historique_2

Utilisation d'un exerciseur pour découvrir et apprendre les forces et le formalisme vectoriel dans la mécanique du point matériel

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.

Objectifs spécifiques :

Faire la transition entre l'identification des forces relevantes 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 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 des 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 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.

Le document rempli par les élèves pour décrire les forces contient de nombreuses erreurs et des représentations simplistes ou erronées des élèves.

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.

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.

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).

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).

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.

Les élèves ont beaucoup de mal au début, sont perdus, puis se laissent prendre au jeu et cherchent à résoudre tous les exercices. Par contre ils ont beaucoup de mal 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.

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.

Un 1er document 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 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.

Dans les classes qui ont été testées, les forces rencontrées 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.

Pour les 5 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').

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

Déroulement possible

L'enseignant aura déjà parlé dans un cours précédent des forces qui apparaissent dans les exercices ainsi que de la représentation vectorielle d'une force.

Pour les classes testées, l'enseignant a préalablement fait un cours sur la force de pesanteur et a parlé de la force de soutien. Les élèves ont entendus le mot vecteur depuis plusieurs cours et l'enseignant a introduit les 4 caractéristiques d'un vecteur juste avant l'utilisation de l'artefact.

Première activité : (~40 min)

Trouver « les règles du jeu » de l'artefact avec pour consigne de remplir la fiche de travail.

Cours dans un laboratoire d'informatique pour donner aux élèves la possibilité de travailler individuellement ou par groupe de 2.

L'enseignant va brièvement présenter aux élèves l'interface utilisateur de l'artefact pour faciliter le début de leur travail.

Pour les classes testées, l'enseignant a indiqué aux élèves qu'ils devraient placer les forces qui agissent sur un objet A dans différentes situations. Il a également indiqué comment remplir le document fourni. Aucune indication n'a été donnée sur le fonctionnement de l'artefact avant le début de l'activité. L'enseignant a expliqué son fonctionnement aux élèves qui le lui ont demandé.

Deuxième activité: (~15 min?)

En classe par groupe de 4 puis toute la classe

Consigne : Parmi tout ce qui n'est pas accepté par l'artefact et que vous avez essayé, faites 2 catégories :

• • C'est normal pour moi que cela soit refusé par l'artefact;

  • Je ne comprends pas pourquoi c'est refusé par l'artefact.

Mise en commun des résultats des différents groupes et discussion collective pour faire ressortir les difficultés et les préconceptions.

Troisième activité : (~15 min?)

En classe par groupe de 4 puis mise en commun avec toute la classe

Consigne : Parmi tout ce qui est accepté par l'artefact et que vous avez essayé, faites 2 catégories :

• • C'est normal pour moi que cela soit accepté par l'artefact;

  • Je ne comprends pas pourquoi c'est accepté par l'artefact.

Mise en commun des résultats des différents groupes et discussion collective pour faire ressortir d'autres préconceptions mais aussi les limites de l'artefact (l'intensité des différentes forces peut être quelconque, elle est toujours acceptée par l'artefact alors que cela est faux). Le but est ici de faire comprendre aux élèves que cette représentation vectorielle à du sens.

On se demande s'il est pertinent de faire ces 2ème et 3ème activités, qui nous semblent toutes les 2 importantes pour donner du sens à cette leçon, à la suite, n'est-ce pas trop long pour les élèves? A réfléchir

Quatrième activité : (~10 min)

Institutionnalisation sur les différentes forces, en classe, collectif.

deuxième activité testée: Pratiquement tous les élèves ont réussi à faire tous les exercices sans frottement et ne sont pas resté bloqués sur une situation, on a donc imaginé une autre activité.

Récitation au début du cours suivant: les élèves devaient placer les forces qui s'exercent sur un objet dans 6 situations différentes.

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 ?

Une institutionnalisation sur les différentes forces a suivi.

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