caméra vidéo pour la compréhension de l'infiniment petit

Question de recherche :

L'usage de MITICs a t-il un effet positif sur la compréhension des propriétés microscopiques et par conséquence sur les propriétés macroscopiques de la matière ? Autrement dit, quel est la Pertinence d'un ou des artefact-s (ch et bio2: une simulation/bio: caméra vidéo reliée à un microscope optique; dvd) pour la compréhension de l'infiniment petit ?

Exemples :

(ch) Propriétés de conductions des différentes solutions dépendante des ions présents

(bio1) Comprendre comment la forme des cellules et leur disposition explique les propriétés macroscopiques du vivant.

(bio2) Etablir le lien entre le phénotype observé et les génotypes possibles en s'aidant d'un artefact pour comprendre le mode de transmission des gènes (dans le cas qui sera étudié, la codominance).

On s'attend à :

1) Une mise en évidence des préconceptions et une évolution des conceptions-obstacles.

2) Faire évoluer leur modèle mental (état initial) vers le modèle à institutionnaliser.

Problématique:

(ch et bio2) "Comment l'utilisation des simulations au cours de sciences expérimentales peut faire évoluer le modèle naïf des élèves vers celui à institutionnaliser ?" Plus précisément, Est-ce que l'utilisation d'un artefact peut aider les élèves à concevoir que les propriétés macroscopiques découlent des propriétés microscopiques?

(bio1) "Les élèves arrivent-ils à faire confiance à l'artefact utilisé pour montrer les propriétés microscopiques du vivant et ainsi dépasser leurs conceptions et ce que leurs yeux seuls sont capables de voir ? Sont-ils capables d'intégrer ces nouvelles informations pour construire leur nouveau modèle de pensée ?

Objectifs:

1.Objectifs généraux

(ch et bio) Comprendre que les propriétés macroscopiques que nous observons à l'oeil nu découlent des propriétés microscopiques qui ne sont pas observables à l'oeil nu.

2. Objectifs spécifiques

(ch) Faire le lien entre le comportement de différentes molécules dans l'eau et le type de liaison chimique qui le compose.

(ch) Prédire ce qui va se passer dans d'autres situations similaires en utilisant le même modèle microscopique.

(bio1) Comprendre comment la forme des cellules et leur disposition explique les propriétés macroscopiques des plantes (cellules = petites unités disposées les unes à côté des autres, entourées chacune d'une paroi (sorte de squelette des végétaux).

(bio1) Comprendre que les êtres vivants (organismes étudiés : plantes) sont constitués de cellules et être capable de reconnaître des cellules dans différents organismes vivants (nous nous cantonnerons au règne des végétaux).

(bio2) Déduire le mode de transmission d'un gène à partir des phénotypes des descendants ou en se servant d'un arbre généalogique.

Conjectures:

- (ch et bio) On suppose que les allers- retours entre micro et macro permettrait d'établir des liens entre les propriétés macroscopiques et microscopiques.

- (ch et bio) La simulation permettrait de faire apparaître leurs conceptions obstacles et modifier ce modèle naïf en modèle institutionnel.

- (bio2) La simulation permettrait aux élèves de faire le lien entre la biologie moléculaire et la génétique. Ils seraient ensuite capable d'étendre ce lien pour résoudre des problèmes de génétique.

- (bio1) L'utilisation d'un microscope optique va permettre aux élèves de voir la matière macroscopique vivante sous une nouvelle apparence et venir remettre en question leur modèle.

- (ch et bio1) Inciter l'élève à prendre du temps à la maison pour repenser son modèle devrait avoir un effet positif sur la remise en question de son modèle et permettre à l'élève de le faire évoluer.

Relever des traces des élèves :

- (ch et bio) Leur demander d'écrire leur propre modèle de ce qui se passe (schéma (ch), dessin (bio1), texte descriptif (bio1) hypothèse) avant d'avoir vu l'artefact

- (ch) Réponses aux questionnaires.

- (bio 2) Résolution d'un problème de génétique.

- (ch et bio) Suivi des échanges pendant qu'ils visionnent l'artefact et leurs discussions (vérification, ajustement de leurs hypothèses).

- (ch et bio) Récolte de schéma (ch), dessin (bio1) et hypothèses (bio1) (incluant les captures d'écran (ch)) après avoir vu l'artefact.

- (ch) Questionnaire suite à l'artefact.

- (ch) Réponse de leurs questions pendant l'épreuve contenant d'autres molécules.

- (bio1) Ebauche d'une conclusion par groupe

- (bio1) Récolte des devoirs : identifier les éléments nommé cellules sur différentes photographies et explication écrite de ce que c'est (les élèves ont le droit d'utiliser internet pour faire leur devoir).

Déroulement de la séquence: (2x45min (ch et bio1)), (1x45 min (bio2)) :

Chimie

(ch, période 1) 1x45 min-salle de classe

1.Expérience type réalisé par groupe de 2( NaCl et sucre dans l'eau, ampoule s'allume ou pas)

2. Après l'expérience les élèves écrivent chacun leur hypothèses et expliquent l'expérience par des schémas( récolte des préconceptions)

3. Répondent par la suite à un questionnaire sur la base de leurs propres modèles.

4. Pendant ce temps récolte des hypothèses par l'enseignant en laissant les élèves répondent aux questionnaires avec une parfaite autonomie.

5. L'enseignant relève un des modèles les plus courants qui apparait et le compare aux autres (discussion animée de la pertinence de tel et tel modèle)

(ch, période 2) 1X45 min- salle informatique

1. Utilisation de l'artefact par groupe de 2 après que l'enseignant ait donné ses consignes.

2. Confrontation de leur hypothèses de départ par groupe de 2.

3. Réponse à un questionnaire donnée qui leur demanderait de prédire ce qui se passerait avec d'autres substances.

4. Récolte des questionnaires.

5. Conclusion et institutionnalisation.

6. Devoir à la maison (revoir l'artefact) et questions intégrées dans prochaine épreuve.

Biologie secondaire I

(bio1) 4x45 min - salle de classe

1. Les élèves reçoivent chacun une écaille d'oignon

2. Les élèves doivent dessiner cette écaille

3. Les élèves doivent formuler une hypothèse sur "de quoi est faite/constituée cette écaille d'oignon au niveau microscopique"

4. Tour de table des différentes hypothèses

5. Présentation de l'artefact (microscope optique relié à une caméra (Flexcam) qui est elle-même reliée à un ordinateur et un beamer)

6. Présentation d'une lame montée de pellicule d'oignon au microscope

7. Les élèves dessinent la pellicule d'oignon vue au grossissement 400X

8. Visionnement des dessins d'élève avec l'artefact et discussion

9. Nous refaisons les étapes 1 à 7 avec une autre plante, l'élodée, une plante aquatique

10. Tour de table des points communs entre ces deux plantes observées au microscope

11. Ébauche d'une conclusion (option : par petits groupes)

12. Visionnement du DVD ("La cellule : unité du vivant", partie sur les végétaux (racine, tige, fruits))

13. Institutionnalisation et conclusion (le mot cellule est formellement employé à ce moment-là).

Biologie secondaire II

(bio2) 1x45 min- salle de classe

1. Un problème de génétique est proposé aux élèves (voir leurs pré-conceptions)

2. Les élèves écrivent leur hypothèse sur le mode de transmission des gènes étudiés.

3. Simulations montrées aux élèves

4. Discussion autour de ce qu'ils ont vus.

5. Les élèves répondent à nouveau au problème posé.

6. Correction sous forme d'évaluation formative (institutionnalisation).

7. Evaluation

Justification de l'artefact:

- Point positifs:

Visualiser l'infiniment petit

Possibilité de montrer la même chose en même temps à tout les élèves

(bio1) possibilité de présenter plusieurs échantillons en provenance de différents organismes vivants

(bio1) possibilité d'appeler un élève devant pour qu'il guide l'observation

(bio1) présenter les travaux d'élèves et les faire commenter

(bio1) présenter le fonctionnement et les limites de l'artefact

(bio 2) Visualisation des protéines, du gène et de sa localisation sur un chromosome. Il est montré que nos gènes sont à double. Les arbres généalogiques permettent d'expérimenter les différents modes de transmission d'un gène (récessif, lié au sexe, sur un autosome, dominant).

- Points négatifs:

(ch) Beaucoup de notions regroupées dans une seule simulation( lien entre charges, électrons et conduction)

(ch) Le choix restreint de substances (sel et sucre)

(bio1) L'artefact n'est pas utilisable à la maison par les élèves

(bio1) Impossibilité de préparer et ajuster les réglages à l'avance (génération d'aléas ou de contretemps)

(bio1) Temps d'installation des artefacts assez long (chariot multimédia, chariot microscope, etc.)

(bio 2) Pas de cyberprofs. Les élèves peuvent modifier un arbre généalogiques mais ne sont pas corrigés. Le groupe ABO est représenté, mais pas le système rhésus.

NB: ch=chimie, bio= biologie secondaire I et II, bio1=biologie secondaire I, bio2=biologie secondaire II

Résultats

1. Biologie II

Choix de l'artefact :

http://www.edumedia-sciences.com/fr/a770-heredite

http://www.edumedia-sciences.com/fr/a772-heredite-et-groupe-sanguin-a-b-o

Le premier Artefact illustre à la fois le phénotype et le génotype de chaque groupe sanguin et intègre un arbre généalogique modifiable, permettant d'analyser le mode de transmission du gène.

Le deuxième complète le premier en proposant des arbres généalogiques montrant la transmission des gènes selon qu'ils soient dominants, récessifs, liés au sexe ou sur un autosome.

Problème proposé aux élèves:

Un platane mal situé causa la perte d’une superbe Mercedes et de sa conductrice, la riche aventurière Lola. Elle laissait un fils en bas âge, Charles héritier de sa fortune.

Dans une disposition testamentaire, Lola confiait au père de Charles la gestion de ses biens jusqu’à sa majorité. Malheureusement, elle avait oublié de préciser le nom de ce père, ce qui laissait ouverte plusieurs possibilités, si l’on se basait sur la vie mouvementée de la défunte. 4 anciens amants de Lola se présentèrent comme étant le père recherché.

Un bref examen permit très rapidement de les départager :

Lola Group e sanguin A rhésus négatif vision des couleurs normales

Charles B Rhésus positif daltonien

Oleg A Rhésus positif vision des couleurs normales

Richard O Rhésus positif daltonien

Manuel B Rhésus négatif vision des couleurs normales

Angelos AB Rhésus positif vision des couleurs normales

Information : La vision des couleurs est commandée par un locus situé sur le chromosome X, avec comme allèles possibles :

C=Vision des couleurs normales, dominant

D=daltonien, récessif

Qui est le père de Charles ?

Justifiez votre réponse en indiquant les génotypes de Lola, Charles, du père trouvé, et en disant quels caractères vous ont permis d’éliminer les autres candidats.

Données récoltées: Exercices faits par les élèves avant et après l'utilisation de l'artefact.

Avant MITIC 6 réponses justes sur 13 élèves.

Préconceptions relevées: "A est dominant sur B; L'enfant étant de groupe B, le père doit l'être aussi; Oubli que nous avons nos gènes à double; Le gène du daltonisme est porté par un autosome; L'enfant ne peut pas avoir un père daltonien car le gène vient de la mère; Le père doit être daltonien car l'enfant l'est".

Après MITIC, 9 élèves sur 13 sont parvenus au bon résultat et ont donné une explication correcte.

Fausses conceptions retrouvées: "Le gène du daltonisme est transmis par la mère, le père ne peut donc pas être daltonien; le père doit être daltonien car l'enfant l'est".

Amélioration du modèle naïf pour 42% des élèves qui s'étaient trompés. Le lien entre le phénotype et l'hérédité liée au sexe n'a pas été établi par ces élèves.

Les élèves ont compris la génétique du groupe sanguin ABO (13/13), mais pas celui du rhésus qui n'était pas représenté dans l'artefact utilisé (2/13).

Difficultés rencontrées dans l'évaluation finale:

1. Idée que si le gène n'est pas lié à l'X, il se trouve sur Y (oubli total des 22 autres paires de gènes)

2. Pas de lien entre le fait qu'un gène porté par X ne se trouve qu'à un exemplaire chez les garçons.

2. Chimie

Choix de l'artefact:

http://phet.colorado.edu/en/simulation/sugar-and-salt-solutions

Problème posé aux élèves

Données récoltées: Questionnaire et exercices.

Avant MITIC: Très peu de propositions des élèves, la majorité n'ont pas de point de vue sur la question.

Pas de différences pour les élèves entre dissociation et dissolution.

S'il y a de l'oxygène, la molécule se dissocie; Une grosse molécule ne se dissocie pas; Lien entre métal et dissociation.

Un sel est soluble dans un liquide.

Les métaux ne sont pas solubles, les non-métaux le sont.

Une molécule est soluble si elle forme une autre molécule avec l'eau.

Une molécule est soluble si elle contient de l'hydrogène ou de l'oxygène, tout comme l'eau.

On peut savoir si une molécule est soluble en regardant sa couleur

Après MITIC: Pas de différences pour les élèves entre dissociation et dissolution (2/3 des élèves). Exemple: Une molécule soluble va forcément se dissocier.

S'il y a passage du courant, alors on peut s'électrocuter si l'on plonge sa main dans l'eau salée.

Ils ont compris que le sucre ne se dissocie pas, mais ils essaient quand même de le faire dans l'exercice proposé

3. Biologie I

Après l'utilisation des artefacts :

Les élèves ont été capable de donner des points communs aux deux plantes:

- les plantes ont les mêmes lignes (nervures)

- leur constitution est faite de "carreaux"

- elles possèdent des compartiments à l'intérieur des "carreaux"

Après le visionnement d'un 3ème artefact (DVD):

La majorité des élèves ont pu faire le lien et nommer les "carreaux" : cellules.

Effets attendus:

100% des élèves ont réussi à faire leurs devoirs pour le cours suivants (entourer une cellule sur 2 captures d'écran réalisée avec la flexcam (artefact n°1).

L'institutionnalisation "toutes les plantes (et tout les êtres vivants) sont constitués de cellules" est en cours.

Conjectures vérifiées?

1. Mise en évidence et évolution du modèle naïf

(bio 2 et ch) Les questionnaires et exercices ont permis l'identification des modèles naïf, et non les artefacts. La conjecture serait à modifier de la façon suivante: La simulation permet de modifier le modèle naïf des élèves pour le transformer en modèle institutionnel.

(bio 2) Persistance chez certains élèves de certains modèles naïf en dépit de l'utilisation de l'outil MITIC.

Exemple: Transmission d'un gène lié au sexe, système rhésus.

(bio 2) Par contre, évolution du modèle chez 23% des élèves. Pas d'erreurs observées sur la transmission des gènes du système ABO.

(ch) Pas de différence pour les élèves entre solubilité et dissociation (75%). Une molécule soluble dans un solvant va forcément se dissocier.

(bio 2 ch) L'évaluation a confirmé que les élèves n'avaient pas réussi à dépasser leur modèle naïf de façon durable.

(bio1) Avant l'utilisation d'Artefacts, aucun élève n'a réussi a vraiment imaginer la structure d'une plante au niveau microscopique. Avant la seconde utilisation d'Artefacts, quelques élèves ont réussi à imaginer la structure microscopique des plantes. Après l'utilisation d'un troisième Artefact, tout les élèves ont compris que la structure microscopique des plantes est faite de cellules.

2. Meilleure compréhension du lien microscopique - macroscopique

(bio1) La grande majorité des élèves comprennent que les plantes possèdent une structure microscopique composée d'unités semblables.

(bio 2) Pour la biologie, établir un lien entre biologie moléculaire et génétique.

Les élèves ne se sont plus trompés sur la génétique des groupes sanguins après visualisation de l'artefact. En lisant leurs commentaires, on peut voir que le lien entre le groupe sanguin, les gènes et leur transmission est établit.

Impossible par contre de savoir s'il résolvent les autres problèmes proposés en mobilisant les connaissances acquises.

(ch) En chimie, les croquis des élèves indiquent que la moitié des élèves réussissent à faire le lien entre les propriétés macroscopiques et les types de liaisons moléculaires (propriétés microscopiques).

3. Travail individuel à la maison dans le but de vérifier l'acquisition des connaissances vues en cours

(bio1) Les élèves ont tous réussi à effectuer les devoirs basés sur des images prisent avec le même Artefact qu'utilisé en classe et cela a permis de vérifier leur compréhension du sujet et d'agir comme fil rouge entre les leçons.

(ch) Les élèves n'ont pas trouvé d'intérêt à refaire le même travail à la maison, même en sachant qu'ils seront évalués sur ce sujet.

l'évaluation nous a permis de tester la compréhension des élèves mais seulement à moyen terme, 1 semaine après.

Conclusion

L'utilisation de l'artefact seul ne suffit pas à changer les conceptions naïves de tous les élèves.

Impossibilité de distinguer les apports de l'artefact des apports de l'enseignement lors de l'évaluation finale du sujet.

Utilisation trop ardue par les élèves sans aiguillage de l'enseignant.

(ch) Surcharge cognitive due aux nombreuses options d'utilisation.

(bio1) Peu (voire l'absence) de conceptions erronées permettent de faire évoluer plus rapidement les modèles naïfs.

(bio1) La répétition des exemples permettent aussi de faire évoluer plus rapidement les modèles naïfs vers une institutionnalisation.