Simulation et polarité d'une molécule

Travail du groupe Marilyn , Serge et Xavier

A. Introduction

Nous travaillons tous les trois au Collège de Genève, mais dans des établissements différents. Cependant nos programmes sont quasi-similaires. Nous avons tous des élèves de première année gymnasiale et nous avons donc l’opportunité d’introduire des mêmes séquences et des mêmes simulations lors de scénarios pédagogiques proches (et cela même si le déroulement ne s’effectuera pas dans la même période de l’année). Il est important de noter qu'une classe de chimie est composée de 12 ou 16 élèves au maximum (selon le collège) 


B. Contexte et objectif pédagogique

Nous avons tous des modèles mentaux plus ou moins fonctionnels. Ceux des élèves sont souvent basés sur leur expérience de la vie de tous les jours et ne peuvent pas être considérés comme totalement faux puisqu'applicables à certaines situations données. Il faut alors aider les élèves à transformer leurs modèles. Pour ceci, les simulations et l'expérience au laboratoire nous ont paru de bonnes confrontations, propices à l'évolution des modèles des élèves avec, comme point de départ, leurs propres modèles afin de les déconstruire si besoin pour reconstruire ensemble le modèle à institutionnaliser.

Les chimistes que nous sommes savent que les propriétés de la matière observées macroscopiquement découlent des propriétés des objets microscopiques. Ceci n'est pas évident pour les élèves et nous avons vu en atelier, qu'il peut y avoir une confusion entre les propriétés de la matière au niveau macroscopique et au niveau microscopique : les propriétés de la matière peuvent aller jusqu’à l’atome lui-même. De plus, il apparaît (http://amasci.com/miscon/energ1.html ou lors de questions préliminaires informelles avec nos élèves) que la notion de charges est mal comprise par les élèves et parfois est vue comme une énergie (de l’ordre du « sur-naturel ») dans la vie quotidienne des élèves. Par exemple,  ces derniers ont déjà été confrontés à des phénomènes impliquant l’électricité statique (apparitions courantes comme le pull-over retiré qui claque, le plastique protecteur du bouchon ou l’étiquette d’une bouteille en plastique, une brosse dans les cheveux, des tours de magie ou encore des émissions de télévision), sans que celle-ci soit expliquée scientifiquement.

Nous désirons affranchir les élèves avec la notion obstacle de polarité des molécules. Constatant que la détermination de la polarité d’une molécule par les élèves est difficile, certains  enseignants emploient les mathématiques vectorielles pour déterminer (moment dipolaire) si une molécule est polaire ou apolaire - ce qui ajoute, à notre avis, un niveau supplémentaire de complexité. Mais, il nous semble que le problème provient du fait que la notion de polarité implique celle de charges sur des particules.

Dans ce contexte, nous supposons que les interactions et usages des simulations peuvent aider l'élève à se représenter les charges non pas comme un ensemble abstrait de signes + ou de – flottants dans le vide mais comme  des objets chargés. Ceci implique l'emploi du modèle moléculaire, et la représentation mentale que les élèves s'en font est capitale.


C. Problématique

Dans ce contexte, notre problématique est : « Comment combiner l'usage des simulations et du laboratoire en cours de sciences pour faire évoluer les modèles des élèves vers le modèle à institutionnaliser? ».


D. Simulations et expérience

Nous allons utiliser deux simulations différentes. La première permet de faire le lien entre charges et électricité statique et la seconde de représenter les différents dipôles de diverses molécules tout en montrant que les charges sont portées par des atomes.


D.1 Simulation 1: Ballons et électricité statique (http://phet.colorado.edu/fr/simulation/balloons)

L’élève peut saisir virtuellement le ballon et le frotter sur le pull. Le ballon acquiert alors des charges négatives. Il est donc possible de le coller sur le mur de droite ou alors de montrer que libre et à proximité du pull, il est attiré par ce dernier.  

Un bouton « au secours » peut être activé (puis désactivé) pour indiquer à l’utilisateur que le ballon peut être approcher du mur ou frotter contre le pull. Une fois la surface du ballon chargée suite à son frottement contre le pull (des charges négatives apparaissent sur le ballon et un défaut de charges négatives est à noter sur le pull), et si la distance entre le ballon et un second objet (pull ou mur) est assez petite, le ballon peut être attiré vers lui. 

Un second ballon peut être ajouté à la simulation. Ce second peut également se charger négativement. Un premier ballon peut déplacer un second ballon par répulsion électrostatique. Deux options (« monter la différence de charge » et « ignorer la charge initiale du ballon » favorisent la compréhension de l’acquisition des charges négatives du ballon.


D.2 Simulation 2: Polarité de la molécule (http://phet.colorado.edu/fr/simulation/molecule-polarity)

Il existe 3 onglets dans cette simulation : 

1) Dans le premier onglet, 2 atomes d'éléments non définit composent une molécule. Il est possible de jouer sur l’intensité du dipôle de la liaison en faisant varier l'électronégativité des atomes. D’autres options sont possibles comme par exemple afficher les charges partielles, la densité des électrons et de placer la molécule dans un champ électrique.

La simulation est en 2 dimensions. La molécule est parallèle au plan de l’écran. Des trapèzes gris symbolisent des plaques électriques, dans une position perpendiculaire au plan de l’écran. La molécule est placée entre les deux plaques. Les atomes (d'élément A, B ou C) sont symbolisés par des cercles de couleurs (différentes selon l’atome A, B ou C). La taille des atomes est fixe et identique. La longueur de liaison est fixe. Un élève peut saisir la molécule et l’orienter à volonté selon un axe de rotation fixe, perpendiculaire au plan de l’écran. En arrivant dans cet onglet, l’atome A a une électronégativité minimum et l’atome B a une électronégativité moyenne. Tous deux forment une molécule dont la liaison est par défaut orientée à 90° par rapport aux plaques électriques. 

Par défaut : i) le champ électrique n’est pas activé ; ii) l’option de la visualisation des charges partielles et de la densité des électrons ne sont pas activées mais celle iii) du dipôle de la liaison l’est.

 

2) Dans le deuxième onglet, les mêmes fonctionnalités qu’auparavant sont disponibles sauf celle de l’affichage de la densité des électrons. Mais avec trois atomes, il est possible de jouer sur la géométrie de la molécule et d’afficher le dipôle moléculaire.


Le troisième onglet regroupe différentes fonctionnalités des deux premiers onglets avec 19 molécules réelles. La molécule est en 3D, au détriment des plaques électriques pouvant créer un champ électrique. 



Il est important de noter ici que quel que soit l’onglet choisi, un bouton « tout remettre à zéro» peut être activé pour revenir à la situation par défaut de l’onglet sélectionné.

D.3 Laboratoire filet de liquide 

Lorsqu'une baguette en plastique est frottée contre un coupon de soie, elle gagne de nombreux électrons à la surface et acquiert des charges électrostatiques négatives. La molécule d’eau possède une forte inhomogénéité dans la répartition des charges électriques et présente donc des caractéristiques polaires et une constante diélectrique élevée. En approchant la baguette en plastique chargée du filet d’eau, les atomes d’hydrogène de la molécule d’eau, chargés positivement, se positionnent en direction de la baguette. Les charges opposées s’attirent et le filet d’eau est dévié de sa trajectoire.



Puis, l'expérience est répétée, mais en remplaçant l'eau, par du pentane. La molécule de pentane ne possède pas une forte inhomogénéité dans la répartition des charges électriques. La molécule est apolaire, la constante diélectrique est faible, le filet de pentane n'est pas dévié dans sa trajectoire à l'approche de la baguette chargée. 

E. Scénarios

Pour déterminer dans quel ordre il est plus profitable de combiner expérience au laboratoire et usage de simulations, nous testons deux combinaisons possibles : labo/simulation et simulation/labo. Par la suite, un second laboratoire (appelé "Néocolor") en démonstration sur la notion de polarité, nous permettra de vérifier la compréhension et l'intégration du modèle scientifiquement admis par les élèves. Et finalement une question ciblée lors du test de chimie, plusieurs semaines après cette séquence mettra en évidence ce qui est vraiment resté comme modèle auprès des élèves.

Deux scénarios ont été imaginés et affinés au fur et à mesure. Pour chaque scénario, les élèves ont été averti que le but des différentes activités des 90 prochaines minutes permettraient de comprendre les raisons qu'un mince filet de liquide soit dévié ou non par une baguette en plastique, sans que celle-ci ne le touche. De plus, quel que soit le scénario adopté, il a été communiqué aux élèves qu'à chaque instant de la séquence, ils auraient la possibilité d'améliorer les réponses faites lors de l'activité précédente (favorisation des allers-retours).


E.1 Scénario 1(Simulations/Labo):

De façon individuelle, pendant 45 minutes, chaque élève répond au questionnaire associé aux deux simulations de façon autonome (20 minutes) puis confronte ses réponses avec son binôme de laboratoire (25 minutes). Les mêmes binômes que ceux formés pour les laboratoires ont été formés après 20 minutes. Les collaborations entre binômes n’ont pas été empêchées, comme dans une expérience de laboratoire. L'enseignant circule dans la salle de façon à répondre aux questions techniques et on peut donc estimer que l’enseignant en classe « n’a quasiment pas de rôle » [Lombard, chapitre 8, 2012]. L'enseignant veille à ne pas influencer les hypothèses et à encourager leur formulation détaillée. A la fin de cette première partie, les binômes doivent aboutir à la formulation d'hypothèses concernant le déroulement de l'expérience du filet d'eau/du filet de pentane.

Au laboratoire, chaque binôme effectue l'expérience et confronte ses hypothèses aux résultats expérimentaux en 45 minutes. Le laboratoire se termine par la reddition d'un "rapport" et d'un questionnaire par binôme.

La semaine suivante, une correction du laboratoire (filet de liquide) est proposée. La notion de polarité est clairement institutionnalisée. Une démonstration par l'enseignant du laboratoire "néocolor", reprenant le sujet de la polarité, est faite. Chaque élève doit alors, en devoirs pour la semaine suivante, proposer des réponses aux questions associées au laboratoire et les rendre, la semaine suivante, pour une évaluation formative. Dans la continuité du cours, l’enseignant peut faire une séquence de remédiation si le besoin se fait ressentir sur la base des évaluations formatives (labo « néocolor »). Un mois après, une question ciblée sur la polarité en lien avec la déviation du filet d’eau est proposée lors d’une évaluation sommative.

Expérience "néocolor":

L’absence de polarité du pentane le rend hydrophobe, c’est-à-dire immiscible à l’eau. A température ambiante, la masse volumique de l’eau est proche de 1.0. Dans les mêmes conditions, la masse volumique du pentane est proche de 0.7. Cette différence explique que la phase organique se trouve au-dessus de la phase aqueuse dans l’ampoule à décanter.

On ajoute des petits carrés de papier, dont une seule surface est noircie par du ocolor. Après agitation, la quasi-totalité de petits carrés se positionnent à l’interface pentane/eau selon l’affinité respective de chacune de leur surface : leur face « grasse » (couverte de ocolor) orientée vers le pentane et leur face « non-grasse » orientée vers l’eau.

Il peut exister une affinité non négligeable entre la surface nue polaire du papier et la surface polaire du verre de l’ampoule à décanter. Ainsi, quelques petits carrés adhèrent aux parois de l’ampoule à décanter, particulièrement dans la phase organique, la face nue hydrophile contre le verre et la face colorée hydrophobe contre le pentane. Après quelques minutes, les petits carrés de papiers ont tendance à sédimenter au fond de l’ampoule à décanter, car ils s’imbibent d’eau par leur face nue. 


E2. Scénario 2 (Labo/Simulations):

Pendant 45 minutes en salle de laboratoire, chaque binôme effectue le laboratoire, pose des hypothèses (comment est-il possible dévier le filet d’eau/de pentane ?), explique les phénomènes et répond aux questions sur la base de ses propres modèles. L'enseignant veille à ne pas influencer les hypothèses et à encourager leur formulation détaillée.

Puis, les 45 minutes suivantes se déroulent en salle informatique. Chaque élève répond au questionnaire associé aux deux simulations de façon autonome (25 min.)  puis confronte ses réponses avec son binôme de laboratoire (20 min.). L'enseignant circule dans la salle de façon à répondre aux questions techniques des élèves. A la fin de cette seconde partie les binômes doivent aboutir à la correction de leurs hypothèses de laboratoire s'ils en ressentent le besoin, et à la reddition du "rapport" et du questionnaire.

La semaine suivante, une correction du laboratoire (filet de liquide) est proposée. Une démonstration par l'enseignant du laboratoire "néocolor", reprenant le sujet de la polarité, est faite. Chaque élève doit alors, en devoirs pour la semaine suivante, proposer des réponses aux questions associées au laboratoire et les rendre, la semaine suivante, pour une évaluation formative. Dans la continuité du cours, l’enseignant peut faire une séquence de remédiation si le besoin se fait ressentir sur la base des évaluations formatives (labo « néocolor »). Un mois après, une question ciblée sur la polarité en lien avec la déviation du filet d’eau est proposée lors d’une évaluation sommative.


F. Conjectures

1.    Les allers-retours entre labo et simulation, quel que soit l'ordre, permettent l’évolution des modèles naïfs des élèves.

2.    L'ordre de combinaison simulation/labo est important et l'évolution des modèles des élèves est différente selon l'ordre de la séquence.

3.     La combinaison labo puis simulation permet de mieux faire ressortir les modèles préexistants et devrait aboutir à une meilleure compréhension du phénomène de polarité. 

 

G. Observables

Nous avons mis en place 6 observables :  

1.     Récolte des hypothèses écrites.

2.     Récolte des hypothèses écrites améliorées.

3.     Notes des rapports du labo.

4.     Observation de la participation et de l’autonomie des élèves en classe.

5.     Récolte des réponses liées à la démonstration « néocolor ».

6.     Questions liées à la polarité dans l'épreuve intermédiaire ou dans des exercices.

 

H. Analyses

H.1 Analyse du déroulement

a)  Scénario 1

Le scénario 1 (simulations/labo) a pu être réalisé dans sa globalité avec de grosses difficultés au niveau des timings. Lors des 45 premières minutes où les élèves sont en classe d’informatique, les élèves ont eu le temps de prendre en main la première simulation (ballons), ainsi que la deuxième simulation (polarité). 

Cependant, les élèves ont à peine eu le temps de répondre au questionnaire préparé par l’enseignant. Lors de la première phase de test du scénario 1, les élèves n’ont pas reçu les liens de simulation et le questionnaire à l’avance. Il a été observé que lorsque la simulation n’est pas donnée à explorer en devoir, il y a un moment où les élèves jouent avec les molécules ; ce qui leur fait évidemment perdre du temps. Comme il a été remarqué par le premier enseignant que les élèves n’avaient absolument pas le temps de formuler leurs hypothèses du laboratoire (peut-être parce que les élèves sont passés par une phase jeu), un deuxième enseignant a fait une première adaptation du scénario 1 en décidant de donner en devoir les deux simulations, et le questionnaire. Ainsi affranchi de la phase jeu, les simulations sont ensuite reprises en classe avec l’enseignant qui peut aider les élèves qui ont été bloqué par des aspects techniques ; et déterminer si certains élèves qui auraient déjà rempli le questionnaire, ont été complètement autonomes. L’adaptation a permis d’avoir du temps pour la formulation des hypothèses du laboratoire.

Dans tous les cas, le déroulement du laboratoire a pu se faire normalement en deuxième heure du scénario 1 en respectant un timing de 45 minutes (pour le scénario 1, il a été nécessaire de déborder sur la grande pause). Les élèves ont compris qu’il fallait frotter la baguette pour dévier le filet d’eau et ils se sont montrés relativement autonomes lors de cette phase de travail.

 

b) Scénario 2

Lors la première étape du scénario 2 (laboratoire), bien que les élèves n’avaient pas vu les simulations (et plus particulièrement celle avec les ballons), ils ont trouvé relativement rapidement avec le matériel à disposition qu’il fallait frotter la baguette pour avoir de l’électricité statique et réussir ainsi à dévier le filet d’eau. Il n’a pas pu être empêché que certains élèves aient regardé ce que faisaient les autres groupes. Les élèves ont donc tous réussi à faire leur laboratoire dans le temps imparti, plutôt de manière autonome.

La deuxième heure s’est déroulée en salle d’informatique sur les simulations. Comme pour le scénario1, il fût difficile de passer en 45 minutes les deux simulations avec le questionnaire. Néanmoins, les élèves ont pu prendre 10-15 minutes sur la grande pause pour pouvoir revenir sur leurs hypothèses et pouvoir ainsi espérer augmenter leurs notes.


c) Conception du scénario 3 et analyse de son déroulement

De par les premiers résultats obtenus de deux des enseignants, de par la discussion avec M. Lombard, ainsi que par les apports de l’atelier MITIC du 6 mars 2013 et pour affiner l'étude de la première conjecture, le scénario 3 a pris naissance au sein de notre groupe.


Conception du scénario 3 (Simulation/Labo/Simulation):

Les élèves ont été invités à visiter la simulation 1 et à écrire un petit texte qui explique ce qu’on peut tirer de cette simulation. Il leur a également été demandé en devoir en guise de préparation au laboratoire de répondre à la question "Pourquoi l’eau et l’huile ne se mélangent pas ?". Cette question a été introduite car elle nous semblait d'une part plus authentique (plus de sens par rapport à la vie de tous les jours); de plus une préparation à la maison, intègre la question dans un contexte de vie quotidienne. D'autre part, elle maintiendrait les élèves en haleine sur toute la durée de la séquence.

 

 

Les 45 premières minutes sont au laboratoire (comme pour le scénario 2), un binôme effectue le laboratoire, pose des hypothèses (comment est-il possible dévier le filet d’eau/de pentane ?), explique les phénomènes et répond aux questions sur la base de ses propres modèles. L'enseignant adopte la même posture que dans les scénarios précédents. 

Les 45 minutes suivantes se déroulent en salle informatique. Chaque élève répond au questionnaire associé à la simulation 2 en confrontant directement ses réponses avec son binôme de laboratoire. L'enseignant circule dans la salle de façon à répondre aux questions techniques des élèves. A la fin de cette seconde partie les binômes doivent aboutir à la correction de leurs hypothèses de laboratoire s’ils en ressentent le besoin, et à la reddition du "rapport" et du questionnaire.

Comme pour les scénarios 1 et 2, la semaine suivante, une correction du laboratoire (filet de liquide) est proposée. Une démonstration par l'enseignant du laboratoire "néocolor", reprenant le sujet de la polarité, est faite. Sous forme de discussion, l’enseignant s’assure de la compréhension de la démonstration par l’ensemble de la classe et revient sur la question initiale "Pourquoi l’eau et l’huile ne se mélangent pas ?", afin de voir l’évolution de leur modèle après la séquence. L’enseignant n’ayant la possibilité de tester leurs connaissances par une épreuve sommative avant le 24 avril 2013 avait introduit quelques questions supplémentaires sur le questionnaire de la simulation 2 (polarité) et a préparé une série d’exercices, afin de cerner le degré de compréhension des élèves sur le sujet.


Analyse de son déroulement:

Tous les élèves qui avaient fait la préparation du laboratoire en devoir ont trouvé quasi immédiatement qu’il fallait frotter la baguette pour obtenir de l’électricité statique et ainsi dévier le filet d’eau. Les quelques binômes constitués d’élèves qui n’ont pas rendu les devoirs ou qui ont rendu une feuille vierge ont pris plus de temps et y sont finalement parvenus… en regardant ce que faisait les autres groupes. Il nous semble flagrant au sein d’une même classe de voir que tous les élèves qui avaient vu la simulation ont développé une plus grande autonomie au laboratoire. Le laboratoire a pu se faire dans le temps imparti.

En ayant donné la simulation des ballons à l’avance et n’ayant plus que la simulation de la polarité à aborder en salle informatique, les élèves ont eu le temps de répondre à tout le questionnaire, même rallongé de quelques questions. Il est vrai que l’enseignant avait pris le soin de préparer la salle informatique (allumer les PC, lancer les applications et placer les questionnaires aux postes). Ils avaient tous l’occasion d’apporter des précisions sur le laboratoire pour améliorer leurs notes, mais seuls 1 ou 2 groupes l’ont fait sur l’ensemble des 4 classes.


H.2 Vérification des conjectures:

a) Scénarios 1 et 2

En comparant les modèles des élèves avant et après la séquence il est évident qu’il y a eu une évolution (conjecture 1). Après une séquence, les schémas étaient plus détaillés et contenaient moins d’erreurs. Avant la séquence, il est constaté d'une manière générale que les élèves proposent des schémas sans détails en mettant au mieux uniquement des charges + et - dans le filet d'eau (image ci-dessous);

alors qu'ils ont tendance à développer les molécules après la séquence entière. Ci-dessous un exemple du schéma produit par un binôme d'élèves en début de séquence et le schéma final corrigé et détaillé. Il est clair que dans le premier schéma ci-dessous les élèves ne savent pas comment représenter le phénomène observé. Seul un "gribouilli" ondulé représente l'électricité statique. Après la séquence et avec correction le schéma comporte les électrons et les molécules d'eau correctement orientées, il y a bien eu évolution.


  Dessin d'un groupe au début de la séquence (S2)    


 Dessin du même groupe à la fin de la séquence
(S2)

 

Une grande majorité des élèves a réussi à représenter les phénomènes microscopiques invisibles liés à l’expérience de façon précise et en se basant sur les modèles institutionnalisés. Les bons résultats au laboratoire le confirment (5.3 en moyenne). En réalité, comme le précise la littérature [X. Zou, chapitre 2, 2000], il existe des représentations multiples d’une situation problème, trois niveaux sont distingués : le schéma descriptif, le diagramme et les équations associées.

Il nous semble en déduire ici que les allers/retours entre la simulation et l’expérience permettent aux élèves de faire le lien entre ces multiples représentations. Ils arrivent à comprendre comment passer de l’une à l’autre. La simulation tient un rôle clé dans ce processus, c’est par elle que les élèves visualisent le modèle à institutionnaliser et arrivent à se représenter au niveau moléculaire les expériences observées au laboratoire (lien entre le visuel/descriptif et le modèle/représentatif).

En ce qui concerne l’ordre de la séquence simulation/laboratoire, nous avons effectivement constaté des différences. A court terme, comme à long terme, le scénario 2 (laboratoire avant simulation) a permis aux élèves d’avoir de meilleurs résultats.

 

MOYENNES

Scénario 1

Scénario 2

Labo

5.1

5.5

Epreuve

4.5

5.0

 

Qui plus est, cet ordre-ci, permet de faire émerger concrètement les modèles préexistants des élèves et leurs préconceptions, car ils sont amenés à poser des hypothèses sur la base uniquement de leurs connaissances préalables. Le scénario 1 montre que le fait de commencer la séquence par la simulation, tel que nous l’avons fait, ne passe pas du tout par cette étape. Les élèves viennent  directement calquer le modèle visualisé par la simulation sur les leurs, sans faire émerger concrètement leurs préconceptions. L’adaptation du modèle se fait « inconsciemment » il n’y a pas de confrontation directe de leur modèle avec celui à institutionnaliser. Et, en sachant que les adolescents apprennent beaucoup par essai et erreur, et en observant avec quelle liberté ils ont posé leurs hypothèses naïves pendant le scénario 2 (contrairement au scénario 1), c’est donc l’ordre laboratoire puis simulation qui est le plus efficace pour répondre à notre problématique (conjectures 2 et 3). L’évolution et la permanence des modèles y est plus importante.

 

Comparaison à court terme:

 Hypothèse de départ d'un groupe S1                                      

 Hypothèse de départ d'un groupe S2

Ci-dessus on constate la différence d'hypothèses de départ entre le scénario 1 et 2. La première image montre que les élèves font directement apparaître les charges et les molécules tandis que les élèves du scénario 2 ont plutôt tendance à représenter le phénomène naïvement, sans charge, avec des trait-tillés et sans le détail moléculaire. On voit des erreurs dans le schéma 1 (charges) mais surtout on voit l'influence du modèle présenté par la simulation et calqué sur l'expérience de laboratoire. Les hypothèses finales et les rapports de laboratoire sont à l'avantage du scénario 2 même s'il y a eu de très bons travaux comme de très mauvais dans les deux cas. On ne parle ici que de la tendance générale.

Comparaison à moyen terme:

Après la correction de la séquence laboratoire et simulation (scénario 1 ou 2), il est observé que les classes montrent une compréhension quasiment équivalente sur la démonstration "néocolor"; et cela peu importe qu'il ait suivi le scénario 1 ou le scénario 2.


Comparaison à long terme:

Les résultats de l'épreuve ont été assez différents selon le scénario. En effet, l'ancrage du modèle chez les élèves ayant eu la séquence commençant par la simulation semble moins bon. On constate un "retour en arrière" et leur modèle naïf ne semble pas avoir été déconstruit puis reconstruit selon le modèle voulu. La plupart des élèves du scénario 1 ont alors confondu liaison polarisée et molécule polaire et la représentation modélisée de la polarité n'a pas été bien intégrée. Comme nous le montre les images suivantes, la majorité des élèves du scénario 1 se sont contentés de regarder la nature de la liaison pour déterminer la polarité de la molécule alors que pour les élèves du scénario 2 un schéma détaillé avec modélisation moléculaire était souvent présent. Qui plus est la notion de charge et le fait qu'elle soit portée par une particule a été mieux compris lors du scénario 2.

Epreuve (S1)

Epreuve (S2)


Malgré tout, une question supplémentaire se pose maintenant. Qu’en serait-il d’un scénario qui ferait précéder la simulation par une phase de questionnement (débat) des élèves sur leurs modèles préexistants ? N’existe-t-il pas d’autre moyen de faire émerger ces modèles que la confrontation à l’expérience ? Il a en effet été montré à plusieurs reprises que la confrontation aux faits réels est une bonne méthode de déséquilibration afin de mener à la rééquilibration [M. Baser, 2006]. Mais ce n’est sûrement pas la seule, et pour aller encore plus loin, il conviendrait d’essayer le débat, par exemple.


b) Scénario 3

Notre conjecture 1 stipule que les allers-retours entre simulation et laboratoire permettent l’évolution des modèles des élèves. Notre réflexion nous amène à un prolongement de la conjecture 1 : un maximum d’allers-retours pourrait faire gagner en efficacité sur l’évolution de leurs modèles (scénario 3). La question de l'eau/huile fait immerger des premières préconceptions des étudiants sur le fait qu'il s'agit d'une question de densité ou du fait que ces molécules n’ont pas d’électron célibataire et donc qu’elles ne peuvent se mélanger. En effet, une forte proportion (plus de 75% des élèves) a avancé l’hypothèse de la densité :

 



Préconception sur les électrons célibataires :

 

Contrairement au scénario 2, les élèves du scénario 3 n’ont pas choisi d’apporter des modifications sur leurs réponses au laboratoire. Ne l’ont-ils pas fait pour partir à l’heure ou leurs réponses leur convenaient-ils vraiment ? Ont-ils tous pensé que le modèle qu’ils proposaient était correct ? Si une plus de la moitié des rapports étaient effectivement bons avec un schéma clair et qu’ils ne nécessitaient pas de retour, les rapports restant en auraient eu besoin.

Exemple d’un bon schéma

 

Exemple d’un modèle incomplet

 

Après toute la séquence du scénario 3, soit après la démonstration "néocolor", l’ensemble des élèves ont compris que l’eau et l’huile ont des polarités bien différentes et que cette propriété chimique explique la non-miscibilité entre les deux. Sur l’ensemble des 4 classes, seul un élève (pourtant normalement plutôt bon) est resté sur son modèle naïf et a encore répondu qu'il s'agissait d'une question de densité.

Hormis la question eau/huile, le scénario 3 diffère très peu du scénario 2, car la simulation ballon n'a pas été donnée en guise de préparation du laboratoire. La simulation ballon semble aider les apprenants à être plus autonomes au laboratoire et semble conduire une majorité d’élèves proche d’un modèle correct. Il est très difficile de savoir si pédagogiquement le scénario 3 est meilleur que le 2. Il n'y a effectivement pas encore eu l'épreuve sommative sur la polarité. On ne peut donc actuellement pas déterminer si le scénario 3 permet un meilleur (ou un moins bon) ancrage des notions que le scénario 2 (Baser 2006). Néanmoins, à court terme sur la série d’exercices, les élèves ont montré une grande compréhension en comparaison avec le CFPS (Centre de Formation Professionnelle Santé-Social), où cette série d’exercices avait également été donnée les années précédentes, mais sans un scénario simulation/laboratoire (conjecture 3). Une nouvelle problématique se pose : faut-il maximiser les allers-retours entre simulations et laboratoires ou alors est-il plus profitable à long terme d’avoir eu la possibilité de confronter l’élève à son modèle naïf et d’avoir fait un travail de rééquilibration ?


H.3 Pertinences et limites des simulations choisies :

Les deux simulations choisies sont très ciblées au chapitre du cours que l’on doit aborder en première année du Collège en chimie.

La première simulation a été choisie pour sa simplicité d’utilisation. Elle relie d’autant plus la vie quotidienne des élèves à un phénomène scientifique en offrant une représentation des charges impliquées dans ces phénomènes.

La seconde simulation a été choisie par la grande variété de fonctionnalités qu’elle offre et la possibilité de visualiser, selon les représentations scientifiques usuelles (charges, atomes, liaisons), des molécules réelles en structure tridimensionnelle; paramètre important quand il s’agit de déterminer la polarité.

Nous avons vu en ateliers qu’un élève peut interagir avec une simulation et avoir des nouvelles interactions avec le savoir à travers la simulation. Mais ces simulations ont été programmées par des individus. Dans ce contexte, on peut dire que, au moment de l’activité mettant en relation l’élève et la simulation, l’élève n’est pas seul devant son écran : un second enseignant, ou cyberprof, est présent dans la classe. Ce cyberprof apporte alors ses modèles, ses conceptions et ses objectifs d’enseignement. Ceux-ci ne sont peut-être pas en adéquation avec nos modèles, nos conceptions et nos objectifs d’enseignement. Ainsi, nous avons décidé de ne pas intervenir auprès de nos élèves pendant les activités MiTIC sinon pour répondre aux questions techniques dans le but de simplifier la relation savoir-cyberprof-élève. Cependant, à l’aide du questionnaire, nous étions quand même virtuellement là pour guider les élèves.

Les critiques (pertinences et limites) sur les deux simulations utilisées sont nombreuses :

Simulation 1:

Cette simulation, en deux dimensions, considère trois objets différent : i) pull ; ii) ballon et iii) mur. Par défaut, la simulation s’ouvre sur un fond blanc où les images réelles d’un pull et d’un ballon sont présentes. De plus, un mur (symbolisé par un rectangle jaune) est à droite de la fenêtre. Seul le ballon est mobile sur il est saisi par le pointeur de la souris. Nous avons regretté que deux niveaux de symbolismes soient ici confondus (image réelle et rectangle jaune).

La visualisation des charges (avec un troisième niveau de symbolisme : les symboles « + » et «-») peut être activée ou non. Par défaut, la simulation s’ouvre sur une visualisions des charges sur le pull et le mur. Dans un premier temps, la simulation nous a paru ludique et facile d’accès pour des élèves qui peuvent comprendre rapidement que l’on puisse saisir un ballon et le déplacer. Cependant, si le premier geste est le frottement du ballon sur le mur, le ballon reste collé contre le mur, mais les charges négatives n’apparaissent pas sur la surface du ballon. Cette différence de comportement nous a paru comme une erreur de programmation ou une volonté du cyberprof non décelé. Cependant, cette différence de comportement peut questionner/perturber les élèves.

Nous regrettons ici l’utilisation des trois niveaux différents de symbolismes. Nous regrettons également que le bouton « remise à zéro » permet uniquement de remettre le(s) ballon(s) dans une position initiale, mais que les options liées à la présence du second ballon, du mur et de la visualisation des charges ne soient pas également remis dans les conditions adoptées par défaut.

Nous regrettons que des comportements différents et étranges puissent être observés selon les situations. En effet, si l'approche d'un ballon d'un mur déplace les charges positives de celui-ci, son approche du pull ne les déplace pas. De plus, quand le mur n'est pas présent et qu'un second ballon est présent, l'un des deux ballons peut sortir du cadre de l'animation.

Simulation 2:

Au cours du premier semestre, certains modèles ont déjà institutionnalisés en classe (exercices, laboratoires et cours théorique). Ainsi, pour une molécule, le symbolisme de la formule brute (indice, coefficient et symbole de l’élément) et le modèle boule/bâton ont déjà été présentés et supposément connus des élèves. Nous partirons alors du principe que ces modèles permettent aux élèves de « voir » les molécules. La simulation « molecule-polarity » est très « ouverte » et l’élève peut aller dans n’importe quel sens et pour l’empêcher de se perdre, nous avons proposé un questionnaire que les élèves sont invités à remplir devant l’ordinateur.

Premier onglet (2 atomes) :

Nous avons particulièrement apprécié que le dipôle de la liaison (et de ce cas, le dipôle moléculaire), le potentiel électrostatique et la densité électronique soient fonction des électronégativités des atomes. Normalement, ces comportements sont connus des élèves et ces représentations sont alors pertinentes.

Au moment de l’activation du champ électrique, la molécule qui présente une liaison polarisée, se réoriente à angle droit aux plaques. Cependant, les élèves pourraient croire que la molécule se replace dans la position choisie par défaut. La vitesse de repositionnement est fonction de la grandeur du dipôle : plus le dipôle est grand, plus la vitesse est élevée. Si le dipôle est nul, la vitesse l’est également.

Nous regrettons que la possibilité de varier du champ électrique ne soit pas programmée. Il aurait peut-être facilitée la compréhension du lien existant entre champ électrique et charges de la molécule.

Deuxième onglet (3 atomes) :

Cet onglet est similaire au précédent, sinon que 3 atomes sont liés pour former une molécule (2 atomes ont l’électronégativité la plus basse possible par défaut). Nous regrettons que la visualisation des différentes surfaces ait été déprogrammée. Cependant, la visualisation par défaut du dipôle moléculaire permet de compenser ce manque si on admet, et que l'utilisateur arrive à faire le lien entre nuage électronique/densité et dipôle moléculaire et longueur du vecteur. Ceci nous paraît moins évident pour un élève de première année du collège. Il est également possible de faire varier l’angle formé entre les 3 atomes, ceci modifie également le dipôle moléculaire.

Troisième onglet (molécule réelle) :

Dans l’onglet « molécule réelle », la molécule peut cette fois-ci bouger dans les 3 dimensions. Ce troisième onglet présente des options similaires au premier onglet, mais deux différences sont à noter. Ainsi, il n’y pas de plaques électriques. Le dipôle moléculaire peut être visualisé. De plus, il a été décidé par le concepteur de la simulation que des étiquettes sur les atomes soient par défaut représentées (étiquette = symbole des éléments + numéro des atomes). La simulation présente alors des dangers de confusions. Les chiffres des étiquettes ne sont pas des coefficients, ni des indices et donc peuvent être sources de confusions importantes.

Exemples où le modèle proposé par la simulation prend le dessus sur le modèle déjà institutionnalisé (notation de Lewis):


Dans cet exemple ci-dessus, les atomes sont représentés sous forme de boule dans la formule développée et les atomes ont été numérotés (H2 qui peut être confondu avec la molécule de dihydrogène ou Cl2 qui peut être confondu avec le dichlore)


Dans cet exemple ci-dessus, les paires d'électrons (ne figurant pas dans la simulation) sont oubliées et des charges partielles apparaissent sur des liaisons (C-H) considérées comme non polarisées par l'enseignant.

I. Généralisation:

Malgré quelques problèmes de timing, le passage de cette séquence a été globalement satisfaisant. Et avec le recul, il convient de se demander ce qu’il faut en retenir. Premièrement, la combinaison entre la simulation et le laboratoire en cours de science donne des résultats positifs. Il convient néanmoins de bien préparer sa séquence, de réfléchir à l’ordre et aux nombres d’allers retours nécessaires en fonction du but voulu et en tenant compte du timing. Il ne faut pas oublier non plus de prendre en considération le facteur classe dans la planification. En effet, tous les groupes d’élèves ne sont pas aussi réceptifs à ce genre de séquence et selon les difficultés scientifiques ou même comportementales du groupe classe la séquence doit être adaptée.

Deuxièmement, le fait de faire émerger les modèles préexistants des élèves avant toute expérience ou séquence contenant des simulations, ou même avant tout nouveau sujet abordé quel que soit la forme d’enseignement utilisée, semble être une amorce idéale pour l’apprentissage des élèves. Comme nous l’avons détaillé plus haut, cela permet aux élèves de prendre conscience de leurs préconceptions, de leurs défauts comme de leurs avantages et l’évolution de leurs modèles mentaux n’en n’est que meilleure. Il apparait aussi que l’encrage des apprentissages en ressort amélioré, en vue des réponses des élèves aux questions de l’épreuve passée plusieurs semaines après la séquence.

Troisièmement, le fait de commencer une séquence pédagogique combinant expérience et simulation par l’expérience donne de meilleurs résultats, car les élèves confrontent directement leurs modèles à la réalité. L’adaptation ou rééquilibration est obligatoire car leur modèle est remis en cause concrètement. Ils voient, testent, éprouvent leurs hypothèses. Et l’authenticité de l’expérience permet aux élèves non seulement d’accepter la naïveté de leurs modèles, mais surtout d’intégrer les nouveaux paramètres et le modèle à institutionnaliser. Leur présenter directement une simulation sans laisser les élèves manifester leurs modèles préexistants revient à faire « entrer dans le moule » leur préconceptions et cela peut donner lieu à des modèles « hybrides » parfois efficaces mais différents du modèle voulu. Finalement, il est clair que l’utilisation de simulations dans une séquence pédagogique est plus que justifiée, mais ne se suffit pas en soi. L’organisation de la séquence en fonction de la simulation choisie et du but didactique envisagé est capitale. En cours de science, l’articulation laboratoire/simulation permet aux élèves de faire évoluer leurs modèles et aussi de faire les liens entre les différents niveaux de représentation microscopique, macroscopique et symbolique (équations).



J. Références bibliographiques

X. Zou, Multiple representations in student learning, Ohio State University, 2000

M. Baser, Students Understanding of Heat and Temperature Concepts, Journal of Maltese Education Research, Vol 4 n°1, 2006

F. Lombard, chapitre 8, 2012



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