Comment favoriser la compréhension des élèves du primaire sur les transformations physiques de la matière? Abdeljalil Métioui, Université du Québec à Montréal et Ghislain Samson, Université du Québec à Trois-Rivières Professeurs et chercheurs en didactique des sciences et des technologies

COMMENT FAVORISER LA COMPRÉHENSION DES ÉLÈVES DU PRIMAIRE SUR LES TRANSFORMATION PHYSIQUES DE LA MATIÈRE Abdeljalil Métioui, Université du Québec à Montréal Ghislain Samson, Université du Québec à Trois-Rivières PLAN 1 – Visée du programme de formation de l’école Québécoise et savoirs essentiels : concept de matière (MEQ, 2001) 2 – Objets de la présente recherche 2.1 Analyse conceptuelle : les états de la matière et leurs transformations physiques 2.2 Mise en évidence des conceptions d’élèves 2.3 Construction du questionnaire 2.4 Déroulement de l’expérimentation 2.5 Analyse des données 2.6 Ébranlement des conceptions des élèves : conflit conceptuel 3 – Conclusion

1. VISÉE DU PROGRAMME DE FORMATION DE L’ÉCOLE QUÉBÉCOISE ET SAVOIRS ESSENTIELS : CONCEPT DE MATIÈRE (MEQ, 2001) Engager l'élève à recourir aux modes de raisonnement de la science et de la technologie qui font appel à des démarches de l'esprit telles que : « […] le questionnement, l'observation méthodique, le tâtonnement, la vérification expérimentale, l'étude des besoins et des contraintes, la conception de modèles et la réalisation de prototypes. » (MEQ, 2001, p. 144).

1. VISÉE DU PROGRAMME DE FORMATION DE L’ÉCOLE QUÉBÉCOISE ET SAVOIRS ESSENTIELS : CONCEPT DE MATIÈRE (MEQ, 2001) Propriétés et caractéristiques des solides, des liquides et des gaz2 : (forme, couleur, texture, masse et poids)2 Masse volumique2 : (petits objets légers et lourds, gros objets légers et lourds) Matériaux qui composent un objet3 Transformations physiques2 (casser, broyer, changement d'états) Transformations physiques (cycles de l'eau2, phénomènes naturels3 : érosion, foudre)

2. OBJETS DE LA PRÉSENTE RECHERCHE 2.1 Analyse conceptuelle : transformations physiques de la matière 2.2 Mise en évidence des conceptions d’élèves (3e cycle) 2.3 Construction du question 2.4 Déroulement de l’expérimentation 2.5 Analyse des données 2.6 Ébranlement des conceptions des élèves : conflit conceptuel

2.1 Analyse conceptuelle : les états de la matière

2.1 Analyse conceptuelle : les transformations physiques de la matière

2.2 Mise en évidence des conceptions des élèves

2.3 Construction du questionnaire Quelqu'un a versé de l'eau dans un contenant et l'a pesé; le ballon pèse 200 g. Quand il réchauffe le ballon avec ses mains, le niveau de l'eau monte. Il a alors repesé le ballon et qu'est-ce qu'il a obtenu? Mets une croix dans la case qui correspond à ta réponse :  plus de 200 g  moins de 200 g  200 g Ton explication :

2.3 Construction du questionnaire Avant de prendre une douche, tu as remarqué que la vitre de la salle de bain n'était pas mouillée. Après avoir pris ta douche, à ta grande surprise tu as remarqué que la vitre s'est couverte de buée et que tu peux même dessiner dessus. Explique comment cette buée s'est formée sur la vitre ?   Ton explication :

2.3 Construction du questionnaire Quelqu'un a pesé une boule en cuivre; la boule pèse 400 g. Quand il chauffe cette boule de cuivre, elle devient un peu plus grosse. D'après toi, la boule chauffée repèsera :  plus de 400 g  moins de 200 g  400 g Ton explication :

2.3 Construction du questionnaire D'après toi, les nuages sont constitués :  d'eau liquide  de petits glaçons  d'eau à l'état vapeur  de rien  autre réponse Ton explication :

2.3 Construction du questionnaire Tu mets des glaçons dans un verre. Ensuite tu déposes ton verre au-dessus d'une balance qui t'indique 200 g, comme illustré ci-contre : Une heure après, les glaçons se sont transformés en eau liquide, comme illustré ci-contre : Mets une croix dans la case qui correspond à ta réponse :   La masse de l'eau liquide sera supérieure à 200 g  La masse de l'eau liquide sera égale à 200 g  La masse de l'eau liquide sera inférieure à 200 g Ton explication :

2.3 Construction du questionnaire Quand on met une bouteille d'eau au congélateur, on observe que lorsque l'eau se transforme en glace, le niveau augmente. Comment expliques-tu que la glace occupe maintenant un plus grand volume, comparativement à l'eau du départ ?   Ton explication :

2.4 Déroulement de l’expérimentation  Prise de contact avec une enseignante et passation du questionnaire d’une durée de 30 minutes en mai 2010  Élèves de 6e année (N = 22)

2.5 Analyse des données – Question 1 CATÉGORIE FRÉQUENCE (1) Supérieur à 200 g car le niveau est plus haut, donc il y a plus d'eau. (10/22) – (45 %) « L'eau chaude à monté, donc est plus lourde, car il y a plus d'eau que quand elle était froide. » (e4) « Parce qu'il réchauffe l'eau et quand on réchauffe de l'eau, le niveau monte, donc ça fait plus d'eau. » (e6) « Plus de 200 g parce que quand l'eau monte, il a plus d'eau alors c'est plus pesant. » (e7) « Parce qu’au départ il avait 200 g, puis quand il le réchauffe le niveau de l'eau monte, alors il ne peut pas obtenir moins de 200 g ou 200 g car au début il avait 200 g et l'eau monte, elle ne descend pas. » (e12) « Parce que le niveau d'eau monte à causse de ses mains, alors ça monte. » (e16)

2.5 Analyse des données – Question 1 CATÉGORIE FRÉQUENCE (2) Inférieur à 200 g à cause de la transformation de l'eau en vapeur. (2/22) – (10 %) « C'est comme un thermomètre, l'eau monte à la chaleur. » (e19) « Moins car la température ne fait que transformer l'eau en vapeur. » (e20)

2.5 Analyse des données – Question 1 CATÉGORIE FRÉQUENCE (3) Égal à 200 g car la quantité d'eau n'a pas changée. (10/22) – (45 %) « Parce que l'eau s'est juste déplacée dans tout le contenant. » (e9) « Il pèse la même affaire, mais c'est juste parce que l'eau était froide, alors le niveau d'eau monte quand il la réchauffe. » (e10) Parce qu’il a juste mis de la chaleur. » (e11) « Il y a toujours le même nombre d'eau dans le contenant, c'est-à-dire 200 g. » (e14) « C'est le même niveau d'eau, c'est jusque l'eau est réchauffée, alors elle veut retrouver sa chaleur normale, alors elle est attirée par l'air. » (e15) « Car même si le niveau d'eau monte mais reste dans le ballon, le poids reste le même. » (e17) « Parce que même si on presse le ballon, il a la même quantité d'eau. » (e18) « Le niveau d'eau a monté mais aucune eau n'a été ajoutée, le poids reste donc le même. » (e21)

2.5 Analyse des données – Question 2 CATÉGORIE FRÉQUENCE (1) La vapeur se colle sur la vitre de la salle de bain. (3/22) – (13 %) « Parce que quand on prend une douche, on prend de l'eau chaude, donc la vapeur et l'humidité se promènent dans l'air et se collent dessus la fenêtre. » (e1) « Quand on prend une douche, on la prend souvent chaude mais la vapeur de l'eau chaude va aller coller après toute surface des murs et des miroirs. » (e5) « Quand tu prends une douche, tu prends habituellement de l'eau chaude et ça fait de la vapeur qui vient se placer dans le miroir. » (e6)

2.5 Analyse des données – Question 2 CATÉGORIE FRÉQUENCE (2) L'évaporation de l'eau fait de la buée. (4/22) – (18 %) « Parce que quand on prend une douche chaude, l'eau s'évapore, donc ça fait de la buée. » (e2) « La vapeur de l'eau chaude de la douche. » (e3) « Car l'eau est chaude alors elle produit de la buée. Car quand l'eau est chaude, elle s'évapore et cela crée la buée. » (e17) « La vapeur de l'eau chaude. » (e19)

2.5 Analyse des données – Question 2 CATÉGORIE FRÉQUENCE (3) À cause des différences des températures. (5/22) – (23 %) « La buée se forme car l'eau est plus chaude que la température de la salle de bain. » (e4) « Quant tu prends ta douche, le chaud et le froid fait une jarre de buée. » (e9) « C'est parce que quand tu prends ta douche, il fait une température plus froide et après ta douche, il fait plus chaud (changement de température). » (e12) « Avec de l'eau chaude et froide, la buée se forme comme en hiver en rentrant dans l'autobus, j'ai de la buée sur mes lunettes. » (e13) « Le changement de température dû à l'eau crée une buée dans la vitre. » (e21)

2.5 Analyse des données – Question 2 CATÉGORIE FRÉQUENCE (4) À cause de la chaleur de l'eau chaude. (4/22) – (18 %) « Elle s'est formée dû à la chaleur de l'eau chaude de la douche. » (e15) « Cette buée s'est formée avec la chaleur de l'eau. » (e10) « Cette buée s'est formée parce que l'eau dégage de la chaleur et cette chaleur forme cette buée. » (e11) « La chaleur de l'eau et co2 se transforment en buée. » (e16)

2.5 Analyse des données – Question 2 CATÉGORIE FRÉQUENCE (5) À cause de l'humidité de la chaleur. (4/22) – (18 %) « L'humidité qui sort de la douche se forme en buée sur les vitres, les miroirs , etc. » (e7) « L'eau de ta douche a fait de l'humidité et c'est pour cela que sur la vitre, il y a de la buée. » (e14) « C'est l'eau chaude qui fait de la chaleur qui est emprisonnée dans une pièce, ça fait de l'humidité qui fait de la buée. » (e18) « À cause de l'humidité et la chaleur. » (e20)

2.5 Analyse des données – Question 3 CATÉGORIE FRÉQUENCE (1) La boule chauffée est plus grosse, donc elle repèsera plus de 400 g. (7/22) - (32 %) « Parce qu’elle grossit et pèse plus lourde que 400 g. » (e6) « Plus de 400 g parce que la boule est plus grosse après avoir chauffé! » (e7) « En se faisant chauffer, la boule de cuivre grossira et elle sera plus lourde. » (e8) « Parce que le cuivre a fait grossir la boule; plus on grossit quelque chose, plus il est lourd. » (e11) « Parce qu'elle devient plus grosse et non plus petite, alors elle ne peut pas peser la même chose qu'au départ et elle ne rapetisse pas. » (e12) « Parce qu’elle grossit, alors elle pèse plus. » (e16) « Après avoir chauffé, la boule a presque doublé de taille. Son poids a donc lui aussi doublé. » (e21)

2.5 Analyse des données – Question 3 CATÉGORIE FRÉQUENCE (2) Suite au réchauffement de la boule, une partie du cuivre fondera, donc elle repèsera moins et l'air la fera gonfler. (2/22) – (9 %) « Car quand elle grossit, les parois de la balle deviennent plus minces, ce qui d'après moi la fait être plus légère. » (e17) « Parce que quand on chauffe du cuivre, il va fondre et c'est l'air qui la fait grossir. » (e18)

2.5 Analyse des données – Question 3 CATÉGORIE POURCENTAGE (3) La boule chauffée repèsera 400 g puisque c'est la même boule. (3/22) – (14 %) « C'est toujours la même boule, donc elle pèse le même poids. » (e4) « Le cuivre s'est agrandi sur une surface plus grande, mais c'est toujours la même boule de cuivre, fait qu’à reste la même pesanteur. » (e9) « La boule de cuivre # 2 est aussi lourde car elle a la même quantité de matériaux, c'est juste que la taille est différente. » (e20)

2.5 Analyse des données – Question 3 CATÉGORIE FRÉQUENCE (4) La boule chauffée repèsera 400 g car la chaleur juste gonfler le cuivre. (2/22) – (9 %) « Parce que ma mère m’a déjà dit de pas mettre quelque chose de chaud dessus car le cuivre va s'allonger et je ne sais pas pourquoi! » (e5) « La boule de cuivre ne sera pas plus lourde, elle va juste gonfler dû à la chaleur. » (e15)

2.5 Analyse des données – Question 4 CATÉGORIE FRÉQUENCE (1) Les nuages sont formés d'eau à l'état vapeur à cause de l'évaporation de l'eau (ou l'humidité) sur Terre qui monte et forme les nuages. (10/22) – (45 %) « L'humidité de la nature monte dans le ciel. » (e1) « Parce que quand tu fais chauffer de l'eau, ça fait de la vapeur, donc ça fait un (petit) nuage de vapeur puis ça monte vers le ciel. » (e3) « Les nuages se forment avec l'eau des lacs évaporé. » (e4) « Parce que quand tu fais bouillir de l'eau, la vapeur monte dans les airs et c'est pas mal ça, là. » (e5) « Parce que l'eau se dissout dans l'air et fait des nuages de vapeur. » (e11) « C'est de l'eau des mers, des lac, etc. qui monte dans le ciel. » (e12) « Avec la chaleur, l'eau sur terre va au ciel et forme les nuages. » (e13) « Parce que l'air chauffé devient de la brume. Et l'eau des rivières, fleuve, océan, etc. est aspiré, ce qui fait un nuage. » (e15) « Car les nuages sont formés d'évaporation venant des lacs, rivière, etc. » (e17) « La vapeur est attirée vers le haut. Donc, si on fait chauffer de l'eau dans une bouilloire, la vapeur qui s'en échappe montera au ciel et c'est ça qui va créer un nuage. » (e21)

2.5 Analyse des données – Question 4 CATÉGORIE FRÉQUENCE (2) Puisque la pluie provient des nuages, ces derniers sont formés d'eau à l'état vapeur. (4/22) – (18 %) « Je dis de l'eau à l'état vapeur parce que quand il pleut, il y a de l'eau qui tombe des nuages, mais sinon c'est presque comme de l'air. » (e7) « C'est la vapeur qui rend les nuages gris, alors après il va pleuvoir. » (e16) « La pluie tombe des nuages et les nuages aspirent l'eau en l'évaporant. » (e19) « Sinon, tous nous tomberaient sur la tête et la vapeur, elle flotte dans l'air. » (e20)

2.5 Analyse des données – Question 4 CATÉGORIE FRÉQUENCE (3) Autres conceptions (indéchiffrable, incomplète, etc.). (6/22) – (27 %) « Car dans l'air, en altitude, il fait très froid. » (e2) « Avec le soleil ça crée un nuage. » (e8) « De plusieurs produit chimiques et de caltions qui a sur la terre. » (e9) « Je pense que les nuages sont fait d'eau à l'état vapeur, mais aussi en particulier de gaz. » (e10) « Car les nuages ne sont pas de petits glaçons (solide) ni d'eau (liquide), ils sont fait d'eau à l'état vapeur (gaz). » (e14) « Les nuages contiennent de l'eau parce que la neige tombe, c'est juste de l'eau qui gèle à cause qu'il fait trop froid. » (e18)

2.5 Analyse des données – Question 5 CATÉGORIE FRÉQUENCE (1) La masse de l'eau liquide sera supérieure à 200 g car la glace est plus lourde que l'eau. (3/22) – (14 %) « Un verre d'eau est plus lourd qu'un verre de glaçons. » (e10) « La glace est plus légère que l'eau (la glace contient de l'air). » (e20) « Parce que les glaçons ont fondu et que des glaçons c'est de l'eau glacée. Alors cela fait plus d'eau. » (e6)

2.5 Analyse des données – Question 5 CATÉGORIE FRÉQUENCE (2) La masse de l'eau liquide sera égale à 200 g car c'est les glaçons du départ qui se sont transformés en eau. (10/22) – (45 %) « Les glaçons donnaient 200 g. Même si les glaçons sont fondus, ça ne change rien, ce sont les même glaçons (la même quantité du début). » (e3) « Car même si elle fond, la quantité d'eau sera la même. » (e5) « Elle sera égale à 200 g parce que toute l'eau était dans les glaçons avant, alors ça donne la même masse. » (e7) « Si tu as un gros bol de glace ou un gros bol d'eau, c'est aussi lourd, alors si la glace pesait 200 g, eh bien en eau ça devrait peser autant. » (e8) « C'est la même eau c'est juste que c'est en carré gelé. » (e9) « Car c'est les glaçons du départ et ils ont seulement fondu. » (e12) « Parce que l'eau glacée est égale, la seule différence c'est qu'elle est glacée. » (e15) « Quand les glaçons sont durs, ils pèsent 200 g. Quand ils seront réduits en eau, le poids n'aura pas changé. » (e17) « Parce que les glaçons qui se transforment en eau, c’est toujours la même quantité. » (e18) « Parce que l'eau est aussi pesante que la glace. » (e19)

2.5 Analyse des données – Question 5 CATÉGORIE FRÉQUENCE (3) Un solide est plus pesant qu'un liquide, donc la masse de l'eau liquide sera inférieure. (6/22) – (27 %) « La glace est toute en gros morceaux pesants. » (e1) « Les glaçons, quand on en tient un, sont plus lourds que l'eau, on le sent alors que l'eau, si on tient une goutte, on ne sent rien. » (e2) « Le liquide est plus léger que ce qui est solide. » (e4) « Car la glace c'est solide (plus grosse masse) et l'eau c'est liquide (moins grosse masse). » (e14) « L'eau est moins pesante que les glaçons, parce que les glaçons sont plus durs et congelés. » (e16) « La masse de quelque chose solide sera supérieure à la même quantité de liquide. » (e21)

2.5 Analyse des données – Question 6 CATÉGORIE FRÉQUENCE (1) La glace prend plus de place que le liquide. (7/22) – (32 %) « Parce que la glace prend plus de place que l'eau qui n'est pas encore congelée. » (e3) « La glace est solide et l'eau liquide, donc ce qui est solide prend plus de place que le liquide. » (e4) « La glace a besoin de plus de place pour congeler. » (e12) « Car la glace, c'est du solide alors cela occupe un plus grand volume (comparativement à du liquide). » (e14) « Lorsqu'il y a un peu de glace, l'eau s'élève et lorsqu'elle se transforme en glace, elle est plus haute. » (e19) « D'abord, la bouteille aurait éclaté mais l'eau, elle est... je sais que l'eau prend de l'expansion quand elle durcit, mais je suis incapable d’en dire plus. » (e20) « La glace est une matière solide et le solide prend plus de place que le liquide. » (e21)

2.5 Analyse des données – Question 6 CATÉGORIE FRÉQUENCE (2) À cause de l'oxygène. (2/22) – (9 %) « Car cela gèle l'oxygène à l'intérieur. » (e17) « Dans l'eau il a de l'oxygène qui gèle et qui se transforme en glace. » (e18)

2.5 Analyse des données – Question 6 CATÉGORIE FRÉQUENCE (3) À cause de l'air. (2/22) – (9 %) « C'est à cause de l'air qu’il y a dans la bouteille et celle de l'eau, alors quand ça gèle, bien l'air prend de la place et fait grossir la glace. » (e5) « Pour avoir de la glace, il faut de l'air et de l'eau. L'eau qui gèle absorbe l'air et la fraîcheur du congélateur la gèle, l'eau aspire de plus en plus et la bouteille devient plus petite. » (e15)

2.5 Analyse des données – Question 6 CATÉGORIE FRÉQUENCE (4) Explication incomplète . (4/22) – (18 %) « Parce que l'eau, c'est glacé et que si on la laisserait plus longtemps, elle sera devenue tout en glace. » (e6) « Parce que la glace est plus dure, plus grosse et elle contient toute l'eau. » (e7) « Quand on met de l'eau dans une bouteille, il n'y a pas de pression mais avant que l'eau devienne de la glace, la pression se forme et quand l'eau se transforme, elle prend la place que la pression a agrandi. » (e8) « L'eau gèle et elle reste en place, elle ne peut pas se mettre comme car elle reste en place. » (e11)

2.5 Ébranlement des conceptions des élèves : conflit conceptuel

3 - CONCLUSION  Les conceptions des élèves à l’égard de la matière et ses transformations mises en évidence dans cette recherche nécessiteraient qu’on s’y attarde plus profondément afin de mieux comprendre leur fondement.  La connaissance de cette structure est indispensable pour développer des stratégies d’enseignement favorisant leur évolution.  Les modèles scientifiques doivent être négociés avec les élèves afin qu’ils puissent se les approprier : pour cela, ces modèles doivent être intelligibles à leurs yeux.

SIMULATION DE LA VAPEUR DE LA DOUCHE

Changement d’états