Simulation chute des corps - baumgartner

Travail effectué durant la session 2012-2013 Groupe Maria - Jérémy

Texte de réflexion de groupe

Introduction

Dans ce document, nous présenterons notre utilisation d’un artefact MITIC à partir d’une activité de mécanique sur la chute libre. C’est une activité très originale puisqu’elle met en question la vidéo de Félix Baumgartner sautant d’une capsule montée à 37 km d’altitude. Nous allons dans un premier temps présenter les problématiques et conjectures liées à cette activité, puis son scénario. Ensuite, nous expliquerons les analyses préalable et postérieure ainsi que les pistes de régulation envisagées.

1. Problématique et conjectures

Des objectifs d’apprentissage sont bien évidemment à la base de cette activité. Dans la première partie, il s’agit de tester tout d’abord la connaissance de l’élève sur le modèle de la chute libre. Dans la deuxième partie, il s’agit principalement de respecter les consignes, de bien prendre les données et de contrôler le bon tracé du graphique. Enfin, dans la troisième partie, c’est la démarche scientifique de l’élève qui est évaluée. Dans un premier temps, il doit trouver une concordance entre la théorie et les données, malgré un écart faible sur la courbe (cf Figure 1). En effet, les mesures ne sont jamais au niveau exact de la théorie, à cause des incertitudes, et c’est cette notion qui est attendue de la part de l’élève. Dans un second temps, les courbes s’éloignent trop pour que cela soit expliqué seulement par les erreurs de mesures, l’élève doit déduire de ce qu’il sait qu’une nouvelle force entre en jeu, le frottement de l’air. Une fois que cette limite est identifiée, on attend de l’élève qu’il reconnaisse tout de même la validité de la théorie de la chute libre, à la limite près qu’un objet sur Terre est rarement indemne de tout frottement. Enfin, la dernière question a pour objectif de faire chercher l’élève, de le faire réfléchir et aussi de critiquer ce qu’il peut lire sur internet. Un élève trop rapide lira dans certains journaux en ligne qu’il a dépassé la vitesse du son à plus de 1300km/h. Or, à aucun moment sur la vidéo il ne dépasse cette vitesse, et pour cause, il a dépassé la vitesse du son en haute altitude qui est plutôt aux alentours de 1000 km/h. C’est donc également un certain sens critique qui est attendu de la part des élèves.

Figure 1 : comparaison des courbes théorique et expérimentale des vitesses de chute libre.

Concernant le colloque MITIC, cette activité visait à tester l’effet de l’usage des outils MITIC sur la motivation des élèves, et plus particulièrement de tester si cette motivation est dirigée vers l’apprentissage ou plutôt tournée vers la nouveauté. Les conjectures formulées au début de l’activité étaient les suivantes :

· l’authenticité a un effet positif sur la motivation et sur l’apprentissage des élèves (cours de didactique de M. Müller)

· on peut obtenir un renforcement du modèle de la chute libre au travers d’une activité MITIC bien conçue

· on peut amener les élèves à la découverte des limites du modèle de mouvement rectiligne uniformément accéléré (MRUA) avec une activité MITIC, leur permettant d’avoir accès à une expérience authentique mais qu’on ne pourrait jamais reproduire dans la vie commune.

2. Scénario

En devoir à la maison, les élèves ont dû tracer le graphique de la vitesse en fonction du temps d’un corps en chute libre. L’activité en classe se présente ensuite en trois parties. En introduction, le professeur présente la vidéo aux élèves. Il leur fait remarquer la présence de la vitesse et du temps sur la vidéo. Dans la première phase, les élèves n’ont pas accès à la vidéo. Ils doivent mobiliser leurs connaissances sur la théorie de la chute libre et du MRUA afin de prédire ce qu’il va se passer. Ils doivent aussi imaginer une procédure expérimentale pour vérifier s’il y a concordance ou non entre la théorie et la réalité mesurée, pour le scénario du cycle. Dans la deuxième partie, ils effectuent les mesures à partir de la vidéo et en suivant les consignes. Leur rôle est simplement de mettre la vidéo en pause afin de noter le temps et la vitesse dans le tableur, ainsi qu’à convertir la vitesse de km/h en m/s. Les valeurs mesurées se tracent en parallèle des valeurs théoriques. Enfin, dans une troisième partie, il s’agit d’interpréter les résultats, en particulier en comparant mesures et théorie, afin d’identifier les limites de celle-ci, dues au frottement de l’air. Une ultime question teste leur capacité d’investigation sur internet en mettant en doute les affirmations des média concernant le record de vitesse du sportif. Pour cette question, les élèves sont libres d’aller sur google, wikipédia et autre afin de croiser les sources d’informations. Les copies sont ramassées entre chaque partie, afin que les élèves ne puissent pas revenir sur leurs prévisions ou leurs mesures.

3. Analyse préalable

Nous nous attendions à un impact positif sur l’apprentissage et la motivation. En effet, l’enthousiasme et l’admiration devant l’exploit du sauteur pouvaient engendrer une grande dévolution de la part des élèves. D’ailleurs, les élèves d’eux-mêmes étaient venus nous parler de cette actualité. Cela nous renforça dans notre envie d’utiliser cet artefact. En construisant l’activité, nous avions fait attention à séparer les prévisions, les mesures et l’interprétation, de telle sorte que les élèves étaient amenés à faire des aller-retour réguliers entre la théorie étudiée et les observations. Enfin, nous avions préparé des questionnaires de motivation afin d’avoir des traces pour valider ou non nos conjectures.

4. Analyse postérieure

Concernant l’apprentissage, les élèves ont profité de cette activité. En effet, une majorité d’entre eux ont réussi les questions relatives à la compréhension du modèle. Dans le cas du CFPC, les résultats étaient même un point au-dessus de la moyenne habituelle des élèves. Pour les élèves du cycle, bien que les notes relatives à cette activité ne furent pas meilleures que d’habitude, les performances à l’épreuve suivante qui testait justement le modèle du MRUA furent mieux réussi qu’avec les classes des années précédentes, ces derniers étant donc notre groupe test. D’excellentes démarches d’investigation furent également élaborées.

Concernant la motivation, les questionnaires ont peu intéressés les élèves, nous relativisons donc leurs réponses. Une tension évidente entre le temps consacré et la qualité du sondage rend peu évidente une tentative ultérieure. Notamment, le peu de statistiques implique une grande imprécision : on peut donc s’interroger sur la pertinence de ces sondages chez les adolescents et à partir du nombre d’élèves que rencontre un professeur chaque année.

La motivation des élèves fut probablement tournée vers la nouveauté et le changement, ainsi que vers la performance de F. Baumgartner. Par contre, il n’est pas évident que leur motivation fut tournée vers l’étude du modèle, ce point reste encore à approfondir. Les élèves furent en tout cas intéressés par refaire ce genre d’activité, ainsi que curieux concernant l’outil tableur. Au cycle, des élèves en avance ont appris à manipuler les formules de calcul. Au CFPC, des élèves sont revenus la semaine suivante avec des graphiques refaits avec d’autres logiciels, accompagné d’un rapport écrit, alors que rien n’avait été demandé.

5. Régulation

Devant le succès de cette activité, nous comptons la refaire les années suivantes. Des améliorations peuvent bien sûr y être apportées. Il est important de bien planifier selon le niveau et la motivation intrinsèque des élèves cette activité pour éviter tout débordement. De plus, on peut décontextualiser cette activité à d’autres domaines en utilisant d’autres vidéos, selon le même scénario prévision/observation/interprétation.

Conclusion

Nous avons confirmé partiellement nos conjectures de départ. Au vu des résultats difficilement interprétables des sondages, on ne peut se fier qu’à notre sentiment concernant la motivation pour le sujet des élèves. En revanche, les objectifs d’apprentissage ont été atteints par cette activité. Elle peut être généralisée à d’autres domaines. Cependant, il ne faut pas multiplier ce genre d’activité sous peine de perdre l’effet «nouveauté».

• • La problématique: tester l'impact sur la motivation et l'apprentissage par le biais d'une expérience médiatiquement retentissante et/ou difficile d'accès en classe, tiré de l'actualité (chute libre de 38km de Felix Baumgartner), en particulier vers quoi est dirigée la motivation.

  • Trois conjectures :

• 1. L'authenticité a un effet positif sur la motivation des élèves (cf cours de didactique des sciences de M. Müller)

  2. Découverte des limites du modèle de la chute libre

  3. La comparaison d'un modèle et d'un exemple en montrant les limites crée au sens de Piaget une déséquilibration et ensuite une rééquilibration chez les élèves.

• • Proposition d'artefact : vidéo de la chute libre de Felix Baumgartner + courbes de vitesse théorique et expérimentale sous tableur : http://www.youtube.com/watch?v=afO9XJNxacY

  • Ebauche de scénario et de méthode pour récolter les traces en lien avec les conjectures posées

  • Scénario de Maria

Classe de troisième Maturité Professionnelle (CFPC)

Notions vues en classe:

• • MRU, MRUA, chute libre (cette année)

  • Force de gravitation, Force de pesanteur, Accélération gravitationnelle (l'an dernier)

Le travail se situe dans le cadre de la révision générale en vue de l'examen semestriel de physique.

Il s'articule en deux phases:

• • Première phase: devoir à faire à la maison, où on introduit de façon brève le personnage de Felix Baumgartner et on demande de faire des hypothèses sur le type de mouvement qu'il a effectué pendant sa chute, et de calculer les vitesses attendues en fonction du temps en choisissant une quinzaine d'instants de temps.

  • Deuxième phase: en classe, l'enseignante introduit l'activité, puis chaque élève retrouve le classeur excel sur son bureau et commence à y travailler suivant les indications explicitées sur le protocole. Le protocole sert de guide mais aussi de questionnement, vu que des questions de type "critique" ont été introduites (si les résultats sont en accord avec les prévisions, si Baumgartner a finalement dépassé la vitesse du son, etc).

  • Scénario de Jérémy

Classe de 11ème A option S du cycle d'orientation

Notions vues en classe : MRU, MRUA, force de pesanteur, force d'inertie, chute libre.

Travail donné à la maison : étude des relations entre force et accélération pour faire apparaître que lors d'une chute libre, a=g.

Introduction en salle d'informatique, retour sur le travail maison. Restitution par les élèves et institutionnalisation des relations d'accélération et de vitesse en fonction du temps, la chute libre est donc un MRUA.

Discussion ouverte sur la façon de tester la théorie du mouvement en chute libre. Émergence de l'idée de mesurer la vitesse en fonction du temps et de comparer sa courbe à celle, linéaire, de la théorie. Utilisation du saut de Felix Baumgartner.

Diffusion de la vidéo de son saut avec commentaire du professeur sur l'affichage de la vitesse et du temps.

Activité du document chute_libre.doc :

1ère partie de l'activité : Prévision

sur feuille, les élèves imaginent ce qu'il faudra faire pour utiliser cette vidéo afin de comparer la théorie à la réalité. Ils prédisent ce qu'ils s'attendent à trouver en se fondant sur le modèle du MRUA.

2ème partie de l'activité :

sur l'ordinateur, les élèves remplissent le tableur pour le temps et la vitesse de la vidéo, convertissent la vitesse de km/h en m/s et calculent la vitesse théorique, en suivant les consignes. Le graphique se met à jour automatiquement. (cf document élève chute_libre.xls, résultat final : Baumgartner.xls)

3ème partie de l'activité :

les élèves interprètent leur résultat, qui confirme que la théorie est valide jusqu'à un certain moment. Ils émettent des hypothèses pour comprendre d'où provient la différence qui apparaît ensuite (due au frottement de l'air). Enfin, ils réalisent une démarche d'investigation sur internet pour prouver ou invalider le fait que Felix Baumgartner ait dépassé la vitesse du son.

traces des effets :

Sondage des élèves sur leur impression générale : indice de motivation

Qualité des travaux rendus : indice d'apprentissage.

• • écart entre les effets attendus et les observations (traces)

Performances d'apprentissages :

Maria (CFPC) :

•16/18 (les deux qui manquent sont des cas d’élèves « particuliers »)

•Résultats moyennement plus élevés que d’habitude (4,5 de moyenne contre 3,5 en général)

•Compréhension ultérieure du MRUA satisfaisante (évaluée pendant examen semestriel), mais difficile de dire si c’est lié à l’activité

Jérémy (11^ème) :

•5/7 l’ont validé, moyenne de 6/10 pour les questions relatives à cet objectif

•Amélioration de la compréhension du MRUA après cette séquence

•Excellentes démarches d’investigation (recherche d’hypothèses, protocoles, recherche internet)

Motivation :

Maria, CFPC

•Classe peu motivée à la base

•Public peu scolaire en général

•3/18 n’ont même pas pris la peine de répondre au sondage sur la motivation

•6/15 admettent avoir profité de l’activité pour clarifier des concepts étudiés en classe

•6/15 aussi admettent qu’elle a donné du sens à la physique étudiée en classe

MAIS

•10/15 ont manifesté l’envie de répéter ce type d’activité…

•4 élèves ont refait tous les graphiques chez eux avec un autre logiciel et écrit un rapport à l’ordinateur!

Jérémy, 11^ème

•Classe motivée avec une bonne culture générale

•Sondage répondu à la va-vite…

•7/7 ont été motivés par l’activité

•7/7 ont trouvé qu’elle permettait de mieux comprendre le cours

•7/7 pensent qu’elle a donné du sens à la physique

•7/7 voulaient refaire ce type d’activité

•Parmi les raisons invoquées pour la motivation, on retrouve surtout la nouveauté, l’utilisation de la vidéo et le tableur, aucune fois la compréhension de la physique.

•2 élèves en avance se sont perfectionnés en l’utilisation du tableur (formules)

• • les modalités d'intégration de l'artefact (dans le dispositif d'enseignement)

Comme des salles d'informatique sont à disposition, il est aisé de travailler sur des MITIC avec les élèves. Cela demande cependant un temps de préparation certain, dont il faut avoir conscience. Dans notre cas, il a fallu récupérer la vidéo du saut, ce qui est facilité grace à des logiciels de téléchargement de vidéos. Le plus long fut de convertir le fichier du tableur pour le logiciel de la salle d'informatique. En effet, en passant par exemple d'Excel à LibreOffice, des problèmes de conversion apparaissent. Il faut alors une certaine maîtrise des différents logiciels pour connaître les problèmes connus et leur solution. Un des enseignants a ainsi passé 20mn à convertir son fichier de tableur dans la salle d'informatique.

• • la pertinence de l'artefact au dispositif d'enseignement

Cet artefact a semblé parfaitement adapté, puisqu'il constitue une expérience complète. Bien que non réalisé en classe, cela n'enlève rien à sa fiabilité et à sa pertinence.

• • les limites de cet usage

Ce genre d'expérimentation permet d'introduire de l'originalité et de l'authenticité dans la démarche scientifique. Aucune limitation n'a été trouvé, hormis peut-être le fait de ne pas multiplier les artefact similaires, au risque de lasser les élèves et ainsi de perdre leur motivation. Mais cela semble vrai pour tout usage, il faut toujours savoir varier les approches.

généralisation possible

autres expériences en vidéo pour vérifier un phénomène inaccessible comme un mouvement dans l'espace

modifications du système didactique qu'induit l'intégration MITIC

préparation en amont, et auprès des élèves, consignes claires, possibilités de problème de manipulation : suivi des élèves