Faciliter le passage entre modèle moléculaire et phénomènes macroscopiques

Problématique:

Comment faciliter le passage entre modèle moléculaire et phénomènes macroscopiques pour pouvoir prédire ou expliquer différentes situations ?

Comment permettre à l'élève d'effectuer un travail de tissage et ainsi de conforter ses connaissances sur le modèle moléculaire ?

I Dispositif du projet:

Artefact : Phet Interactive simulations / Simulation « Gases intro »

Classe visée : 11ème du Cycle

Insertion dans le programme de 11ème:

Chapitre 2 – Le modèle moléculaire (la matière) / Le modèle moléculaire avec agitation

Dispositif / modalités:

2 périodes de 45 min

1 à 2 élèves maximum par ordinateur (selon classe et matériel à disposition)

Documents à disposition des élèves :

- Une fiche élève (à remettre en fin de session)

- Un descriptif des fonctionnalités du logiciel de simulation distribué après la phase

initiale de découverte.

- Un fichier résultats (format word) à remettre en fin de session

Contexte de l’utilisation de l’artefact / Articulation de l’activité

Prise en main du logiciel guidée

Simulation expériences déjà réalisées en classe

→ connexion macro/micro (établissement lien)

• • • • parfum (agitation moléculaire)

      • cloche à vide ( pression)

Simulation expérience nouvelle (non réalisée en classe)

→ utilisation lien macro/micro

• • • • bouchon patate (température)

Recherche des différentes stratégies pour faire « sauter » le couvercle

→ approfondissement lien macro/micro

Support (document élèves) composé de

• • Consigne pour réaliser une simulation donnée (requête)

  • Capture d’écran des différentes requêtes

  • Réflexion autour des différentes requêtes et liens macro/micro

Réponse sous forme de rédaction libre, de texte à trou à compléter ou de QCM

Distancification:

L’activité entièrement réalisable à distance:

• • Libre accès du logiciel

  • Partage / lien vers le document élève (Google doc par exemple)

  • Visioconférence possible pour mise en place de l’activité

  • L'élève est non contraint et peut avancer à son rythme (versus activité en classe avec contrainte de la réservation d’une salle informatique)

Dans la passation réalisée:

Certains élèves ont continué et terminé leur activité en ligne chez eux

Attention: Problématique de l’inégalité plus marquée donc préférence pour une activité non évaluée

II Conjectures et critères d'analyse

Tableau récapitulatif des différentes conjectures, bases théoriques et éléments observables:

IV Conclusion: réponse à la problématique

CJ1 : préalable à la manipulation de l’artefact (prise en main technique essentiellement mais aussi relation entre commandes, lien entre commandes et grandeurs physiques, effets du changement d’une grandeur sur une autre).

• • Généralement 2 facteurs listés sur 3 : bon indicateur de la réussite de cette phase et de la validation de la conjecture, même si mise de sens insuffisante après la familiarisation.

CJ2 : coeur du travail sur les questions de la problématique. Globalement validée par les élèves, élémentation du savoir en étudiant une dépendance entre grandeurs après l’autre dans des situations physiques connues (et pratiqués en classe) et guidage fort éléments qui semblent favorisant.

• • Lien entre modélisation et prédiction à l’échelle macro bien investi pour la cloche à

vide, et le bouchon de patate.

CJ3 : tissage avec l’aspect statique de la schématisation de la séquence en cours standard (sans utilisation d’artefact). Réflexion sur les captures permet de valider des prédictions, d’expliquer la différence entre deux situations physiques, de fixer les connaissances les élèves et les relations de dépendance entre grandeurs.

Références bibliographiques :

Kalyuga, S., Ayres, P., Chandler, P., Sweller, J., 2003. The Expertise Reversal Effect. Educ. Psychol. 38, 23–31. https://doi.org/10.1207/S15326985EP3801_4

Potvin, P., Bibliothèque numérique canadienne (Firme), 2019. Faire apprendre les sciences et la technologie à l’école: épistémologie, didactique, sciences cognitives et neurosciences au service de l’enseignant.

V Annexe: Fiche élève

Activité de Simulation à l’aide du modèle moléculaire

Nom : ………………..........……... Prénom : ……………………………….

Classe : ……..……………….. Date : ………………………

Introduction

• • Ouverture du logiciel de simulation :

  • Clique sur le lien figurant dans le dossier « Simulation_Phet_1121 »,

  • Sélectionne « Intro ».

Tu te trouves désormais sur la page de la simulation qui va nous intéresser pendant cette séance. Lors de cette simulation, on se placera dans le cas des gaz.

• • Découverte libre pendant 5 minutes (teste la simulation à ta guise)

Phase de prise en main du logiciel

1) On se place sur la commande intitulée « Width » (largeur). Clique sur la case située juste à sa gauche, dans laquelle une coche se trouve désormais.

a. Qu’est-ce qui apparaît alors au niveau de la boîte ?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________

b. De quelle manière peux-tu modifier la valeur affichée ?

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

• • • • • Réinitialise le contenu de la boîte à l’aide de la gomme.

2) On se place sur la commande intitulée « Stopwatch » (chronomètre). Clique sur la case située juste à sa gauche, dans laquelle une coche apparaît désormais. Il apparaît ensuite un cadre bleu avec la valeur 0.00 ps à l’intérieur (ps correspond à l’abréviation de picosecondes : 10^-12 s). Que se passe-t-il si tu cliques sur le bouton de lecture ?

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________

• • • • • Réinitialise le contenu de la boîte à l’aide de la gomme.

3) On se place sur la commande intitulée « Collision Counter » (compteur de collisions). Clique sur la case située juste à sa gauche, dans laquelle une coche apparaît désormais. Il apparaît ensuite un cadre jaune avec la valeur 0 intitulée « Wall Collisions » (collisions contre les parois) et un onglet « Sample period » (période d’échantillonnage).

a. Quelles sont les trois valeurs que l’on peut choisir pour la période ?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________

b. On introduit une molécule légère (rouge) dans la boîte. Si on clique sur le bouton de lecture vert de la commande « Wall Collisions » et que l’on choisit une période de 20 ps, que se passe-t-il ?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________

• • • • • Réinitialise le contenu de la boîte à l’aide de la gomme.

4) On introduit 100 molécules légères (rouges) dans la boîte. Relève la température affichée à côté du thermomètre.

• • La température affichée est de ………………….K

Donne la valeur de cette même température mais en sélectionnant l’unité degré Celsius °C

• • La température affichée est de ………………….°C

En utilisant le curseur chaud/froid (heat/cold) augmente la température jusqu’à 900°C.

Que constates-tu au niveau des molécules ?

________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Quels sont les autres paramètres qui sont modifiés lorsque tu déplaces le curseur de la commande vers le haut ?

________________________________________________________________________________________________________________________________________________

• • • • • Réinitialise le contenu de la boîte à l’aide de la gomme.

5) On introduit 300 molécules lourdes (bleues) dans la boîte. Relève la valeur de la pression (pressure) affichée à côté du thermomètre (dans les deux unités proposées):

La valeur de la pression affichée est de……………………………………….atm

La valeur de la pression affichée est de……………………………………….kPa

Trouve au moins deux manières différentes d’augmenter la valeur de la pression à l’intérieur de la boîte. Pour augmenter la pression dans la boite, on peut :

• • ______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

• • ______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

• • ______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

• • • • • Réinitialise le contenu de la boîte à l’aide de la gomme.

Uniquement pour l’enseignant :

Quelques informations préalables aux prochaines étapes :

• • Démonstration de la procédure de capture d’écran et d’enregistrement de l’image créée dans le fichier « Résultats_Classe_Nom_Prénom » (appelé fichier « Résultats » dans la suite du document)

  • Explicitation des fonctionnalités et traduction des différents termes :

VOIR document « Descriptif du logiciel de simulation « Gases Intro » »

Simulation de l’expérience du parfum (rappel phénomène de l’agitation moléculaire)

Important :

Pour les requêtes suivantes, on considère que l’air peut être représenté par un seul type de molécule, les molécules lourdes (en bleue) et que le parfum est représenté par les molécules légères (en rouge).

Requête N°1 :

Simulation de la diffusion du parfum si l’on fait l’hypothèse qu’il n’y a pas d’air dans la boîte :

• • Introduire 1 molécule de parfum dans la boîte.

  • Attendre quelques instants. Le but est désormais de déclencher le chronomètre au moment où la molécule entre en collision avec la paroi gauche ou la paroi droite (au choix), et d’arrêter le chronomètre lors de la première collision avec la paroi située en face.

Quelle durée as-tu mesuré ? ……………….. ps

• • Cette durée correspond approximativement à la durée de la diffusion d’une molécule de parfum, lors de son parcours de part et d’autre de la boîte, en l’absence d’autre molécule (donc dans le vide).

Faire une capture d’écran (N°1) et copier l’image dans le fichier « Résultats », sous le titre «Requête N°1 ».

Requête N°2 :

Simulation de la diffusion du parfum si l’on fait l’hypothèse qu’il y a de l’air dans la boîte :

• • Réinitialiser la situation de la boite (à l’aide de la gomme)

  • Introduire 300 molécules d’air dans la boîte.

  • Attendre environ 20 secondes que les molécules d’air se répartissent uniformément dans la boîte.

  • Introduire 5 molécules de parfum dans la boite (lire la suite avant de réaliser cette action)

  • Aussitôt, déclencher le chronomètre et relever le temps lors de la première collision d’une des 5 molécules avec la paroi gauche de la boite.

Faire une capture d’écran (N°2) et copier l’image dans le fichier « Résultats », sous le titre «Requête N°2 ».

1. En comparant les captures d’écran N°1 et N°2, que peux-tu constater ? Explique pourquoi.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Complète les phrases ci-dessous en utilisant dans chaque cas l’expression de la liste ci-dessus qui est la plus adaptée. Une seule expression est demandée par phrase.

A l’échelle moléculaire, on représente la matière à l’état gazeux par des molécules ______________________ qui se déplacent ______________________et en tous sens selon des mouvements désordonnés : on parle ______________________.

La ______________________de la diffusion d’un gaz dans l’air, relativement à l’énorme vitesse propre des molécules du gaz (500 m/s), s’explique en représentant le gaz par des molécules dont la progression est ralentie par des ______________________ (les autres molécules) se trouvant sur leur chemin et contre lesquels elles ______________________.

Simulation pour expliquer le concept de pression (en lien avec l’expérience de la cloche à vide des M.E.R.)

• • Tout d’abord, réinitialise la simulation à l’aide de la flèche orange.

Requête N°3 :

On se consacre ici aux molécules lourdes (bleues). Fais varier le nombre de molécules dans la boîte (200 et 400), et relève ensuite, dans chaque cas, la pression et le nombre de collisions pendant une durée de 10ps. Après avoir introduit les molécules dans la boîte, attend quelques instants (environ 20 secondes) pour qu'elles puissent se repartir uniformément dans toute la boîte. Ajuste la température pour qu'elle soit égale à 100 °C.

Pour chaque simulation, faire une capture d’écran (N°3.1, 3.2 et 3.3) et enregistrer chaque capture dans le fichier « Résultats », sous le titre «Requête N°3.1, 3.2 et 3.3 » respectivement.

• • Remplis le tableau suivant et réalise les captures d’écran N°3.1 et N°3.2.

1. A l’aide des captures d’écran N°3.1 et N°3.2 ainsi que des données affichées, on peut émettre l’hypothèse que, lorsqu’on double le nombre de molécules, et pour une même durée de prise de mesure (10 ps) :

 Le nombre de collisions avec les parois reste identique.

 Le nombre de collisions avec les parois double approximativement.

 Le nombre de collisions avec les parois quadruple approximativement.

2. A l’échelle macroscopique, on s’intéresse au concept de pression. L’unité choisie est l’atmosphère (atm). 1 atmosphère correspond à 1 fois la valeur de la pression atmosphérique au niveau de la mer.

A l’aide des captures d’écran N°3.1 et N°3.2 ainsi que des données affichées, on peut émettre l’hypothèse que, lorsqu’on double le nombre de molécules, et pour une même durée de prise de mesure (10 ps) :

 La pression reste identique.

 La pression double approximativement.

 La pression quadruple approximativement.

3. A partir de ces constatations, peux-tu prédire une valeur approximative pour le nombre de collisions contre les parois avec 800 molécules, ainsi que pour la pression ?

• • Pression prédite avec 800 molécules : __________________atm

Vérifie si ta prédiction est proche des valeurs relevées en introduisant 800 molécules. Tu effectueras une capture d’écran de cette simulation (N°3.3)

4. Encercle à chaque fois la proposition correcte :

Pour une même durée de prise de mesure, lorsque le nombre des molécules augmente, alors :

• • A l’échelle microscopique/macroscopique, le nombre de chocs sur les parois de la boîte diminue/augmente.

  • A l’échelle microscopique/macroscopique, la pression diminue/augmente.

5. Complète la phrase ci-dessous en utilisant dans chaque cas le mot de la liste ci-dessous qui est le plus adapté :

La _______________________ d’un gaz est une grandeur macroscopique associée à la poussée (par unité de surface) due aux _______________________, des molécules de gaz sur une surface solide ou liquide et qui dépend de leur fréquence.

Simulation de l’expérience du bouchon patate et prévision du résultat

Indication : Réinitialise la simulation à l’aide de la flèche orange. Pour simuler l’air emprisonné dans le tube à essai, sélectionne une boîte de largeur 7 nm et introduire 300 molécules d’air (bleues).

Requête N°4 :

1. Fais varier la température de la boîte (tu choisiras les valeurs de 27°C, 200°C, 500°C), relève ensuite pour chaque cas, la pression et le nombre de collisions pendant 10 ps (ajoute des commentaires si nécessaire).

Pour chaque simulation, faire une capture d’écran et copier l’image dans le fichier « Résultats », sous le titre « Requête N°4.1, 4.2, 4.3 »

2. Lorsque la température passe de 27°C à 200°C, puis de 200°C à 500°C :

 L’agitation des molécules augmente.

 L’agitation des molécules diminue.

 L’agitation des molécules reste la même.

3. A l’aide des captures d’écran et des valeurs observées, lorsque la température augmente :

 Le nombre de collisions contre les parois augmente.

 Le nombre de collisions contre les parois diminue.

 Le nombre de collisions contre les parois reste la même.

4. A l’aide des captures d’écran et des valeurs observées, lorsque la température augmente :

 La pression augmente.

 La pression diminue.

 La pression reste la même.

5. Encercle à chaque fois la proposition correcte :

La température est une mesure du volume moyen / de la vitesse moyenne / de la masse moyenne des molécules. De ce fait, lorsque la température augmente, le nombre de collisions des molécules avec les parois de la boîte, diminue /augmente et donc, d’un point de vue macroscopique, la pression diminue / augmente.

6. Utilisation du résultat de la simulation pour faire une prévision du résultat de l’expérience :

Que se passe-t-il si on chauffe l'air se trouvant dans un récipient fermé par un bouchon de patate ?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Explique la prédiction à l'aide du modèle moléculaire :

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Requête N°5 :

• • 1. Réinitialise tous les réglages à l’aide de la touche correspondante.

    2. Introduis 500 molécules d’air dans la boîte.

    3. Sélectionne une largeur « de la boîte » de 10 nm.

    4. Affiche la pression avec les unités atm.

    5. Affiche la température avec les unités °C.

    6. Augmente la température jusqu’à 400 °C.

    7. Relève la pression :

La pression affichée est de…………atm.

Fais une capture d’écran et enregistre l’image créée dans le fichier « Résultats », sous le titre « Requête 5.1 ».

Question :

Trouve au moins deux (et idéalement, trois) manières différentes de faire sauter le couvercle de la boite. Pour faire sauter le couvercle, on peut :

• • ______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

• • ______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

• • ______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

Pour chaque simulation, fais une capture d’écran et enregistre l’image dans le fichier « Résultats », ajoute les titres respectifs « Requête 5.2 » et « Requête 5.3 », ainsi que « Requête 5.4 » si tu trouves une troisième possibilité.

BRAVO tu as terminé !!

Cf notamment

• Potvin, P., Sauriol, É., & Riopel, M. (2015). Experimental evidence of the superiority of the prevalence model of conceptual change over the classical models and repetition. Journal of Research in Science Teaching, 52(8), 1082‑1108. https://doi.org/10.1002/tea.21235

  • Potvin, P. (2019). Faire apprendre les sciences et la technologie à l’école : Épistémologie, didactique, sciences cognitives et neurosciences au service de l’enseignant. Presses de l’université Laval.

  • extrait sur l'investigation pp 146-187 Potvin-2019-Faire apprendre les sciences-echnologie-apport-neurosci-investigation-pp146-187.pdf

  • Ch2 qui traite entre autres de changement conceptuel et des nouvelles manières de conceptualiser l'apprentissage des sciences Potvin-2019-Faire apprendre les sciences-technologie-apport-neurosci-CH2-fin.pdf

PRESENTATION disponible ICI