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Problématique commune :
Le travail en laboratoire vise à faire évoluer les modèles naïfs des élèves vers le modèle à institutionnaliser. Comment une simulation informatique peut permettre aux élèves de tirer les bénéfices pédagogiques d'un travail de laboratoire pour une partie du cours dans laquelle il n'y pas d'expérimentation possible ?
Trois conjectures :
1) Bien guidés par l'enseignant, les élèves vont pouvoir repérer et confronter leur modèle naïf au modèle accepté scientifiquement par le biais de l'artefact. Ces allers-retours devraient permettre aux élèves de vérifier leur modèle naïf ou de le remettre en cause.
2) Les activités bien guidées avec la simulation permettent aux élèves de faire évoluer leur modèle vers celui qu'on cherche à institutionnaliser.
3) Les exercices de l'artefact de simulation permettent aux élèves de faire plus d'essais avec une réponse immédiate et font ainsi évoluer plus facilement leur modèle.
CHIMIE :
Objectifs :
1. Que les élèvent soient capables d'équilibrer des équations chimiques
2. Que les élèves comprennent que lors d'une réaction chimique les atomes, et donc la masse, sont conservés (loi de Lavoisier)
Artefact(s) :
PheT : Balancing Chemical Equations
Scénario :
Distribuer aux élèves une brève introduction théorique sur la réaction chimique à lire : définition réaction chimique, représentation symbolique de la réaction chimique par une équation chimique et loi de Lavoisier (uniquement « Rien ne se perd, rien ne se crée tout se transforme » sans spécifier qu'il s'agit de la loi de conservation de la masse). (A faire en devoir)
Entrée en classe et mise en place. (5 min)
Distribuer le questionnaire 1 demandant aux élèves d'expliquer comment, pour l'instant, ils comprennent la loi de Lavoisier. Leur demander de l'appliquer à 3 équations chimiques. Relever le questionnaire. (10 min)
Expliquer l'activité et comment accéder à l'artefact. (5 min)
Les élèves utilisent l'artefact partie introduction et tentent de comprendre par eux-mêmes comment équilibrer les 3 équations chimiques et ce que cela veut dire du point de vue atomique. Leur indiquer qu'ils doivent utiliser les deux aides, balance et histogramme. En parallèle ils peuvent s’entraîner dans la partie jeu niveau 1 de l'artefact et éventuellement revenir à la partie introduction pour revoir les aides. Pendant l'activité l'enseignant passe dans les rangs et notent les différentes remarques des élèves. (25 min)
Distribuer le questionnaire 2 demandant aux élèves d'expliquer, après avoir utilisé l'artefact, la loi de Lavoisier (comment ils comprennent la loi de Lavoisier au travers de l'aide balance et au travers de l'aide histogramme). Leur demander de l'appliquer à 3 équations chimiques. Relever le questionnaire. (10 min)
Les élèves s’entraînent à équilibrer des équations chimiques dans la partie jeu niveau 1, 2 et 3 de l'artefact. Les élèves commencent par le niveau 1: ils doivent obtenir au minimum 4 étoiles avant de passer au niveau suivant. Les élèves notent sur le document étoiles le nombre d'essais qu'ils ont fait pour atteindre les 4 étoiles (ou plus) ainsi que le nombre d'étoiles obtenu à chaque essai. Les élèves appellent l'enseignant pour vérification avant de passer au niveau suivant. Relever le document étoiles. (25 min)
Distribuer le questionnaire 3 demandant aux élèves de reformuler la loi de Lavoisier avec leurs propres mots, de renommer la loi et d'équilibrer 3 équations chimiques. Relever le questionnaire. (10 min)
Institutionnalisation. (cours suivant)
Effets attendus :
Élèves déstabilisés avec le premier questionnaire, ils auront probablement de la peine à comprendre et à répondre aux questions. Leur redonner un deuxième questionnaire avec des questions semblables au premier permettra de voir l'évolution de leur modèle.
La partie simulation avec peu de paramètres que l'élève peut modifier va empêcher les élèves de faire les erreurs habituelles constatées lors d’exercices papier traditionnels (modifier les molécules présentes ou ajouter des molécules / atomes).
Faire découvrir une nouvelle notion et un nouveau savoir-faire avec un artefact informatique comme outil didactique va aider les élèves à comprendre le principe de Lavoisier et l'équilibrage des équations chimiques.
Moyens d'observation :
Questionnaire 1
Questionnaire 2
Document étoiles (nombre d'essais et nombre d'étoiles obtenu à chaque essai: partie jeu niveau 1, 2, 3)
Questionnaire 3
Résultats :
1. questionnaires sur papier : équations à équilibrer
1a. Nous avons tout d'abord regardé les équations correctement équilibrées par questionnaire. Nous n'avons pas fait de distinction entre une équation partiellement équilibrée (certains éléments correctement équilibrés et d'autres non) et une équation totalement incorrecte : dans les deux cas, nous avons considéré la réponse de l'élève comme fausse.
Nous constatons une augmentation du taux de réussite malgré le niveau de difficulté croissant.
1b. Nous avons répété une équation du questionnaire 1 dans le questionnaire 2 afin d'obtenir une trace supplémentaire de l'apport de l'artefact :
N2 + H2 ---> NH3
Nous constatons une nette augmentation du taux de réussite lors de la deuxième tentative.
Nous avons répété une autre équation du questionnaire 2 dans le questionnaire 3 :
CS2 + O2 ---> CO2 + SO2
Nous constatons là encore une augmentation du taux de réussite lors de la deuxième tentative.
1c. Nous avons également relevé l'évolution de ce que nous avons appelé les "erreurs grossières" (modification, ajout ou suppression des molécules par les élèves dans l'équation) au fil des questionnaires :
2. partie jeu de l'artefact (résultat maximum : 5 étoiles)
À la fin de l'activité (2x45 minutes) tous les élèves ont obtenu au moins 4 étoiles aux niveaux 1 et 2 de la partie jeu de l'artefact.
83 % des élèves ayant essayé le niveau 3 ont obtenu au moins 4 étoiles.
3. reformulation de la loi de Lavoisier
Les résultats des questionnaires 1 et 2 nous montrent qu'aucun élève n'est arrivé à interpréter correctement la loi de Lavoisier.
Avec des termes imposés (atome et masse) dans le questionnaire 3, certains élèves sont parvenus à reformuler cette loi correctement, certains l'ont reformulé de manière peu claires ou incomplète et la plupart a répondu de manière totalement erronée.
Analyse:
1. questionnaires sur papier : équations à équilibrer
Le parti pris de distribuer trois questionnaires aux élèves, immédiatement relevés, avec utilisation de l'artefact entre chaque questionnaire nous a offert des traces permettant d'établir des liens directs avec les conjectures que nous avions posées. Nous avons observé une nette augmentation du taux de réussite face aux équations à équilibrer dans chacun de ces questionnaires, alors que le niveau de difficulté était croissant. Ce constat nous mène à penser que les aller-retours effectués par les élèves entre l'artefact et les exercices papiers leur ont permis de vérifier ou de remettre en cause leur modèle naïf (cf. conjecture 1), souvent erroné, et à le faire évoluer dans la bonne voie (cf. conjecture 2). Aussi, le résultat final du questionnaire 3, avec un taux de réussite de 79 %, nous pousse à croire que les nombreux exercices réalisés grâce à l'artefact entre les questionnaires 2 et 3, avec réponse immédiate (drill), les a aidés à le faire évoluer rapidement tel que nous l'avions formulé dans notre 3ème conjecture. Il est cependant difficile d'énoncer avec certitude que l'évolution a été plus rapide que sans artefact, étant donné que nous n'avons pas de référence pour les mêmes élèves. Cela dit, notre expérience nous a souvent montré par le passé qu'il fallait plus de temps aux élèves pour parvenir à faire évoluer leur modèle naïf, nous en sommes donc satisfaits.
La répétition de deux équations à équilibrer (une entre les questionnaires 1 et 2, l'autre entre les questionnaires 2 et 3) nous offre une trace supplémentaire non négligeable de l'évolution du modèle des élèves (cf. conjecture 2) suite à l'utilisation bien guidée de la simulation, avec l'outil balance proposé par le cyberprof. En effet, les mêmes équations équilibrées sur papier avant et après l'utilisation de l'artefact ont abouti à des résultat dont le taux de réussite a augmenté d'environ 50% à chaque fois.
En outre, nous avons accordé une attention toute particulière aux erreurs que nous avons appelées "grossière". Ce ne sont pas des erreurs dues à l'utilisation de mauvais coefficients stœchiométriques, à un mauvais équilibrage, mais des erreurs de notation qu'il est interdit de faire en chimie, par exemple modifier les formules brutes présentes dans l'équation ou ajouter/supprimer de nouveaux termes à celle-ci. Les élèves ont la possibilité de les faire sur papier, mais le cyberprof, par l'intermédiaire de l'artefact, ne permet pas aux élèves de les faire. Nous avons ainsi pu constater que ce taux d'erreurs inacceptables a chuté drastiquement. Il s'élevait à 50 % avant l'utilisation de l'artefact, il n'était déjà plus que de 11 % près la première partie d'introduction avec l'artefact et, finalement, de 4% en fin de leçon. De toute évidence, dans ce cas précis, l'artefact a une nouvelle fois permis aux élèves de vérifier ou de remettre en cause leur modèle naïf et de le faire évoluer vers le modèle à institutionnaliser (cf. conjecture 1 et 2).
2. partie jeu de l'artefact (résultat maximum : 5 étoiles)
La première utilisation de l'artefact consistait en une prise en main, permettant surtout aux élèves de visualiser les atomes mis en jeu dans une réaction chimique et leur représentation au niveau symbolique à travers l'équation chimique. Cette première utilisation leur a clairement déjà permis de faire évoluer leur modèle, car, comme déjà décrit ci-dessus, le taux de réussite entre les questionnaires 1 et 2 a largement augmenté.
La deuxième utilisation de l'artefact, d'une durée plus longue que la première, consistait en un jeu où le but était d'obtenir le plus d'étoiles possibles, chaque erreur faisant perdre une demi-étoile sur un total de 5 équations à équilibrer. Avec 3 niveaux de difficultés, nous attendions de la part des élèves qu'ils parviennent à un minimum de 4 étoiles avant de passer au niveau suivant. Ce jeu de l'artefact permet aux élèves d'essayer de résoudre beaucoup d'équations en peu de temps. Il présente un petit côté ludique car l'exercice se fait sur ordinateur et consiste en une sorte de chasse aux étoiles. Il a surtout l'avantage d'offrir une réponse immédiate aux élèves et d'avoir plusieurs niveaux de difficulté. Les élèves ont ainsi pu faire beaucoup d'exercices et cette répétition avec correction immédiate leur a visiblement permis de faire évoluer rapidement leur modèle initial. Les 79 % de réussite au questionnaire 3 en attestent. Cependant, la fiche "étoiles" annexe que nous leur avions distribuée ne semble pas avoir été réellement utile. Toujours est-il que plus de la moitié des élèves a eu le temps d'essayer le niveau de difficulté le plus élevé et que 83 % d'entre eux ont obtenu 4 étoiles ou plus à ce dernier niveau.
3. Bénéfices de l'artefact comparés à un laboratoire
Dans cette partie du cours de chimie de 1ère année, il n'y a pas d'expérimentation possible. L'artefact choisi n'a bien entendu pas permis de développer les gestes techniques inhérents à un travail pratique. Un artefact ne peut pas remplacer ces gestes techniques. Par contre, tout comme un travail pratique de laboratoire et de par son inscription dans le cours, l'artefact a permis aux élèves d'apprendre de nouveaux savoirs. Dans notre cas, il a permis aux élèves d'apprendre à équilibrer des équations chimiques. Cependant, à notre avis, l'artefact ne leur a pas ou peu permis de comprendre le fonctionnement de la science pour ce domaine. En effet, il n'y a eu que trop peu d'élèves capables de reformuler correctement et de manière claire la loi de Lavoisier qui était, lors de cette séquence d'apprentissage, illustrée par l'équilibrage des équations chimiques.
4. Effets attendus, effets observés
Nous nous attendions à ce que les élèves soient déstabilisés avec le premier questionnaire, notamment qu'ils rencontrent des difficultés à équilibrer les équations chimiques, au point même de ne pas savoir du tout quoi faire n'ayant jamais réalisé d'activité semblable par le passé. L'analyse du premier questionnaire rendu par les élèves nous permet effectivement de constater que certains d'entre eux ont laissé les équations vides. Nous avons relevé les commentaires des élèves et certains d'entre eux nous ont indiquer ne pas comprendre ce qui leur était demandé, ce qu'ils devaient faire. Dans l'ensemble, plus de 50% des équations que nous avons corrigées étaient mal ou pas équilibrées. Nous avions décidé de répéter une de ces équations dans le deuxième questionnaire et le taux d'équilibrage correctement effectué est passé de 46 % à 75 %.
Nous nous attendions à ce qu'un nombre important d'élèves commette les erreurs traditionnelles observées les années précédentes lors de la première tentative sur papier, par exemple modifier les formules brutes présentes dans l'équation ou ajouter de nouveaux termes à celle-ci. L'artefact ne permettant pas ce genre d'erreur, celles-ci étaient censées diminuer lors du deuxième questionnaire sur papier. Nous avons effectivement observé que 50 % des élèves ont commis ce type d'erreur lors du premier questionnaire contre respectivement 11 % et 4 % lors des questionnaires 2 et 3. L'effet attendu a ainsi été pleinement constaté.
Le dernier effet que nous nous attendions à observer était en corrélation avec les deux premiers. Nous nous attendions simplement à ce que l'artefact permette aux élèves de comprendre le principe de l'équilibrage des équations chimiques et la loi de Lavoisier. L'artefact a effectivement permis aux élèves d'acquérir un nouveau savoir-faire. La nette progression du taux de réussite entre les questionnaires 1 et 3 en atteste. Cependant, l'artefact n'a pas aidé la majorité des élèves à comprendre le principe qui se cache derrière la loi de Lavoisier. Nous espérions qu'équilibrer des équations à l'aide d'un modèle très visuel (atomes représentés par des boules, modèle de Dalton) leur permettrait de comprendre qu'il s'agit bien ici du phénomène de conservation de la matière. Nous pensons que nous n'avons pas assez bien explicité cet objectif de la leçon en début d'activité. Notre hypothèse est que la plupart des élèves a réalisé l'activité avec l'artefact en se focalisant uniquement sur l'équilibrage des équations, sans faire le lien avec ladite loi.
Conclusion :
Le choix de notre artefact pour introduire l'équilibrage des équations chimiques nous semble être judicieux. À ce moment de l'année, nous arrivons à un stade du plan d'étude où les notions théoriques ne peuvent pas être illustrées par un travail de laboratoire. L'artefact adopté nous a aidé à palier à ce manque. Il est vrai qu'un travail de laboratoire amène à développer des gestes techniques et que, dans ce cas, un artefact ne le permet pas. En revanche, grâce à lui, les élèves ont pu acquérir un nouveau savoir scientifique : équilibrer des équations chimiques. L'artefact choisi a ainsi aidé à faire évoluer le modèle naïf des élèves vers le modèle à institutionnaliser tel qu'aurait pu le faire un travail de laboratoire avec des résultats directement observables.
Le cyberprof est très présent dans cet artefact et propose des aides visuelles (modèle boule, outil balance, outil histogramme). Après l'avoir présenté aux élèves et les avoir correctement guidés lors de la partie d'introduction, ces derniers avancent en quasi-autonomie dans la partie jeu de l'activité avec très peu d'intervention du bioprof. Ce déroulement de la séquence a mené les élèves à faire évoluer leur modèle comme en attestent les résultats observés dans les différents questionnaires. De plus, cette évolution a été renforcée par la mise en place d'allers-retours entre le travail à l'aide de l'artefact et le travail sur papier. Nos trois questionnaires - un en début de leçon, un intermédiaire et un en fin de leçon - nous permettent de quantifier cette évolution.
Finalement, cet artefact présente l'avantage d'offrir beaucoup d'exercices. Ceux-ci sont variés et il est très rapide et facile de recommencer une nouvelle série. La réponse de l'élève est aussitôt validée ou infirmée par le cyberprof qui propose en outre une illustration de l'erreur ou de la réponse correcte en cas de double échec à l'aide de l'outil balance. Nous pensons que ces exercices de drill favorisent une évolution plus rapide du modèle des élèves, bien que nos résultats et l'absence de point de comparaison formel ne nous permettent pas de le démontrer clairement.
Pendant l'activité nous avons constaté que la majorité des élèves s'aidaient beaucoup de la représentation des molécules à l'aide du modèle de Dalton (modèle boule). La plupart des élèves comptent les atomes de chaque élément à l'écran, ce qui peut leur poser un problème lors du passage aux équations sur papier où la représentation n'est plus présente. Il nous semble donc judicieux de modifier légèrement la séquence lorsque les élèves font la partie jeu de l'artefact : on pourrait dans un premier temps demander aux élèves d'obtenir 4 étoiles ou plus avec l'aide de la représentation de Dalton, puis dans un deuxième temps de leur demander de refaire le niveau mais cette fois-ci en la masquant.
Nous pensons également que le document "trace étoiles" n'était pas d'une grande utilité pour nous. Il nous parait plus simple de demander aux élèves de nous appeler pour vérification lorsqu'ils ont obtenu les 4 étoiles et de valider nous-même leur passage au niveau suivant. L'artefact garde de toute manière une trace du résultat des élèves, trace que nous pouvons simplement relever en fin d'activité.
Les résultats aux questions sur la compréhension et la reformulation de la loi de Lavoisier nous ont montré que les élèves avaient beaucoup de peine à comprendre qu'il s'agit d'un principe de conservation de la matière et que toutes ces équations l'illustrent. Comme mentionné dans l'analyse, nous n'avons peut-être pas assez bien explicité cet objectif en début de leçon. Il se peut aussi que la question était trop ouverte et pas assez guidée. Nous pourrions la modifier, par exemple en proposant une phrase avec des trous à compléter. Il en va de même lorsqu'il s'agit de renommer la loi de Lavoisier : nous pourrions proposer plusieurs solutions aux élèves qui devraient choisir celle qui leur semble la plus correcte en leur demandant de justifier leur choix.
PHYSIQUE :
Objectifs disciplinaires:
A la fin de la séance les élèves doivent:
1. Se faire une représentation spatiale du champ électrostatique en tant qu'un champ vectoriel
2. Etre capables de dessiner la direction et le sens du champ électrostatique: toujours de la charge positive à la négative
3. Reconnaître que l'amplitude du champ électrostatique est plus élevée aux alentours des charges sources et diminue non linéairement avec la distance
4. Avoir fait évoluer quelques préconceptions connues:
Préconception 1: les lignes de champ électrostatique se croisent
Préconception 2: Il existe un endroit entre une charge positive et une charge négative où la valeur du champ est 0 N/C
Artefact:
Simulation capable de mesurer directement le champ électrostatique produit par une distribution de charges électriques
PHET simulation/charges-and-fields
Scénario
Semaine d'avant: Distribuer aux élèves la documentation du chapitre Electrostatique et introduire, de façon théorique, les notions de charge électrique, loi de Coulomb, champ électrostatique en tant que champ vectoriel et le modèle des lignes de champ; les élèves font des exercices et reçoivent des devoirs.
Le jour de la séance, H1: entrée en classe dans la classe habituelle. Expliquer le but de la séance, et ce qui est attendu de leur part: faire des prédictions sur différentes situations et les vérifier après avec la simulation (5 min).
Distribuer les questionnaires, qui servent de traces, et expliquer le déroulement: ils ont une situation par page et doivent remplir d'abord la partie supérieure, correspondant à la prédiction. Chaque situation consiste en une capture d'écran de la simulation, où on a placé des charges, qui produisent un champ électrostatique, et des capteurs, capables de mesurer ce champ (15 min)
Changement de salle, vers la salle informatique (5 min)
Expliquer le fonctionnement de la simulation et la façon de remplir le questionnaire: il faut conserver les prédictions et annoter les résultats en bas de la page, dans la partie observation et discussion. (10 min)
La passation de la simulation MITIC, consiste en placer des charges sur un plan, et mesurer le champ électrique dans des endroits spécifiques à l'aide des capteurs. Les élèves parcourent les différentes situations et remplissent la partie observation et discussion avec les mesures obtenues et les appréciations faites. Les situations proposées évoluent de la plus simple (une seule charge) à la plus compliquée (représentation d'une ligne équipotentielle autour d'une charge). (40 min)
Institutionnalisation: Mettre en commun les résultats (10 min)
Effets attendus :
Élèves vont être déstabilisés avec les questions de prédiction. Ils vont, peut être, répondre au hasard ou ne pas répondre
Les élèves vont jouer avec la simulation, créer des situations plus compliquées, mais visuellement plus jolies et se dévier du déroulement de l'activité
Déroulement de la passation
Les activités ont lieu au PO, dans deux classes de physique DF de la 3ème du collège, deux jours différents. D'un total de 29 élèves, seulement 16 questionnaires ont été récoltés. Ceci est dû à quelques absences et au fait que quelques élèves ont rempli un questionnaire ensemble, malgré la consigne de un questionnaire par personne. Parmi les 16 questionnaires, seulement 13 questionnaires étaient dignes d'analyse, le reste n'étant pas correctement rempli (prédiction et observation confondues dans la même réponse).
Les élèves sont disciplinés, mais ils n'ont pas pris l'activité très au sérieux.
Le questionnaire consiste en 8 situations, avec 2 items, au maximum, pour la prédiction et les mêmes items pour l'observation. Ce qui fait 4 items au maximum per situation, et un total de 28 items: 14 items pour la prédiction et 14 items après la passation.
Les élèves ont eu de la peine à débouter le questionnaire avec la prédiction, car ils ne comprenaient pas très bien les énoncés.
C'est la troisième séance sur l'électromagnétisme. La semaine précédente, les concepts de force électrostatique et de champ électrostatique (perturbation faite par une charge électrique dans son environnement) ont été introduits de façon théorique:
Au bout de 10 minutes sans avancer, j'ai dû les aider à démarrer avec la première situation.
Le temps pour la prédiction a dépassé le temps prévu, de 15 minutes.
L'utilisation de la simulation a eu lieu en salle informatique et quelques élèves n'ont pas eu le temps de compléter le questionnaire. Les élèves ont imprimé aussi leurs captures d'écran afin de garder des traces pour leurs études. Les questionnaires remplis sont les traces à analyser pour cette étude.
Cette simulation étant très libre, les élèves risquent de se disperser, de jouer et créer des distributions de charges compliqués qui sortent du cadre. Elle doit être très cadrée et guidée avec un protocole à suivre de façon stricte.
Néanmoins, il ne doit pas avoir trop des questions, afin de laisser les élèves, la liberté de jouer et de créer des situations par eux mêmes à la fin de la séance.
Analyse des résultats selon les conjectures
Conjecture 1: Bien guidés par l'enseignant, les élèves vont pouvoir repérer et confronter leur modèle naïf au modèle réel par le biais de l'artefact. Ces allers-retours devraient permettre aux élèves de vérifier leur modèle naïf ou de le remettre en cause
Conjecture 1: Bien guidés par l'enseignant, les élèves vont pouvoir repérer et confronter leur modèle naïf au modèle réel par le biais de l'artefact. Ces allers-retours devraient permettre aux élèves de vérifier leur modèle naïf ou de le remettre en cause
À vue de la première conjecture "les élèves repèrent leur modèle naïf", elle se vérifie dans quelques situations et items.
Dans la première situation, il s'agit d'estimer la direction (et le sens) ainsi que l'intensité du champ électrique crée par une charge positive aux quatre endroits de son entourage.
Lors de la simulation on reproduira cette situation, en plaçant une charge positive dans la grille (pour le repérage de la distance) et en plaçant le capteur aux quatre endroits indiqués
Prédiction de la situation 1 telle que présentée sur le questionnaire
Reproduction de la situation avec la simulation PHET
1. Trace d'une élève: AVANT la simulation
Raisonnement : "plus les ronds blancs sont proches, plus le champ magnétique est petit (-1 .... -5).
Cet exemple montre très bien le modèle naïf qui explique le mieux la représentation initiale de l'élève; d'abord elle confond champ magnétique avec champ électrostatique, ensuite elle soulève plutôt les distances ou peut-être les forces, entre la source du champ électrique et les objets affectés par cette présence d'une charge.
APRÈS la simulation:
Raisonnement: "Plus les points blancs sont près, plus la flèche est grande".
Si bien le concept de champ électrostatique ne semble pas très clair, son effet sur les capteurs a été bien repéré. En effet, plus on est proche de la charge source, plus l'intensité de champ électrostatique est élevée. Cette intensité diminue avec l'inverse du carré de la distance, comme on peut apprécier dans la trace ci-dessus.
2. Trace du repérage d'un modèle qui s'ajuste le mieux à la représentation initiale de l'élève sur le sujet:
"(Quand c'est trop près il va vers l'intérieur). Plus le point est près du milieu, plus il met de l'intensité à s'éloigner."
La logique de la représentation initiale de l'élève est difficile à interpréter: il semble faire une confusion entre la force expérimentée par le capteur et la trajectoire suivie par ce même dû à l'action de la charge source (au centre) sur lui
Cet élève a pu confronter son modèle naïf (ci-dessus) avec le modèle qui s'ajuste le mieux à la "réalité" (i.e. le modèle à institutionnaliser, qui est imposé par la simulation) (ci-dessous), mais sans essayer de l'interpréter ou expliquer davantage
Conjecture 2: Les activités bien guidées avec la simulation permettent aux élèves de faire évoluer leur modèle vers celui que l'on cherche à institutionnaliser.
Conjecture 2: Les activités bien guidées avec la simulation permettent aux élèves de faire évoluer leur modèle vers celui que l'on cherche à institutionnaliser.
1. Trace de l'évolution d'un modèle naïf vers un modèle qu'on cherche à institutionnaliser:
"Les champs se repoussent. Ce qui est représenté dans la prédiction est seulement la force"
Dans son raisonnement, l'élève s'aperçoit qu'il a mélangé la force entre deux charges avec le champ électrostatique entre elles. La représentation du modèle s'approche plus du modèle que l'on veut institutionnaliser.
Dans la première phrase "les champs se repoussent", on peut constater, que l'élève n'a pas, néanmoins, encore compris le concept de champ électrostatique. Pour y remédier, il faudra tracer les parallélismes entre champ électrique et champ magnétique lors qu'on étudie ce dernier. Une visualisation des lignes de champ magnétique est facile à faire à l'aide d'une expérience avec un aimant et des limaces de fer ou des petits boussoles qui subissent l'effet du champ magnétique produit par l'aimant.
Conjecture 3: Les exercices de l'artefact de simulation permettent aux élèves de faire plus d'essais avec une réponse immédiate et font ainsi évoluer plus facilement leur modèle
Conjecture 3: Les exercices de l'artefact de simulation permettent aux élèves de faire plus d'essais avec une réponse immédiate et font ainsi évoluer plus facilement leur modèle
1. Trace attestant l'évolution du modèle d'un élève au fur et à mesure qu'il utilise l'artefact.
Dans sa première prédiction l'élève a bien représenté la direction et le sens du champ électrostatique créé par une charge source de 1nC. Néanmoins il n'a pas bien représenté l'intensité de ce champ, car le module du vecteur (longueur de la flèche) n'est pas correct:
"champ concentré vers le centre"
Dans son premier exercice avec la simulation, l'élève repère que l'intensité du champ E est différente selon la distance à la charge source, et a exprimé les valeurs de façon quantitative (en V/M) mais pas de façon qualitative (toutes les flèches ont la même longueur)
"ils ont le même sens et la même direction que la prédiction"
Dans son deuxième exercice il repère que la charge source est le double (2nC) et il dessine des flèches plus longues par rapport à l'exercice précédent. Il note également les valeurs mesurées par les capteurs, en V/m, mais il n'exprime pas ces valeurs par la longueur des flèches.
C'est finalement au but du troisième exercice que l'élève a bien intégré la représentation du modèle et il exprime les valeurs correctement par la longueur des flèches
Analyse quantitative
Pour une analyse quantitative, le tableur calc de libre office a été utilisé comme logiciel.
Chaque réponse a été évaluée et quantifiée de la façon suivante:
réponse incorrecte: 0
réponse correcte: 1
pas de réponse: NA, ce qui comptabilise comme 0
Nous pouvons comparer le numéro de réponses correctes par item avant et après la passation de MITIC et représenter ces valeurs dans un graphique de barres horizontal:
Les premiers items (1a, 1b, etc.) sont en bas du graphique et les derniers (7a, 8) sont en haut.
On constate, que les réponses correctes sont plus nombreuses après la passation MITIC pour tous les items.
En effet, dans la prédiction 71 réponses de 182 sont correctes:
Après la passation 150 réponses sont correctes:
Cela rend une amélioration du taux de réussite: de 39 % à 82 % de réponses correctes après la passation MITIC:
Limites de l'usage de l'artefact
La simulation introduit des "misconceptions" ou des idées fausses aussi:
Exemple de lignes de champ électrostatique créées par un dipôle de charges, telles qu'on peut trouver dans la littérature (source: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:VFPt_dipole_electric_manylines.svg)
Exemple d'une représentation des lignes de champ électrostatique créée par un dipôle de charges, selon PHET.
Dû à la conception de la simulation (un seul vecteur champ électrique par carré, et fixé à son centre), elle n'est pas capable de représenter une propriété importante du champ électrostatique:
"La densité des lignes de champ (nombre de lignes traversant une surface unitaire normale au vecteur E en chacun de ses points) est proportionnelle à l'intensité du champ".
Conclusion
Cette simulation sur les champs électrostatiques a été choisie pour une partie du programme d'études dont on ne dispose pas de beaucoup d'expériences de laboratoire. Par conséquence, le domaine est traité d'une façon assez théorique. Classiquement, les élèves auraient fait des exercices avec des vecteurs, et des outils mathématiques ou simplement observé la géométrie de lignes de champ électrostatique sur papier.
Très souvent, les élèves ne comprennent pas les concepts ni la différence entre force électrostatique et champ électrostatique.
Une simulation, comme celle qui a été illustrée, les aide d'abord à repérer sa représentation, son modèle naïf, qui essaie d'expliquer une situation (conjecture 1), et la confronter au modèle accepté scientifiquement. C'est au bout de plusieurs essais et d'exercices, où ils vont encore revenir à son ancien modèle naïf (conjecture 3), et essayer de l'utiliser pour expliquer la réalité, qu'ils vont aboutir à faire évoluer finalement son modèle au modèle qu'on cherche à institutionnaliser (conjecture 2).
Le taux de réussite du questionnaire augmente clairement, de 39% à 82% de réponses correctes avant et après la passation respectivement.
Enfin, les objectifs placés pour la séance de simulation sont atteints. Du point de vue de la taxonomie de Bloom, et après l'examen de traces, on pourrait dire que les élèves:
sont capables d'identifier, reconnaître des lignes de champ électrique (savoir)
prédire l'effet de une distribution simple de charges électriques (appliquer)
Par contre, ils ne sont pas capables de:
décrire, expliquer avec leurs propres mots, ce que les lignes de champ ou simplement le champ électrostatique représentent (compréhension)
inférer la relation entre les éléments pour arriver à interpréter une situation plus complexe (analyse)
Ce résultat n'est pas étonnant et il est similaire aux fruits d'un laboratoire physique dans le sens cognitif: les élèves nécessitent de séances d'institutionnalisation afin de bien intégrer et comprendre les grandeurs physiques manipulés.
Perspectives
Amélioration: préciser les questions; davantage quantitatives
Insister encore plus avec des questions sur le champ électrostatique, sans introduire des question sur le potentiel électrostatique (item 7 et 8), notion aussi très complexe, qui mériterait aussi à elle seule une séance complète de simulation.
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