Utiliser une simulation pour comprendre des phénomènes macroscopiques liés à la pression ou aux changements d'états

Céline Andersson, celine.andersson@edu.ge.ch, 

ECG Jean-Piaget, chimie, classe de 1 science expérimentale

Anne Eggenberger, anne.eggenberger@etu.unige.ch, 

CO Seymaz, physique, classes de 11LS

1. Problématique

Initier puis familiariser les adolescents à un modèle microscopique de la matière peut se faire dans trois buts différents : pour introduire un tel modèle comme objet de connaissance, en tant qu'outil pour une meilleure compréhension des phénomènes macroscopiques, comme exemple d'une démarche de modélisation (Viennot 2002). Dans le cadre du cours de physique de 11e année du CO, ces trois buts sont associés et poursuivis en parallèle. Dans le cadre du cours de chimie de 1re année de l'ECG, c'est également le cas, même si certaines activités proposées se concentrent parfois plus sur un objectif en particulier.

Les moyens d'enseignement genevois du CO indiquent que l'interprétation microscopique des phénomènes physico-chimiques n'est pas naturelle chez les élèves de 11e année et est à l'origine d'importantes difficultés d'apprentissage et de compréhension (progression, p. 1). Cette constatation est vérifiée en pratique. A l'ECG, on observe que la capacité d'abstraction des élèves est restreinte, ce qui les empêche de développer leur capacité d'interprétation microscopique. Nous pensons que ces difficultés trouvent une partie de leur origine dans le fait que certains aspects fondamentaux du modèle moléculaire (les caractères nanoscopiques, dynamiques et statistiques) ne peuvent pas être montrés directement par l'expérience.

Lorsque l'expérimentation directe ne permet pas de tout montrer, une approche alternative consiste à utiliser des expériences virtuelles (animations ou simulations). Comme le mentionne de Jong 2013, les expériences virtuelles peuvent remplacer les expériences physiques en ce qui concerne l'acquisition des connaissances conceptuelles. Chaque expérience virtuelle propose également aux élèves une représentation possible du phénomène, de la situation ou du modèle. Nous pensons que la confrontation de plusieurs représentations (réelles ou virtuelles), même si elle n'est pas explicite, aide les élèves à développer leur capacité d'abstraction et leur capacité à "naviguer" entre les niveaux microscopiques et macroscopiques.

Au CO, on constate que les difficultés d'apprentissage et de compréhension des élèves sont particulièrement prononcées lorsqu'on aborde la notion de pression. Ceci est probablement lié à une difficulté supplémentaire : la pression ne dépend pas d'une seule variable mais de deux. Comme le font remarquer les didacticiens des sciences, "l'évolution simultanée de deux (ou plusieurs) grandeurs est un obstacle que la pensée contourne chaque fois qu'elle le peut, et au besoin, c'est-à-dire souvent, de manière illégitime" (Robardet & Guillaud 1997, p. 212). Pour aider les élèves à comprendre ce qu'est la pression d'un gaz et à identifier les deux variables qui entrent en jeu, les moyens d'enseignement genevois suggèrent d'utiliser un logiciel informatique : l'Atelier Théorie Cinétique des Gaz (Chauvet et al.). 

A l'ECG en 1ère année, nous sommes confrontés aux mêmes difficultés d'apprentissage que les élèves du CO lorsque nous abordons les changements d'états de la matière et également le lien avec la pression. En sciences expérimentales, j'aborde les changements d'états de la matière en considérant les mouvements, l'agitation et les interactions des molécules à différentes températures, puis je fais le lien avec la pression. Comme ces mouvements moléculaires sont microscopiques et abstraits pour les élèves, je souhaitais utiliser des artefacts dans ce cadre.

Nous voyons qu'au CO comme à l'ECG, l'utilisation d'outils MITIC tels qu'animations et simulations devrait favoriser l'atteinte des objectifs d'apprentissage liés à l'étude du modèle microscopique de la matière. Ceci nous a amenées à définir la problématique suivante : l'utilisation d'un artefact (simulation, animation) pour interpréter le résultat d'une ou deux expérience(s) précise(s) améliore-t-elle la capacité à utiliser un modèle microscopique de la matière pour comprendre des phénomènes macroscopiques liés à la pression ou aux changements d'états ?

2. Conjectures

Nous avons initialement formulé trois conjectures :

1. L'utilisation d'un artefact (animation, simulation) pour interpréter le résultat d'une ou deux expérience(s) précise(s) aide les élèves à interpréter et expliquer des phénomènes macroscopiques à l'aide des propriétés microscopiques de la matière (cf. Chauvet et al.; de Jong et al. 2013).

2. L'utilisation d'un artefact (animation, simulation) pour interpréter le résultat d'une ou deux expérience(s) précise(s) aide les élèves à se rendre compte que dans certains cas leur modèle naïf/initial est inadapté ou incomplet. Ceci amène les élèves à faire évoluer le modèle mental qu'ils utilisent pour interpréter et expliquer des phénomènes en lien avec la pression ou les changements d'états.

   1. Lorsqu'une grandeur dépend de plusieurs variables, l'utilisation d'un artefact (animation, simulation) pour interpréter le résultat d'une ou deux expérience(s) précise(s) aide les élèves à identifier et comprendre l'effet de chaque variable (cf. de Jong et al. 2013).

3. Dispositif

3.1 Objectifs des séquences d'enseignement

3.1.1 Objectifs généraux pour les deux séquences

• • Améliorer et modifier le modèle naïf/initial de l'élève sur la structure microscopique de la matière.

• Amener l'élève à utiliser un modèle moléculaire de la matière pour expliquer et/ou prédire des phénomènes observés à l'échelle macroscopique.

• Amener l'élève à identifier et comprendre l'effet de chaque variable dans un modèle où plusieurs variables entrent en jeu.

3.1.2 Objectif spécifique pour la séquence du CO

• • Utiliser le modèle moléculaire à institutionnaliser pour donner du sens à :

    • la pression des gaz (pression = poussée sur les parois due aux chocs des molécules);

    • des situations de changement de pression d'un gaz (variations de la violence et/ou de la fréquence des chocs des molécules du gaz contre une surface).

3.1.3 Objectif spécifique pour la séquence de l'ECG

• • Etre capable de prévoir, de décrire et d'expliquer une expérience pratique en faisant appel aux propriétés microscopiques des molécules d'oxygène.

3.2 Artefacts utilisés

Notre projet est basé sur l'utilisation des trois artefacts suivants :

1. Animation changement d'état; edumedia-sciences.com, Genève-SEM-Logistique; Accès par ici.

2. Simulation changement d'état; PhET interactive simulations, University of Colorado; Accès par ici

   1. Logiciel "Atelier Théorie Cinétique des Gaz"; Chauvet et al.; Université des Sciences et Technologies de Lille 1; Accès par ici.

Anne a utilisé l'artefact 3 dans le cadre de son cours de physique au CO. Elle a également utilisé l'artefact 2 sous forme de démonstration-maître pour illustrer certains points comme les caractéristiques des différents états de la matière, la notion de température et l'évaporation. Céline a utilisé les artefacts 1 et 2 dans le cadre de son cours de chimie à l'ECG.

3.2.1 Justification du choix des artefacts 1 et 2 pour l'ECG

Pour les premières années d'ECG en sciences expérimentales, une des principales difficultés des élèves est de comprendre que les phénomènes macroscopiques observables sont dus à certaines propriétés microscopiques non observables de la matière. L'utilisation des artefacts sur les changements d'état et la pression permettrait aux élèves d'interpréter et d'expliquer des phénomènes macroscopiques en utilisant les propriétés microscopiques des molécules (conjecture 1).

L'artefact 2 est plus complet, vu qu'il s'agit d'une simulation, et donc les élèves peuvent modifier certains paramètres, observer les effets de ces modification. Cependant, il y a plusieurs erreurs dans cet artefact. Cela me gêne notamment de voir que la représentation des molécules d'eau soit à la même échelle que le bec Bunzen ou la pompe. C'est pour ces raisons que je souhaite également proposer l'artefact 1 en préambule car même si c'est une animation avec peu d'interaction pour les élèves, les deux erreurs de l'artefact 1 y sont rectifiées. Je préciserai donc ces erreurs aux élèves, afin qu'ils soient conscients que tout artefact a ses propres limitations.

3.2.2 Justification du choix de l'artefact 2 pour le CO

L'artefact 2 a été utilisé en démonstration-maître à plusieurs reprises dans le cours parce qu'il a l'avantage de pouvoir illustrer différents phénomènes et notions (les caractéristiques des trois états de la matière, la température, l'évaporation). Son aspect assez simple devrait permettre de garder l'attention des élèves focalisée sur les notions étudiées.

Un désavantage de l'artefact (en plus de ceux cités par Céline) concerne l'adéquation entre la température affichée et l'état tel qu'on peut le visualiser. Avec l'eau en particulier, il faut monter à plus de 100°C pour véritablement avoir un gaz. Ceci est un peu ennuyeux lorsqu'on veut juste utiliser l'artefact à des fins illustratives, sans discuter son réalisme et ses limites. Un autre point qui pourrait poser quelques problèmes aux élèves du CO concerne la représentation atomique utilisée dans l'artefact. Cette représentation étant différente de la représentation moléculaire à institutionnaliser.

3.2.3 Justification du choix de l'artefact 3 pour le CO

Cet artefact a l'avantage d'avoir été développé dans une optique didactique et son utilisation pour introduire la notion de pression est recommandée dans les moyens d'enseignement (progression p. 17 et 19). Avec son option "deux boîtes avec paroi mobile", il peut être utilisé pour expliquer le résultat de plusieurs expériences que l'on fait habituellement avec les élèves de 11e année. Le logiciel inclut une physique assez poussée (pour le CO) qui est compatible avec le modèle moléculaire à institutionnaliser. Par ailleurs, l'artefact ne donne pas directement la pression, mais laisse à l'élève le soin de construire cette grandeur, ce qui est intéressant didactiquement. Le logiciel donne directement la première variable : le nombre de chocs par unité de surface. La seconde variable, la violence des chocs, peut être estimée à partir de la vitesse des molécules (observation visuelle qualitative).

Cet artefact et l'usage que nous proposons d'en faire devraient faciliter l'apprentissage et la compréhension des élèves en illustrant les côtés nanoscopiques, dynamiques et statistiques que l'on ne peut pas montrer directement par l'expérience. L'artefact fourni également un exemple de représentation microscopique qui devrait aider les élèves à se rendre compte que leur modèle naïf/initial peut être enrichi (le côté dynamique est absent chez presque tous élèves ainsi que le fait que la pression dépende de deux variables) et les convaincre que l'on peut expliquer ou prédire de nombreux phénomènes macroscopiques à l'aide du modèle moléculaire introduit en classe.

Une limitation du logiciel qui apparaît immédiatement est qu'il n'existe pas d'options "récipient ouvert dans un conteneur beaucoup plus grand" ou "récipient ouvert que l'on peut fermer à un moment donné". Ces deux options seraient utiles pour expliquer le résultat de certaines expériences comme celle de l'oeuf aspiré (voir plus bas). L'utilisation du logiciel risque également d'être un peu difficile pour les élèves de 11e année. Pour cette raison, notre projet inclut une phase de familiarisation avec l'artefact.

3.3 Modalités d'observation des effets (traces)

3.3.1 Traces pour le cours de physique au CO

Trace 1

La trace 1 utilisée comprend l'expérience et la question reproduites ci-dessous.

Cette trace a été utilisée à trois différents moments dans le dispositif d'enseignement : en tout début de séquence sur la pression (prédiction du résultat expérimental, trace 1a correspondant à la question de la fiche d'activité PHYS1), dans le cadre de la première activité faite avec l'artefact (trace 1b correspondant à la question 5 de la fiche d'activité PHYS2), puis dans l'épreuve de fin de séquence (trace 1c).

Trace 2

La trace 2 utilisée comprend l'expérience et la question reproduites ci-dessous.

Cette trace a été utilisée à deux différents moments dans le dispositif d'enseignement : comme seconde activité de la séquence sur la pression (prédiction du résultat expérimental, trace 2a correspondant à la question de la fiche d'activité PHYS3), puis dans le cadre de la seconde activité faite avec l'artefact (trace 2b correspondant à la question 10 de la fiche d'activité PHYS4).

La trace n'a pas été remise dans l'épreuve de fin de séquence. Cette épreuve contenait toutefois deux questions de type QCM (trace 2c) qui devaient permettre de tester si les élèves étaient capables de distinguer l'effet de chaque variable dans le cadre de l'expérience vue en classe. Ces deux questions étaient les suivantes :

Trace 3

La trace 3 utilisée comprend l'expérience illustrée ci-dessous ainsi que les trois questions reproduites après.

Question 1 : Que se passe-t-il lorsqu'on chauffe la bouteille ouverte ? Répondez en vous concentrant sur les molécules présentes dans la bouteille.

Question 2 : Pourquoi l'oeuf est-il aspiré dans la bouteille lorsque cette dernière refroidit ? Donnez une explication au niveau moléculaire.

Question 3 : Proposez une méthode pour faire ressortir l'oeuf de la bouteille sans le casser. Expliquez à l'aide du modèle moléculaire pourquoi cette méthode devrait marcher.

3.3.2 Traces pour le cours de chimie à l'ECG

Trace 1b et 1d

Schéma explicatif de l'expérience (cf. ci-dessous) remplis AVANT l'utilisation des artefacts avec une couleur de stylo, puis avec une autre couleur APRES l'utilisation.

Trace 2b

Schéma explicatif (cf. ci-dessous) rempli sans l'utilisation des artefacts.

3.4 Grandes lignes du déroulement du projet

3.4.1 Déroulement du projet pour le cours de physique au CO

Le scénario proposé est basé en partie sur la séquence didactique du cycle de la Seymaz (Activité 2 - J. Bochet et D. Jordan).

Phase 1 : Prédiction puis explication du résultat de deux expériences simples (3-4 périodes de 45')

Expérience 1 : Tube d'air sous cloche à vide (effet de la densité - fréquence des chocs)

• • Présentation de l'expérience par l'enseignante : un tube rempli d'air et bouché par un "bouchon mobile" est placé sous une cloche à vide. Question : au cours de l'aspiration de l'air sous la cloche, le bouchon va-t-il s'enfoncer dans le tube, ne pas bouger, ou être éjecté ?

  • Par deux, les élèves prédisent le résultat de l'expérience en le justifiant si possible à l'échelle moléculaire. Cette prévision est faite sur la fiche d'activité PHYS1 que l'enseignante ramasse (récolte des conceptions naïves et initiales - trace 1a).

  • L'enseignante réalise l'expérience. Les élèves ont la réponse expérimentale.

  • Par deux, les élèves travaillent avec l'artefact afin d'interpréter le résultat expérimental dans le cadre du modèle moléculaire (fiche d'activité PHYS2, parties A et B qui modélisent les deux phases de l'expérience). L'activité avec l'artefact est guidée dans un premier temps (partie A faite en collectif) car le logiciel est assez compliqué d'utilisation pour les élèves du CO. Les élèves répondent ensuite de nouveau à la question posée dans la fiche PHYS1, mais en incluant ce qu'ils ont appris et compris lors de leur travail avec l'artefact (fiche d'activité PHYS2, question 5 partie C). La fiche d'activité PHYS2 est ramassée par l'enseignante (trace 1b). 

Expérience 2 : Tube d'air chauffé (effet de la température - fréquence et violence des chocs)

• • Présentation de l'expérience par l'enseignante : un tube rempli d'air et bouché par un "bouchon mobile" est chauffé par un bec Bunsen ou en le plongeant dans de l'eau bouillante. Question : pendant le chauffage, le bouchon va-t-il s'enfoncer dans le tube, ne pas bouger ou être éjecté ?

  • Par deux, les élèves prédisent le résultat de l'expérience en le justifiant si possible à l'échelle moléculaire. Cette prévision est faite sur la fiche d'activité PHYS3 que l'enseignante ramasse (récolte des conceptions initiales - trace 2a).

  • L'enseignante réalise l'expérience. Les élèves ont la réponse expérimentale.

  • Par deux, les élèves travaillent avec l'artefact afin d'interpréter le résultat expérimental dans le cadre du modèle moléculaire (fiche d'activité PHYS4, parties A, B qui modélisent les deux phases de l'expérience et partie C qui est une situation plus extrême mettant en exergue les effets étudiés). Les élèves répondent ensuite de nouveau à la question posée dans la fiche PHYS2, mais en incluant ce qu'ils ont appris et compris lors de leur travail avec l'artefact (fiche d'activité PHYS4, question 10 partie D). La fiche d'activité PHYS4 est ramassée par l'enseignante (trace 2b).

Phase sans l'artefact mitic : institutionnalisation de la notion de pression et des variables associées macroscopiques (densité, température) et microscopiques (fréquence et violence des chocs).

Phase sans l'artefact mitic : activité expérimentale supplémentaire sur quatre situations faisant intervenir des différences de pression.

Phase 2 : Explication du résultat d'une expérience plus complexe (1-2 périodes de 45')

Expérience 3 : L'oeuf aspiré (difficile; effet de la densité et de la température - fréquence et violence des chocs, avec dilatation)

• • Réalisation de l'expérience par l'enseignante. On pose un oeuf cuit dur écaillé sur le goulot d'un erlenmeyer : on constate que l'oeuf est trop gros pour pouvoir entrer dans l'erlenmeyer. On dit aux élèves qu'il est possible de faire entrer l'oeuf dans l'erlenmeyer sans casser ni l'oeuf ni l'erlenmeyer. Voient-ils comment ? En général, ils ne voient pas. On propose alors de leur montrer. On enlève l'oeuf. On chauffe l'erlenmeyer en le remplissant d'eau bouillante. On le vide puis on replace l'oeuf sur le goulot du récipient. L'oeuf glisse alors progressivement dans l'erlenmeyer. On montre également qu'on peut accélérer la "rentrée" de l'oeuf en plongeant l'erlenmeyer dans de l'eau froide. Activité pour les élèves : expliquer pourquoi l'oeuf est entré dans l'erlenmeyer et proposer une méthode pour le faire ressortir de l'erlenmeyer (sans casser ni l'oeuf ni l'erlenmeyer).

  • Par deux, les élèves expliquent le résultat de l'expérience en justifiant leur réponse au niveau moléculaire. On laisse la possibilité aux élèves d'utiliser l'artefact, mais on ne les y oblige pas. Les élèves consignent leur explication sur la fiche d'activité PHYS5 (trace 3 ramassée par l'enseignante). On prévoit un niveau de guidage initial faible qui peut être renforcé à la demande des élèves ou sur décision de l'enseignante par des indices ou indications supplémentaires.

  • Discussion collective des explications proposées.

  • En collectif, revue des propositions pour faire ressortir l'oeuf sans le casser. Les propositions de mettre l'erlenmeyer à l'envers sous la cloche à vide ou de le chauffer (toujours à l'envers) devraient émerger. Si ce n'est pas le cas, l'enseignante peut amener les élèves à trouver l'explication qu'ils n'ont pas proposée.

  • Réalisation des deux expériences pour faire ressortir l'oeuf de l'erlenmeyer.

Phase sans l'artefact mitic : exercices de renforcement (faits par petites séries entre les différentes activités).

Phase 3 : Evaluation des connaissances et de la compréhension des élèves en fin de séquence

Réponses des élèves à quelques questions d'épreuve portant sur la notion de pression telle que travaillée avec l'aide de l'artefact. Ces traces 1c et 2c devraient fournir une indication de l'évolution des conceptions des élèves sur le moyen terme et sur l'ensemble de la séquence d'enseignement.

En pratique, une classe (1131LS) a suivi le scénario complet décrit ci-dessus.

Deux classes (1132LS et 1135LS) ont partiellement suivi le scénario. La classe 1132 a suivi les phases 1 et 3 décrites ci-dessous, mais n'a pas fait la phase 2. La classe 1135 a suivi la phase 1 uniquement pour l'expérience 1, puis les phases 2 et 3. Pour l'expérience 2, cette classe n'a fait que la fiche d'activité PHYS3 complétée par une explication collective du résultat de l'expérience et l'appui de l'artefact en démonstration-maître plutôt qu'en utilisation sous forme d'activité en binôme.

La dernière classe (1133LS) n'a pas utilisé l'artefact MITIC sous la forme d'activité en binôme. Cette classe n'a fait que les fiches d'activité PHYS1 et PHYS3, puis les questions d'épreuve. Avec cette classe, les expériences 1 et 2 ont été complétées par une explication collective du résultat de l'expérience et l'appui de l'artefact en démonstration-maître.

Toutes les classes ont suivi les phases sans l'artefact MITIC.

3.4.2 Déroulement du projet pour le cours de chimie à l'ECG

Scénario prévu pour 3 périodes de 45min: 

Partie A:

- L'enseignante propose une démonstration. Elle commence par expliquer ce qu'elle va faire: elle met un ballon de baudruche sur une bouteille en verre vide. La bouteille est ensuite mise dans un bain marie chaud. Puis l'enseignante met la bouteille d'eau dans un bain glacé. 

- Elle demande ensuite aux élèves de prédire ce qui va se passer au niveau du ballon de baudruche. Les élèves doivent écrire sur une feuille leurs prédictions macroscopiques des résultats. 

- L'enseignante fait ensuite la démonstration. Les élèves doivent uniquement observer. 

- A la fin de la démonstration, les élèves valident ou modifient leurs prédictions initiales toujours de manière autonome. 

- Sur la base d'un schéma représentant le matériel de l'expérience, les élèves doivent de manière autonome expliquer le phénomène sous-jacent, en s'appuyant sur les propriétés microscopique de la matière, mettant ainsi sur papier leur modèle explicatif initial.

- Par 2, les élèves pourront ensuite comparer leur modèle initial et se l'expliquer parmi.

- Individuellement, les élèves seront face à la première animation, puis à la deuxième simulation sur les changements d'état et la pression. Afin de les guider dans l'animation et la simulation et s'assurer de leur compréhension et de l'utilisation complète des artefacts, un questionnaire sera distribué. Les élèves devront répondre à certaines questions précises pendant l'utilisation des artefacts.

- A la suite de l'utilisation des artefacts, les élèves devront corriger, modifier, compléter leur modèle initial avec une autre couleur de stylo.

- L'enseignante relève à la fin de la 2e période: les prédictions initiales et modifiées, les modèles initiaux et modifiés, ainsi que les questionnaires, afin de les corriger.

Partie B:

- La semaine suivante, l'enseignante propose une nouvelle expérience: l'oeuf aspiré.

L'enseignante explique tout d'abord ce qu'elle va faire en terme de démonstration. Les élèves doivent d'abord prédire le résultat de l'expérience. Une fois la démonstration faite, les élèves devront valider ou modifier leur prédiction. 

- Individuellement, sur la base d'un schéma simplifié, les élèves expliquent le résultat de la démonstration en s'appuyant sur les propriétés microscopiques de la matière. Les élèves n'ont pas accès à l'artefact, uniquement au modèle fait et corrigé lors de la partie A. Cette réalisation est sur la trace 2. L'enseignante aura donc accès à certaines informations comme l'évolution et la justesse du modèle utilisé pour expliquer ce nouveau résultat. 

- Les élèves doivent conclure sur un court paragraphe en discutant notamment du lien entre température, pression, et agitation des molécules.

4. Résultats

4.1 Résultats pour le CO

4.1.1 Trace 1

Le tableau ci-dessous résume les résultats obtenus avec les trois versions de la trace 1. Les résultats pour les traces 1a et 1b ont été obtenus pour des binômes d'élèves alors que la trace 1c a été obtenue individuellement pour chaque élève.

Commentaires généraux :

• Une explication est qualifiée de macroscopique lorsque tous les arguments avancés sont décrits au niveau macroscopique.

• Une explication est qualifiée de microscopique lorsque tous les arguments avancés sont décrits au niveau moléculaire.

• Une explication est qualifiée de mixte lorsque certains des arguments sont décrits au niveau moléculaire et d'autres le sont au niveau macroscopique.

Commentaires pour la trace 1a (prédiction) :

• Les moyens d'enseignements disent qu'il faut s'attendre "à ce que les élèves fassent appel à des arguments autant à l'échelle humaine (pression, aspiration du bouchon, l'air veut sortir, etc.) qu'à l'échelle moléculaire (les molécules veulent sortir, la pompe aspire les molécules du bouchons après avoir aspiré celles de l'air, etc.) le tout dans une certaine confusion" (progression p. 17). Cette description correspond bien aux résultats obtenus.

• Les arguments incorrects les plus souvent utilisés sont : l'expansibilité des gaz ou le fait que l'air veut sortir du tube.

• Les termes de pression ou de différence de pression sont utilisés par plusieurs groupes, mais aucun ne peut expliquer ce qu'est la pression ou une différence de pression.

Commentaire pour la trace 1b (explication du résultat après l'activité effectuée avec l'artefact) :

• Les explications correctes mais incomplètes mentionnent soit l'agitation moléculaire sans détailler ce qui se passe au niveau des chocs moléculaires, soit ne décrivent que ce qui se passe d'un seul côté du bouchon.

Commentaires pour la trace 1c (question d'épreuve) :

• La plupart des explications microscopiques contiennent également une explication macroscopique correcte en termes de différence de pression. Ceci est assez naturel et est renforcé par le fait que la question d'épreuve contenait deux sous-questions additionnelles liées à la différence de pression.

• L'explication microscopique incorrecte dit que l'agitation des molécules dans le tube augmente lorsque l'on fait le vide. 

• Les explications microscopiques partiellement correctes associent la variation de fréquence à la variation de violence des chocs (chocs moins fréquents et moins violents ou plus fréquents et plus violents).

• Les explications macroscopiques incorrectes disent que l'air veut sortir du tube et se disperser dans tout le volume de la cloche.

• Les explications macroscopiques correctes mentionnent la différence de pression ou de force de poussée sans en expliquer l'origine au niveau moléculaire.

Observations lors de la passation en classe :

• L'activité avec la simulation semble avoir bien fonctionné.

• Les élèves ont eu un peu peur au début de l'activité, probablement à cause de l'aspect "symbolique et sérieux" de la simulation et la présence de deux panneaux, un pour la configuration des paramètres et l'autre pour visualiser le résultat de la simulation. Leurs craintes sont retombées après que l'ont ait fait la partie A de la première activité (fiche d'activité PHYS2) ensemble. Ils ont parfois eu encore besoin d'un peu d'aide pour "naviguer" entre les deux panneaux lors de la partie B. Après, pour la seconde activité, ils étaient autonomes.

• La fiche d'activité semblait adéquate. Elle a bien guidé le travail des élèves sans pour autant les enfermer dans un cheminement unique. Tous les groupes ont, à un moment ou à un autre, exploré les situations qui les intéressaient (beaucoup de molécules, températures extrêmes, etc.).

• Le fait que les élèves fasse des observations virtuelles et complètent la fiche d'activité PHYS2 ne suffit pas à obtenir les résultats présentés dans le tableau. Pour que les élèves comprennent bien ce qui se passe au niveau moléculaire, il faut les questionner à ce propos. Je l'ai fait en leur demandant de m'expliquer par oral le résultat de l'expérience avant de le faire par écrit dans leur fiche d'activité. A mon avis cette étape est cruciale.

4.1.2 Trace 2

Le tableau ci-dessous résume les résultats obtenus avec les deux premières versions de la trace 2. Ces résultats ont été obtenus pour des binômes d'élèves.

Commentaires :

• Pour la prédiction (trace 2a), la plupart des réponses sont correctes mais incomplètes dans le sens où les élèves ne mentionnent qu'une seule variable. Cette variable est parfois la fréquence des chocs et parfois la violence des chocs.

• Pour la prédiction (trace 2a), une explication ne mentionnant aucune variable est une explication qui ne parle que de différence de pression ou de l'agitation des molécules.

• Pour l'explication du résultat après l'activité avec l'artefact (trace 2b), les réponses correctes mais incomplètes ne mentionnent toujours qu'une seule variable. A nouveau, cette variable est soit la fréquence des chocs soit leur violence.

Le tableau ci-dessous résume les résultats obtenus avec la troisième version de la trace 2 qui comprenait deux questions de type QCM. Ces résultats ont été obtenus individuellement pour chaque élève.

Commentaires :

• La réponse incorrecte la plus fréquente pour la question 4 est la proposition f : les chocs sont plus fréquents à l'intérieur du tube mais de même violence.

• La réponse incorrecte la plus fréquente pour la question 9 est la proposition h : les chocs sont plus violents à l'intérieur du tube mais de même fréquence.

• Ces résultats indiquent que la variable qui pose le plus de problèmes est apparemment la fréquence des chocs.

Observations lors de la passation en classe :

• Les élèves (surtout ceux qui ont de la facilité) ont fait remarquer que l'activité avec la simulation était trop longue et que "c'était toujours pareil". Ils ont raison. J'ai vu que les élèves ne font pas d'eux-mêmes la distinction entre la partie qui simule l'expérience telle que nous l'avons faite en classe (partie B de la fiche PHYS4) et celle qui simule un chauffage plus important (partie C de la fiche PHYS4) destiné à rendre plus visibles les changements de fréquence et de violence des chocs moléculaires. L'activité fonctionnera probablement mieux si l'on retire l'une de ces deux parties de la fiche d'activité. On pourrait retirer la partie C et la remplacer par une seule question demandant aux élèves de vérifier la justesse de leurs réponses précédentes si la température est plus élevée. Ou forcer un peu plus l'identification de deux variables importantes plutôt que d'une seule.

• Comme dit précédemment, les élèves ont pu faire cette activité de manière très autonome.

• Comme pour la première activité, le fait que les élèves fasse des observations virtuelles et complètent la fiche d'activité PHYS4 ne suffit pas à obtenir les résultats présentés ci-dessus. Pour que les élèves comprennent bien ce qui se passe au niveau moléculaire, il faut les questionner à ce propos. A nouveau, je l'ai fait en leur demandant de m'expliquer par oral le résultat de l'expérience avant de le faire par écrit dans leur fiche d'activité. Cette étape semble à nouveau cruciale.

4.1.3 Trace 3

L'activité en lien avec la trace 3 (fiche d'activité PHYS5) a posé beaucoup de problèmes aux élèves. Aucun groupe n'a réussi à compléter cette fiche sans une aide importante de ma part. Aucun groupe n'a utilisé la simulation qui était à leur disposition pour les aider à comprendre et expliquer le résultat expérimental. Je donne les résultats (obtenus avec mon aide plutôt qu'avec celui de la simulation) en les expliquant ci-dessous.

Question 1

Cette question est celle qui a posé le plus de problèmes aux élèves. Le problème majeur venait du fait que cette première phase de l'expérience concerne la dilatation d'un gaz contenu dans un récipient ouvert et non une variation de pression d'un gaz contenu dans un récipient fermé. Comme nous n'avions rencontré la dilatation d'un gaz qu'une seule fois auparavant, les élèves n'ont pas vraiment envisagé ce phénomène. L'Atelier Théorie Cinétique des Gaz ne permettant pas de simuler cette configuration, ils n'ont pas pu se rabattre sur la simulation et ils étaient "coincés". L'explication qu'ils ont généralement fournie est que le fait de chauffer la bouteille la faisait se dilater et que grâce à la dilatation du goulot de la bouteille l'oeuf finissait par entrer. Cette explication n'est pas fausse et le phénomène se produit bel et bien. Mais il est de second ordre par rapport à la dilatation de l'air chauffé et ce n'est pas lui qui explique l'entrée de l'oeuf (qui entrerait alors d'un coup plutôt que progressivement). Les élèves ont eu du mal à comprendre cela, même après explication de ma part. Après cette explication, 69% des binômes (9/13) ont répondu à la question de manière correcte et 31% (4/13) y ont répondu de manière partiellement juste et partiellement fausse. Ces dernières explications faisaient se superposer les deux phénomènes de dilatation et de variation de pression.

Question 2

Une fois la question 1 passée, les élèves ont pu répondre seuls à la question 2. Cette fois-ci, la simulation pouvait être utilisée pour vérifier l'explication, mais aucun groupe ne l'a fait. Je pense que ceci vient en partie du fait que comme ils avaient commencé sans la simulation, ils ont continué sans. A cela s'ajoute le fait que seuls et sans fiche d'activité ils ne pensent pas (et peut-être n'arrivent pas) à utiliser le logiciel de l'Atelier Cinétique de Gaz pour simuler une expérience réelle. Leur laisser la possibilité d'utiliser librement le logiciel n'est donc probablement pas une bonne option s'ils n'ont pas au préalable pris l'habitude d'utiliser le logiciel comme outil de résolution de problèmes. Les réponses obtenues à cette question sont les suivantes :

Commentaires :

• • Les explications microscopiques incorrectes disent qu'en se refroidissant les molécules se regroupent, ce qui laisse la place à l'oeuf d'entrer.

  • Les explications microscopiques partiellement correctes font intervenir la différence de fréquence des chocs cumulée à un regroupement des molécules comme expliqué ci-dessus.

Question 3

Les élèves ayant plus peiné que prévu sur les questions 1 et 2, cinq des treize groupes n'ont pas eu le temps de répondre à la question 3 dans le temps imparti. Je n'ai malheureusement pas pu leur laisser plus de temps et il faut faire l'analyse sans ces réponses.

Parmi les groupes qui ont eu le temps de répondre à la question, 6/8 ont proposé d'inverser le processus en chauffant la bouteille. Certains groupes n'ont toutefois pas pensé à retourner le récipient contenant l'oeuf pour le boucher et pouvoir créer une différence de pression. Un groupe a proposé de cumuler les deux réponses possibles : inverser le processus en chauffant la bouteille et faire cette opération sous vide. Un dernier groupe est resté sur son idée initiale de dilatation et a proposé de refroidir l'oeuf pour qu'il se contracte et de réchauffer la bouteille pour que le goulot se dilate.

Observations lors de la passation en classe :

• Cette partie n'a pas bien fonctionné. Comme je l'ai dit auparavant, j'ai dû "décoincer" les élèves qui ne parvenaient pas à répondre de manière satisfaisante à la question 1. De leur côté, les élèves ont dit que la partie explicative et rédactionnelle était compliquée et pénible à faire. Deux élèves m'ont également demandé à quoi servait la simulation... Les élèves ont toutefois bien aimé l'expérience et la partie qui consistait à trouver une solution pour faire ressortir l'oeuf sans le casser.

• Je pense que les trois principales raisons pour lesquelles l'activité n'a pas bien fonctionné sont d'une part que les élèves n'avaient pas assez vu au préalable la dilatation des gaz, d'autre part que la simulation proposée ne pouvait pas être utilisée pour simuler toute l'expérience, et finalement que mes élèves n'ont pas été entraînés à utiliser seuls (i.e. sans le support d'une fiche d'activité) le logiciel (ou un autre).

• Il faut aussi dire que l'explication complète de l'expérience est compliquée pour les élèves du CO et est probablement à la limite de ce qu'ils peuvent faire. On peut donc se demander s'il est vraiment judicieux de demander aux élèves du CO d'expliquer en détail le résultat d'une telle expérience. Ce qui est clair, c'est que si on veut le faire, il faut bien préparer le terrain avant (mieux que ce que j'ai fait). Sinon, soit on montre l'expérience dans un but plus illustratif, soit on utilise d'autres expériences qui mélangent moins les différentes notions et qui sont plus simples à expliquer.

4.2 Résultats pour l'ECG

4.2.1 Trace 1

a) Trace 1a: Prédictions macroscopiques: 

Propositions de quelques élèves: 

1. avec la buée le ballon va gonfler

2. eau chaude = ballon gonflé, eau froide et glaçon = ballon dégonflé

3. Quand on va mettre le ballon de baudruche dans l’eau chaude, je pense que le ballon va se compresser. Quand on va mettre le ballon dans l’eau froide, le ballon va gonfler.

4. Le ballon va gonfler puis se dégonfler (élèves 5 et 6 pareil)

Commentaires: 

On remarque que pour certains élèves (1, 2 et 4), leurs prédictions originales concernant ce qu’ils vont observer sont correctes, même s’ils donnent peu de détails. Pour l’élève 3, le phénomène est inversé. On voit un premier modèle initial qui est erroné qui sera vite corrigé avec l’observation de la démonstration.

b) Trace 1a: Validation des prédictions macroscopiques après observation de l'expérience: 

Propositions de quelques élèves: 

1. quand on a posé la bouteille dans l’eau chaude, avec la buée, la ballon a gonflé et quand on l’a ensuite mis dans l’eau froide, le ballon a dégonflé jusqu’à rentrer dans la bouteille.

2. L’eau chaude permet au ballon de se gonfler grâce à la vapeur. L’eau froide avec les glaçons fait que le ballon se dégonfle. 

3. Quand on a mis la bouteille dans l’eau chaude, le ballon a gonflé. Quand on a mis la bouteille dans l’eau froide, le ballon a perdu tout l’air qu’il avait, il s’est dégonflé et ensuite le ballon est rentré dans la bouteille. 

4. Le ballon s’est remplis d’air, il a donc gonflé. Lorsque nous l’avons mis dans le bain d’eau froide, il s’est vidé de tout son air, donc dégonflé. (Elèves 5 et 6 pareil)

Commentaires:

Après observation de la démonstration, les élèves ont validé ou modifié leur prédiction initiale. Les élèves ont proposé des explications aux phénomènes observés comme « le ballon se gonfle grâce à la vapeur », « le ballon se dégonfle car il s’est vidé de son air », qui sont incomplets ou erronés. Nous verrons par la suite que l’utilisation de l’artefact a permis à certains élèves de corriger leurs interprétations. Pour d’autres, ils resteront avec une interprétation incomplète.

c) Trace 1b: Schéma explicatif avant artefact:

Exemples de modèle initial:

Elève 1: en bleu. Il y peu d’explications, peu de légendes. Les particules dessinées à haute température sont concentrées dans la partie supérieur du ballon.

Elève 2: en bleu « clair ». Les seules indications présentes sont « le ballon qui se gonfle », « l’eau bouillante »,  « l’eau froid et glaçon ».

Elève 5: en bleu. Il y a peu d’explications, peu de légendes. Les particules à l’intérieur de la bouteille ne sont pas dessinées.

Elève 6: en bleu. Les explications sont plus denses, l’élève parle de l’agitation des molécules déjà dans un modèle initial. Il y a cependant un peu de confusion avec la définition de l’air et des changements d’état.

Elève 7: en noir. Les explications sont peu présentes, mais à nouveau, l’élève tente d’expliquer que le ballon gonfle avec la buée, et propose des explications microscopiques sur l’agitation des molécules mais sans les dessiner.

Commentaires:

Avec ces quelques exemples, je me suis rendue compte de l’importance de demander aux élèves de proposer sur papier une première explication au phénomène macroscopique observé. En effet, même si la théorie de l’agitation des particules avait été vue en classe, notamment en lien avec la température et les changements d’état de l’eau, un certain nombre d’élèves ont de la peine à lier et connecter les connaissances qu’ils ont acquises avec des phénomènes macroscopiques qu’ils peuvent observer, basés sur ces mêmes connaissances, mais avec d’autres exemples. 

Suite à ces observations, le choix de notre problématique me semble donc judicieux. En effet, je suppose que l’utilisation d’artefacts spécifiques pour interpréter et expliquer le résultat de cette démonstration permettrait aux élèves de s’approprier davantage un modèle microscopique de la matière pour comprendre des phénomènes macroscopiques. 

Cette première trace sert également de support d’analyse pour la conjecture n°2 formulée: «  L’utilisation d’un artefact pour interpréter le résultat d’une expérience précise aide les élèves à se rendre compte que dans certains cas leur modèle naïf/initial est inadapté ou incomplet. Ceci amène les élèves à faire évoluer le modèle mental qu’ils utilisent pour interpréter et expliquer des phénomènes en lien avec la pression ou les changements d’états. »

Les élèves devaient ensuite par paire s'expliquer leur schéma initial, sans le modifier. En observant et en écoutant les échanges entre les élèves, je me suis rendue compte qu’ils tombaient vite d’accord sur une explication commune (juste ou fausse), alors que leur schéma initial était pour la plupart largement incomplet. Je trouve qu’ils ne rentraient pas suffisamment dans l’exercice de la critique, comparaison de leur schéma respectif, ils n’argumentaient pas leur choix, bien que leur schéma pouvait être différent. C’est une partie de l’activité qui a peu fonctionné, car je pense qu’ils ne sont pas habitués à ce genre d’activité-là. L’expression orale et l’argumentation étant probablement associés pour eux aux branches linguistiques ou sciences sociales.

d) Trace 1c: Questionnaire et question sur le lien entre la pression, la température et les chocs et mouvements de molécules_

Propositions de quelques élèves: 

• On peut voir que plus la pression monte, plus il y a de chocs et plus les molécules vont vites.

• Plus la température est élevée, plus les molécules vont vites, plus il y a de chocs contre la paroi, donc plus de pression.

• Plus la vitesse est haute, plus il y a de chocs contre la paroi. Plus la température augmente, plus il y a de pression.

• A l’état gazeux, plus la température augmente, plus la pression est forte, les molécules sont agitées, plus elles sont espacées, plus elles font des chocs contre la paroi.

• On observe que plus la pression monte, plus il y a d’agitation et de mouvement. La vitesse des molécules augmente, donc il y a plus de chocs. Plus la température est élevée, plus il y a de pression.

• Plus la température est forte, plus il y a de pression. Les molécules s’agitent et se cognent donc ça créer de la pression. Plus le récipient est petit, plus la pression sera forte.

• Plus la température augmente, plus les molécules sont agitées, plus il y a de molécules qui tapent dans la paroi, donc plus de pression.

Commentaires:

Les élèves ont dans l’ensemble très bien répondu aux questions liées à l’utilisation des deux artefacts sur les changements d’état. Pour la question 5 et 6, nous avions déjà vu en classe, quelques semaines auparavant, ces termes et comment chaque état peut être décrit selon ces termes. Certains ont peu détaillé cette description, mais dans l’ensemble, les élèves ont utilisé correctement les artefacts, ont observé l’agitation et le mouvement des molécules d’oxygène en fonction de l’état et de la température. 

Pour la question 14, il s’agissait pour les élèves d’établir un lien entre la pression, la température et le mouvement des molécules. Dans l’ensemble, même si leur expression française porte parfois défaut, les élèves ont proposé des liens cohérents et assez simples à comprendre. 

Pour moi, les réponses correctes obtenues dans cette partie 2 me font dire que les élèves ont utilisé correctement les artefacts et ont compris le lien qu’il y avait à faire entre la pression, la température, l’agitation des molécules et les chocs contre les parois du récipient. Les élèves ont ensuite pu modifier leur schéma initial.

d) Trace 1d: Schéma explicatif après artefact:

Exemples de modèle final modifié:

Les commentaires ci-dessous font référence aux schémas des élèves présentés au point c.

Elève 1: (en bleu, schéma initial) En noir, plus de descriptions au niveau des molécules, elles sont dessinées.

Elève 2: (en bleu « clair », schéma initial). En bleu « foncé », tentative de dessiner des molécules. Problème de compréhension et de lien entre les changements d’état et la pression. Ici les 3 états de l’O2 sont dessinés en fonction de la température.

Elève 5: (en bleu, schéma initial). en rouge et noir. Les molécules sont dessinés en point, et décrites avec leur agitation. Il parle de pression.

Elève 6: (en bleu, schéma initial). En rouge. Les molécules sont dessinées, les mouvements et l’agitation des molécules sont également décrites. 

Elève 7: (en noir, schéma initial). En rouge, les molécules sont dessinées, en  mouvement (avec les flèches) on parle de déplacement.

Commentaires:

Ces quelques schémas modifiés montrent que les élèves ont pour la plupart compris et intégré qu’il y a de l’oxygène dans l’air et donc dans la bouteille. Qu’en fonction de la température, ces molécules ont des mouvements et des agitations différentes, qui vont expliquer le gonflement du ballon. Cependant, peu d’élèves ont fait le lien entre température et pression et choc des molécules contre les parois, même si le questionnaire en faisait référence et les poussait à la réflexion dans ce sens-là. Ainsi, le questionnaire fait ressortir que les élèves ont compris l’utilisation de l’artefact, mais peu arrivent à appliquer le modèle vu avec l’artefact dans une interprétation microscopique quasi complète de l’expérience.

Commentaires généraux sur la trace 1 :

Lors de toutes les phases d'activité, les élèves étaient très concentrés et entièrement investis dans l'activité. Je remarque qu'avec ces élèves, la diversité des activités proposés les aide à s'investir dans ces tâches. 

Lors de la première séance avec l'utilisation des artefacts, les élèves ont trouvé intéressant et motivant de manipuler les artefacts sur l'ordinateur et même si selon leurs traces, l'interprétation microscopiques des résultats étaient parfois encore incomplète, les élèves pensent avoir une meilleure compréhension des mécaniques moléculaires en jeu.

J'ai relevé leur schéma et leurs réponses aux questions afin d'analyser leur interprétation. Comme certains points étaient encore peu clair et incomplet, j'ai apporté une correction sur l'interprétation de l'expérience, en complétant le schéma devant eux, en insistant sur les points qui étaient justes chez certains élèves et en pointant les points faux. Comme j'allais proposer une nouvelle expérience en lien avec la première, je voulais m'assurer déjà que les élèves avaient en main les outils nécessaires pour mieux interpréter la première expérience et donc s'investir totalement dans la deuxième expérience qui était différente, même si elle reposait sur les mêmes principes de pression.

4.2.2 Trace 2

a) Trace 2a: Prédictions macroscopiques: 

Propositions de quelques élèves: 

• L’oeuf va rentrer dans l’erlenmeyer (7 élèves /13)

• L’oeuf va changer de forme, taille à cause du changements de pression.

• L’oeuf va coller au bord de l’erlenmeyer)

• L’oeuf va être aspiré (2 élèves)

• L’oeuf va se rétrécir et il va tomber dans l’erlenmeyer

• Eau bouillante, l’oeuf va gonfler et augmenter de taille. Eau froide, l’oeuf va rétrécir et changer de taille.

Commentaires:

Dans l’ensemble, les élèves font une bonne prédiction sur le résultat macroscopique de l’expérience. Les élèves utilisent des termes cependant différents et certains veulent déjà apporter un début d’explication (changement de taille, gonflement, aspiration). Leur prédiction a été rapidement validé avec la démonstration de l’expérience.

b) Trace 2b: Schéma explicatifs et commentaires

Les schémas produits par les élèves de la classe sont visibles dans le document partie B schémas des élèves.pdf.

Après une expérience pratique, l’utilisation de l’artefact et ma correction apportée à leur premier schéma, j’ai senti une progression dans l’ensemble des schémas explicatifs de la deuxième expérience, dans le sens que les élèves ont 1) légendé leur schéma, 2) dessiné les particules de gaz, 3) tenté de proposer une interprétation incluant les notions de température, d’agitation des molécules et de pression. Les élèves ont dans l’ensemble bien intégré le lien entre la température et l’agitation des molécules, ainsi que les chocs des molécules contre la paroi. Cependant ils ne « voient » que la pression exercée à l’intérieur de l’erlenmeyer. Nous n’avons pas vu en classe les différences de pression qu’il peut y avoir entre un système fermé et l’extérieur et comment ces différences se manifestent. Je ne m’attends donc pas à ce stade que les élèves soient capables d’interpréter de manière correct l’ensemble de l’expérience.

Cependant, j’ai remarqué que beaucoup d’entre eux prêtent peu d’attention à toutes les étapes de la démonstration, bien que j’aille longuement insisté sur l’importance de chaque étape de manipulation. En effet, les élèves considèrent dans leur schéma uniquement à partir du moment où l’erlenmeyer est placé dans le bac d’eau glacé et que l’oeuf entre dans la bouteille. Ils ne prennent pas en compte l’étape de chauffer d’abord l’erlenmeyer avec de l’eau bouillante, ce qui a pourtant son importance dans l’interprétation microscopique de la démonstration.

Je constate donc avec cette deuxième expérience que les élèves ont intégré les explications et l’interprétation pour l’expérience 1, mais ne sont pas capables, ou pas entièrement capables de transposer ce modèle et de l’extrapoler pour une nouvelle expérience plus complexe.

Pour la conclusion, 1) choix de l’expérience peut-être peu judicieux, trop loin de ce qui avait été vu avec la première expérience. Se rapporter à une démo qui repose sur le même modèle, dans un premier temps. Dans un deuxième temps, après discussion sur les différences de pression entre l’intérieur d’un système fermé et l’extérieur, proposer cette expérience en insistant que nous avons vu un modèle au préalable qu’il faut pouvoir adapter à chaque situation, et ne pas l’appliquer de manière systématique.

c) Traces 2c: Conclusion

Propositions de quelques élèves: 

• Dans les deux cas, il y a une forte pression. L’eau chaude fait sortir et entrer l’oeuf.

• Plus la température est élevée plus les molécules sont agitées. Plus les molécules sont agitées, plus la pression est élevée.

• Plus c’est chaud, plus les particules de gaz sont excités. Plus c’est froid, les particules de gaz sont moins excités.

• Avec l’eau froide, les molécules sont moins agitées donc l’oeuf rentre, et avec l’eau chaude, l’oeuf resort, les molécules sont plus agitées.

• Le changement de température agite les molécules.

• Avec l’eau froide, les molécules sont très peu agitées dans l’erlenmeyer ce qui provoque une aspiration. Avec l’eau chaude, les molécules s’agitent ce qui augmente la pression et « pousse » l’oeuf vers l’extérieur (2 élèves)

• Plus la température est haute, plus il y a de la pression.

• Quand la pression est faible, ça fait rentrer l’oeuf. Quand elle est forte, elle augmente, ça pousse l’oeuf pour le faire ressortir.

Commentaires:

Concernant la conclusion demandée, la plupart des élèves ont proposé le lien entre la température, la pression et l’agitation des molécules de manière correcte et générale. Pour ceux qui ont proposé une conclusion en lien avec l’expérience de l’oeuf, le lien est souvent incomplet (« Avec l’eau froide, les molécules sont moins agitées donc l’oeuf rentre, et avec l’eau chaude, l’oeuf resort, les molécules sont plus agitées »). Pour la première proposition, on remarque tout de même que l’interprétation est erronée, et donc la conclusion demandée est peu pertinente, incomplète et fausse.

5. Conclusion

5.1 Discussion des conjectures initiales

La mise en pratique de notre projet a globalement validé les trois conjectures initiales que nous avions formulées. Voici les détails et les nuances de cette validation.

5.1.1 Conjecture 1

Rappel de la conjecture : L'utilisation d'un artefact (animation, simulation) pour interpréter le résultat d'une ou deux expérience(s) précise(s) aide les élèves à interpréter et expliquer des phénomènes macroscopiques à l'aide des propriétés microscopiques de la matière.

Au CO

Les résultats obtenus à l'aide des traces 1a, 1b puis 2a, 2b montrent que cette conjecture a été vérifiée dans nos classes du CO pour des situations faisant intervenir des différences de pression relativement simples. Dans ces cas, on voit que juste après l'utilisation de l'artefact, tous les binômes (100%) utilisent une explication microscopique. Les résultats des traces 1c et 3 montrent que la conjecture reste vraie sur le moyen terme et au niveau individuel (élève), même si 15% à 19% des élèves repassent alors dans une explication purement macroscopique. Les résultats obtenus dans l'épreuve récapitulative montrent que la conjecture reste vérifiée aussi pour l'explication de situations nouvelles du même type.

Nos élèves du CO ont toutefois été mis en échec par l'explication de l'expérience plus complexe de l'oeuf aspiré. Dans ce cas d'expérience à plusieurs étapes et mélangeant une variation de pression à la dilatation du gaz, ils ne sont parvenus à aucune explication satisfaisante (ni microscopique ni macroscopique) seuls et avec une utilisation libre du logiciel. Comme mentionné dans la section 4.1.3, si on veut qu'ils y parviennent il faut mieux préparer l'activité, à la fois au niveau des connaissances (dilatation des gaz, différence entre dilatation et variation de pression) et au niveau de l'utilisation du logiciel (libre mais entraîné ou plus cadré avec une fiche d'activité).

A l'ECG

Lors de la première phase d'activité (partie A), l'utilisation des artefacts a effectivement eu des effets sur l'interprétation et l'explication de certains élèves pour l'expérience macroscopique proposée. Les élèves se sont bien appuyés sur les propriétés microscopiques de la matière pour expliquer l'observable. Malheureusement, pour nombre d'entre eux, il leur était difficile d'expliquer le résultat de l'expérience entièrement et sans erreur. Le modèle vu avec l'artefact a été parfois mal appliqué et mal extrapolé pour proposer une interprétation microscopique correcte.

La 2ième expérience (oeuf aspiré) a montré qu’il était difficile pour nos élèves de l'ECG d'appliquer un modèle simple sur une situation plus complexe qui leur demandait d’extrapoler le modèle microscopique vu avec la première expérience.

Conclusion

La conjecture a été vérifiée au CO et à l'ECG pour des situations faisant intervenir des différences de pression relativement simples. Elle n'a pas vérifiée dans le cadre de l'expérience plus complexe de l'oeuf aspiré.

5.1.2 Conjecture 2

Rappel de la conjecture : L'utilisation d'un artefact (animation, simulation) pour interpréter le résultat d'une ou deux expérience(s) précise(s) aide les élèves à se rendre compte que dans certains cas leur modèle naïf/initial est inadapté ou incomplet. Ceci amène les élèves à faire évoluer le modèle mental qu'ils utilisent pour interpréter et expliquer des phénomènes en lien avec la pression ou les changements d'états.

Au CO

Comme nous l'avons dit lors des discussions communes à l'atelier, cette conjecture est assez difficile à tester parce qu'on ne peut jamais savoir "quel est le modèle qui est dans la tête de l'élève". Nous pensons toutefois que la disparition des explications incorrectes dans les traces 1b ainsi que 2a et 2b est un signe que certains élèves ont fait évoluer le modèle initial qu'ils utilisaient en début de séquence. La réduction de la confusion initiale des arguments vers des explications soit microscopiques soit macroscopiques (mais scientifiques et  correctes) est aussi le signe d'une évolution. Cette évolution semble se maintenir sur le moyen terme, ce qui est aussi attesté par la disparition complète de l'argument naïf "l'air veut sortir" et de la mauvaise interprétation initiale de certains élèves concernant l'expansibilité des gaz.

Les résultats obtenus avec les traces 2a, 2b, 2c ainsi que 3 (question 2) montrent également une évolution en ce qui concerne la prise en compte des deux variables dont dépend la pression. A ce niveau, le pourcentage des élèves qui mentionnent de leur propre initiative les effets dus aux deux variables passe de 29% à 55% juste après utilisation de l'artefact. Sur le moyen terme, 46% des élèves semblent être capables de prévoir l'effet correct et simultané des deux variables lors de l'interprétation du résultat d'une expérience alors qu'ils sont entre 62% et 89% à pouvoir distinguer correctement l'effet de chaque variable si on leur pose directement la question.

A l'ECG

Les traces 1b et 1d sont en lien avec cette conjecture. Les élèves ayant proposés un modèle initial avant l’utilisation de l’artefact ont pu ensuite le modifier, ajouter des informations, notamment les particules microscopiques. Cependant les modèles modifiés restaient souvent incomplets voire incorrects. 

Lors de la correction et institutionnalisation du modèle correct (après la première démonstration, mais avant la deuxième), les élèves ont posé peu de questions, me laissant l’impression qu’ils avaient compris le modèle microscopique, et que ce modèle avait encore évolué.

En corrigeant cependant le modèle explicatif de la deuxième expérience, je me suis rendue compte que ce n’était pas le cas pour tout le monde, que pour certains, ils n’arrivaient pas à interpréter les résultats de cette expérience en se basant sur le modèle des propriétés microscopiques de la matière (conjecture n°1). 

Je recommande donc de proposer une 2ième démonstration basée sur les mêmes principes que la 1ère, afin de s'assurer d'abord de l’intégration et de l’évolution du modèle vu avec l’artefact, avec possibilité de réutiliser le même artefact.

Puis de proposer la démonstration de l’oeuf après une nouvelle phase peut-être de théorie, ou en utilisant un nouvel artefact. Je pense que cela permettrait d’observer l’évolution et l’intégration du modèle explicatif sur des paliers plus petits, mais également lors d’application du modèle dans des situations plus complexes.

Conclusion

Au CO comme à l'ECG, les traces récoltées suggèrent que grâce à l'utilisation des artefacts certains élèves ont remarqué que leur modèle initial était inadapté ou incomplet et ils l'ont fait évoluer vers le modèle à institutionnaliser. Les modèles initiaux les plus naïfs ont été abandonnés. Ce qui ne signifie pas pour autant qu'après l'utilisation de l'artefact, ou même en fin de séquence d'enseignement, tous les élèves utilisent uniquement et correctement le modèle moléculaire institutionnel.

5.1.3 Conjecture 3

Rappel de la conjecture : Lorsqu'une grandeur dépend de plusieurs variables, l'utilisation d'un artefact (animation, simulation) pour interpréter le résultat d'une ou deux expérience(s) précise(s) aide les élèves à identifier et comprendre l'effet de chaque variable.

Au CO

Les résultats obtenus avec les traces 2a puis 2b montrent que cette conjecture a été vérifiée pour nos élèves du CO. En effet, après utilisation de l'artefact, 55% des élèves mentionnent de manière correcte les deux variables liées à la pression, alors qu'ils n'étaient que 29% à le faire lors de la phase de prédiction. Les résultats de la trace 3 indiquent que sur le moyen terme 46% de nos élèves font intervenir de leur propre initiative et de manière correcte les deux variables impliquées dans certaines situations. Les résultats de la trace 2d indiquent qu'en fin de séquence le pourcentage des élèves qui arrivent à identifier et distinguer l'effet de chaque variable est compris entre 62% et 89% selon la question posée.

A l'ECG

Cette conjecture n'a pas été testée à l'ECG.

Conclusion

La conjecture a été vérifiée au CO et non testée à l'ECG. Les résultats plus mitigés obtenus au CO pour cette conjecture en comparaison de la conjecture 1 proviennent probablement du fait que, comme indiqué dans l'introduction, l'utilisation simultanée de deux variable est un véritable obstacle conceptuel.

5.2 Conjectures nouvelles et justifications

Suite à la mise en pratique de notre projet, nous proposons les deux nouvelles conjectures suivantes :

Conjecture 4 : L'utilisation d'un artefact (animation, simulation) pour interpréter le résultat d'une ou deux expérience(s) précise(s) aide les élèves à donner du sens et une certaine réalité à des notions vues auparavant de manière purement théorique et abstraite.

Au CO, nous avons remarqué que le fait que les élèves aient à introduire dans la simulation le nom et l'abondance des deux espèces chimiques dominantes dans la composition de l'air a donné du sens et une certaine réalité à la connaissance purement théorique qui consistait à dire que l'air est un mélange composé principalement de gaz azote et de gaz oxygène. Après utilisation de l'artefact, nous avons l'impression que tous les élèves avaient retenu la modélisation simplifiée de l'air comme un mélange de 80% de gaz azote et de 20% de gaz oxygène. Ce qui n'était pas du tout le cas dans les résultats de la récitation testant l'appris par coeur de cette connaissance avant le travail avec l'artefact.

A l'ECG, en m’appuyant sur le questionnaire lié à l’utilisation des artefacts, j’ai observé que les élèves étaient capables de décrire les propriétés des molécules qu’ils « manipulaient » avec l’artefact en utilisant correctement des termes et des notions vus en classe de manière théorique. De plus, les élèves étaient capables de composer des liens cohérents, même si simplistes, entre les phénomènes observés avec l’artefact et les notions théoriques. A nouveau, ce n’est pas le cas de tous les élèves et les liens étaient parfois encore incomplets. 

Conjecture 5 : L'utilisation d'un artefact (animation, simulation) pour interpréter le résultat d'une ou deux expérience(s) précise(s) aide les élèves à s'engager dans une tâche scientifique complexe et à rentrer dans un processus de réflexion et d’analyse dépassant le contrat didactique entre l’enseignant et l’élève.

A l'ECG, comme je l’ai déjà souligné, lors de toutes les phases d'activité, les élèves étaient très concentrés et entièrement investis dans l’activité. Les phases d’activité comprenaient donc les prédictions et validation de l’expérience, l’utilisation de l’artefact, l’interprétation et l’explication des phénomènes macroscopiques en s’appuyant sur les propriétés microscopiques de la matière. Je remarque qu'avec ces élèves, la diversité des activités proposées les aide à s'investir dans ces tâches. Les élèves ont trouvé intéressant de manipuler l’artefact et de pouvoir prendre un instant le rôle d’enseignant et de réfléchir à l’interprétation des résultats eux-mêmes plutôt que d’attendre la bonne réponse de l’enseignant.

Au CO, les élèves se sont bien engagés dans les trois activités faites avec l'artefact. Mais ils le font également dans la plupart des activités faites sans artefact. Je n'ai donc pas noté d'influence significative et inhabituelle de l'artefact à ce niveau.

La différence de résultats obtenus entre le CO et l'ECG s'explique probablement par le fait que nos élèves du CO ont plus l'habitude de travailler sur l'ordinateur que nos élèves de l'ECG. L'aspect "nouveauté" est donc bien moins présent au CO qu'à l'ECG.

5.3 Modèle d'action applicable à d'autres cas, limites, possibilités d'amélioration

5.3.1 De manière générale

L'utilisation d'outils MITIC est quasiment incontournable pour initier et familiariser les adolescents de 14-18 ans à un modèle moléculaire de la matière qui leur apparaît très abstrait et souvent très éloigné de la réalité.

Lorsque les principaux objectifs didactiques sont des objectifs de connaissance ou de compréhension, nous pensons qu'il vaut mieux utiliser un nombre très restreint d'artefacts pour illustrer les différents éléments fondamentaux du modèle. Nos élèves partagent cet avis. La raison sous-jacente étant le fait que les élèves du CO ou de l'ECG sont encore peu habitués à faire des allers-retours entre différents types de représentations. Ils sont alors vite perturbés ou en surcharge cognitive si l'on combine des objectifs de connaissance avec des objectifs de modélisation variée au sein d'une même activité. Lorsqu'on est un enseignant débutant, il nous semble donc plus facile, dans un premier temps, de séparer ces deux type d'objectifs et de les aborder dans des activités distinctes.

Nous avons utilisé trois artefacts dont les avantages attendus (sections 3.2.1, 3.2.2 et 3.2.3) ont été confirmés par la pratique et dont les inconvénients majeurs sont rediscutés dans les deux prochaines sections pour chaque ordre d'enseignement. De manière générale, nous avons trouvé ces artefacts bien adaptés et les élèves ont bien aimé les utiliser. Les élèves du CO ne se lassent pas de voir "la simulation de l'eau liquide" (artefact 2). Quant aux élèves de l'ECG, ils se sont montrés particulièrement engagés et investis dans le travail avec les artefacts 1 et 2.

En ce qui concerne l'intégration de ces artefacts au dispositif d'enseignement, nous avons remarqué que l'utilisation d'un artefact constitue une plus-value essentiellement s'il est utilisé correctement par les élèves et qu'il permet de simuler l'ensemble de l'expérience faite en classe. Si les élèves ne sont pas entraînés à utiliser un artefact pour simuler une expérience, il semble essentiel de guider leur travail à l'aide d'une fiche d'activité. Le contenu de cette fiche d'activité est discuté ci-dessous de manière séparée pour le CO et l'ECG. Il apparaît aussi essentiel de questionner les élèves sur ce qu'ils observent avec l'artefact et sur la façon dont ils interprètent ces observations virtuelles. Nous avons fait cela par oral avec chaque binôme d'élèves. Lorsqu'on a un peu d'expérience, il devrait être possible de faire cela aussi dans la fiche d'activité, au travers de quelques questions bien ciblées.

L'interprétation microscopique de l'expérience de l'oeuf aspiré a mal fonctionné dans nos deux dispositifs d'enseignement. Dans ce cas, nous pouvons également remettre en question l'expérience elle-même dont l'explication est complexe dans le sens où elle mélange différentes notions et doit être pensée en plusieurs étapes consécutives. Nous pensons toutes les deux que pour nos élèves du CO et de l'ECG il serait plus judicieux de remplacer cette expérience par une ou quelques autres expériences plus simples à expliquer et qui pourraient être entièrement simulées avec les artefacts 2 ou 3. Deux autres options seraient d'utiliser une fiche d'activité et un nouvel artefact qui permette de simuler l'ensemble de l'expérience, ou alors de mieux préparer les élèves à l'analyse de situations plus complexes et de leur faire interpréter le résultat de cette expérience sans l'utilisation d'outils MITIC.

Une dernière question que nous nous sommes posée concerne le nombre d'expériences qu'il semble judicieux d'expliquer avec l'aide de l'artefact pour atteindre l'objectif visé : une meilleure capacité à utiliser un modèle microscopique de la matière pour comprendre des phénomènes macroscopiques. Nous pensons que pour le CO comme pour l'ECG, deux expériences est un bon choix (pour un sujet donné). Après cela, la plupart des élèves ont intériorisé les procédures d'allers-retours entre le microscopique et le macroscopique et ils sont capables d'analyser différentes situations pas trop compliquées seuls, sans aide extérieure.

5.3.2 Pour le CO

Les questions des fiches d'activité avaient pour but d'attirer l'attention des élèves sur les éléments importants du modèle et de les aider à faire les liens entre les propriétés microscopiques de la matière et les observables macroscopiques. Ce but été atteint pour les fiches PHYS2 et PHYS4. La fiche PHYS2 a semblé adéquate et je ne la modifierais pas. Comme dit à la section 4.1.2, il faudrait raccourcir la fiche d'activité PHYS4 en supprimant soit la partie B de la fiche, soit la partie C. Mais le reste peut à mon avis rester inchangé. En ce qui concerne la fiche PHYS5, il faudrait la reconcevoir en fonction de ce qu'on décide de faire à propos de l'expérience de l'oeuf aspiré.

En ce qui concerne les artefacts, l'artefact 3 m'a semblé bien adapté aux élèves du CO, moyennant la petite phase de familiarisation avec l'artefact que nous avons faite en mode collectif. Cet artefact s'est aussi révélé bien adapté aux expériences des phases 1 et 2. Comme dit à la section 3.2.3, l'inconvénient majeur de cet artefact est qu'il n'existe pas d'options "récipient ouvert dans un conteneur beaucoup plus grand" ou "récipient ouvert que l'on peut fermer à un moment donné". De ce fait, l'utilisation de cet artefact n'est probablement pas une bonne idée pour interpréter le résultat de l'expérience de l'oeuf aspiré.

L'utilisation de l'artefact 2 en démonstration-maître pour illustrer diverses notions liées aux modèle moléculaire et aux changement d'états semble avoir été une bonne option. Les élèves ont bien aimé retrouver cet artefact a plusieurs moments dans le cours et ils aimaient beaucoup revoir à chaque fois les trois différents états de l'eau. Je pense que le fait que l'artefact puisse être utilisé pour expliquer différentes notions qui pour les élèves ne sont pas a priori connectées les a aidé à faire des liens entre les différents chapitres du cours et à comprendre que le modèle microscopique peut expliquer un bon nombre de phénomènes macroscopiques. Même en démonstration-maître, le problème de la température a été identifié par plusieurs élèves. Un autre désavantage que j'avais anticipé concerne la représentation des molécules qui n'est pas identique à celle du modèle institutionnel. Dans ce dernier, les molécules sont représentées par des cercles alors que dans l'artefact elles sont décomposées en atomes. Si cette information supplémentaire a plu à beaucoup d'élèves de LS et a permis d'anticiper un peu sur la suite du cours, elle a aussi créé un peu de confusion dans la représentation des trois états de la matière chez les élèves qui ont le plus de peine.

5.3.3 Pour l'ECG

Les fiches d’activité proposaient des questions qui permettaient de cibler les fausses conceptions, ou les modèles initiaux des élèves concernant la représentation microscopique de la matière. Ces différentes questions étaient posées avant l’observation de la démonstration et avant l’utilisation des artefacts. L’analyse de ces traces a permis de relever des fausses prédictions sur ce qu’ils allaient observer, ainsi que des interprétations microscopiques incomplètes voire erronées (en lien avec la conjecture 2). Dans certains cas, ces erreurs étaient corrigées par les élèves eux-même soit après l’observation de la démonstration soit après la phase d’utilisation de l’artefact. Comme déjà discuté plus haut, pour certains élèves, l’utilisation de l’artefact n’a pas permis de corriger un modèle initial erroné. Dans le cas de ces élèves, la conjecture n°2 n’a pas été observée, et les élèves n’ont pas réussi à faire évoluer leur modèle initial pour interpréter des phénomènes microscopiques en lien avec la pression.

Afin d’optimiser les fiches d’activité et ainsi l’intégration du modèle microscopique à institutionnaliser par les élèves, l’enseignant pourrait étayer d’avantage la partie où il est question pour l’élève d’expliquer les observations macroscopiques en s’appuyant sur les propriétés microscopiques. Le schéma annexé pourrait initialement contenir plus d’information que l’élève compléterait avec ses explications, comme des flèches pour les légendes, des phrases à trous pour l’interprétation. Ainsi, l’élève serait mieux guidé dans son interprétation. Le questionnaire sur l’utilisation de l’artefact pourrait également être terminé par une série de questions fermées et quelques unes ouvertes sur la compréhension des propriétés microscopiques de la matière et le lien entre les variables. 

Une dernière proposition serait de faire une activité supplémentaire, avec une nouvelle démonstration basée sur exactement les mêmes principes que la première démonstration, avec à nouveau accès à l’utilisation d’artefact et un guidage encore important avec la fiche d’accompagnement. Et de clôturer les activités avec la démonstration de l’oeuf et un guidage léger dans l’interprétation.

Concernant les artefacts, je pense que je n'aurai pas dû les utiliser ensemble dans le même contexte. En effet, j'avais initialement prévu de concentrer mon activité sur les changements d'états, d'où la pertinence de l'utilisation de l'artefact 1 et 2 en parallèle. J'ai finalement opté pour des expériences faisant appel plus à la notion de pression. Je souhaitais cependant garder les 2 artefacts pour les faire réfléchir sur le mouvement et l'agitation des molécules qui dépendent de la température, et permettre aux élèves d'extrapoler ce qu'ils ont vu avec le chapitre des changements d'états de la matière et les artefacts pour interpréter les résultats des expériences. Je me suis cependant rendu compte que cela introduisait finalement de la confusion pour les élèves en difficulté. Ainsi, je pense qu'il serait plus judicieux d'utiliser uniquement l'artefact 2, afin de se construire un modèle explicatif sur des expériences de pression uniquement et dans ce cas de proposer plus d'expériences basées sur ce principe, et de faire varier un paramètre à la fois (température, volume, nombre de molécules). La partie utilisation de l'artefact serait ainsi plus conséquente, et les élèves pourraient s'approprier pleinement toutes les fonctions de l'artefact afin de l'appliquer à plusieurs situations différentes d'expérience. 

Pour conclure, je modifierai donc déjà l'objectif d'apprentissage spécifique de l'activité: 

• • Etre capable de prévoir, de décrire et d'interpréter les résultats d'une expérience pratique portant sur la notion de pression en faisant appel aux propriétés microscopiques des molécules d'oxygène.

Je réfléchirai à une expérience principale qui permettrait d'observer la variation des différents facteurs rentrant en jeu dans la notion de pression: variation de la température, du volume du récipient, du nombre de molécules... Afin de rendre les élèves attentifs aux manipulations et à l'observation précise, ils pourraient eux-même faire les expériences. Je garderai l'approche d'investigation scientifique où les élèves doivent premièrement prédire les résultats, puis les valider après l'expérience. Puis interviendrait l'utilisation de l'artefact 2 avec une fiche de guidage étayée avec des questions fermées au début. Cette fiche pourrait se conclure avec 2-3 questions plus ouvertes dans lesquelles l'élève doit développer des réponses de compréhension des propriétés microscopiques de la matière. Et pour terminer, les élèves devront à nouveau compléter un schéma explicatif afin de proposer un modèle reposant sur les propriétés microscopiques de la matière. 

Une fois cette activité corrigée, il est tout à fait envisageable de proposer une nouvelle expérience reposant sur les mêmes propriétés, ou une expérience plus complexe, mais accompagnée d'une fiche de guidage importante également.

6. Références et bibliographie

• • F. Chauvet, C. Duprez, I. Kermen, P. Colin, M.-B. Douay; Construire une séquence sur les gaz utilisant un logiciel de simulation; page internet : http://www.epi.asso.fr/revue/articles/a0306d/Gaz_a.htm

  • T. de Jong, M. C. Linn, Z. C. Zacharia; Physical and Virtual Laboratories in Science and Engineering Education; Science Vol. 40; 305-308; 2013

  • Moyens d'enseignement genevois pour la physique (attentes spécifiques, progression, exercices); disponibles sur le site des disciplines du CO : http://edu.ge.ch/co/physique

  • G. Robardet & J.-C. Guillaud; Eléments de didactique des sciences physiques; Presses Universitaires de France; 1997

  • Séquence didactique de physique 11e année du cycle de la Seymaz; Activité 2 : Modèle moléculaire; J. Bochet & D. Jordan; version 2015

  • L. Viennot; Enseigner la physique; de Broeck; 2002