Prédire en s'aidant d'une simulation de l'agitation moléculaire des gaz

Projet final : version 6 - La pression des gaz

Lien vers la présentation du colloque du 26 avril 2018 :

.ppt https://drive.google.com/open?id=1gQmaOA-W8AsAqXi-A6XN8G2bT2N2KEQ4

.pdf https://drive.google.com/open?id=1N4pIALGSEE7X_7BRP1RzsKFkWjlUyKgG


Contexte

Cours de physique 11e profil LS du cycle d'orientation sur le modèle moléculaire et plus particulièrement sur la pression. L'activité a été testée sur 20 élèves (dont 9 latinistes et 11 scientifiques). Dans le cadre de cette activité, je me suis limitée à l'effet du paramètre « densité de molécules de gaz » sur la pression (je ne parle pas de l’effet de la vitesse des molécules (température) sur la pression)

L'artefact qu j'ai utilisé se nomme "gaz Chauvet" et peut être trouvé à l'adresse suivante :https://www.epi.asso.fr/revue/articles/a0306d/Gaz_test_sans.htm

L’artefact « Gaz chauvet » est utilisé comme outil de validation des prédictions des élèves par rapport à une situation donnée. Il permet donc de tester des situations auxquelles nous n’avons pas accès en salle (se déplacer à la montagne, par exemple) ou que nous ne pouvons pas démontrer par manque de temps. Ainsi, il permet une augmentation des expériences pouvant être faites en une séance, avec tous les avantages qui s’y rapportent (répétition-entraînement, augmentation du nombre de conflits socio-cognitifs au sein du binôme, débats collectifs en classe sur les prédictions et sur les validations), qui sont autant de phases-clé augmentant l’implication des élèves, leur activité cognitive, leur motivation (élève acteur du cours) et donc qui peut avoir un effet positif sur leur apprentissage. Cet artefact au potentiel certain dépend de l'usage qui en est fait en classe. Ce projet a pour but de tester un usage possible et de voir l'impact qu'il a eu sur les élèves (nul ou positif ou négatif).


Objectifs

À la fin de la séquence, les élèves doivent être capables d’utiliser le modèle microscopique (illustré par l’artefact) pour modéliser, interpréter, prédire et expliquer des phénomènes macroscopiques touchant à la pression des gaz. En outre, ils doivent interpréter la pression (macroscopique) comme la “poussée” résultant des chocs des molécules contre les parois (microscopique), savoir que le nombre de chocs dépend de la densité de molécules, et doivent être capables de prédire l’évolution d’une situation où deux pressions différentes sont en jeu.

                                            --> c.f. observables 4 et 5


Problématique (QdR)

"Quel usage de l’artefact « Gaz Chauvet » rend les élèves capables d'expliquer et de prédire l'évolution de situations macroscopiques concernant la pression des gaz en utilisant le modèle microscopique sous-jacent ?"


Conjecture-s

Pour l'analyse de l'usage fait du logiciel, nous nous focalisons uniquement sur les conjectures 4 et 5, qui sont présentées ci-après. Cependant, toutes les conjectures initiales se trouvent en bas de la page (pour information).

CJ 4 : En multipliant (en augmentant) le nombre de situations à traiter (répétition, entraînement)

--> Observable 4 et 5 : dans les traces écrites de l'activité 2, regarder si les élèves prédisent mieux et expliquent mieux des situations de la vie réelle. Si les prédictions+explications s'améliorent ou deviennent correctes, la pertinence de la conjecture est validée. Si au contraire elles stagnent ou régressent, elle n'est pas validée.


CJ 5 : En multipliant les phases de débat en collectif (dans les phases de prévisions et de validation)
--> Observable 4 et 5 : dans les traces écrites de l'activité 2, regarder si les élèves prédisent mieux et expliquent mieux des situations de la vie réelle. Si les prédictions+explications s'améliorent ou deviennent correctes, la pertinence de la conjecture est validée. Si au contraire elles stagnent ou régressent, elle n'est pas validée.


Eléments de design (implémentation pédagogique)

Semaine 0 : Introduction en classe de l’agitation moléculaire des gaz et de la pression par deux expériences (saut du bouchon cloche à vide et diffusion de parfum). Le logiciel « gaz Chauvet » est utilisé à cet effet en version simplifiée à 1 gaz. Ainsi, les élèves auront déjà vu le logiciel de simulation des gaz.

Semaine 1 : Activité 1 en salle informatique par binômes, avec protocole à compléter (traces écrites). But : se familiariser avec le logiciel et avec le lien cause « bouton » - effet « simulation ». À la fin de la séance, les élèves sont censés interpréter la pression comme la poussée résultant des chocs des molécules contre les surfaces, et savoir que le nombre de chocs augmente avec la densité de molécules.

Lien vers l'activité 1 : https://drive.google.com/open?id=1dgmXq27eMQfLeq1-Hl49r_H-tAqn3tr3

Semaine 2 : Activité 2 en salle informatique par binômes, avec protocole à compléter. L’activité est composée de 3 situations : la première de "laboratoire", les deux suivantes de la "vie réelle". Pour chacune des situations, les élèves doivent en prédire l’évolution, l'expliquer au niveau microscopique, débattre en collectif, vérifier les différentes hypothèses avec le logiciel, et débattre à nouveau en collectif sur la validation avec le logiciel.

Lien vers l'activité 2 : https://drive.google.com/open?id=1mBL1G8bZFtWfkpYXCakdSn1dI1m1Q5nm


Effets attendus

Après les deux activités, les élèves sont capables :

- d’utiliser le modèle microscopique (illustré par l’artefact) pour modéliser, interpréter, prédire et expliquer des phénomènes macroscopiques touchant à la pression des gaz. En outre, ils doivent interpréter la pression (macroscopique) comme la “poussée” résultant des chocs des molécules contre les parois (microscopique), savoir que le nombre de chocs dépend de la densité de molécules, et doivent être capables de prédire l’évolution d’une situation où deux pressions différentes sont en jeu.


Observables 

Les élèves complètent le protocole (traces écrites) avec leurs prédictions et les explications microscopiques. Ces traces écrites sont relevées par l’enseignante et constituent des observables. Seules les observables 4 et 5 (liées aux conjectures étudiées) sont mentionnées ici. Cependant, toutes les observables initiales se trouvent au bas de la page (pour information).

Observable 4 (liée à CJ4 et CJ5) : Analyser les traces écrites de l’activité 2 pour voir si les prédictions des élèves évoluent dans le bon sens. Si elles s'améliorent ou deviennent correctes, la pertinence de la conjecture est validée. Si elles stagnent ou régressent, elle n'est pas validée.

Observable 5 (liée à CJ4 et CJ5) : Analyser les traces écrites de l’activité 2 pour voir si les explications des élèves évoluent dans le bon sens. Si elles s'améliorent ou deviennent correctes, la pertinence de la conjecture est validée. Si elles stagnent ou régressent, elle n'est pas validée.


Remarques préliminaires

Remarque 1 : Nous remarquons que les conjectures 4 (itération) et 5 (débats) sont toutes deux liées aux mêmes observables. Ainsi, si l'objectif de la séquence est atteint (si les effets attendus sont visibles), il ne nous sera pas possible de discriminer laquelle (ou lesquelles) des conjectures a eu un effet positif.

Remarque 2 : Bien que la séquence comporte 2 activités, nous nous concentrons ici sur l'activité n°2, qui est celle d'où découlent les observables 4 et 5.

Résultats

Observable 4 : évolution des prédictions des élèves (activité 2):
--> Ce graphique représente le pourcentage de prédictions correctes faites par les élèves pour les trois situations de l'activité 2.

--> On remarque que les prédictions sont bonnes dès le départ (avec 95% de bonnes réponses), ce qui suggère que le modèle microscopique sous-jacent est déjà intégré par eux (certainement grâce à l'activité 1, c.f. observable 1)

--> La diminution des bonnes réponses observée dans la situation numéro 2 est certainement due au fait que la situation 1 est une situation de "laboratoire" (donc similaire aux situations déjà vues en classe lors de la semaine 0) : il y a donc peut-être une certaine familiarité pour les élèves. La situation 2, en revanche, est la première situation de la "vie réelle", qui peut leur paraître abstraite, ou non-familière, ce qui expliquerait cette baisse.

--> On observe qu'à la fin de l'activité, tous les élèves prédisent correctement : ce qui est l'un des effets attendu. Cependant, l'amélioration des prédictions est tellement minime qu'on peut se demander si les conjectures 4 et 5 ont un réel effet sur les prédictions des élèves. Nous pensons qu'il s'agit davantage de l'effet de l'activité 1 (CJ1 et obs1, au bas de la page)

--> Comme il n'y a que 20 élèves, cela signifie que 19/20 ont prédit correctement la situation 1, 18/20 la situation 2, et 20/20 la situation 3.



Observable 5 : évolution des explications des élèves (activité 2)
--> Ce graphique représente le pourcentage d'explications correctes faites par les élèves pour les trois situations de l'activité 2.

--> Une réponse est considérée correcte si son auteur obtient une note supérieure ou égale à 4 pour sa production écrite.

--> Les critères utilisés pour attribuer les notes sont les suivants :

  1. Comparaison correcte des densités de molécules (1,5 pts)
  2. Comparaison correcte des nombres de chocs sur les parois (1,5pts)
  3. Comparaison correcte des poussées résultant des chocs (1,5pts)
  4. Résultat macroscopique correct --> le volume change-t-il? (1pt)
  5. Ordre correct 1-2-3-4 ou 4-1-2-3.(0,5 pt)
--> On remarque cette fois-ci une très nette évolution des réponses correctes au fil de l'activité, suggérant que les conjectures 4 et 5 sont pertinentes (i.e. les itérations et/ou les débats aident les élèves à mieux expliquer). L'effet attendu sur les explications des élèves est donc validé, même si l'on remarque qu'un 25% des élèves n'a pas atteint l'objectif visé (5 élèves sur 20).



Observable 5 : exemple d'une rédaction excellente d'élève (activité 2)

-->  " Comme la densité de molécules est plus élevée hors de la bouteille que dedans, il y aura plus de chocs à l'extérieur qu'à l'intérieur, donc la poussée sera plus élevée dehors que dedans ce qui fait que les molécules vont pousser la paroi de la bouteille vers l'intérieur. "




Conclusion

1- L'usage de l'artefact "gaz Chauvet" présenté ici a permis aux élèves de mieux expliquer et prédire l'évolution de situations macroscopiques concernant la pression des gaz en utilisant le modèle microscopique sous-jacent --> l'objectif et les effets attendus sont atteints --> l'activité a bien fonctionné et c'est une réussite!

2- L'usage de l'artefact "gaz Chauvet" présenté ici n'a en revanche pas permis de différencier l'effet respectif des conjectures 4 et 5 étant donné que les mêmes observables ont été utilisées pour la validation de leur pertinence. --> non-discrimination de l'effet des conjectures --> devrait être amélioré dans une seconde itération de l'activité

3- Il est plus aisé pour les élèves de prédire que d'expliquer des situations. Ceci vient certainement du fait que pour faire la prédiction, une "intuition" du fonctionnement du modèle microscopique suffit, tandis que pour expliquer, il faut avoir intégré le modèle dans son intégrité. L'explication est donc une tâche cognitive supérieure où les élèves doivent faire preuve d'abstraction réfléchissante.

4- Même si les deux conjectures n'ont pas pu être différenciées, selon moi, elles ont les deux un effet important : l'itération permet aux élèves de s'entraîner, et les phases de débat les impliquent dans le cours : ils sont cognitivement activés et donc plus enclins à s'approprier le modèle.

5- S'il faudrait une deuxième itération de ce projet pour pouvoir différencier les conjectures 4 et 5 (typiquement en testant deux modes différents sur deux classes, l'un sans débat, l'autre avec), il faut néanmoins ne pas perdre du vue le but de l'activité. Son objectif étant atteint (l'activité ayant fonctionné), le potentiel didactique de cet usage de l'artefact est de ce fait validé, ce qui nous laisserait à penser que l'activité pourrait très bien être réutilisée telle quelle pour une prochaine année scolaire.


Autres conjectures et observables

CJ 1 : En mettant en place une activité initiale qui permet à l’élève de s’approprier le fonctionnement du logiciel « gaz Chauvet » (ex : augmenter le nombre de molécules a un effet sur le nombre de chocs contre les parois et donc aussi sur la poussée ou pression), car cela aidera les élèves à visualiser l'agitation moléculaire dans les gaz et à mieux interpréter la pression des gaz par la poussée résultant des chocs contre les surfaces.

        --> Activité 1 : lien cause « boutons » - effet « simulation »

Observable 1(liée à CJ1) : On regarde l’évolution des prédictions des élèves au cours de l’activité 1. Si elles s’améliorent ou deviennent correctes, la conjecture est validée comme pertinente. Si elles stagnent ou régressent, la conjecture n'est pas validée.

CJ 2 : En effectuant une activité très guidée qui intègre des images du logiciel permet de surpasser les difficultés d’utilisation de l’artefact (qui est assez compliqué à prendre en main) et de limiter la surcharge cognitive des élèves. C’est-à-dire qu’un guidage soutenu permet de diminuer la charge cognitive due à l’utilisation de l’artefact lui-même, et d’augmenter l’espace cognitif à disposition pour la tâche en elle-même (germane).

        --> Activité 1 et 2 « screenshots » et flèches pour diminuer la surcharge cognitive due à l’utilisation du logiciel « gaz Chauvet ».

Observable 2 (liée à CJ2) : Ressenti de l’enseignante, qui peut également noter le nombre de questions posées en rapport avec l’utilisation du logiciel. Si de nombreuses questions sont posées, l'activité n'est pas assez guidante. Si peu de questions sont posées, l'activité est suffisamment guidante.

CJ 3 : En validant l'artefact comme outil de validation des prédictions. C'est indispensable pour que les élèves tissent un lien entre la réalité et la simulation (interprétation correcte du résultat de la simulation par rapport à la réalité).

        --> Activité 2, situation 1 « un ballon dégonflé » : les prédictions sont validées par la simulation « gaz Chauvet » et par l’expérience en classe.

Observable 3 (lié à CJ3) : Dans les traces écrites de l’activité 2, regarder si les élèves identifient correctement les côtés des paroi et la paroi en elle-même, et s'ils interprètent correctement le résultat de la simulation. Si les interprétations sont correctes, la conjecture sera validée comme pertinente.

CJ 6 : En concevant l'activité comme une succession de petites tâches de difficultés croissantes afin que chacune s’inscrive dans la zone proximale de développement de Vygostky (segmentage de la difficulté).

Observable 6 (liée à CJ6) : les activités préparées par l’enseignante sont de difficulté croissante, afin de segmenter la difficulté (observable AVANT passage de la séance)

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