un exerciseur pour apprendre les forces et son formalisme

U exerciseur pour découvrir et apprendre les forces et le formalisme vectoriel dans la mécanique du point matériel

Nous avons choisi d'indiquer en bleu dans ce document les observations et retours que nous avons faits après l'utilisation de l'artefact.

Le support de notre présentation dans le colloque de 09.04.2014 se trouve en pièce jointe à ce rapport de projet.

Objectifs

Objectif général :

Enseignement des forces d'action et de réaction et du formalisme vectoriel de la représentation de forces dans le contexte de la mécanique du point matériel.

Ayant enseigné au préalable la force de pesanteur, le premier objectif (plutôt de consolidation) est de vérifier ici que les élèves ont un modèle correct de cette force et de ses caractéristiques. Le second objectif est un objectif d'apprentissage. Le but est ici de faire découvrir de nouvelles forces (force de soutien, tension, force de frottements) aux élèves et qu'ils s'en fassent une représentation mentale correcte.

Objectifs spécifiques :

On cherche à vérifier que les élèves ont une représentation mentale correcte de la force de pesanteur. Pour cela les élèves vont devoir représenter la force de pesanteur dans différentes situations et donc connaître et savoir appliquer les caractéristiques de cette force (point d'application, direction et sens).

Les élèves vont découvrir de nouvelles forces (soutien, tension, frottement) et s'en faire une représentation mentale que l'on souhaite correcte. Pour cela, ils vont devoir trouver les caractéristiques de ces forces (point d'application, direction, sens) en utilisant ce qu'ils connaissent sur la force de pesanteur, en utilisant l'artefact et en utilisant leurs représentations initiales. La séquence qui suit l'utilisation de l'artefact devrait permettre d'utiliser les mauvaises représentations des élèves et de fournir aux élèves le modèle utilisé par les physiciens en le justifiant.

Faire la transition entre l'identification des forces pertinentes sur un corps et la représentation vectorielle de ces forces et ensuite vers la représentation vectorielle de ces mêmes forces dans le modèle du point matériel.

Stabilisation des connaissances sur les forces de contact (soutien, tension, frottement).

Découvrir et renforcer l'application du formalisme vectoriel des forces, en particulier la direction des vecteurs qui représentent les forces étudiées.

Résumé :

• • Identification des forces qui agissent sur un objet.

  • Représentation de ces forces selon le formalisme vectoriel, en particulier direction et sens corrects.

  • Transposition de toutes les forces qui agissent sur un objet « à un seul point » (modèle du point matériel).

Problématique

Les élèves ont souvent des difficultés avec l'identification des forces en jeu dans les situations normalement étudiées dans les cours de mécanique, et avec l'application du formalisme vectoriel des forces pour représenter ces forces (intensité, point d'application, direction et sens). Les situations d'intérêt sont très variées, allant d'un simple corps sur un plan horizontal à des corps suspendus avec des cordes autour de poulies. Étant donné la grande variété des configurations possibles, pour la plupart des élèves, l'enseignement des règles et principes qui s'appliquent suivi par quelques exercices n'est pas suffisant pour une bonne maîtrise. Travailler un grand nombre de ces situations est essentiel mais comme cela se fait avec des dessins/schémas dessinés sur papier/tableau/rétroprojecteur un temps significatif est nécessaire, soit en classe, soit à la maison. La correction en classe des exercices liés à ce sujet prend aussi un temps substantiel et en plus se fait à un rythme qui n'est pas adapté à tous les élèves.

C'est facile pour les élèves d'avoir une attitude passive en classe : au début ils ne maîtrisent pas encore le formalisme et se sentent perdus, ne savent pas quoi faire et dans le meilleur des cas ils copient ce que le professeur fait au tableau. La probabilité qu'ils fassent une copie erronée (ex. : la force de pesanteur perpendiculaire à la surface du plan incliné au lieu de perpendiculaire au plan du sol) n'est pas négligeable.

Pour que les élèves s'approprient la représentation vectorielle et le modèle du point matériel faire un grand nombre d'exercices est une grande aide. En faisant les dessins on perd beaucoup de temps et les élèves réduisent leur attention parce qu'ils ont l'impression de répéter la même chose.

On se pose la question si l'utilisation d'un exerciseur sur ordinateur peut permettre d'augmenter le nombre d'exercices qu'on peut travailler avec les élèves dans un cours et ainsi aider les élèves à mieux repérer les forces en jeu, donner du sens à la représentation vectorielle et au modèle du point matériel pour une vraie appropriation de ces concepts.

Conjectures

a) L'artefact devrait permettre de faire apparaître les représentations simplistes ou erronées des élèves.

Arguments théoriques:

Dans leur recension de la bibliographie sur les effets de l'utilisation des technologies dans l'enseignement Boethel et Dimock (1999) ont trouvé que les technologies comme outils d'enseignement peuvent aider les enseignant à découvrir les connaissances et conceptions des élèves. Notre utilisation de l'artefact est très prometteuse dans ce sens.

Vérification conjecture a)

Dans les premiers essais faits par les élèves en utilisant l'artefact beaucoup de représentations erronées sont sorties.

La fiche de travail (voir document annexe "Activite forces 2.doc") rempli par les élèves pour décrire les forces contient de nombreuses erreurs et des représentations simplistes ou erronées des élèves.

L'usage de l'artefact ensemble avec la fiche de travail nous a semblé très pertinent pour faire ressortir les conceptions des élèves.

Quelques conceptions erronées des élèves sont indiquées en rouge dans les exemples suivants:

La récitation passé après l'activité avec l'artefact mais avant la mise en commun et institutionnalisation a ressorti autres représentations erronées:

Exemple de représentation vectorielle incorrecte des forces (gauche) en comparaison avec la représentation habituelle (droite).

Deux autres exemples de représentation vectorielle incorrecte des forces (la force de soutien dans les deux cas).

La force de soutien orienté incorrectement (gauche) en comparaison avec l'orientation correcte (droite).

b) On s'attend à ce que les élèves arrivent, par la méthode essai-erreur (le cyberprof pointe les erreurs), à découvrir « les règles du jeu » de l'artefact et du coup s'approprier la représentation vectorielle des forces mentionnées auparavant. L'habitude des élèves de jouer à des jeux où ils doivent découvrir les règles par la méthode essai-erreur garantit qu'ils vont être capables de trouver les règles du formalisme vectoriel.

Vérification conjecture b)

Au début les élèves sont complètement perdus puis ils arrivent à découvrir les règles du jeu mais ne s'approprient pas vraiment la représentation vectorielle. Ils arrivent à placer les bonnes forces aux bons endroits par essai-erreur sans comprendre pourquoi et n'arrivent pas à exprimer cela avec des mots. Il y a un décalage entre ce qu'ils arrivent à faire avec l'artefact et la façon dont ils le retranscrivent sur le document. On observe une difficulté au niveau du langage, les élèves mélangent les différentes caractéristiques d'un vecteur.

Au final, les élèves savent bien identifier les forces et les positionner au bon endroit. Ils ont eu beaucoup de difficultés à exprimer les caractéristiques des forces avec des mots et cela a été travaillé dans la séquence qui a suivi l'artefact et leur a sans doute servi sans que cela ne soit suffisant à une appropriation globale du concept.

c) On fait l'hypothèse que l'utilisation d'un exerciseur pour résoudre un nombre significatif d'exercices va mener à une meilleure maîtrise de l'identification et de la représentation des forces en situation de mécanique du point matériel. Cette hypothèse est basée sur le principe « Repetitio est mater studiorum. » qui n'est pas très à la mode dans la pédagogie moderne même si sous différentes formes, bien ou moins bien masquées, les « drills » restent une méthode pédagogique assez répandue.

Une augmentation du nombre d'exercices réalisable dans le temps imparti est attendu à cause de :

• • la manipulation rapide des vecteurs sur ordinateur (pas besoin de dessiner, gommer, tipp-ex);

  • l'aide donné par le cyberprof pour trouver la solution sans pour autant donner la correction;

  • la présence d'un cyberprof pour chaque élève (ou groupe).

Arguments théoriques:

Boethel et Dimock (1999) ont conclu que, parmi d'autres façons possibles d'aider les enseignants, les technologies peuvent augmenter la capacité des élèves de tester un grand nombre de situations et ainsi arriver à poser des défi à leurs conceptions. Ce grand nombre de situations et les confrontations avec les modèles simpliste des élèves ont le potentiel d'améliorer la maîtrise des forces et vecteurs par nos élèves. Un autre argument pour cette conjecture est donné par Ohlsson (2013) (cité par F. Lombard) qui "suggère que c'est le nombre de décisions prises en référence à un modèle et l'utilité perçue de ce modèle pour décider qui détermine le changement conceptuel".

Vérification conjecture c)

Pratiquement tous les élèves ont résolus tous les exercices proposés par l'artefact (12 exercices) et ne sont donc pas restés sur une situation de blocage. Une partie des élèves a fait également tous les exercices avec frottement (8 exercices). En classe dans le même temps, on aurait peut-être fait 5 ou 6 exercices.

En ce qui concerne la maîtrise de l'identification et représentation des forces les résultats après la première récitation (avant l'institutionnalisation) montre un pourcentage moyen de réussite relativement bon à 64 %, comme indiqué dans le tableau ci-dessous pour l'ensemble de deux classes. Après la mise en commun et l'institutionnalisation ce pourcentage augmente à 80 % (voir 86 % si on enlève les résultats de deux élèves qui ont eu des résultats très faibles.

Entre parenthésés: écart type.

* Sans deux élèves avec des résultats très faibles.

d) Amélioration de la participation des élèves à cause d'une perception d'effort intellectuel et physique (dessiner/écrire) réduite. Attendu surtout pour les élèves qui ne sont pas à l'aise avec les dessins, schémas et les diagrammes.

Arguments théoriques:

En répondant à 12 questions sur l'état de la recherche sur l'impact des MITIC sur la motivation de élèves Viau (2005) fait à la fois une mise garde par rapport à un optimisme aveugle dans l'usage des MITIC et liste les avantages de leur utilisation. Ainsi il faut être conscient de l'effet nouveauté et ne pas oublier que la motivation n'est pas toujours associé à un engagement cognitif et à la persévérance. Du coté plus optimiste il mentionne que l'interactivité des MITIC et l'absence de la critique d'un humain sont des avantages assez importantes qui donnent à la fois la possibilité de motiver l'élève et d'améliorer son apprentissage. Mais seulement si l'usage du MITIC donne de la signifiance à l'activité, suffisamment de temps et un défi à relever...Les rétroactions du cyberprof sont aussi très importantes dans le contexte de la motivation si elles favorisent la perception de l'élève que il peut réussir. Les choix qu'on a fait dans la sélection de l'artefact et la construction de la séquence ont été moins guidé par les arguments de signifiance et défi (qui peut quand même jouer un rôle) de Viau (2005) que par l'effet nouveauté et par l'aspect "jeu" de l'usage de l'artefact. Basés sur les considérations de Lombard (xxxx) on pense que la mise en scène et la référence au règles donnent des caractéristiques de jeu à notre usage de l'artefact, ce qui peut mener à une meilleure participation des élèves. En ce qui concerne notre hypothèse sur la perception de l'effort intellectuel de l'activité proposé on n'a pas encore trouvé des références théoriques pour la soutenir.

Vérification conjecture d)

Les élèves ont beaucoup de mal au début, sont perdus, puis se laissent prendre au jeu et cherchent à résoudre tous les exercices. La participation a été générale pour l'utilisation de l'artefact. Même les élèves les moins motivés par la physique ont cherché à faire tous les exercices. Par contre ils ont beaucoup de mal à se détacher de l'artefact et à remplir le document demandé qui est beaucoup moins ludique et qui leur pose problème.

Pour vérifier si la participation des élèves qui ne sont pas à l'aise avec les dessins, schémas, diagrammes est plus importante, il faut déjà réussir à identifier ces élèves.

Artefact envisagé et sa justification

Site « Animations Flash pour la physique » de Thomas Fleisch (Quebec, Canada)

Exerciseur « Relevez et placez correctement les forces »

http://tfleisch.ep.profweb.qc.ca/exercice--relevez-et-placez-correctement-les-forces.html

Justification :

Cet artefact permet « la découverte » des règles de la représentation vectorielle (le cyberprof montre les erreurs mais ne donne pas la correction)

Les exercices proposés permettent de travailler la représentation vectorielle des forces dans le contexte du « modèle du point matériel »

Comme la correction n'est pas donnée les élèves doivent être actifs pour trouver la réponse correcte. On attend une meilleure participation des élèves que pour les exercices travaillés en collectif au tableau noir ou rétroprojecteur.

Beaucoup plus d'exercices peuvent être abordés pendant le cours (pour s'approprier ce nouveau formalisme pour lequel la répétition nous semble essentielle).

Le cyberprof garantit « la correction » (comme le formalisme est nouveau, souvent les élèves « copient de façon erronée» ce que le professeur écrit au tableau).

Chaque élève/groupe d'élèves peut travailler à son rythme.

Limite de l'artefact: L'artefact ne tient pas compte des intensités des forces qui ne sont pas quelconques dans la réalité. Nous en avons tenu compte en l'expliquant aux élèves. Au delà de 2 forces, des calculs sont nécessaires pour trouver l'intensité des forces et le but de l'activité est ici de découvrir des forces.

Traces

Les élèves vont remplir une fiche de travail avec pour consigne de recenser pour chaque force :

• • Ce qui est accepté par l'artefact (dans quel cas cette force est présente et indiquer sa direction, son sens et son point d'application.

Détails sur la fiche de travail utilisée:

Un 1er document (Activité_Forces.doc) a été testé dans lequel on donne aux élèves les différentes caractéristiques d'une force en général. Les élèves doivent indiquer les caractéristiques de chaque force qu'ils rencontrent avec l'artefact et indiquer quand elle est présente.

Les caractéristiques données par les élèves sont restées très contextualisées et très imprécises (à droite, en haut pour une direction !)

Un 2ème document (Activité_Forces-2.doc) a été testé dans lequel on a ajouté des expressions pour aider les élèves à décrire les caractéristiques des forces (perpendiculaire à ..., au milieu de la surface de ...). Cela devrait leur permettre de donner des réponses plus précises et plus générales.

Pour les 2 classes testées les élèves mélangent les caractéristiques et utilisent plutôt mal les expressions qui sont là pour les aider.

• • Ce qu'ils ont essayé et qui n'est pas accepté par l'artefact.

Trace avéré très peu utile:

Dans les classes qui ont été testées, les forces rencontrées (sauf la force de pesanteur) n'ont pas été expliquées aux élèves avant l'utilisation de l'artefact. Les élèves procèdent par essai-erreur, on peut observer qu'ils essaient n'importe quoi à chaque nouvelle force rencontrée. Est-il utile de leur demander d'écrire tout ce qu'ils essaient ?

• Les élèves vont aussi noter à quel exercice ils sont arrivés à la fin du temps imparti.

Passage de l'artefact: Pour les classes testées, pratiquement tous les élèves ont fait tous les exercices sans frottement, ils ne sont pas restés sur une situation de blocage.

On considère aussi une ou deux des options suivantes:

• demander aux élèves d'assembler un document avec les solutions correctes;

• à la fin de leur travail avec l'exerciseur, donner aux élèves une photocopie des solutions correctes;

• demander aux élèves de « copier » quelques solutions correctes sur une version imprimée de la situation sur l'écran (« sans flèches »).

3 points pas encore testés

• Si on peut trouver une solution technique : enregistrement automatique des réponses (surtout les 'mauvaises').

Résultat de notre recherche: On a analyse plusieurs pistes. Une possibilité était de modifier l'exerciseur mais ça demandait des logiciels Adobe auxquels on n'a pas accès et pour lesquels un travail assez important pour arriver à maîtriser le langage de programmation semblait nécessaire. On a aussi envisagé d'enregistrer des images de l'écran à des intervalles régulières ou à la sélection d'un certain bouton ("Vérifier" par exemple). La première option a été éliminé pour raisons de taille de fichier avec les images tandis que pour la deuxième on n'a pas trouver un logiciel adapté.

Vérification de l'apprentissage avec une évaluation dans le cours suivant.

Exemple de traces: Résultats avant et après l'utilisation de l'artefact pour deux groupes de physique niveau 2

Fp: La force de pesanteur; Fs: La force de soutien; FT: La force de tension; Ffr: La force de frottement

Pres: La force est représentée dans la situation où elle est présente

PA: Le point d'application de la force correct selon le modèle du point matériel (par rapport au nombre de forces représentées)

Dir: La direction de la force est correcte (par rapport au nombre de forces représentées)

Sens: Le sens de la force est correct (par rapport au nombre de forces représentées)

Correction de la récitation: le but était alors de trouver pour chacune des 6 situations quelles forces s'appliquent, avec quelles caractéristiques et pourquoi. L'enseignant a alors projeté pour chaque force l'ensemble des réponses écrites par la classe la semaine précédente, c'est à dire dans quel cas une force est présente et quelles sont ses caractéristiques. Les élèves sont confrontés à leurs réponses imprécises et incomplètes et doivent indiquer si leurs réponses permettent de corriger la récitation. Cette étape à permis de généraliser les caractéristiques de chaque force rencontrée car avec les mêmes mots on devait pouvoir expliquer les 6 situations.

Cette activité a été réalisée en interaction avec la classe entière, est-ce la meilleure solution ?

Quatrième activité proposée: (~10 min)

Institutionnalisation sur les différentes forces, en classe, collectif.

Activité effectuée:

Une institutionnalisation sur les différentes forces a été effectuée, comme initialement prévu.

Une récitation a été faite le cours suivant avec des situations très proches et les résultats des élèves se sont améliorés.

Déroulement effectué par Teresa (Option B):

• • Contexte de la séquence dans le cours:

    • À la fin du cours sur les forces (31 Mars et 4 Avril)

    • Les élèves ont déjà travaillé : La représentation d'une force, La force de gravitation, la force de pesanteur, la force résultante, l'addition vectorielle et l'équilibre.

  • Une session de 45'+45'

  • Deux groupes de physique niveau 2

  • Présentation de l'activité (4')

  • Test : on annonce aux élèves qu'ils devraient faire le même test à la fin du cours (voir annexe problème 1) (8')

    • Objectifs :

      • Faire sortir les préconceptions des élèves

      • Augmenter sa motivation pour faire les exercices

      • Les aider à identifier les informations sur lesquels ils doivent se concentrer

  • Exercices avec l'artefact + remplir les fiches de travail (50')

    • 20 Individuel + 3 groupes de 2 élèves

      • Groupe A : 10 élèves travaille individuel + 2 groupes de 2 élèves

      • Groupe B : 10 élèves travaille individuel + 1 groupe de 2 élèves

    • Les élèves ont le droit de choisir travailler individuellement ou en groupe de deux.

    • Les élèves ont le droit de discuter avec ses camarades (la salle d'informatique est très serré, ils voient sans effort les écrans de ses camarades) et de demander au professeur.

  • Les élèves n'ont plus le droit de faire de nouvelles exercices ils doivent se concentrer en remplir les fiches de travail (10')

  • Test : le même problème qu'ils ont fait au début du cours (voir annexe problème 1) (18')

• 1. Traces:

  2. Exercice sur papier 6 exemples similaires aux exemples travaillés avec l'artefact (Pb 1 de la récitation de Bruno et Florin)

  3. Fiche de travail remplie avec la direction, sens et son point d'application pour les forces de pesanteur, soutien, tension et frottement.

  4. Le même exercice sur papier fait au début du cours (Pb 1 de la récitation de Bruno et Florin)

Productions attendues

Fiche de travail remplie avec la direction, sens et son point d'application pour les forces de pesanteur, soutien, tension et frottement.

Représentations simplistes et erronées ressorties de la deuxième et troisième activité (par exemple : point d'application et orientation incorrectes pour la force de soutien).

Productions recueillies

Fiche de travail remplie avec la direction, sens et son point d'application pour les forces de pesanteur, soutien, tension et frottement.

Récitation au début du cours qui a suivi l'utilisation de l'artefact

Récitation la semaine qui a suivi l'institutionnalisation sur les différentes forces

Traces d'activités des élèves

Conclusions

Ce n'est pas l'artefact en soi qui est important mais c'est l'usage que l'on en fait. Nous avons choisi d'utiliser l'artefact pour faire découvrir de nouvelles forces aux élèves. L’artefact a permis de significativement augmenté le nombre d’exercices travaillés par rapport à l’enseignement traditionnel. Cela a mené a une très grande fréquence de confrontation entre les conceptions des élèves et les connaissances acceptées sans les expliquer. Le test qui a suivi l'utilisation de l'artefact a été nettement moins bien réussi par les élèves que le test qui a suivi la leçon où les élèves ont été confrontés à leur production dans le but de les améliorer et où l'enseignant a institutionnalisé le savoir académique en l'expliquant. L'artefact dans notre cas n'a pas aidé les élèves à comprendre pourquoi on place les forces à des endroits précis mais les a aidé à savoir le faire. Le cours qui a suivi semble avoir complété le rôle de l'artefact. Reste à voir si les élèves pourront appliquer leurs acquis dans une variété plus grande de situations que celles qu’on a pu évaluer jusqu'à maintenant.

De façon générale, les MITIC peuvent améliorer la motivation des élèves. C'est à nous de les intégrer correctement dans notre enseignement pour que cela aide les élèves à améliorer leurs représentations mentales.

Bibliographie

Boethel, M., & Dimock, K. V. (1999). Constructing Knowledge with Technology: A Review of the Literature. Southwest Educational Development Laboratory, Austin, Texas, USA.

Ohlsson, S. (2013). "Beyond Evidence-Based Belief Formation: How Normative Ideas Have Constrained Conceptual Change Research". Frontline Learning Research 2, 70-85.

Viau, R. (2005). "La motivation et les technologies, Quelques réflexions fournies en exclusivité" : communication personnelle TECFA-Université de Genève. http://tecfa.unige.ch/tecfa/teaching/LME/lombard/motivation/viau-motivation-tic.html [consulté le 12.04.2014]

Lombard, F. (xxxx). "Le jeu et les Technologies (TIC) dans le contexte scolaire", http://tecfa.unige.ch/tecfa/teaching/LME/lombard/motivation/jeu.html [consulté le 12.04.2014]