Visualiser l'échelle moléculaire avec des animations /simulations

Remarque préliminaire

Dans la mesure où il est difficile de nous coordonner sur un thème d’enseignement commun (différences dans le programme et dans les établissements d’enseignement), nous avons décidé de garder une problématique ainsi que certaines conjectures communes. Les différences résideront donc dans le chapitre durant lequel la séquence MITIC va se dérouler (dissolution et molarité, structure moléculaire et représentation 3D des molécules) ainsi que dans les scénarios suivis afin de s’adapter aux différents niveaux et établissements.

Problématique

Les difficultés des élèves face à la représentation et à la construction d’un schéma mental représentant un phénomène chimique vient du fait que ce dernier, de par son appartenance à l’échelle moléculaire, est inobservable directement. Dans cette optique, l’intérêt de l’intégration d’un MITIC prend tout sens : il devrait permettre une meilleure conceptualisation par l’élève. Quel impact a donc le MITIC sur le cours et quel est son niveau d’intégration ?

Conjectures communes

• Dans un premier temps, l’artéfact, en exercice ou en illustration d’exercice, doit permettre à l’élève la conceptualisation d’une notion inobservable au laboratoire.

• Afin de vérifier l’influence de l’artéfact sur l’évolution du modèle conceptuel de l’élève, les élèves complètent une question avant et après son utilisation.

Conjectures spécifiques

• • L'itération de données, rendue possible par l'intermédiaire de l'artéfact, permet aux élèves de procéder à la construction d'une carte mentale traduisant le phénomène observé et menant à la déduction d'une formule mathématique (conjecture propre à Magali).

• L’hypothèse : demander à l’élève de créer un schéma puis de comparer cette représentation personnelle avec celle de l’artéfact (similitude et différence) afin de lui permettre de concevoir un modèle plus intelligible et favoriser ainsi un changement conceptuel (conjecture propre à Mounira).

• Le déroulement du cours avec et sans artéfact doit permettre de vérifier le niveau d’intégration de ce dernier (conjecture propre à Daniel).

Magali - Moles et molarité

Simulation de molarité : http://phet.colorado.edu/fr/simulation/molarity

Explication du choix de l’artéfact

L’artéfact permet aux élèves de visualiser les modifications influençant la molarité dans une solution en temps réel. Ils peuvent également revenir en arrière et de cette manière faire des aller-retour afin de vérifier leur compréhension.

L’utilisation guidée de l’artéfact permet également aux élèves de récolter des données qui permettrons d’en déduire la formule de la molarité.

Mounira - Dissolution / dissociation d'un sel

Simulation de la dissolution d'un sel : http://mw.concord.org/modeler/showcase/simulation.html?s=http://mw2.concord.org/public/student/solution/dissolve.html

Explication du choix de l’artéfact

Une image représentant le passage du monde macroscopique au monde microscopique du phénomène de la dissolution d’un sel est placée au dessus de la simulation, pour mieux montrer à l’élève la partie du sel concernée.

La simulation en deux dimension représente un cristal de sel, qui se met en vibration lorsque on appuie sur le bouton « salt cristal ». Un deuxième bouton permet l’ajout de l’eau, et deux autres en bas de l’image permettent l’ajout des charges et des liaisons électrostatiques.

Dans un premier temps, l’élève est spectateur dans cette activité, il va observer le phénomène de dissolution en temps réel (les atomes de molécules sont représentés en couleur et de différentes tailles). Ensuite il devient acteur en apportant des modifications : ajout de charges et de liaisons électrostatiques. Ce qui va l’aider à transformer son modèle conceptuel et lui permettre de mieux comprendre le phénomène observé

Effets éducatifs attendu (objectifs)

Comprendre le phénomène microscopique de la dissolution / dissociation d’un sel dans de l’eau.

Daniel - Structure moléculaire

Construction de molécules : https://phet.colorado.edu/fr/simulation/legacy/build-a-molecule

Explication du choix de l’artéfact

Cet artéfact est une sorte de jeu dans lequel les élèves doivent construire des molécules à l’aide de « kits » d’atomes. Une fois la molécule réalisée correctement, son nom apparaît et il est possible de la visualiser en 3D (avec des rotations possibles à l’aide de la souris). D’habitude, le genre d’exercices proposés pour étudier la structure moléculaire (forme tridimensionnelle des molécules) constituent à utiliser les modèles moléculaires plastiques pour répondre à une série de questions sur la molécule : à partir de la formule brute, l’élève construit son modèle, développe la formule, examine les types de liaisons et se familiarise avec la forme tridimensionnelle et la théorie de répulsions des paires électroniques.

Dans cette optique, l’usage du MITIC pourrait s’intégrer à la réalisation de ce genre d’exercice : en effet, l’artéfact choisi permet la construction de molécules avec une possibilité d’autocorrection et affiche la structure 3D en cas de réponse correcte.

Séquence mole et molarité (Magali)

Objectifs

Les élèves doivent acquérir les notions de :

• Dissolution

• Dilution

• Molarité (concentration)

Prérequis

Les élèves doivent maîtriser les notions suivantes :

• La mole

• La masse molaire

• Les changements d’unités

1ère partie (45 minutes)

L’enseignante explique le principe de la dissolution d’un solide en utilisant des exemples tirés du quotidien afin d’aider les élèves à se construire une représentation mentale du phénomène sans l’utilisation de TIC.

L’enseignante projette ensuite deux animations portant sur la dissolution et discute avec les élèves afin de déterminer si leur interprétation mentale était proche de celle des animations.

Un formulaire contenant 4 questions en rapport avec la concentration est distribué aux élèves. Les deux premières questions peuvent être résolues en procédant de manière logique, la troisième requière une compréhension un peu plus profonde et la dernière nécessite la formule permettant de calculer la concertation. Voir le fichier «1) Magali - formulaire.pdf »

Les élèves travaillent de manière individuelle jusqu’à la fin du cours. Les directives données aux élèves sont les suivantes :

• Ecrivez à l’encre noire

• Effectuer tous les exercices qui vous semblent être abordables.

• Si vous pensez qu’il vous manque des explications théoriques pour résoudre un problème signalez-le sur votre feuille et laissez l’exercice de côté.

L’enseignante circule dans les rangs afin d’aiguiller les élèves sur ce qu’ils doivent faire mais ne les aide pas pour résoudre les exercices.

A la fin du cours les feuilles sont collectées par l’enseignante, elles seront redistribuées cours suivant. De cette manière les élèves ne peuvent pas se faire aider pour compléter (répétiteur, grand frère…).

2ème partie (45 minutes)

Le cours se déroule en salle d’informatique afin de pouvoir utiliser l’artéfact simulation. Les élèves travaillent par groupe de deux et doivent compléter un questionnaire en s’aidant de la simulation (durée d’environ 20 minutes). Voir le fichier « 2) Magali - questionnaire.pdf » . Aucune aide n’est donnée aux élèves concernant la résolution des questions.

Dans la seconde moitié du cours l’enseignante redistribue les exercices effectués lors du cours précédant et les élèves vérifient leurs résultats, les corrigent les cas échéant et résolvent les exercices éventuellement mis de côté. Afin de récolter un maximum de d’information possibles l’enseignante demande aux élèves de procéder aux modifications de manière visible et à l’encre bleue afin qu’elle puisse estimer l’ajustement des connaissances qui a été fait grâce à la simulation.

A l’issue de la séance l’enseignante procède à une correction commune. Il est demandé aux élèves de corriger en rouge afin de pouvoir identifier les acquis directement liés à l’artéfact simulation.

3ème partie (45 minutes)

Lors du cours suivant deux questionnaires sont distribués aux élèves. Le premier concerne la compréhension du phénomène non-observable et le second sert à évaluer plus directement l’utilisation du TIC en demandant simplement aux élèves ce qu’ils en ont pensé.

Traces

• La trace 1 est constituée de la série d’exercice commencée lors de la première séance et complétée/modifiée/terminée pendant la deuxième partie.

• La trace 2 (la principale) est le formulaire que doivent remplir les élèves lors de l’utilisation de la simulation.

• La trace 3 est constituée d’un QCM permettant de confirmer l’assimilation de la notion introduite par l’intermédiaire de l’artéfact.

• La trace 4 est commune à l’ensemble du groupe est permet d’obtenir un retour intéressent des élèves face à l’utilisation d’une simulation.

Séquence dissolution/ dissociation d’un sel (Mounira)

Objectifs

Comprendre le phénomène microscopique de la dissolution / dissociation d’un sel dans de l’eau.

Prérequis

• Polarité́ des molécules (modèle moléculaire)

• Ions et composés ioniques

• Solution aqueuse : soluté, solvant, solution

Déroulement

2 classes : 30 élèves. 1ère année DF Collège.

1 ère partie (2 X 45 minutes)

Le cours théorique de la dissolution est donné sans artéfact ni images à l’échelle moléculaire, mais avec des démonstrations pratique sur la dissolution de composés ioniques soluble et insoluble (sel de cuisine, carbonate de calcium), ainsi qu’un composé non ionique soluble (le sucre). Le but de l’utilisation des produits du quotidien pour observer le phénomène à l’échelle macroscopique est d’attiré l’attention de l’élève sur le phénomène étudier et d’activer sa curiosité.

A 15 minutes de la fin du cours, l'enseignante distribue un document contenant la consigne de prédire la dissolution d'un sel dans l'eau à l’échelle moléculaire, sous forme d'images représentant deux étapes du phénomène.

Le document distribué contient un code graphique : chaque atome est représenté par des boules de couleurs différentes (comme le modèle moléculaire vu précédemment). L’enseignante explique bien la consigne et se met en retrait cognitif afin de permettre aux élèves d’être indépendant. Ce travail individuel contenant le schéma conceptuel initial est récolté à la fin de l'heure (trace 1). Voir le fichier « 3) Mounira - trace 1.pdf »

Cette activité peut être considéré comme une évaluation formative, car elle donne des informations sur les modèles initiaux des élèves, et leur permet par la suite de confronter leurs modèles initiaux à celui de l’artéfact simulation, ce qui va les aider à converger vers un modèle institutionnel plus cohérent.

2ème partie (2 X 45 minutes)

En salle informatique, l’enseignante redistribue les travaux individuels et demande aux élèves de se mettre en groupe de deux afin de comparer leurs schémas initiaux. Les élèves, durant cette interaction, se rendent compte de la présence d'autres modèles et confrontent leurs images avec celles de leurs camarades avant de la comparer à l’artéfact. Ensuite, l’enseignante distribue un protocole contenant la marche à suivre pour utiliser l’artéfact , la première consigne est de prendre deux images représentant deux étapes de la dissolution par capture d'écran. Tout le long de ce travail, l’enseignante aide les élèves à réaliser les deux photos (partie technique) mais attire leur attention sur le phénomène observé. Le document est ensuite imprimé (trace2). Voir le fichier « 4) Mounira - trace 2.pdf »

Lors de la deuxième période, l’enseignante donne la deuxième consigne : les élèves doivent effectuer une comparaison individuelle basée sur les similitudes et les différences entre leurs représentations personnelles et les photos prises par capture d’écran. Les élèves apportent des corrections sur leurs images en couleurs différentes ou refont un nouveau schéma si leurs représentations sont trop éloignées de celles de la simulation.

La rédaction d’un paragraphe sur la comparaison est aussi demandée, pour vérifier si les élèves ont intégré le nouveau schéma.

Lors du prochain cours (la dissociation) : l’enseignante utilise une animation de dissolution de sel (ressemblante à la simulation) comme amorce pour aborder le cours de la dissociation (dislocation du cristal et la solvatation des ions), le nouveau schéma institutionnel est sollicité pour la compréhension du phénomène de dissociation.

L’enseignante compte sur la répétition pour consolider le nouveau schéma conceptuel, en interrogeant les élèves sur la dissociation de différentes molécules et grâce à une série d’exercices à la fin du cours, l’enseignante peut sonder le niveau de compréhension des élèves des deux phénomènes dissolution / dissociation

Traces

• Production d'image (prédiction de l'élève) avant l'utilisation de l'artéfact, modifié après simulation

• Capture de deux images lors de l'utilisation de l'artéfact 1

Séquence spécifique structure moléculaire (Daniel)

Objectifs

Théorie RPE et représentation 3D des molécules, structure des molécules et études des liaisons.

Prérequis

• Formule brute et développée

• Liaisons ioniques et covalentes

• Polarité́ des molécules

• Ions et composés ioniques

• Charge complète et partielle

1ere partie (2 x 45 minutes)

L’enseignant fait un rappel sur les notions vues aux derniers cours, notamment le passage des formules brutes aux formules développées, les liaisons chimiques, l’électronégativité et la théorie de répulsion des paires électroniques.

Quelques démonstrations sur les conséquences de la polarité sont effectuées en classe, comme la répulsion entre deux aimants ou la déviation d’un filet d’eau sur une règle en plastique, préalablement frottée avec un pull en laine. Des dessins de molécules en trois dimensions au rétroprojecteur apportent une première forme de représentation tridimensionnelle. Finalement l’enseignant rappelle rapidement les notions de miscibilité d’un composé polaire dans un solvant polaire ou apolaire.

À ce stade, une première série d’exercices est effectuée par les élèves à l’aide des modèles moléculaires plastiques. Ces exercices sont corrigés ensuite et les élèves procèdent à une autocorrection. Ces exercices sont ramassés par l’enseignant.

Voir le fichier « 5) Daniel - exercices structure moléculaire - classe.pdf »

Durant les 15 dernières minutes de la 2ème période, les élèves répondent à la question « libre » sur une molécule en particulier, l’acide phosphorique, qui sera ramassée par l’enseignant. Il faut donner sa formule développée, avec toutes les indications possibles, et la dessiner en 3 dimensions. Les élèves ont la consigne de ne pas utiliser la couleur rouge. Voir le fichier « 6) Daniel - question structure moléculaire ».

2ème partie (2 x 45 minutes)

Durant la première période de 45 minutes, en salle informatique, les élèves se familiarisent d’abord un petit moment avec l’artéfact (démonstration sur la 1ère « collection » de molécules). Une fois l’utilisation comprise, les élèves réalisent le niveau 2 à l’aide d’un protocole adapté. Voir le fichier « 7) Daniel - exercices structure moléculaire - salle info.pdf » ici. Ces exercices sont corrigés ensuite et les élèves procèdent à une autocorrection. Ces exercices sont également ramassés.

A la fin de la 2ème période, la série d’exercices réalisés à l’aide des modèles plastiques ainsi que la « question libre » de la leçon précédente sont redistribuées par l’enseignant. Les élèves apportent leur correction sur leur feuille à l’aide d’un stylo rouge. Les deux documents sont récoltés à la fin (15 minutes laissées aux élèves). Durant les 10 dernières minutes de la 2ème période, les élèves répondent à un bref questionnaire sur leur appréciation du cours. Voir le fichier « 8) Questionnaire sur la séquence.pdf ».

Le déroulement du même type d’exercice en classe, avec les modèles plastiques, et en salle informatique, avec l’artéfact renseignera sur l’intégration du MITIC à la structure du cours « classique ». Les corrections en rouge sur la 1ère série d’exerciceen classe avec les modèles plastiques) et sur la question « libre » (donner toutes les informations sur une molécule) apportées ou pas en salle informatique renseigneront sur l’évolution du modèle conceptuel de l’élève.

Traces

• Question libre « structure moléculaire », avec corrections de l’élève en une couleur distincte d’une leçon à l’autre.

• Déroulement d’une série d’exercices similaires en classe, à l’aide des modèles plastiques et en salle informatique, à l’aide de l’artéfact. Correction par l’élève (en rouge) sur la série réalisée en classe après utilisation de l’artéfact.

• Questionnaire sur le déroulement du cours, rempli par les élèves.

Analyse des séquences MITIC

Analyse des résultats (Magali)

L’analyse de la séquence s’articule en trois étapes:

• Dans un premier temps, le comportement des élèves a été évalué tout au long de la séquence et des marqueurs ont été relevés.

• Ensuite les résultats à proprement parlé ont été analysés afin d’évaluer la vérification des conjectures.

• A la suite de la séquence deux tests ont été effectués. Le premier, sous forme de QCM, fait en classe afin de mettre en évidence d’éventuels erreurs de compréhension ou au contraire, une assimilation correcte du concept abordé durant la séquence. Le second correspond à une évaluation de l’intégration une simulation dans une séquence de cours par les élèves.

Observation directe

Les attitudes et commentaires de élèves relèvent un accueil positif du dispositif pédagogique qui diffère du contexte d’enseignement habituel.

Différents marqueurs vont dans ce sens :

• Engagement cognitif plus important qu’à l’habitude mais l’effet du changement et de la nouveauté en est probablement un facteur non négligeable

• Une grande interaction entre les élèves a été relevée ; entraide pour l’utilisation de l’artéfact, questions sur la manipulation de l’artéfact, observation sur la qualité des graphismes…

Après un léger temps de latence, les élèves ont facilement rempli les premiers tableaux du questionnaire liés à l’artéfact. En revanche certain d’entre eux ont sollicité l’aide de leurs voisins pour les tableaux nécessitants une réflexion plus poussée (donnée ne pouvant être calculées à l’aide de l’artéfact) et une extrapolation des valeurs. Les différents échanges se sont fait dans une atmosphère cordiale et détendue.

Analyse des résultats obtenus au cours de la séquence de cours

Premier questionnaire (trace 1)

Il consiste en une série de question dont le niveau augmente de manière a ce que les élèves ne puissent normalement pas répondre à la dernière question sans l’aide des notions intégrées grâce à l’artéfact introduit ultérieurement. A l’issue de la partie en salle d’informatique les élèves peuvent, s’ils le souhaitent, modifier, corriger ou compléter les données initialement écrites. Pour cela, ils doivent respecter le code couleur résumé dans le tableau ci-dessous afin que l’enseignant puisse évaluer le changement intervenu dans la compréhension de l’élève.

Explication du code couleur

*Les directives concernant le choix des couleurs n’ont pas été suivies par tous les élèves. Il a donc fallu regarder l’ensemble de la copie pour déterminer quelle couleur correspondait à quel type de modification.

Les résultats obtenus sont représentés dans l’histogramme ci-dessous :

Les deux premières questions (1.1 et 1.2) ne nécessitent aucun cours de chimie pour être faites. Il ressort nettement qu’elles ont été largement réussies.

Dans la question 1.3 un raisonnement logique d’un non-initié permet d’accéder au résultat mais la présentation de la notion de concentration rend la question beaucoup plus abordable. On constate qu’il y a effectivement un peu moins de réponses exactes au premier passage mais elle reste globalement fort bien réussie.

C’est sur les résultats de la question 1.4 que l’impact de la séquence avec l’artéfact se fait le plus ressentir. Effectivement la réponse ne peut être donnée qu’en connaissant la formule de la concentration molaire (déduite à l’aide de l’artéfact).

Une importante proportion d’élèves on,t complété la question laissée vide en bleu, (fig.1), ce qui confirme que le questionnaire n°2 rempli à l’aide de l’artéfact a permis une amélioration de la compréhension et une modification du schéma mental des élèves.

fig.1 : question complétée par l’élève

Deuxième remarque concernant la mise en évidence d’élèves ayant déjà connaissance de la notion de concentration molaire. Effectivement quelques élèves ont répondu directement à cette question. Un seul a spécifié qu’il manquait des informations comme demandé dans l’énoncé et certain ont répondu totalement faux. Par contre une autocorrection de ce ces élèves a été faite dans tous les cas (cf fig.2).

fig. 2 : le résultat initial est faux mais l’élève à corrigé sans aide de l’enseignante

Deuxième questionnaire (trace 2)

Afin de remplir les deux premiers tableaux les élèves doivent utiliser l’artéfact en modifiant différents paramètres. Ils collectent une série de données qui ont été choisies de manière à orienter leur réflexion. Lors de la modification des données les élèves voient les changements qui s’opèrent dans la solution, tant au niveau des valeurs que de l’aspect de cette dernière. A la suite de ces manipulations ils doivent raisonner sur les résultats qu’ils ont obtenus et faire ressortir une relation entre les deux tableaux. A tout moment ils ont la possibilité de modifier les paramètres de la simulation pour s’aider dans leurs réflexions.

Les résultats sont résumés dans le tableau ci-dessous :

Nous pouvons constater qu’environ les 2/3 des élèves ont réussi à répondre. Le tiers restant n’a pas réussi mais le manque de pratique dans ce genre d’exercice en est probablement une des causes. A cela s’ajoute de grosses lacunes en mathématique comme l’a indiqué les réactions des élèves face au terme « proportionnel » et « inversement proportionnel » utilisé à la question 2.4.

L’observation des différentes copies montre que l’artéfact a permis aux élèves de se forger un schéma clair de la variation de la concentration en fonction des différents paramètres modifiables dans la simulation. Des facteurs de proportionnalités étaient visibles sur plusieurs copies comme dans l’exemple ci-dessous (fig. 3).

fig. 3

Aux vues de ces résultats, nous pouvons conclure que la conjoncture selon laquelle l’itération de données permettrait à l’élève de déduire un processus logique menant à la connaissance d’une formule est bien vérifiée.

Troisième questionnaire (trace 3)

Ce questionnaire a été fait au début du cours suivant la séquence en salle d’informatique. Le but étant de vérifié si les concepts présentés à l’aide de la simulation étaient acquis. Les questions se présentent sous forment de QCM, dans lequel aucun calcul n’est nécessaire, il suffit d’appliquer la même logique que celle utilisée avec l’artéfact (c’est-à-dire doubler la concentration, la diviser par deux …).

Les résultats obtenus laissent envisager une bonne intégration de la notion. Dans l’ensemble au moins une moitié des élèves à répondu correctement.

Analyse du questionnaire de réflexion

Les résultats obtenus sont présentés dans l’histogramme ci-dessous :

Afin de visualiser plus facilement la tendance générale, les résultats ont été traités comme suit :

• Les réponses 1 et 2 (sur l’échelle de Linkert) ont été mises ensembles est considérées comme n’étant pas en accord avec la proposition

• Les réponses 4 et 5 (sur l’échelle de Linkert) ont été mises ensembles est considérées comme étant en accord avec la proposition

• Les réponses 3 ont été considérées comme un avis neutre

Ils ont ensuite été reportés sous forme de pourcentage que l’on peu voir dans le tableau ci-dessous :

Les réponses données par les élèves aux questions 1, 2 et 4 vont dans le sens de notre première conjecture. Ils sont très majoritairement d’accord sur le fait que l’artéfact aide à mieux conceptualiser et comprendre un phénomène inobservable.

En ce qui concerne notre seconde conjecture commune, il ressort également une majorité de réponses en accord avec le fait que l’artéfact aide à faire évolué le schéma mental de l’élève. Ceci est prouvé par les pourcentages élevés obtenus aux questions 8, 9 et 10. Les 81% d’élèves d’accord sur la question 3 permet de confirmer l’utilité de l’artéfact dans le processus permettant de déduire la formule de la concentration. Pour ce qui est des questions 5 à 7 et 11 à 13, il est clair que l’utilisation d’un ordinateur en cours est apprécié des élèves mais il est important de garder à l’esprit que l’effet de ludique et divertissant de ce dernier ne doit pas être négligé.

Conclusion :

Aux vues des résultats obtenus, il paraît évident que la simulation intégrée dans une telle séquence, a des apports positifs d’un point de vue pédagogique.

Nous avons donc avec cette dernière un outil intéressant permettant aux élèves de faire le va-et-vient entre le monde macroscopique, qui est leur zone de confort, et le monde submicroscopique où la non-observation du phénomène rend la compréhension difficile et insécurisante.

La simulation à permis aux élèves de se forger un schéma mental complexe conduisant à une évolution de leurs savoirs. Il est clair que la séquence à été fortement orientée afin de les conduire à leur conclusions mais le travail de construction par leur propres moyens d’une formule à beaucoup plu aux élèves qui ont clairement exprimé leur satisfaction de « comprendre » d’où venait la formule.

Cette constatation pousse à conclure que le potentiel de la séquence est réel mais la question émergeante est de savoir si les contraintes imposées par la mise en œuvre du dispositif, tel qu’il a été fait ici, sont compensées par l’apport cognitif réel.

Bibliographie :

• « Multidimentionnal Analysis System for Quantitative Chemistry Problems : Symbol, Macro, Micro and Precess Aspects » ; Yehudit J.Dori, Mira Hameiri, 2002.

• « Beyond appearences : Studens’ misconceptions about basic chemical ideas » ; Vanessa Kind, 2^nd edition, 2004.

Analyse des résultats (Mounira)

Traces : les effets éducatifs attendu ont été mesuré grâce à l’analyse des traces suivantes :

· Observation des interactions des élèves en classe et leur participation

· Production d'image (prédiction de l'élève) avant l'utilisation de l'artéfact, modifié après simulation.

· Capture de deux images lors de l'utilisation de l'artéfact 1.

· Questionnaire réflexif sur l’utilisation de l’artefact

· Question liée à la dissociation d’un sel dans des exercices ou dans l'épreuve intermédiaire.

Analyse du déroulement du scénario :

Comportement des élèves :

Les élèves affichaient une attitude positive, ils ont apprécié de travailler en salle informatique, de changer de support didactique, et de sortir de la routine des cours et laboratoire conventionnels.

La mise au travail était facile, les élèves s’entraidaient à prendre les photos et à les imprimer.

Analyse des traces écrites :

1. Exercice de prédiction :

Le premier exercice consiste à demander aux élèves de produire des dessins avant l’utilisation de l’artéfact, dessiner la dissolution de sel de cuisine NaCl en deux étapes.

Les productions des élèves montrent leur conception naïve du phénomène et révèle ainsi des préconceptions erronées. L’analyse des données récoltés s’est basés essentiellement sur deux types de préconceptions erronées, celle concernant le sel et celles qui concerne l’eau.

Les préconceptions des élèves concernant le sel :

L’histogramme de la figure 1 ci-dessous regroupe les différentes conceptions erronées concernant le sel durant les deux étapes de la dissolution.

Au début de la dissolution

. 1/3 des élèves pensent que le sel de cuisine se trouve sous forme de molécules séparés (chaque grain de sel est une seule molécule)

A la fin de la dissolution :

· La moitié des élèves pensent que les deux constituants du sel se séparent suite à la dissolution sans mentionner la notion de formation des ions.

· 1/6 des élèves pensent que la dissolution de sel implique sa liaison directe à la molécule d’eau, il y même un élève qui dessine une nouvelle molécule de Na₂Cl

Remarque :

1/6 des élèves pensent que tout les atomes sont séparés du début jusqu’ à la fin de la dissolution, une sorte d’une marre d’atomes séparés (voir fig.2) :

Fig.2 : Une marre d’atomes séparés du début jusqu'à la fin de la dissolution

Les préconceptions des élèves concernant l’eau :

L’histogramme de la figure 3 ci-dessous regroupe les différentes conceptions erronées concernant la forme de la molécule d’eau durant les deux étapes de la dissolution

La moitié des élèves dessinent l’eau sous forme de plusieurs molécules, toutefois 1/6 séparent les hydrogènes de l’oxygène du début jusqu’à la fin de la dissolution (voir fig. 2)

2. Capture d’image :

En salle informatique les élèves suivent un protocole distribué, lance la simulation et prennent deux captures d’images représentant le début et la fin de la dissolution (voir figure 4). Tout en ajoutant les charges et les interactions électrostatiques.

fig.4 : Exemple de photos de capture d’écran du début (à gauche) et la fin (à droite) de la dissolution

3. Comparaison de la photo prise par capture d’image et l’exercice de prédiction

Les élèves sont amenés à corriger leur image prédite en comparaison avec les captures d’écran prise de la simulation.

L’analyse des traces récoltées se base essentiellement sur la forme du sel (cristal) au début de la dissolution et la formation des ions à la fin du phénomène, ainsi que la géométrie de la molécule d’eau durant le phénomène (voir figure.5)

fig.5 : le changement de conception des élèves suite à l’utilisation de l’artefact.

Après utilisation de l’artefact, nous pouvons constater que la majorité des élèves dessinent le sel sous forme cristalline au début de la dissolution, et en ions séparés à la fin du phénomène, contrairement à leur préconception avant l’artefact.

· Suite à l’utilisation de l’artefact, 21 élèves sur 28 ont dessiné les charges sur les molécule d’eau et les ions,

· Toutefois, deux élèves ont dessiné des molécules de NaCl non séparé à la fin de la dissolution.

· L’analyse du paragraphe demandé après l’utilisation de l’artefact, révèle les mêmes conclusions, les élèves se sont rendus compte de leurs erreurs et ont pu modifier leur dessin sans oublier d’ajouter des charges et des interactions électrostatiques.

· 23 élèves ont ajouté les liaisons, mais seulement 13 (sur 28) ont pris en considération la taille des atomes

Analyse du questionnaire réflexif :

· Les élèves ont apprécié en majorité l’utilisation de l’artefact (question2-7), 2/3 des élèves pensent que la simulation a corrigé leur conception du phénomène. 2/3 des élèves préfère les exercices en salle informatique(fig.6)

Fig.6 : Analyse du questionnaire réflexif.

Vérification des conjectures :

Concernant la conjecture principale : demander à l’élève de créer un schéma puis de comparer cette représentation personnelle avec celle de l’artéfact (similitude et différence) afin de lui permettre de concevoir un modèle plus intelligible et favoriser ainsi un changement conceptuel.

· Cette hypothèse a pu être confirmé, car la majorité des élèves ont apporté des corrections pertinentes sur leurs images de prédiction et aussi dans le paragraphe de comparaison. Ce qui signifie que l’artefact a pu les aider à corriger les préconceptions erronées et surtout à leurs faire le lien avec les cours précédemment vu : liaison ionique du sel, liaison intermoléculaire que l’eau peut faire avec les autres molécules (voir figures 6 et 7)

fig.7 : comparaison des productions des élèves avant et après utilisation de l’artefact pour les deux étapes de dissolution en image et en paragraphe.

Concernant la conjecture commune : l’artéfact, en exercice ou en illustration d’exercice, doit permettre à l’élève la conceptualisation d’une notion inobservable au laboratoire, cette conjecture est bien vérifiée, et confirmé par l'analyse du questionnaire réflexif distribué après l'utilisation de l'artefact.

Pertinence et limites de la simulation choisie :

· La simulation en deux dimensions permet la visualisation des charges et des interactions électrostatiques à condition de les activer sur le programme, d’ou la dépendance des élèves au protocole qui doit mentionner ces étapes.

· La simulation traite peu de critères de la dissolution : la nature de soluté et du solvant (polaire). Les autres critères (température, quantité de soluté et du solvant) ne seront pas discutés.

· La courte durée de la simulation est un avantage, cela permet aux élèves de prendre leurs photos, de commencer leur comparaison, faisable en 45 min.

· Les critères de choix de la photo sont limités par l’artefact, car ce dernier propose trois changements possibles : ajout d’eau, de charges et de liaisons électrostatiques, à partir de ce moment, l’analyse des productions écrites va se focaliser sur des critères choisis par l’enseignante mais déterminés par l’artéfact

Conclusions :

L’artéfact a été utilisé afin d’évoluer les modèles naïfs des élèves, déconstruire leurs propres modèles si besoin et de reconstruire grâce à la simulation un modèle institutionnalisé.

L’artéfact peut être utilisé comme un mode d’enseignement choisi, en fonction des effets recherchés [1], car il permet de varier les supports didactiques

L’utilité de l’artéfact reste mitigée pour ce cours :

D’un coté l’artéfact s’avère utile seulement à moyen terme chez certains élèves, car lors de l’épreuve intermédiaire, les élèves étaient confrontés à un exercice similaire, les préconceptions erronées sont ressorties, ce qui montre que le model institutionnel n’a pas était ancré, l’artefact attractives à première vu (questionnaire réflexif), il ne s’avère pas toujours bénéfiques pour la compréhension et la mémorisation du phénomène [2].

D’un autre coté, à long terme l’artefact peut être utilisé comme moyen d’appuie au cours conventionnel, un simple rappel de la séance en salle informatique s’avère favorable à la compréhension, car « l’utilisation des technologies ne fait sens que si elle a un rôle positif dans l'appropriation des savoirs » [3].

Références :

G. De Vecchi, “Aider les élèves à apprendre”, Hachette éditions, 1992. P79-80

Bétrancourt, M., Bauer-Morrison, J., & Tversky, B., « Les animations sont-elles vraiment plus efficaces ? », Revue d'intelligence artificielle, vol. 14, n°1-2, 2001, P 149-166.

Christine Dioni « métier d’élève, métier d’enseignant à l’ère numérique » P02

Analyse des résultats (Daniel)

Observation directe et réalisation des exercices avec les modèles plastiques puis l’artéfact (trace 1)

La plupart des élèves ont de meilleures notes avec l’exercice en salle informatique, ce qui était prévisible, dû au fait que l’artéfact signale quand il y a une erreur, ce qui permet à l’élève de trouver la bonne réponse par tâtonnements (dans le temps imparti). Les élèves butent toujours sur les mêmes obstacles (les fautes sont similaires la plupart du temps), mais l’artéfact a rempli son rôle d’intégration à la structure du cours. Dans la plupart des cas, les élèves étaient plus à l’aise avec l’outil informatique. Deux élèves, le 5 et le 7, obtiennent un score parfait avec l’artéfact : ces deux élèves ont travaillé ensemble, l’un des deux étant blessé.

Mais ce qui est significatif avec l’utilisation de l’artéfact, c’est l’autonomie acquise par les élèves, qui travaillaient chacun sur leur poste : l’enseignant était ainsi disponible pour répondre aux questions cruciales de compréhension chez les élèves les plus en difficultés. En salle de cours, avec les modèles moléculaires, l’enseignant est sans cesse sollicité, non pas tant pour répondre à des problèmes de compréhension théorique, mais plutôt sur l’utilisation même des modèles plastiques, ces derniers se révélant au final peu intuitif et peu pratique :

• Même si l’élève a déjà utilisé un modèle plastique, il n’est pas garanti qu’il ait utilisé le même dans son parcours scolaire et il ne fait pas toujours le lien entre les éléments provenant de boîtes différentes (plusieurs marques de modèles existent dans mon établissement) en raison, entre autres, de différences dans le choix des couleurs (souvent minimes mais suffisantes), des systèmes de connexion (directe entre atomes ou à l’aide d’un bâtonnet représentant la liaison) et des échelles.

• Un autre problème qui semble anodin mais qui est une réalité : une boîte de ces modèles, complète, comprenant tous les éléments décrits dans la notice (si existante) est une utopie dans une école à forte densité. Certaines boîtes regorgent d’éléments inutiles et d’autres sont désespérément vides, ce qui oblige à une circulation des élèves pour s’échanger des éléments. Tout ceci crée un « joyeux » désordre qui ne facilite pas l’apprentissage.

• Deux élèves doivent se partager une boîte, alors qu’il est intéressant de pouvoir réaliser cet exercice de manière individuelle.

L’artéfact permis aussi un plus grand « tournus » de molécules et d’exercices (moins long que monter / démonter un modèle).

Correction élève sur la question « libre » (trace 2) :

Après l’utilisation des modèles plastiques, cet exercice consistait à donner la formule développée de l’acide phosphorique, avec toutes les indications possibles, et de dessiner la molécule en 3 dimensions. Après l’utilisation de l’artéfact, les élèves ont eu la possibilité d’y apporter des corrections.

Dans tous les cas, les corrections apportées ont porté sur la nature de la liaison H-O qui passe de polaire à ionique (les élèves se basent uniquement sur la valeur de la différence d’électronégativité : à partir de 1,7, la liaison est ionique pour eux dans un premier temps. L’arbitraire de cette limite a été montré en classe par le montage d’un circuit électrique passant par une solution d’acide sulfurique et comprenant une ampoule qui s’allume. Le MITIC a eu peu d’impact sur la représentation tridimensionnelle d’une molécule un peu plus complexe comme l’acide phosphorique : il serait donc intéressant de trouver un autre artéfact similaire avec des molécules un peu plus « difficiles ».

Correction élève sur la 1ère série d’exercice (modèles plastiques) après utilisation de l’artéfact (trace 3)

La plupart des élèves ont apportés des corrections (pertinentes) à cette première série après utilisation de l’artéfact.

Ces corrections portent essentiellement sur la structure tridimensionnelle des molécules. Le fait de pouvoir visualiser plus aisément les molécules grâce au support informatique non seulement permet une autocorrection plutôt efficace (en tout cas sur les erreurs les plus grossières, les élèves peinaient encore avec la forme tridimensionnelle autour du soufre dans l’acide sulfurique) mais aussi une utilisation ultérieure plus aisée des modèles plastiques lors d’un petit exercice de laboratoire.

Résultats du questionnaire (trace 4)

Dans l’ensemble, les élèves semblent plutôt satisfaits de l’exercice. Les élèves semblent trouver une certaine facilité dans l’utilisation de l’outil informatique.

Une grande majorité des élèves semblent d’accord sur les questions 2,3,4,7 et 10. Ces questions touchent surtout à l’interface, certains élèves sont plus à l’aise en utilisant une simulation informatique sur laquelle les éléments de construction sont déjà présents plutôt que de dessiner de nihilo une molécule. Dans cet exemple, il est important de vérifier par la suite, à l’aide d’une évaluation formative par exemple, que l’élève arrive à restituer sa propre conceptualisation du modèle moléculaire, et que l’artéfact ne se limite pas à un objet ludique. Les 3 dernières questions plébiscitent la multiplication de ce type de cours (même si aucun élève n’a laissé de commentaires dans la case prévue à cet effet, c’était le sujet qui revenait le plus souvent dans la discussion de fin.

Conclusion

L’usage du MITIC s’est parfaitement intégré à la structure classique du cours. Il s’est révélé plus pratique à l’usage et moins confus que les modèles plastiques. Mais ces derniers ont quand même l’avantage d’apporter une dimension tactile et permettent de construire librement des molécules complexes, si l’on suffisamment de pièces à disposition. Plutôt que de compléter ou de se substituer à l’exercice classique, l’usage de l’artéfact, dans ce cas, devrait servir d’introduction à la structure tridimensionnelle des molécules : l’usage ultérieur des modèles plastiques n’en deviendrait que plus intuitif et rapide, grâce à des boîtes complètes dont l’achat, pour l’usage personnel en classe, est sérieusement envisagé. De plus, il doit être possible de trouver un artéfact permettant la construction de molécules plus élaborées, voire de modifier un artéfact existant. Et pour terminer, l’utilisation de l’artéfact facilite la multiplicité des représentations en chimie (modèle en fil de (modèles à boules ou à tiges pour cet artéfact) car il permet de passer rapidement de l’une à l’autre.

Analyse de l'expérimentation et apport du colloque du 20 avril 2016 : la simulation, un outil de conceptualisation pour les élèves

Suite à la présentation des différents groupes du 20 avril dernier, plusieurs constatations sur notre propre travail ont été faites :

• La constatation principale qui s’est imposée à nous à la suite du colloque est la conséquence de l’intégration d’un artéfact dans un séquence d’enseignement. Un nouvel acteur fait son entrée dans la la classe : le cyberprof. La structure standard du triangle pédagogique selon Houssaye se voit donc enrichie d’un quatrième pôle et de triangle nous passons à tétraèdre. Il paraît donc évident qu’il faut tenir compte de cette nouvelle dimension dans nos réflexions.

• Il apparait clairement que « savoir choisir » un artéfact n’est pas chose aisée : en plus de l’obstacle de la langue (beaucoup d’interfaces étant en anglais), l’artéfact n’est pas toujours adapté au groupe-classe et au chapitre considéré, car celui-ci reflète l’apport pédagogique spécifique de son auteur qui n’est pas forcément en adéquation avec la vision de l’enseignant. Une solution permettant de contourner le problème serait de créer ou de modifier (si le code est libre) nos propres dispositifs technologiques. Dans ce cas là on assiste à une fusion plus ou moins importante du cyberprof et l’enseignant classique. La question ici étant de savoir quelle importance nous voulons donner au cyberprof. Si il prend la place de l’enseignant, nous pouvons nous demander si ce dernier se retrouve relégué au second plan, voire totalement effacé, ou si au contraire cela lui permet de gérer de manière différente l’enseignement en jouant en arrière plan.

• D’un autre côté, le fait de créer son propre dispositif reflète dès lors notre rapport au savoir, au détriment des élèves. En privilégiant l’axe savoir-cyberprof-enseignant, les activités des élèves sont mises de côté, alors qu’elles devraient servir de base à la construction du dispositif.

• Au vu de ces constatations il devient clair que le choix de l’artéfact est difficile et qu’il doit être pensé en profondeur, jaugé mais surtout resté flexible et en constante réévaluation afin de permettre une meilleure optimisation du dispositif dans son ensemble.

• En ce qui concerne l’intégration de l’artéfact dans une séquence de cours, nous en somme arrivé à la conclusion qu’elle ne représente pas une rupture avec la structure classique d’un cours mais le danger réside à nouveau dans le remplacement de l’enseignant par le cyberprof. Au lieu de constituer une fermeture par l’effacement de l’enseignant au profit du cyberprof, le dispositif devrait permettre l’ouverture sur des nouvelles façons et possibilités d’interaction en classe, mais sommes-nous prêts, surtout en tant que futur enseignant, d’accepter cet appui qui nécessite forcément un retrait pédagogique – plus ou moins marqué – de notre part.

• Au final, l’usage des TIC se révèle être une plus-value, particulièrement en sciences. Mais son intégration doit se faire de manière réfléchie, et ne pas constituer un remplacement pur et simple d’une séquence. Il doit permettre la création d’un quatrième pôle, qui donne une forme tridimensionnelle au triangle pédagogique classique. L’enseignant doit également prendre sur lui et accepter ce changement de la situation didactique.