Le registre des modèles (atome, molécule, ion, liaison chimique) dans l’enseignement de la matière et ses transformations  : du savoir de référence au savoir appris. Aytekin ÇÖKELEZ (Aytekin.Cokelez@USherbrooke.fr) CREAS (Centre de recherche sur l'enseignement et l'apprentissage des sciences ) Université Sherbrooke, Québec, CANADA

Système scholaire français CEGEP 2ème cycle du secondaire 1re cycle du secondaire

Plan Objectifs de la recherche; Élaboration des questions et hypothèses de recherche; Les principaux résultats relatifs à l’appropriation des modèles (atome molécule, liaison chimique); Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique; Conclusions.

1- Présentation de la recherche Un constat : Les élèves rencontrent des difficultés dans l’interprétation des transformations de la matière. Une hypothèse : Ces difficultés ont pour origine la non maîtrise du registre des modèles. Deux objectifs : analyser - le savoir relatif a ce registre assimilé par les élèves du lycée; - l’utilisation de ce registre pour interpréter les transformations de la matière.

Présentation de la recherche Un fil directeur : La transposition didactique Etude historique Savoir de référence Instructions officielles et manuels Savoir à enseigner Supposé identique pour tous Savoir enseigné Questionnaire d’enquête Savoir appris

2- Élaboration des questions et hypothèses de recherche Les modèles en chimie : Leur spécificité : essentiellement explicatifs ; La relation élèves – modèles : le modèle est une image de la réalité ; Les élèves et les apprentissages : Les conceptions : systèmes explicatifs alternatifs et organisés ; Le changement conceptuel : est rarement total et nécessite du temps.

Élaboration des questions et hypothèses de recherche Les recherches antérieures menées sur le sujet : - Difficultés à différentier atome et molécule ; - Les atomes et molécules ont les propriétés de la matière; - L’atome est une sphère avec ses composants à l’intérieur ; - La règle de l’octet est un principe heuristique de raisonnement ; - Mauvaise compréhension de la signification des formules représentatives des molécules ; - Difficultés à différencier liaisons covalentes et « ioniques » ; liaisons intra et « intermoléculaires » ; - Difficultés à envisager la réorganisation des atomes au cours d’une transformation chimique.

Élaboration des questions et hypothèses de recherche Questions de la recherche et hypothèses: Question 1 : Quels modèles de l’atome, de la molécule et de la liaison chimique ont la préférence des élèves ? Sont-ils ressentis comme une représentation exacte de la réalité ?  Question 2 : Dans quelle mesure la modélisation de ces trois concepts a été assimilée par les élèves ?  Question 3 : Comment évolue cette modélisation du début de la classe de seconde à l’entrée en classe de terminale S ? Hypothèse 1: Bien que susceptibles d’avoir plusieurs modèles à leur disposition, les élèves exprimeront dans une situation non académique leurs modèles les plus profondément enracinés dans leur mémoire.

Élaboration des questions et hypothèses de recherche Questions de la recherche et hypothèses: Question 4 : Comment les élèves interprètent-ils la transformation chimique et le changement d’état en termes de conservation (atomes ? molécules ?), de réarrangement et donc de rupture de liaisons ?  Question 5 : Quel rapport établissent-ils entre les liaisons (« inter » ou intramoléculaire) et l’énergie de transformation?

3- Les principaux résultats relatifs à l’appropriation des modèles (atome molécule, liaison chimique); Échantillon: Au total : 930 élèves ; - 239 élèves de seconde, - 422 élèves de première, - 269 élèves de terminale. Analyse : - Par rapport aux résultats des études antérieures - Par rapport aux compétences attendues .

Les principaux résultats relatifs à l’appropriation des modèles Atome : schématisation

Les principaux résultats relatifs à l’appropriation des modèles Atome : description - Peu d’élèves sont capable de donner une description acceptable à leur niveau d’étude du concept d’atome ; - La distinction entre électrons des couches internes et externes et le dénombrement des électrons de la couche externe ne sont pas souvent réalisés ; - La règle de l’octet semble constituer un « modèle mental » intégré par les élèves.

Les principaux résultats relatifs à l’appropriation des modèles Molécule : schématisation

Les principaux résultats relatifs à l’appropriation des modèles Molécule : description - Seul le niveau de description exigible en fin de troisième est atteint par une majorité d’élèves ; - La mention explicite d’une liaison covalente entre les atomes lors de la description de la molécule intervient peu ; - La taille respective des atomes n’est pas respectée.

Les principaux résultats relatifs à l’appropriation des modèles Liaison chimique : - Les élèves sont peu nombreux à décrire les liaisons covalentes simple et double en terme de mise en commun d’électrons ; - Ils ont de réelles difficultés à différencier les liaisons covalentes et « ioniques » ; - Ils confondent liaisons « inter » et intramoléculaires ; - La règle de l’octet est toujours utilisée comme base . de raisonnement. |Na ─ Cl|

4- Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique Le savoir à enseigner : → Au collège : La transformation chimique est présentée comme un processus de réorganisation des atomes des substances de départ, par lequel se forment de nouvelles substances. Au cours de la transformation, les atomes se conservent en nature et en nombre.

Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique → En seconde : Ce sont les éléments qui se conservent au cours de la transformation chimique. Durant la réorganisation des atomes, des liaisons se rompent, d’autres se forment. → En première : Les transformations chimiques impliquent des redistributions d’électrons au niveau des couches externes des atomes.

Le savoir appris : les questions Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique Le savoir appris : les questions 1- Conservation des molécules et/ou des atomes au cours de la transformation chimique ? → Lors d’une transformation chimique : a) La nature des molécules ne change pas ; b) La nature des atomes ne change pas. Réponses : de 1 « tout à fait d’accord » à 4 « pas d’accord du tout » → Justification de l’avis.

Le savoir appris : les choix Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique Le savoir appris : les choix La nature des molécules ne change pas La nature des molécules change La nature des atomes ne change pas La nature des atomes change

Le savoir appris : les justifications (molécules) Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique Le savoir appris : les justifications (molécules) → En termes de transformation chimique: 2nde 20%; 1re 42% ; terminale 31%, - au niveau macroscopique: « Les réactifs sont transformés en produits », - au niveau microscopique: « Les molécules se transforment/ se modifient … pour donner de nouvelles molécules ». → En termes de rupture des liaisons dans la molécules: (13%, 18%, 20%) « Les molécules se dissocient/ se divisent/se détruisent; les liaisons entre les atomes dans la molécule sont rompues » . → En termes de rupture des liaisons et de réorganisation des atomes dans les molécules: (33%, 12%, 14%).

- En termes de mélange ou d'association de molécules (21%) : Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique L’interprétation de la réaction chimique par les élèves de seconde considérant que la nature des molécules ne change pas : - En termes de mélange ou d'association de molécules (21%) : « Les molécules se mélangent avec d'autres molécules », « Les molécules peuvent s'associer entre elles », « les molécules s'assemblent et se rassemblent…  ». -  En termes de conservation des molécules (5%): « Les molécules restent les mêmes (gardent leur nature) mais elles sont plusieurs, différentes ou identiques à se réunir », « Ni la nature des atomes ni celle des molécules ne change mais des corps nouveaux peuvent apparaître ».

Le savoir appris : les justifications (atomes) Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique Le savoir appris : les justifications (atomes) → La nature des atomes ne change pas : ● « Un atome est un atome, il ne change jamais », « Les atomes sont la base des molécules, on ne peut les diviser », « On retrouve les mêmes atomes dans les réactifs et les produits ». ● Pour certains, la nature des atomes ne change pas mais la structure électronique peut être modifiée (13, 16, 14%).

Le concept d’élément a du mal à remplacer celui d’atome Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique Le savoir appris : les justifications (atomes) → La nature des atomes change : En termes de modification de la structure électronique, essentiellement pour donner des ions. Le concept d’élément a du mal à remplacer celui d’atome

Le savoir appris : les questions Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique Le savoir appris : les questions 2- Rupture des liaisons « inter » et/ou intra moléculaires au cours de la transformation chimique ? → Lors d’une transformation chimique : c) Les liaisons « intermoléculaires » (entre les molécules) sont rompues ; d) Les liaisons intramoléculaires (entre les atomes dans la molécule) sont rompues. Réponses : de 1 « tout à fait d’accord » à 4 « pas d’accord du tout » → Justification de l’avis.

Le savoir appris : les choix Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique Le savoir appris : les choix Rupture Non rupture Non rupture Rupture

Le savoir appris : les justifications Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique Le savoir appris : les justifications → Rupture des « liaisons intermoléculaires » - « Les molécules doivent pouvoir se séparer pour donner de nouvelles molécules » (11, 33, 44%) ; - « Les molécules se détachent, se séparent, se dispersent » (21, 16, 0%) ; - « Les liaisons se rompent pour donner de nouvelles liaisons, de nouvelles molécules » ; « les atomes se réorganisent, s’échangent » (36, 29, 32%).

→ Non rupture des « liaisons intermoléculaires » Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique → Non rupture des « liaisons intermoléculaires » - « Il n'y a pas de liaisons entre les molécules mais entre les atomes » ; - « La rupture de ces liaisons est réservée aux changements d’états ».

→ Rupture des liaisons intramoléculaires Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique → Rupture des liaisons intramoléculaires - « Les atomes se détachent/ se déplacent/ changent de place/ se réorganisent », « Les atomes vont former de nouvelles molécules (les liaisons doivent se rompre) » (36, 35, 29%) ; - « Les molécules changent pour former une nouvelle molécule », « Les réactifs donnent des produits différents » (19, 46, 22%).

→ Non rupture des liaisons intramoléculaires Le registre des modèles et la représentation de la transformation chimique → Non rupture des liaisons intramoléculaires « les liaisons intramoléculaires ne sont pas rompues/ les atomes restent ensembles/ liés », « les molécules restent les mêmes », « La transformation chimique n’a pas d’enjeu sur ces liaisons »(9, 13, 22%).

5. Conclusions et perspectives → Choix des figurations des modèles : les plus simples → Niveaux d’intégration des modèles : très inférieurs aux niveaux de formulation requis → Apprentissage mécanique et superficiel des modèles : lorsqu’ils ne sont plus objet d’enseignement, ils sont oubliés

Conclusions et perspectives → Difficultés à interpréter la transformation chimique : - En termes de rupture des liaisons intramoléculaires et de réarrangement des atomes ; - En termes de conservation des éléments ; - En prenant en compte la globalité des phénomènes mis en jeu : changement de nature des molécules et des atomes et rupture des liaisons « inter » et intra moléculaires. - En mettant en relation l’aspect énergétique de la transformation et la rupture des liaisons intramoléculaires

Conclusions et perspectives → Difficultés à interpréter un changement d’état En mettant en relation la rupture des liaisons « intermoléculaires » et la réorganisation ou la mobilité des molécules (42, 35, 23%) En mettant en relation la modification de l’énergie de cohésion et l’énergie nécessaire à la transformation (22, 39, 50%); Des confusions persistent entre liaisons « inter » et intra moléculaires ainsi qu’entre changement d’état et transformation chimique

Conclusions et perspectives Origines possibles des difficultés des élèves: Structures explicatives organisées ● La règle de l’octet, ● L’équation de réaction ● Le principe de conservation.