu et sur chaque table se trouve la fiche protocole de la manipulation en question(donnee en annexe B2).

2.2 Analyse de la seance

2.2.1 Point de vue de l’enseignant

Lors de ce TP, plusieurs remarques concernant le deroulement de la seance sont rapide-ment survenues. La premiere est tres pratique : je n’avais pas indique sur les tables le titrede l’experience. D’abord, j’ai donc note que les eleves, peut-etre aussi un peu deroutes parcette inhabituelle liberte de mouvement, semblaient un peu perdus dans la salle. Ils ont eubeaucoup de mal a se reperer au debut mais cela est finalement assez vite passe car uneentraide entre les groupes s’est rapidement mise en place.

Il m’a egalement semble qu’ils ont eu des difficultes, au debut du moins, a se mettre autravail seuls. Devant un nouveau poste de travail, leur premier reflexe a ete de me solliciterpour savoir quoi faire. Globalement, ils se sont ensuite bien pris au jeu et ont enfin reflechiseuls sur l’experience qui etait devant leurs yeux. Malheureusement, cela n’a pas ete lecas pour tous les groupes. En effet, un des groupes a ete incapable de se debrouiller defacon autonome et cela pour une raison tres simple : j’ai laisse les groupes se faire paraffinite et ce groupe en difficulte ne comportait aucune ”locomotive”, selon l’expressionde P. Daujeard [3]. Aucun des trois eleves ne pouvaient vraiment bien comprendre ce quietait demande car les trois sont en grande difficulte en physique. Il manquait donc dansce groupe quelqu’un pour expliquer le principe des experiences. j’ai alors pris le parti delaisser les groupes tels qu’ils avaient ete faits et j’ai donc decide, pour ce groupe seulement,de les aider a chaque poste.

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2.2.2 Point de vue des eleves

Le questionnaire pose aux eleves est le suivant :

1. Pensez-vous avoir compris toutes les manipulations realisees ?

2. Avez-vous aime travailler seul, en autonomie ?

3. Est-ce-que vous auriez prefere que je sois plus la pour vous aider ?

4. Est-ce-que vous auriez prefere avoir une explication orale des manipulations a reali-ser ?

5. Que pensez-vous de ce type de TP dit ”tournant” par rapport a un TP ”classique” ?

Les reponses que j’ai pu recoltees a la fin de la seance sont analysees ci-dessous. Quelquesreponses representatives de l’ensemble de ce qui m’a ete signale par les eleves sont reporteesen annexe B3. Trente deux eleves ont repondu au questionnaire.

A la premiere question, les eleves ont repondu majoritairement par l’affirmative (27eleves sur 32). Il semble cependant que cela ne soit pas sur pour tous puisque certainsont ecrit ”Je crois avoir compris” ou ”Il me semble avoir compris”. Une explication auxreponses fournies par les eleves est que les experiences etaient simples, ce qui leur a permisde se debrouiller seuls. Il ne leur etait en effet demande que de faire des observations etde les analyser, les montages etant deja effectues. Ils ont egalement soulever le fait queles experiences se ressemblaient. Ils ont ainsi pu assez facilement passer d’une table a uneautre. Notons tout de meme qu’ici, cinq personnes m’ont dit qu’ils n’avaient pas comprisparce qu’ils n’avaient pas eu assez de temps. Je tiens a signaler que ce sont les eleves engrande difficulte en physique qui m’ont repondu cela.

La deuxieme question a ete mal comprise par certains eleves. Je leur demandais s’ilsavaient apprecie travailler seuls, sous-entendu, en groupe de trois sans mon aide. Ils n’ontpas saisi cela. Pour six d’entre eux, ils ont repondu que, comme ils etaient en groupe, ilsn’avaient pas travailler seuls. Vingt eleves ont aime etre livre a eux-memes et six elevesn’ont pas aime. Notons donc que, finalement, dans l’ensemble, les eleves ont apprecie etreseuls.

Les reponses a la troisieme et a la quatrieme question viennent d’ailleurs confirme cela.Ils m’ont relativement peu sollicite durant la seance. Compte tenu des explications surla premiere partie du TP (refraction en lumiere blanche), seules quelques questions sontapparues lors de la seance. Pour plusieurs groupes, la trace ecrite suffisait pour saisir lesexperiences a realiser.

Enfin, les reponses a la derniere question m’ont permis de conforter mon opinion sur cetype de TP : les eleves ont aime dans leur majorite ce TP car ils l’ont trouve varie, motivantet plus vivant qu’un TP protocole. Ils ont cependant souligne le manque de clarte et la pertede temps engendres par les changements de tables. Le desordre inherent au mouvementdes eleves a egalement ete remarque.

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2.3 Conclusion

2.3.1 Ce qu’en ont retenu les eleves

Analyse de la synthese du TP realisee en cours

Lors de la synthese de cours, certains eleves ont bien participe a la restitution desconnaissances. Les eleves en difficulte ou de niveau moyen avaient en revanche plus de mala analyser les observations qu’ils avaient effectuees. En revanche, j’ai ete tres agreablementsurprise de voir a quel point ils se souvenaient fort bien de ce qu’ils avaient vu. Mais celaest certainement plus du au fait que les experiences etaient spectaculaires et visuelles qu’ala maniere dont le TP s’est deroule. Il est donc interessant de noter qu’ils ont ete marquespar ce qu’ils ont realise en TP, ce qui est tres avantageux pour le professeur qui peut ensuitefacilement construire son cours en se basant sur ce TP.

Analyse des resultats des eleves lors du controle qui a suivi

Les resultats obtenus par les eleves ont ete tres moyens puisque pour la question portantsur les spectres, seulement la moitie des eleves a ete en mesure de repondre correctement.Ce qui est reste de ce cours est tres approximatif pour la plupart d’entre eux mais il mesemble delicat d’incriminer la maniere dont le TP s’est deroule. Je crois surtout que lemanque de travail est plutot le facteur determinant de ces difficultes lors des controles. Ilest surprenant de voir que les eleves se souviennent encore bien de ce qu’ils ont vu lorsde ce TP tournant mais qu’ils ont beaucoup de problemes pour restituer correctement lesconnaissances de cours, en employant le vocabulaire a bon escient.

2.3.2 Concernant la forme du TP

J’ai ramasse tous les compte-rendus (un par eleve) en fin de seance. Seuls les eleves endifficulte n’ont pas bien redige leur observations et leurs conclusions. De plus, peu d’elevesn’ont pas eu le temps de tout faire malgre leur impression de ”manque de temps”. J’ainote tout de meme que la majorite des eleves avaient des difficultes a faire ressortir desconclusions de leurs observations. Mais cela me semble assez normal a leur niveau et sansgrande importance puisque toutes les observations seront reprises dans un cours ulterieurafin d’etablir les conclusions importantes de la seance.Il me semble tout de meme important de souligner que les eleves ont vraiment apprecie cetype de TP. Ils ont ete un peu deroutes par cette nouvelle maniere de conduire la seance TPmais il ne faut pas oublier que c’etait la premiere fois que j’experimentais un TP tournant.Je n’ai malheureusement pas eu l’occasion de renouveler cette experience afin de voir si,l’effet de la surprise passee, mes analyses restent les memes. Cela m’aurait egalement per-mis de corriger les quelques points qui ne se sont pas bien deroules lors de la seance comme,par exemple, mieux organiser les postes de travail et bien veiller a etablir des groupes detravail plus heterogenes.

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Finalement, je vois plusieurs avantages a ce type de TP :– Le cours est alors beaucoup plus vivant puisque les eleves participent durant toute

la synthese realisee en classe entiere– Le professeur peut alors aussi mettre en valeur certains eleves qui habituellement

ne repondent a aucune question. Ils se souviennent bien des observations et peuventdonc repondre facilement a des questions du genre : ”Qui peut me dire ce que l’onobserve lorsqu’on intercale un prisme ou un reseau sur le trajet de la lumiere ? Quellesdifferences observe t-on ?”

– Du fait que le TP est tournant, les eleves voient les principales experiences relatives autheme etudie. Le professeur n’est donc pas oblige de faire reference a une experiencedecrite dans un livre.

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Chapitre 3

TP top

L’objectif de cette experimentation est de tester un type de travaux pratiques parti-culier, que j’appelerai ici TP ”top”.a Durant ce TP, les eleves sont invites a proposer unprotocole experimental permettant de repondre a une question posee en debut de seance.S’ils ne parviennent pas a construire le mode operatoire demande, le professeur leur fournitdes aides ponctuelles afin de les debloquer. Ce type de TP va, et c’est l’un de ses princi-paux buts, amener les eleves a exploiter de nouvelles competences, que je n’ai pas encorevraiment recherchees chez eux. En effet, la demarche experimentale d’investigation peutici etre reellement appliquee et il me semble que les qualites requises pour ce genre de TPdifferent notablement de celles requises pour un TP protocole. J’aimerai donc evaluer sil’implication personnelle de l’eleve, son esprit critique et sa capacite a travailler en groupesont vraiment favorises par cette facon de proceder.

3.1 Deroulement de la seance

Ce TP ce situe dans la troisieme partie du cours de chimie, intitulee ”Transformation dela matiere”. Les eleves viennent d’etudier la constitution de la matiere et l’un des objectifsde cette nouvelle partie est d’introduire la notion de mole, pour pouvoir passer du mondemicroscopique au monde macroscopique. Ce TP est en fait une seance introductive durantlaquelle les eleves doivent se rendre compte de la difficulte de compter en chimie. Peu deconnaissances sont a priori necessaires, ce qui permet d’envisager cette forme de TP.Le TP debute par une simple discussion. J’ai devant moi un sac de riz et je leur demandes’il est possible experimentalement de compter le nombre de grains de riz dans ce sac. Tousme repondent positivement, soulevant tout de meme le cote quelque peu rebarbatif de lachose.Leur rappellant que nous sommes dans un cours de chimie, je leur indique que je suis plusinteressee par les atomes et molecules et que c’est donc ce que l’on va chercher a compter.Je leur pose alors la question suivante : ”Quel est le nombre de molecules dans une goutted’eau ?”

aUn top est un signal bref pour prevenir un auditeur de noter une indication a un instant precis.

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Ils remarquent immediatement la difficulte de ma question. Un eleve me precise meme quecela n’a rien a voir avec le cas du riz puisqu’on ne peut pas voir les molecules.

Je leur explique alors ce que j’attends d’eux :– Ils doivent repondre a trois questions (indiquees sur la fiche protocole, jointe en

annexe C1).– Ils doivent reflechir seul pendant cinq minutes au protocole experimental puis faire

une mise en commun avec leur binome. Ils travaillerons ensuite toujours par deux.– Ils redigent au brouillon leur idee, m’appellent pour que je controle leur mode opera-

toire.– Ils realisent l’experience.– Enfin, ils redigent un compte-rendu avec le mode operatoire realise, les calculs et le

resultat a la question posee initialement.Je leur explique aussi le systeme d’aide par joker lorsqu’ils sont bloques. Les jokers prevuspour cette seance sont donnes en annexe C2.

Apres ces explications, la fiche protocole est distribuee aux eleves qui commencent leurreflexion.

3.2 Analyse de la seance

Pour analyser plus avant comment s’est deroule ce TP, il faut que je precise que celane s’est pas passe de la meme facon pour mes deux groupes de TP. Le premier groupe estcompose d’eleves plus interesses par la matiere et plus actifs que ceux du second groupe.La consequence est que les eleves du premier groupe se sont bien pris au jeu et ont cherchea repondre a la question. Ils ont d’ailleurs dans l’ensemble bien reussi a etablir un pro-tocole experimental (a quelques erreurs pres que je detaillerai plus tard). En revanche, lamajorite du second groupe est restee passive et la moitie des eleves n’ont pas reellementcherche, attendant plutot que je donne des jokers. Ainsi, alors que tous les binomes dupremier groupe ont traite les deux premieres questions, seuls deux eleves du second groupeont traite ces memes questions (l’un d’entre eux a d’ailleurs ete le seul a traiter les troisquestions). Certains n’ont meme pas eu le temps de finir la redaction du premier protocoleexperimental !

En ce qui concerne l’elaboration du protocole experimental a proprement parler, lesproblemes rencontres ont ete les memes pour tous les eleves :

– Il leur a semble difficile de calculer la masse d’une molecule d’eau. Nous avionspourtant traite auparavant ce type de calcul lors du cours sur la constitution de lamatiere. Mais les eleves ne se rappelaient plus de la signification des nombres A etZ, donnees qui figuraient sur leur fiche protocole.

– Le deuxieme probleme a ete rencontre lorsqu’ils ont voulu executer leur protocoleexperimental, par exemple, determiner la masse d’une goutte d’eau. En effet, lesbalances mises a leur disposition n’etait precise qu’au dixieme de gramme alors qu’il

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leur aurait fallu une balance precise au centieme de gramme. J’avais volontairementdonne ce materiel pour amener les eleves a trouver des solutions face a une difficultenon prevue.

– Une autre difficulte a ete de choisir le materiel le plus adapte pour faire les mesures,par exemple celle du diametre du cylindre en aluminium. Ils pouvaient utiliser leurregle, un pied a coulisse ou un palmer. Ils se sont alors rendus compte qu’il ne suffitpas de dire ”Mesurer le diametre du cylindre” dans leur mode operatoire, et qu’il esttres important de specifier le materiel a utiliser.

– Enfin, la redaction des resultats a egalement ete problematique. En effet, ils m’ontsouvent demande combien de chiffres significatifs ils devaient utiliser pour ecrire leresultat.

Autant que possible, j’ai limite mes interventions aupres des eleves pour qu’ils seprennent plus en main et qu’ils n’hesitent pas a essayer. Par exemple, concernant le choixdu materiel (pied a coulisse ou regle), je les ai laisse decider. Ils ont donc teste, fait lesmesures avec les deux instruments et ont generalement prefere le pied a coulisse, plus precispour faire la mesure.De la meme maniere, je n’ai pas repris la classe pour expliquer le nombre de chiffres signi-ficatifs attendus dans la redaction des resultats. Ils se sont concertes, d’abord au sein d’unbinome, puis entre binomes pour que finalement, apres une discussion animee, les elevesse mettent d’accord. Ils se sont rendus compte que je n’etais pas la seule a savoir et qu’ilspouvaient aussi se faire confiance (il faut tout de meme l’assentiment du groupe en entierpour valider ce qu’ils pensent chacun de leur cote).En revanche, pour ce qui a ete de calculer les masses des atomes et de la molecule d’eau,les eleves ne se souvenant plus de ce qui avait ete vu en cours, j’ai du expliquer aux deuxtiers des binomes environ la facon de proceder.

3.3 Conclusion

Je suis agreablement surprise de la maniere dont s’est deroulee cette seance de travauxpratiques. Je dois reconnaıtre que je ne savais pas trop si les eleves allaient s’investir pourdeterminer le protocole experimental et repondre aux questions posees. Dans le premiergroupe, les eleves ont repondu presents et j’estime que les objectifs que je m’etais fixeeont ete atteints. Ainsi, avec ce TP, ces eleves ont pu, a mon avis, mettre en avant ou sedecouvrir les qualites suivantes :

– avoir confiance en soi– avoir envie de chercher par soi-meme– avoir envie de travailler en groupe– savoir entreprendre une experience pour repondre a une question– savoir imaginer un protocole experimental– savoir faire des mesures

En revanche, avec le second groupe, je suis beaucoup plus sceptique. Je crois que cegroupe etant plus faible en chimie, j’aurais du donner les masses des atomes d’aluminium,

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d’oxygene et d’hydrogene. Les eleves auraient ainsi pu se concentrer uniquement sur la par-tie experimentale (partie qui m’interessait le plus en realite). A l’avenir, il faudrait doncque j’adapte mieux les enonces que je donne aux eleves pour qu’ils ne se noyent pas dansune question calculatoire alors que ce n’est pas ce que je veux leur faire travailler.

Le but n’est donc pas, lors d’un TP top comme celui-ci, d’amener de nouvelles compe-tences purement disciplinaires mais plutot d’aider les eleves a se construire dans le cadrede l’approche experimentale. Il est donc extremement difficile d’evaluer l’impact de cetteseance sur ces eleves. Pour que les eleves integrent pleinement la methode de la demarchescientifique, je pense qu’il faudrait effectuer ce type de TP plusieurs fois dans l’annee pourque les qualites precedemment citees puissent resurgir lors de TP plus classiques. Je pensed’ailleurs que cela depasse le cadre exclusif des seances de TP puisque, par exemple, amenerun eleve a prendre confiance en lui me semble tres important pour son autonomie danstoutes les matieres.

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Chapitre 4

TP assiste par ordinateur

Le but de cette partie est de voir, sur un exemple, ce que peuvent nous apporter lesnouvelles technologies dans notre enseignement. Il est en effet recommande dans le BOENd’integrer l’outil informatique dans nos enseignements, et notamment lors de seances detravaux pratiques afin de ”savoir ce qu’est une simulation et la distinguer clairement deresultats experimentaux.” Ainsi, je m’interesse ici aux avantages et aux inconvenients lies al’utilisation de l’ordinateur pour realiser des simulations en travaux pratiques. Ce cadre esten effet particulierement appreciable puisque les eleves peuvent, durant ces seances, tra-vailler par deux sur un ordinateur. L’exploitation des simulations me semblent interessantespour traiter avec les eleves d’experiences impossibles a realiser en classe, soit pour des ques-tions de securie, soit parce qu’elles sont irrealisables en laboratoire. C’est dans ce derniercas que se situe mon experimentation puisque j’ai propose aux eleves de s’interesser auxconditions de lancement de satellites. Ainsi, je souhaiterais apporter quelques elements dereponses aux deux questions suivantes :

– Est-ce-que le fait de simuler des experiences permet aux eleves de mieux elaborer etexploiter leurs connaissances que s’ils avaient traite le probleme en cours, sous formed’exercice ?

– Est-ce que le fait de realiser des simulations aident les eleves a saisir la notion demodele ?

4.1 Deroulement de la seance

Cette seance de travaux pratiques se situe a la fin du chapitre sur la gravitation uni-verselle, dans la partie de physique intitulee ”L’univers en mouvement et le temps”. Leseleves ont deja suivi le cours portant sur les referentiels et le principe d’inertie. Ils saventdonc l’enoncer et l’appliquer, faire un bilan des forces et expliquer la modification de latrajectoire d’un corps ou de sa vitesse en analysant les forces qui s’exercent sur ce corps.Le but du TP est d’amener les eleves a determiner les conditions necessaires pour mettreen orbite un satellite. Pour cela, ils simulent le lancement d’un satellite en choisissantl’altitude de lancement et sa vitesse de lancement. Au debut de la seance, une discussion

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sur les satellites et leur utilisation par l’Homme est initiee. Les eleves savent beaucoup dechoses sur ce theme et participent bien a la discussion. Puis, je leur presente le but du TPet je leur presente le logiciel ”Kepler” qu’ils vont utiliser (en leur indiquant les differentesapproximations realisees lors des calculs). Je leur explique enfin qu’ils devront rediger uncompte-rendu que je ramasserai a la fin de la seance. Une fois ces explications donnees,les eleves travaillent en binome, guides par une fiche protocole (donnee en annexe D1),sur laquelle tout ce que les eleves doivent faire est indique. A la fin de chaque partie, jereprends en main la classe afin de controler que les eleves sont parvenus aux conclusionsattendues.

4.2 Analyse de la seance

La seance s’est bien deroulee, aucun probleme lie a l’utilisation du ”media” ordinateurn’a ete rencontre. Dans l’ensemble, les eleves ont bien suivi le protocole propose et ont menea son terme le travail demande. En revanche, sur les quatorze groupes presents ce jour la,quatre groupe se sont permis de tester les fonctionnalites du logiciel seuls, perdant ainsibeaucoup de temps. Ils n’ont donc pas pu terminer le travail demande. De plus, cela les aoblige a relancer plusieurs fois leur ordinateur parce qu’a cause de mauvaise manipulationdans le logiciel, l’ordinateur a plante.

Concernant la mise en activite des eleves, j’ai pu constater qu’ils se sont tres rapidementmis au travail, et ce, avec interet. Cet interet etait probablement du a deux facteurs :d’abord, le fait de travailler sur un ordinateur (les eleves sont toujours tres contents quandje leur annonce que l’on va travailler dans la salle informatique), ensuite parce que le themedu TP leur a plu. Ils en savent en effet beaucoup sur les satellites et ont ete ravis d’exposerleurs connaissances au reste de la classe.

L’evaluation de cette seance en terme d’efficacite n’est pas facile. J’ai pu noter pendantle TP que les eleves travaillaient bien et seuls. Ils sont plus autonomes devant un ordinateurque devant une paillasse, la peur de ”mal faire” etant moins grande devant un ordinateur.De plus, plusieurs questions auxquelles devaient repondre les eleves dans leur compte-rendules obligeaient a reinvestir ce qu’ils avaient appris precedemment. Cela ne fut pas aise pourtous. Un avantage que j’ai vu a cette seance de fin de chapitre est que les eleves ont pu serendre compte de leurs connaissances. Certains se sont apercus qu’ils ne savaient toujourspas le cours de mecanique.Enfin, afin de savoir ce que les eleves ont appris pendant la seance, je leur ai distribueun exercice qui fait appel aux nouvelles connaissances normalement acquises pendant laseance. Cet exercice est donne en annexe D2. Les eleves ont eu trois jours pour le realiser,chez eux, sans compte-rendu puisque je les ai ramasses a la fin de la seance.La correction de ces exercices me permet de dire que les eleves n’ont pas assimile ceque je voulais leur apprendre. En effet, les reponses aux trois premieres questions sonta peu pres correctes (le principe d’inertie est toujours mal enonce chez 80% des eleves).Le raisonnement demande a la quatrieme question a en revanche ete mal conduit. Leseleves ont, dans leur majorite, dit que la seule force qui s’exerce est la force d’interaction

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gravitationnelle, donc les forces ne se compensent pas. La question avait pourtant ete traiteetelle que en seance de TP. Enfin, la cinquieme question donne lieu a beaucoup d’erreurs.Seuls dix eleves sur vingt-huit ont repondu que la Lune restait en orbite autour de la Terrecar elle possede une vitesse suffisante pour ne pas s’ecraser sur Terre. Les autres n’ontpas compris cela et ont justifie leurs reponses par le fait que soit la Lune exerce une forcegravitationnelle sur la Terre qui compense celle exercee par la Terre sur la Lune, soit laforce gravitationnelle exercee par la Terre sur la Lune est trop petite pour faire tomber laLune sur Terre.La deuxieme partie a en revanche ete bien traitee par l’ensemble de la classe.

4.3 Conclusion

Le bilan de cette seance n’est pas tres positif. Je pensais amener les eleves a s’interrogerplus sur la notion de modele en leur expliquant comment le logiciel procede pour calculerles trajectoires et les vitesses. Mais en realite, les eleves n’ont pas particulierement eteinteresses par ces remarques. Leur interet pour le sujet etait pourtant reel mais seulementpour discuter des applications des satellites. Pour la plupart, ce que l’on voit a l’ecran estla realite. Je pense que j’aurais du ici plus insister sur la notion de modele en laissantpeut-etre les eleves reflechir sur les approximations faites par le logiciel pour effectuer lescalculs. Mais je ne suis pas sure que ce soit en realite la meilleure maniere de leur fairecomprendre cette notion fondamentale en sciences. Je m’etais deja rendue compte de cettedifficulte lors d’un precedent TP assiste sur ordinateur portant sur l’exploitation du spectrede l’etoile Rigel.

En ce qui concerne le contenu plus disciplinaire, a savoir les conditions necessaires pourreussir une mise en orbite d’un satellite, je suis extremement decue. Les eleves ont bienete actifs pendant la seance et ont realise tout ce qu’ils devaient faire. Mais, pour le tiersd’entre eux, ils ont rempli des tableaux de valeurs, trace des graphiques sans reflechir plusavant. Peu ont bien saisi que sans une vitesse suffisante, le corps que l’on veut satellisertombe sur Terre sous l’effet de la force gravitationnelle. Ils ont pourtant travaille pendanttrente minutes environ sur l’effet de la vitesse. Ils ont de plus tous ecrit dans leur compte-rendu que si la vitesse est trop faible, on ne peut pas mettre en orbite un satellite.

Je crois que, pour cette seance du moins, les apports de la simulation par rapport aune seance de cours ne sont pas evidents. Je reconnais que l’outil informatique permetde traiter certains themes d’une facon qui implique plus les eleves que lors d’une seanced’exercices. Mais les potentialites du logiciel ont peut-etre ete mal exploitees parce que jedois admettre que mes objectifs ne sont ici pas atteints.

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Conclusion generale

L’enseignement experimental en sciences physiques

Pour enseigner les sciences physiques, chaque professeur a sa propre pedagogie, sa proprefacon d’amener les eleves aux savoirs specifies dans le bulletin officiel mais l’ensemble desenseignants seront d’accord sur le fait que l’experimentation est un passage importantde notre enseignement. Pourquoi ? D’abord parce que l’experimentation permet de rendreactifs les eleves. On peut alors supposer que cela favorise leurs apprentissages. Ensuite,parce qu’ils semblent plus motives lors d’une seance de travaux pratiques, notammentparce qu’ils apprecient d’avoir a manipuler, et cela laisse aussi supposer qu’ils sont alorsplus receptifs aux connaissances que nous voulons leur transmettre. Enfin, le fait qu’ilsmanipulent, qu’ils se confrontent au monde reel, loin de toute abstraction, en testant pareux-meme leurs hypotheses et leurs idees, permet egalement d’aider les eleves a construireleurs savoirs.Ce sont ces idees, communement admises par le corps enseignant, sur le role fondamentalde l’enseignement experimental en sciences physiques qui m’ont amenee a tenter d’analyserles apports de certaines pratiques couramment employees par les enseignant lors de seancesde travaux pratiques. Voila pourquoi, durant cette annee de stage, j’ai teste aupres de laclasse de seconde qui est sous ma responsabilite quatre types de travaux pratiques : le TPprotocole, le TP tournant, le TP ”top” et enfin, le TP assiste par ordinateur.

Une evaluation des pratiques difficile

Les conclusions que je peux tirer de mes experimentations ne sont pas si evidentes quecela a determiner. En effet, est-ce reellement judicieux de se baser (meme en partie) sur lesimpressions des eleves et sur mes propres impressions ressenties au cours de la seance ? Nesont-ce pas la des sentiments trop subjectifs pour me permettre de conclure sur les avan-tages ou les defauts de la pratique mise en oeuvre ? Je dois avouer que je me suis sentietres mal a l’aise lorsque j’ai du analyser les reponses au questionnaire que j’avais distribueapres le TP tournant. C’est d’ailleurs la raison pour laquelle je n’ai pas renouvele ce moded’evaluation.Je me suis ensuite tournee vers un mode d’evaluation plus objectif, le controle des connais-sances. Mais la aussi, il n’est pas si evident a mettre correctement en oeuvre. En effet,

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comment etre sure que les connaissances que je teste sont bien celles acquises lors de laseance de TP et uniquement de cette seance ? J’avais realise la premiere evaluation de cetype lors d’un controle (pour evaluer le TP tournant). Mais comment juger de l’efficacitedu TP alors que les competences visees durant cette seance ont ete reprises en cours apresle TP ? C’est impossible. Voila pourquoi, pour les autres experimentations, j’ai essaye detester immediatement les competences acquises, soit via les compte-rendu, soit par un exer-cice d’application.Le moyen le plus sur de voir si les savoir-faire ont ete assimiles est a mon avis de pratiquerun TP evalue. Dans ce cas, les conclusions sont plus aisees a degager.

Il reste neanmoins une difficulte que je n’ai pas pu resoudre durant cette annee : elleconcerne le fait que toutes mes conclusions ne sont valables que pour ma classe, qui neme semble pas etre un panel representatif de toutes les classes de seconde. Il aurait fallu,pour voir si les techniques employees sont plus adaptees que d’autres pour faire passerdes connaissances aux eleves, que je teste deux pratiques pedagogiques differentes avec lesmemes eleves strictement, dans des conditions identiques. Or cela est impossible. Voilapourquoi il me semble important de considerer les conclusions de ce travail avec beaucoupde precautions.

Ce que l’on trouve dans la litterature

Le BOEN [1] invite l’enseignant a ”bien definir les objectifs de contenus et a limiter lenombre de competences mises en jeu dans une seance de TP afin de degager les notionsqu’il veut faire acquerir.” On peut retrouver cette idee lorsque J.-P. Astolfi evoque lesdifferents ”registres de l’experimental” [4]. Il en denombre trois qui permettent de bienseparer les taches demandees aux eleves :

– un mode de familiarisation pratique– un mode d’investigation empirique– un mode d’elaboration theorique

Le fait de bien limiter les objectifs lors d’une seance m’a semble en effet tres important.C’est la raison pour laquelle j’ai essaye a chaque fois de respecter cette contrainte. Ainsi,d’apres la classification d’Astolfi, le TP protocole ferait partie du premier registre (dontle but est ”d’apprivoiser un savoir-faire, developper des techniques” [4]), le TP top feraitlui plutot partie du deuxieme registre (dont le but est cette fois de ”mettre en œuvre, entout ou en partie, une relle demarche d’investigation autonome” [4]) et le TP tournantserait plutot a classer dans le dernier registre (dans lequel il evoque des ”experiencesillustratives permettant d’emporter la conviction des eleves, de provoquer leur adhesion,de leur permettre de se representer a partir d’un cas le savoir en jeu” [4]).

En ce qui concerne la simulation sur ordinateur, qui n’entre pas vraiment dans cette clas-sification, son utilisation par l’enseignant est a la fois commode et compliquee. Commodeparce que les eleves travaillent sur des themes qui ne se pretent pas a l’experimentationavec tout de meme plus d’entrain que si la question etait traitee sous forme d’exercice. Enrevanche, faire saisir aux eleves que ce que montre le logiciel a l’ecran est le resultat d’unmodele et que ce n’est pas forcement la meme chose que ce que l’on observerait lors d’une

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experience n’est pas si facile. Comme j’ai pu le constater, je pense que c’est parce que lanotion de modele n’est si evidente que cela pour eux. Or, comme le signale C. Orange : ”Lamodelisation est presente dans tous les domaines scientifiques, meme ceux qui laissent unelarge part a l’experimentation” [5]. Il semble donc necessaire d’amener les eleves a com-prendre ce qu’est un modele pour qu’ils saisissent que ce qu’on leur apprend est en realiteune modelisation des phenomenes physiques etudies. Dans ce but, la simulation pourraitetre un outil tres utile.

J’aimerais enfin revenir sur la demarche d’investigation, methode que les enseignantsvont de plus en plus souvent etre amenes a employer en classe. Elle s’opppose en faita la methode OHERIC (Observation/ Hypothese/ Experience/ Resultat/ Interpretation/Conclusion) jusque la tres pratiquee en classe [6,7]. La methode OHERIC permet, a partird’une experience presentee par le professeur, de mettre en evidence des concepts et deslois. Cette demarche, dite inductiviste, est maintenant critiquee parce qu’elle ne permetpas d’exercer une veritable demarche experimentale de la part des eleves. Comme le disentD. Courtillot et M. Ruffenach : ”Dans cette demarche, l’eleve est spectateur d’un raisonne-ment, meme s’il y participe en repondant a des questions. La seance est construite pour lui,mais sans lui” [7]. Ainsi, il est recommande de nos jours d’utiliser une autre demarche, lademarche hypothetico-deductive. Le principe, decrit par D. Courtillot et M. Ruffenachen,en est simple : ”Placons simplement l’eleve devant un phenomene reel de son quotidienpropice a susciter une question de sa part. (...) Le besoin de resoudre doit conduire l’elevea elaborer et a utiliser les instruments de la resolution. Avant toute experimentation, l’eleveest amene a faire des hypotheses, avec ses propres connaissances, accompagnees d’une argu-mentation qui propose une demarche pour resoudre l’enigme (...)” [7]. L’eleve s’inscrit alorsdans une veritable demarche d’investigation. C’est dans cette optique que l’on developpeles TP ”top” au lycee.

Apport de ce travail pour mes enseignements futurs

Ce travail de reflexion sur les pratiques possibles durant les seances de travaux pra-tiques m’a permis d’entrevoir d’autres moyens d’agir aupres des eleves que ceux auxquelsje pensaient de prime abord. J’etais plutot dans l’optique que seuls les TP classiques, quej’ai appeles TP protocole dans ce memoire, sont reellement efficaces pour transmettre unsavoir. C’est d’ailleurs pour cela qu’en debut d’annee, j’ai privilegie cette pratique. Puis,en essayant d’autres formes de TP, ou les eleves sont plus autonomes, plus libres de leursactes, je me suis rendue compte que cette liberte n’etait pas forcement synonyme de perte detemps. Maintenant, j’envisage plus frequemment de laisser les eleves proposer un protocleexperimental, puisqu’ils en sont souvent capables, contrairement a ce que je m’imaginais.

J’aimerai de plus signaler que ce travail a egalement modifie ma maniere de concevoirmes cours. Je tends maintenant plus a donner la parole aux eleves, a les laisser elaborerdes petits raisonnements sur un exercice donne ou a imaginer ce que l’on va obtenir si jerealise une experience de cours. Je crois que la conception que j’avais des mises en activitedes eleves etait quelque peu erronee. Bien sur, il faut savoir les guider pour les amener vers

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nos objectifs mais prendre en compte leurs avis et les laisser proposer des hypotheses peutfinalement permettre de gagner du temps dans la construction de leur savoir.J’aimerais donc utiliser plus d’activites durant lesquelles les eleves seraient moins guideset diriges. A terme, j’espere parvenir a integrer dans mes sequences de cours la demarched’investigation, qui devient une des methodes recommandees au college pour l’enseigne-ment des sciences. Je reste cependant convaincue qu’alterner les pratiques pedagogiquespermet a l’enseignant de gerer plus facilement la diversite des eleves et de transmettre plusefficacement ses connaissances.

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Annexes

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Annexe A1 : Document élève lors du TP protocole

Que fait la lumière quand elle change de milieu ? I/ Expérience préliminaire (au bureau) CR : Résumer par quelques lignes l’expérience réalisée au bureau. Observation ?

Conclusion ? Complétez le schéma suivant en l’annotant et en indiquant la valeur de l’angle incident et de

l’angle réfracté. II/ Qui a raison ?

Robert Grossetête Il fut l’un des pionniers de la méthode expérimentale moderne en affirmant que l’expérimentation était le meilleur moyen d’étudier la réflexion et la réfraction de la lumière. La loi de la réfraction qu’il avait proposée est que l’angle de réfraction est égal à la moitié de l’angle d’incidence.

Johannes Kepler Ce savant proposa une relation de proportionnalité entre les angles de réfraction et de réflexion pour des petites valeurs d’angles.

René Descartes La loi qu’il donne repose sur des résultats expérimentaux. Elle fait intervenir la fonction trigonométrique sinus. Il existe une relation de proportionnalité entre les sinus des angles d'incidence et de réfraction : sin i1 = k × sin i2, k étant un nombre caractérisant les milieux que traversent le rayon. Objectif : En mesurant les valeurs des angles réfractés pour les angles incidents suivants, indiquer qui de ces trois scientifiques a raison. Compléter le tableau :

i1 (°) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 80

i2 (°)

CR : Schématiser l’expérience que vous avez réalisée.

Déterminer la relation entre l’angle incident et l’angle réfracté. Justifier grâce à des graphiques.

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Annexe A2 : Graphiques représentatifs obtenus lors d’un exercice (tracé de n en fonction de λ)

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Annexe A3 : Document élève lors du TP protocole

Extraction de l’anéthole de l’anis étoilé Objectifs : extraire par un solvant l’anéthole de l’anis étoilé et comparer le produit extrait à de l’anéthole commercial Les graines d’anis sont utilisées en pâtisserie et dans la préparation de liqueurs. Les pastis sont en effet le plus souvent obtenus à partir d’anis étoilé appelé aussi badiane. L’essence d’anis est constituée pour 80 % à 90 % d’anéthole accompagné d’estragol qui peut être extrait de l’estragon. ******** ATTENTION : Le port des lunettes est obligatoire pendant les manipulations ********

I/ Extraction de l’anéthole de l’anis étoilé

1- Extraction par solvant • Dans un erlenmeyer, introduire 1g d’anis étoilé broyé. • Sous la hotte, ajouter 10 mL de dichlorométhane mesuré avec flacon doseur. Boucher. • Mettre un barreau aimanté dans l’erlenmeyer et laisser agiter la solution pendant 30 minutes.

CR : Faire un schéma de l’expérience. CR : Expliquer ce qu’il se passe dans l’erlenmeyer. CR : Observer le pictogramme du dichlorométhane. Quels sont les risques et les précautions à prendre lors de son utilisation ?

2- Filtration • Filtrer le mélange obtenu sur du coton placé dans un entonnoir. On récupère le filtrat dans

un bécher. CR : Faire un schéma de l’expérience. II/ Chromatographie de la solution obtenue

1- Protocole expérimental • Introduire 3 mL de dichlorométhane dans la cuve. Fermer la hermétiquement. • Tracer au crayon de papier un trait horizontal à 1 cm du bord de la plaque CCM. • Indiquer les numéros 1 et 2 sur cette ligne de base. • Déposer à l’aide d’un tube capillaire une goutte de l’échantillon 1 et une goutte de

l’échantillon 2 sur la ligne de base. Dépôt 1 : solution obtenue lors de l’extraction Dépôt 2 : anéthole en solution

• Placer la plaque CCM dans la cuve contenant le dichlorométhane. • Ne pas agiter la cuve et la fermer. • Quand le front de solvant arrive à 1 cm du bord de la plaque, retirer la plaque et la sécher à

l’air. • Révéler la plaque dans un bain de permanganate de potassium (K+MnO4

-). Attention aux doigts, utilisez la pince à linge pour tenir la plaque !

• Rincer la plaque sous l’eau et la sécher.

2- Observations et interprétation CR : Noter vos observations et calculer le rapport frontal Rf de chaque tache. Rf = h/H avec h la hauteur de la tache et H la hauteur du front de solvant par rapport à la ligne de base. CR : Qu’en concluez-vous ? La solution obtenue après extraction contient-elle de l’anéthole ? d’autres espèces ? Justifiez.

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Annexe A4 : Document élève lors du TP noté

Extraction et identification de l’arôme de vanille Le sucre aromatisé à la vanille peut se trouver sous deux formes :

- soit du sucre vanillé (produit naturel) - soit du sucre vanilliné (produit artificiel)

Le but de cette expérience est d’extraire un arôme de vanille (vanilline) d’un produit manufacturé (sucre vanilliné) et de comparer les espèces chimiques des deux sucres vendus dans le commerce. Manipulation 1 : Extraction des arômes par le cyclohexane

• Dans un erlenmeyer, introduire 15 mL d’eau distillée mesurés à l’éprouvette graduée. • Y dissoudre complètement un demi sachet de sucre vanilliné (solution B). • Transvaser cette solution B dans une ampoule à décanter. • Dans l’erlenmeyer qui contenait la solution B, introduire 4 mL de cyclohexane sous la hotte. • Transvaser le cyclohexane dans l’ampoule à décanter. • Récupérer la phase qui contient la vanilline dans un bécher propre.

Manipulation 2 : Identification Réaliser une CCM (la cuve à éluer est déjà préparée). Pour cela, faire deux dépôts : En A : une goutte de la solution A (contenant de la vanille naturelle) En B : une goutte de la solution B (contenant de la vanilline) Vous devez bien sécher les dépôts au sèche-cheveux avant de faire éluer. Attention : pour faire la CCM, il faut utiliser les 2 solutions contenues dans les tubes à hémolyse. Données :

eau cyclohexane densité 1 0,78

Solubilité de la vanilline faible grande Miscibilité avec l’eau non

Annexe A5 : Grille d’évaluation pour ce TP

NOM : Sécurité

Agitation de l’ampoule et purge Décantation sans bouchon

Bécher sous l’ampoule Eluant sous la ligne de dépôt

Elution avec couvercle Réalisation de la plaque CCM

Schéma décantation Justification du CR Conclusion CCM Propreté paillasse

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Annexe B1 : Document élève du TP tournant

TP Spectres I/ Réfraction avec la lumière blanche

1- avec l’hémicylindre L’analyse de la réfraction se fait en lumière blanche.

• Dioptre air/plexiglas. Placer l’hémicylindre tel que l’angle incident i1 = 70°. • Dioptre plexiglas/air. Placer l’hémicylindre tel que l’angle incident i1 = 40°.

2- avec le prisme

Remplacer l’hémicylindre par le prisme. CR : - Dans chacun des 3 cas, schématiser ce que l’on observe.

- Quelle est la couleur la plus déviée ? La moins déviée ? - Sachant que la couleur de la lumière influe sur l’indice du plexiglas, l’indice de réfraction

pour la lumière bleue est-il plus grand ou plus petit que celui pour la lumière rouge ?

II/ Décomposition de la lumière blanche

1- Par un prisme On réalise le montage de décomposition de la lumière blanche par un prisme. CR : - Le spectre observé est-il continu ou discontinu ?

- Citer les principales couleurs du spectre (6 ou7). - Quelle est la couleur qui subit la plus forte déviation angulaire ? La plus faible ?

2- Par un réseau Un réseau est un ensemble de fentes microscopiques, parallèles et serrées les unes contre les autres à raison de plusieurs dizaines ou centaines sur 1 mm de largeur. Dans l’expérience précédente, on remplace le prisme par un réseau. L’observation se fait alors sur l’écran placé dans l’axe du dispositif. CR : - Combien de spectres observés vous sur l’écran ? Sont-ils tous identiques ? Comment sont-

ils disposés par rapport à ce que subsiste de l’image de la fente ? - Pour un spectre donné, quelle est la couleur angulairement la plus déviée ? La moins déviée ? - Comparer avec la dispersion de la lumière blanche avec un prisme. III/ Etude de spectres d’absorption On place une solution sur le trajet de la lumière blanche. On analyse le spectre obtenu après passage dans un réseau. CR : - Observe t-on un spectre continu ou discontinu ?

- Quelles sont les principales couleurs absorbées par la solution de dichromate de potassium ? Quelle est la couleur de la solution ?

- Mêmes questions pour une solution de permanganate de potassium.

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IV/ Etude de spectres d’émission

1- Lumière émise par une lampe à vapeur de mercure CR : Les spectres observés sont-ils continus ou discontinus ? Quelles sont les couleurs des principales raies d’émission observées ?

2- Lumière émise par un tube à hélium On analyse la lumière émise par un tube à décharge électrique contenant de l’hélium sous faible pression. CR : Les spectres observés sont-ils continus ou discontinus ? Quelles sont les couleurs des principales raies d’émission observées ?

3- Lumière émise par un laser CR : Que pensez-vous de la lumière émise par un laser ? V/ Influence de la température du filament sur le spectre de la lumière émise par une lampe On augmente la température du filament d’une lampe. L’analyse du spectre émis par ce corps chaud en fonction de la température se fait grâce à un réseau. CR : Que constatez-vous au niveau du spectre lorsque la tension d’alimentation diminue, entraînant une diminution de la température du filament ?

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Annexe B2 : Document disposé sur chaque poste lors du TP tournant I/ Réfraction avec la lumière blanche

1- avec l’hémicylindre Alimenter la lampe sous 6V et ne placer aucun filtre après la fente d’où sort le faisceau lumineux. L’analyse de la réfraction se fait donc en lumière blanche.

• Dioptre air/plexiglas. Placer l’hémicylindre tel que l’angle incident i1 = 70°. • Dioptre plexiglas/air. Placer l’hémicylindre tel que l’angle incident i1 = 40°.

2- avec le prisme

Remplacer l’hémicylindre par le prisme. CR : - Dans chacun des 3 cas, schématiser ce que l’on observe.

- Quelle est la couleur la plus déviée ? La moins déviée ? - Sachant que la couleur de la lumière influe sur l’indice du plexiglas, l’indice de réfraction pour la

lumière bleue est-il plus grand ou plus petit que celui pour la lumière rouge ?

III/ Etude de spectres d’absorption

• Brancher le rétroprojecteur et placer sur la vitre un cache cartonné présentant une fente qui laisse passer la lumière.

• Régler la hauteur de la lentille pour avoir une image nette de la lentille sur le mur. • Pour analyser la lumière la lumière blanche de l’image de la fente sur le mur, placer sur la

lentille un réseau de 140 traits par mm. Orienter les traits pour que la dispersion de la lumière se fasse horizontalement.

• Dans une boite de Pétri, verser une petite quantité d’une solution de dichromate de potassium.

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• Placer cette boite de Pétri sur la vitre du rétroprojecteur. On observe alors sur le mur le spectre de la lumière transmise par la solution.

CR : - Le spectre observé est-il continu ou discontinu ?

- Quelles sont les principales couleurs absorbées par la solution de dichromate de potassium? Quelle est la couleur de la solution ?

- Mêmes questions pour une solution de permanganate de potassium.

II/ Décomposition de la lumière blanche

1- Par un prisme On réalise le montage suivant :

• Placer très près de la lanterne la fente fine et verticale. Elle doit être bien éclairée. • Déplacer la lentille pour obtenir une image nette de la fente sur l’écran. • Placer le prisme sur le trajet du faisceau lumineux et observer le spectre de la lumière

blanche sur l’écran qu’il faut déplacer. • Faire pivoter le prisme autour de l’axe vertical afin d’être au minimum de déviation

angulaire de la lumière. C’est dans ce cas que l’observation est la meilleure. CR : - Le spectre observé est-il continu ou discontinu ?

- Citer les principales couleurs du spectre (6 ou7). - Quelle est la couleur qui subit la plus forte déviation angulaire ? La plus faible ?

2- Par un réseau

Un réseau est un ensemble de fentes microscopiques, parallèles et serrées les unes contre les autres à raison de plusieurs dizaines ou centaines sur 1 mm de largeur. On utilisera lors de ce TP un réseau à 140 traits au mm.

• Dans l’expérience précédente, on remplace le prisme par un réseau. L’observation se fait alors sur l’écran placé dans l’axe du dispositif.

• Mettre la fente fine et verticale juste devant la lanterne et déplacer la lentille pour obtenir une image nette de la fente sur l’écran.

Source

L1

L2 prisme

E1

E2

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• Placer un réseau à 140 traits au mm sur un support. Les traits sont verticaux. Intercaler le réseau entre la lentille et l’écran.

CR : - Combien de spectres observés vous sur l’écran ? Sont-ils tous identiques ? Comment sont-ils

disposés par rapport à ce que subsiste de l’image de la fente ? - Pour un spectre donné, quelle est la couleur angulairement la plus déviée ? La moins déviée ? - Comparer avec la dispersion de la lumière blanche avec un prisme. IV/ Etude de spectres d’émission

1- Lumière émise par une lampe à vapeur de mercure

• Devant la lampe à vapeur de mercure mise sous tension depuis quelques minutes, placer une fente réglée fin et bien éclairée dans sa région centrale.

• Entre la fente et l’écran, intercaler une lentille convergente afin d’obtenir sur l’écran une image bien nette de la fente.

• Interposer alors sur le trajet de la lumière un réseau à 140 traits par mm. Placer les traits pour que la dispersion de la lumière se fasse horizontalement.

CR : Les spectres observés sont-ils continus ou discontinus ? Quelles sont les couleurs des principales raies d’émission observées ?

2- Lumière émise par un tube à hélium

• On analyse la lumière émise par un tube à décharge électrique contenant de l’hélium sous faible pression.

• Placer la fente le plus près possible de la source lumineuse. • Se reculer d’un mètre environ dans l’axe du dispositif et regarder la fente au travers d’un

réseau à 140 traits par mm tenu à la main devant l’un des yeux. CR : Les spectres observés sont-ils continus ou discontinus ? Quelles sont les couleurs des principales raies d’émission observées ?

3- Lumière émise par un laser

******** NE PAS REGARDER LE LASER DIRECTEMENT *******

• Le faisceau cylindrique du laser est très fin. L’observation se fait en interposant simplement le réseau à 140 traits par mm entre le laser et le mur.

CR : Que pensez-vous de la lumière émise par un laser ? V/ Influence de la température du filament sur le spectre de la lumière émise par une lampe

• On dispose d’un projecteur de diapositives et d’une fente introduite dans le logement photo de l’appareil. Cette fente transmet la lumière émise par le filament de la lampe à incandescence qui équipe le projecteur.

• Régler l’objectif pour obtenir une image nette de la fente sur l’écran.

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• Placer devant l’objectif un réseau à 140 traits par mm monté sur support. Les traits sont parallèles à la fente, c’est-à-dire verticaux.

• ****** NE JAMAIS DEPASSER 110 V ****** La tension délivrée par l’alternostat qui alimente le projecteur est affichée sur l’écran d’un

voltmètre. CR : Que constatez-vous au niveau du spectre lorsque la tension d’alimentation diminue, entraînant une diminution de la température du filament ? L’observation présente un intérêt maximum lorsque la tension d’alimentation du projecteur chute progressivement de 110 V à 0 V. Attention : Faites bien la distinction entre l’intensité lumineuse du spectre observé et son étendue chromatique. Ce qui nous intéresse, c’est l’étendue spectrale de la lumière émise en fonction de la température du filament.

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Annexe B3 : Quelques réponses au questionnaire distribué à la fin du TP tournant

1) Pensez-vous avoir compris toutes les manipulations réalisées ? 2) Avez-vous aimé travailler seul, en autonomie ? 3) Est-ce que vous auriez préféré que je sois plus là pour vous aider ? 4) Est-ce que vous auriez préféré avoir une explication orale des manipulations à réaliser ? 5) Que pensez-vous de ce type de TP dit « tournant » par rapport à un TP « classique » ?

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Annexe C1 : Document élève lors du TP top

Petit problème de dénombrement….

Matériel : Balance ; éprouvettes graduées ; burette graduée ; bécher ; pied à coulisse ; règle Données : Masse d’un neutron : mn = 1,68 x 10-24 g. Masse d’un proton : mp = 1,67 x 10-24 g. Masse d’un électron : me = 9 x 10-28 g.

atome Hydrogène H

Oxygène O

Fer Fe

Aluminium Al

Z 1 8 26 13 A 1 16 56 27

Déroulement de la séance : Vous travaillez en binôme. Vous proposerez des protocoles expérimentaux au professeur qui les validera ou non. Une fois validé, vous pourrez réaliser l’expérience. Si vous êtes bloqués dans vos raisonnements, vous avez droit à des jokers (donnés par le professeur). Vous devez rédiger un CR dans lequel vous expliquez très précisément votre protocole expérimental, vos calculs et vos résultats. I/ Quel est le nombre de molécules dans une goutte d’eau ? Proposer un protocole expérimental pour déterminer le nombre de molécules d’eau dans une goutte d’eau. II/ Quel est le nombre d’atomes dans un cm3 d’aluminium ? Vous disposez d’un cylindre en aluminium. Proposer un protocole expérimental pour déterminer le nombre d’atomes d’aluminium dans 1 cm3 d’aluminium. III/ Quel est le nombre d’atomes dans un cm3 de fer ? Vous disposez d’un écrou en fer. Proposer un protocole expérimental pour déterminer le nombre d’atomes de fer dans 1 cm3 de fer.

Annexe C2 : Jokers du TP top Joker 1 : Calcule la masse d’une molécule d’eau (H2O). Joker 2 : Détermine expérimentalement la masse d’une goutte d’eau. Tu as une balance à

disposition. Joker 3 : Quelle est la relation entre la masse d’une goutte d’eau et la masse d’une molécule

d’eau ? Joker 4 : Calcule le volume du cylindre. Joker 5 : V(cylindre) = L × πR². Tu as un pied à coulisse à disposition. Joker 6 : Détermine expérimentalement la masse du cylindre. Tu as une balance à disposition. Joker 7 : Calcule la masse d’un atome d’aluminium. Joker 8 : Mesure expérimentalement le volume de l’écrou. Tu as une éprouvette à disposition.

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Annexe D1 : Document élève du TP assisté sur ordinateur

Etude de satellites Objectifs : Déterminer les conditions pour qu’un satellite soit mis en orbite Donner les caractéristiques du mouvement d’un satellite en orbite L’étude du mouvement de satellites sera réalisée durant cette séance avec le logiciel Kepler (dans le répertoire Physique). I/ Satellite en orbite autour de la Terre Dans cette partie, on lance un satellite à 1000 km d’altitude de la Terre en choisissant la vitesse de lancement. Dans le logiciel Kepler, taper 1 Déplacer la flèche sur Terre puis entrée. Pour obtenir des trajectoires, vous devez compléter les champs proposés. Exemple : altitude h (km) = 1000 puis entrée vitesse initiale (km/s) = 0 puis entrée inclinaison = 0 puis entrée Pour changer la vitesse, vous devez choisir autres trajectoires : taper sur la touche espace jusqu’à voir apparaître Autre trajectoire : N, taper N puis la vitesse désirée et l’inclinaison, toujours nulle. Les valeurs entrées s’inscrivent en haut à gauche de l’écran. CR :

1- Compléter le tableau A. Tableau A : Variation de la vitesse de lancement pour un satellite lancé à 1000 km de la Terre

Vitesse initiale (km/s) Nature du mouvement 0

2

4

6

8

20

2- Conclusion : Pour une altitude fixée, toutes les vitesses conviennent-elles pour satelliser

un corps ? II/ Satellite en orbite circulaire autour de la Terre Dans cette partie, on cherche à obtenir une trajectoire circulaire pour un satellite lancé à différentes altitudes de la Terre. Attention : Le logiciel vous indique la distance r telle que r = rTerre + h avec rTerre = 6370 km. Pour changer les altitudes et obtenir les caractéristiques du mouvement circulaire du satellite, faire echap puis dans choix, taper 1. Déplacer la flèche sur Terre puis entrée. Pour obtenir des trajectoires, vous devez compléter les champs proposés. Exemple : altitude h (km) = 1000 puis entrée vitesse initiale (km/s) = 2 (par exemple) puis entrée inclinaison = 0 puis entrée

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Pour obtenir une trajectoire circulaire, taper sur espace jusqu’à voir apparaître Trajectoire circulaire : C, taper alors C, et le logiciel indique les caractéristiques du mouvement circulaire à l’altitude choisie. Pour tracer la trajectoire circulaire à d’autres altitudes, faire autres trajectoires T et entrer :

l’altitude du satellite h désirée puis entrée v = 0 puis entrée inclinaison = 0 puis entrée

Taper C pour obtenir les caractéristiques du mouvement. CR :

3- Compléter le tableau B. Tableau B : Caractéristiques d’une trajectoire circulaire d’un satellite lancé à différentes altitudes de la Terre Altitude h (km) 1000 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

Vitesse (km/s)

Période T (h)

Distance r (km)

4- Tracer la vitesse v en fonction de h. 5- Sur la même feuille, tracer la période T en fonction de h. 6- Comment évoluent la vitesse et la période en fonction de l’altitude ? 7- A partir du principe d’inertie, que pouvez-vous dire sur les satellites en orbite autour de

la Terre ? 8- Faire un schéma représentant la Terre, un satellite sur sa trajectoire circulaire.

Représenter également la force exercée par la Terre sur le satellite. III/ Application : les satellites géostationnaires Certains satellites utilisés en télécommunication sont dits géostationnaires. CR :

9- Que signifie géostationnaire ? 10- Quelle est la période d’un satellite géostationnaire ? 11- A quelle distance se trouve-t-il du centre de la Terre ? Vous répondrez grâce aux

graphiques tracés précédemment. 12- A quelle vitesse se déplace-t-il ?

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Annexe D2 : Exercice suivant le TP assisté par ordinateur La lune est le seul satellite naturel de la Terre. I/ Etude qualitative

1- Quel est le mouvement de la Lune dans le référentiel que vous préciserez ? 2- Faire un schéma avec la Terre, la Lune et la trajectoire de la Lune. 3- Rappeler le principe d’inertie. 4- D’après ce principe, que pouvez-vous dire sur les forces exercées sur la Lune ? 5- Comment expliquez-vous que la Lune ne s’écrase pas sur la Terre ?

II/ Etude quantitative Calculer la force d’interaction gravitationnelle exercée par la Terre sur Lune. Représenter cette force sur un schéma à l’échelle suivante : 1 cm pour 0,5×1020 N Données : MT = 5,98×1027 g

ML = 7,34×1025 g dT-L = 384 Mm G = 6,67×10-11 m3.kg-1.s-2

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Bibliographie

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Bibliographie

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3. Daugeard, C. Animation et dynamisation de la classe ; SCEREN,CRDP Bourgogne :Belgique, 2002.

4. Astolfi, J. P. Cahiers pedagogiques 2000, 386, 17.

5. Orange, C. Cahiers pedagogiques 2002, 409, 19.

6. Giordan, A. Une didactique pour les sciences experimentales ; Belin : France, 2004.

7. Courtillot, D. ; Ruffenach, M. Enseigner les sciences physiques ; Bordas pedagogie :France, 2005.

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Quelques pratiques pour aborderl’enseignement experimental en sciences physiques

Resume

Ce memoire traite le probleme du choix entre certaines pratiques pedagogiques utili-sables lors des seances de travaux pratiques. Les competences a transmettre peuvent etredisciplinaires ou transversales, experimentales ou theoriques. Quelques methodes pedago-giques, choisies en fonction des objectifs fixes par l’enseignant, sont presentees en tentantd’en degager les avantages et les inconvenients.

Mots clefs

Travaux pratiques, demarche d’investigation, simulation, apprentissage experimental, com-petence transversale

Etablissement : Lycee Montchapet, Dijon

Niveau de la classe prise en charge : seconde