Utilisation d'une simulation des gaz parfaits pour renforcer le modèle moléculaire

INTRODUCTION

On constate que les élèves ont des difficultés à naviguer entre les représentations microscopiques et macroscopiques dans le cours sur le modèle moléculaire. Ceci est particulièrement vrai pour les notions de pression des gaz et d’équilibre des pressions

• • Choix du sujet :

• Les objectifs :

  • • Utiliser le modèle institutionnel pour expliquer les phénomènes de pression des gaz et d’équilibre des pressions :

      • • La pression d’un gaz est la conséquence macroscopique des chocs des molécules sur une surface donnée.

        • La pression d’un gaz est la conséquence macroscopique des chocs des molécules sur une surface donnée.

        • Cette augmentation a pour conséquence un plus grand nombre de chocs sur les parois (microscopique) ce qui correspond à une augmentation de la pression (macroscopique).

        • Partie 3, L'élève doit établir la relation entre la densité moléculaire et la pression d'un gaz.

    • Comprendre que les phénomènes peuvent être représentés aux deux échelles mais que le modèle moléculaire permet d’expliquer et faire des prédictions des phénomènes macroscopiques.

    • Faire des allers-retours entre les niveaux macroscopique et microscopique.

• • La difficulté didactique qu'un usage MiTIC cherche à dépasser

    • la problématique

      • Comment l’usage d’un artefact aide les élèves à se doter d’une représentation des phénomènes à l’échelle microscopique et à faire le lien avec leur manifestation au niveau macroscopique, en particulier pour la pression des gaz et l’équilibre des pressions ?

    • quelques conjectures, (effets éducatifs attendus)

      • En demandant aux élèves de faire des prédictions, l'enseignant peut "sonder" les modèles initiaux des élèves.

      • En établissant des prédictions, les élèves confrontent leur modèle à l'expérience simulée pour faire évoluer leur représentation vers le modèle institutionnel.

      • L'usage (la fiche d'activité) envisagé induit la convergence des représentations des élèves vers le modèle institutionnel.

      • La fiche d'activité permet aux élèves de travailler en autonomie.

DISPOSITIF

• • • l'artefact envisagé et sa justification

      • http://www.epi.asso.fr/revue/articles/a0306d/Gaz_test_sans.htm

        • Un artefact visuel et animé (pour un modèle basé sur le mouvement)

        • Conforme au modèle institutionnel

        • Paramètres ajustables (température, nombre de molécules, temps d’acquisition, 1 ou 2 cases)

        • Affichage : nombre de chocs sur chacune des parois (affiche directement la valeur nécessaire)

        • Paroi de séparation entre 2 cases immobiles ou mobiles permettant de travailler sur l’équilibre des pressions

        • Inconvénient : ne permet de travailler que sur la fréquence des chocs (comme représentation de la pression) mais pas sur l’intensité des chocs (complétude du modèle institutionnel)

• • • les modalités d'observation de ces effets

      • In vivo

      • Pendant l'activité l'enseignant, en retrait, fait le tour des groupes. Il porte une attention particulière aux indices suivants :

        • les discussions et argumentations énoncées au sein des binômes soutenant une prévision. Au besoin, l'enseignant peut demander aux binômes de reformuler les arguments avancés. Cette recherche d'indices est réalisée tout au long de l'activité afin de constater, ou non, une évolution des modèles.

        • l'autonomie des binômes. Il s'agit d'observer si le guidage est suffisant. Cet indice donne, en outre une indication sur la capacité des élèves à faire avancer leurs représentations.

      • Au travers des productions écrites relevées

      • Les binômes complètent une fiche d'activité et chaque élève effectue un post-test. Ces productions écrites sont relevées et analysées ultérieurement.

      • L'analyse de la fiche d'activité devrait permettre de mettre en évidence les représentations des élèves.

      • L'analyse du post-test devrait montrer une convergence des représentations des élèves vers le modèle institutionnel.

• • Grandes lignes du déroulement prévu

  • Le travail a lieu en salle MITIC sur 2 périodes.

  • Les élèves sont répartis en binôme et se placent à un poste de travail sur lequel la simulation est installée.

    • Le travail en binôme a pour but d’inciter les élèves à expliciter leur représentation et la confronter avec celle de leur camarade avant de la confronter à la simulation.

  • L’enseignant circule dans les groupes pour répondre aux questions des élèves, pour les aiguiller éventuellement, et les aider dans les phases de synthèse.

  • Le post-test est passé individuellement après la fin de la fiche d’activité.

  • Productions attendues

    • un rapport d'activité (questionnaire complété)

    • un post-test

ANALYSE

• • Observation directe

    • On constate un engagement cognitif plus important qu’à l’accoutumée. Il y a un vrai engouement pour le travail sur un ordinateur. On pense que c'est aussi un effet de nouveauté, cet effet risque de n'être que de courte durée.

    • On remarque aussi l'éclosion de nombreux débats constructifs, une mise en relation avec le cours et des discussions sur celui-ci (CO), des discussions « enflammées » dans les phases de prédictions, malheureusement, pas assez en lien avec le modèle pour le PO.

    • Les élèves, surtout ceux du CO, ont des difficultés à comprendre ce qui est attendu à la lecture de l’énoncé :

      • Certains élèves ne lisent pas correctement la fiche

      • Ils ne sont pas vraiment à l‘aise avec le vocabulaire

      • Ils trouvent les questions redondantes (car ils ne différencient pas la phase de prédiction et la phase d'observation)

      • Ils hésitent parfois sur la définition de la température : "est-ce la même que dans le chapitre sur le modèle moléculaire ?"

    • Sur les contenus, on remarque la bonne compréhension globale des phénomènes mais des difficultés à réutiliser le vocabulaire lors des phases de synthèse. De plus :

      • (PO) Grosses difficultés à faire le lien entre le niveaux macroscopique et microscopique.

      • (CO) L’enseignant les a aidé avec un diagramme montrant la structure de l’argumentation, ce qui a permis de les aider à la formulation argumentative.

  • Analyse des réponses du questionnaire

    • Les difficultés relevées in vivo ont été confirmées. Mais le lien entre température, l'agitation moléculaire, les chocs sur les parois et la pression est établi pour la plupart des binômes. Ce qui correspond à la "bonne compréhension globale des phénomènes" que nous avions constaté.

    • (CO) Les élèves ont de grosses difficultés à interpréter la partie sur l’équilibre des pressions, en majorité les élèves ont répondu à côté ou on « rempli » la réponse avec ce qu’ils maîtrisent, sans aller jusqu’au bout du raisonnement. C'est un concept qui est plus complexe, on l'a aussi constaté les autres années, et qui doit être travaillé sur la durée.

    • (PO) Les élèves ont des difficultés à comprendre et à percevoir le lien entre les questions. La construction logique de l'activité vue par l'expert enseignant n'est pas celle des élèves.

    • (PO) L'utilisation du vocabulaire reste approximative et il y a de grandes difficultés à synthétiser. Les élèves continuent aussi à mettre macroscopique et microscopique au même niveau.

    • (PO) Toutefois, lors de la phase sur l’équilibre des pressions, ils réinvestissent plutôt bien les notions vues précédemment pour faire leurs prédictions.

    • (PO) Une conception initiale a émergé durant cette phase : certains élèves pensent qu’une pression plus élevée correspond au besoin des molécules d’occuper un volume plus grand.

  • Analyse du post-test

    • Les exercices qui lien la pression à la température sont bien réussis mais : certains élèves ne réutilisent pas les concepts abordés dans le chapitre sur le modèle moléculaire, ils ont de la difficulté à restituer l’ensemble du raisonnement ou ne les connectent pas correctement (liens de causalité et illogismes). Le post-test confirme donc ce point.

    • L’exercice sur l’équilibre des pressions est très mal compris. Peu de bonnes réponses. Le post-test confirme aussi ce point.

      • Ils ne font pas référence à la notion d'équilibre dans la grande majorité des cas.

      • Ils font appel à la conception initiale évoquée précédemment.

      • Plus surprenant, ils font appel à d’autres notions tels que les changements d’état.

  • Retour sur les conjectures

    • Conjecture 1 : En demandant aux élèves de faire des prédictions, l'enseignant peut "sonder" les modèles initiaux des élèves.

    • Pas vraiment. Au CO, les élèves écrivent parfois une phrase dans laquelle ils pensent avoir des éléments de réponse, « pour faire plaisir au prof ». Au PO, ils se basent sur des exemples mais n’argumentent pas en se basant sur un modèle.

    • Conjecture 2 : En établissant des prédictions, les élèves confrontent leur modèle à l'expérience simulée pour faire évoluer leur représentation vers le modèle institutionnel.

    • Ceci est confirmé par les débats (conflits socio-cognitifs au sein des binômes) et les réponses au questionnaire.

    • Conjecture 3 : L'usage (la fiche d'activité) envisagé induit la convergence des représentations des élèves vers le modèle institutionnel.

    • Oui, mais partiellement. Ce n'est pas le cas, dans notre étude, pour la notion complexe de l’équilibre des pressions (CO). Toutefois, l’argumentation se base davantage sur le modèle. Ceci est aussi vrai au PO où, par contre, l’équilibre des pressions est compris mais rarement réinvestit. Les réponses au post-test montrent qu’un travail de consolidation est nécessaire pour cette notion.

    • Conjecture 4 : La fiche d'activité permet aux élèves de travailler en autonomie.

    • Non, la plupart des élèves ont eu besoin de soutien pour les questions de synthèse. Parfois, ils ont eu besoin qu’on leur explicite d'avantage l’énoncé.

CONCLUSION

• • Objectifs atteints

    • Les élèves se sont bien approprié le modèle.

    • Meilleure compréhension qu’auparavant (CO) de la pression.

    • Bonne compréhension de la capacité prédictive du modèle.

    • Les « aller-retour » entre les niveaux microscopiques et macroscopiques restent difficiles.

  • Améliorations possibles

    • Retravailler la formulation des questions qui ont posé le plus de difficultés de compréhension.

    • Institutionnalisation générale puis consolidation avec l’impact du nombre de molécules (pour l’équilibre également).

    • A la fin de la 1ère partie, amener les élèves à faire un schéma où sont mis en évidence les niveaux microscopique et macroscopique.

    • Il faudrait rajouter une partie qui insiste plus sur l’équilibre des pressions, par exemple en utilisant un même nombre de molécules, et températures, mais des volumes différents.

COLLOQUE

• • On peut revoir la temporalité du projet. La séquence se séparerais naturellement en deux parties. Une possibilité serait donc de ne pas enchaîner les deux activités, mais de les diviser sur plusieurs semaines. On aurait donc l'avantage de pouvoir reprendre ensuite en classe (loin de l'attrait du support qu'est l'ordinateur) et de consolider l'institutionnalisation avant de passer à l'activité suivante. On peut aussi se demander si le fait d'avoir eu autant de problèmes pour les élèves à maîtriser le dernier sujet de l'équilibre des pressions - même si c'est un sujet reconnu comme étant plus complexe - ne vient pas, en partie, d'une surcharge cognitive; trop de "nouvelles" choses vue pendant ces deux heures.

  • La discussion c'est ensuite portée sur les élèves qui évitent d'entrer réellement l'activité. L'élève qui cherche à deviner ce que l'enseignant veut ou qui cherche à deviner la bonne réponse en fonction des éléments donnés. Ce sont des techniques d'évitement de l'élève qui cherche le "chemin le plus simple vs le chemin le plus gratifiant", ce n'est évidemment pas le but recherché de l'enseignant qui désirerai que le modèle soit intégré par l'élève, "garantie" d'une bonne compréhension. Dans l'idéal, ce devrait aussi être le but de l'élève. La première difficulté est l'identification des élèves qui développent ces techniques. Si l'élève débat de ses idées, comme on le pousse à le faire dans l'activité, l'implication et la recherche d'appropriation du modèle (par son argumentation) est claire. Mais si l'élève ne s'exprime que peu, il n'est pas réellement identifié comme un élève évitant la tâche. Il faudrait donc un certain nombres d'indicateurs. On pense que cela passe par une réflexion sur le type de question à poser aux élèves. Dans notre fiche, par exemple, il y a des questions ouvertes qui demande un réinvestissement et un degré de synthèse de l'élève; il est dans ce cas plus difficile de "deviner" ce qu'il faut mettre. Cela peut alors passer par des questions demandant des niveaux d'acquisition plus élevés[2]. Mais la question est plus générale et demande vraiment une réflexion plus approfondie de l'enseignant. Et puis, la réflexion qu'il devrait se faire c'est aussi de se dire que si l'élève a recours à ces méthodes d'évitement c'est non seulement parce que c'est le chemin le plus simple mais aussi parce qu'elles fonctionnent! Il est donc du devoir de l'enseignant de revoir son style de question pour premièrement pouvoir détecter ces élèves, mais aussi pour leur montrer que ce style d'apprentissage n'est pas viable.

Références:

1. Françoise Chauvet, Chantal Duprez, Isabelle Kermen, Philippe Colin, Marie-Bernadette Douay, Construire une séquence sur les gaz utilisant un logiciel de simulation, Page consultée le 10:34, mai 7, 2015 à partir de http://www.epi.asso.fr/revue/articles/a0306d/Gaz_a.htm.

2. Taxonomie de Bloom. (2015, janvier 20). Wikipédia, l'encyclopédie libre. Page consultée le 10:34, mai 7, 2015 à partir de http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Taxonomie_de_Bloom&oldid=111111688.