L'Expérimental en Sciences physiques

Partie A L’expérimental et l’enseignement de l’expérimental 1- Les objectifs des TP 2- Aspects historiques 3- L’expérimental - La démarche expérimentale 4- Etat des lieux fil conducteur = objectifs en TP

Partie B Innovations dans l’enseignement expérimental   Exemples de recherches Utilisation des outils informatiques Copex : concevoir des protocoles expérimentaux

Partie A L’expérimental et l’enseignement de l’expérimental

Partie A L’expérimental et l’enseignement de l’expérimental 1- Les objectifs des TP 2- Aspects historiques 3- L’expérimental - La démarche expérimentale 4- Etat des lieux fil conducteur = objectifs en TP

Objectifs des TP Quels objectifs d'enseignement envisagez vous pour l'enseignement expérimental au Lycée ? Classer vos objectifs : sans intérêt / secondaire / important / fondamental 0 1 2 3 (reporter sur 1 transparent) Définir et les positionner les uns par rapport aux autres 3 ou 4 groupes

Objectifs des TP dans les programmes Quels objectifs pour les enseignements expérimentaux dans les programmes du Lycée ? Objectifs expérimentaux dans les programmes de TS / critères d'évaluation au bac en TS Objectifs dans les programmes / objectifs qui vous paraissent important (ou pas important) Définir et les positionner les uns par rapport aux autres 7 7

Analyse de TP de bac (master Nguyen, 2008) TP de bac d'électricité sur le régime transitoire – circuits RC et RL série Question de recherche : quelles connaissances sont mobilisées par les élèves sur le modèle du régime transitoire lors d’un TP de bac ? Méthodologie : analyse praxéologique des TP Conclusion : dans ces TP de type « Déterminer les caractéristiques d’un dipôle RL », les connaissances sur le régime transitoire (RT) et sur le régime permanent (RP) sont presque toutes données. Les élèves n’ont pas besoin de mobiliser les connaissances sur les RT et RP pour résoudre les tâches.  Les connaissances et compétences relatives au modèle (et à la modélisation) ne sont pas évaluées au bac

Partie A L’expérimental et l’enseignement de l’expérimental 1- Les objectifs des TP 2- Aspects historiques 3- L’expérimental - La démarche expérimentale 4- Etat des lieux fil conducteur = objectifs en TP

Les choix d'enseignement ont toujours été Aspects historiques Les choix d'enseignement ont toujours été en relation avec l'actualité scientifique marqués par la vision contemporaine de la nature de la science (Millar, 2004 ; Belhoste,Gispert & Hulin, 1996)

L'enseignement expérimental - Historique 3 grandes périodes en France 1902 : avènement de l'enseignement expérimental au Lycée  inductivisme 1970 : commission Lagarrigue  enseigner la science moderne  vers le constructivisme actuel : main à la pâte – TPE - démarche d'investigation – évaluation Bac compétences expérimentales, ... + aspects sociétaux  socio-constructivisme

L'enseignement expérimental - Historique 1902 : "l'initiation à la méthode expérimentale participe à la formation de l'esprit" "les exercices pratiques offrent à l'élève [...] le sens de la réalité, la notion de loi et lui permettent d'entrevoir, entre les phénomènes en apparence les plus dissemblables, les rapports qui les unissent.[...] Non seulement l'élève devient actif, mais il s'exerce au raisonnement et acquiert un esprit critique." "apprendre à observer et à mesurer" Mais ... ritualisation – création BUP 1970 : "culture générale à des élèves très divers" – "informer les adolescents de réalités de leur temps (techniques, conceptuelles, méthodologiques)" - "dénonce le décalage avec les "math modernes"" – "présenter l'interaction dialectique entre théorie et expérience – "place de choix de la physique microscopique" Mais ... perte du concret Exemple : en 1902 courant électrique présenté par ses effets (électrolitique, calorifique, magnétique) / en 1970 = flux d'électrons en 1902 : travail sur la mesure, précision, phénomènes, ... très pratique et expérimental – manque de moyens au niveau des labos et de la formation des enseignants

Finalités de l’enseignement actuel des sciences En lien avec des problématiques sociétales : savoir, comprendre le monde technique, technologique scientifique qui nous entoure. Développement de l’esprit critique : savoir lire des données et les interpréter avec son propre jugement Faire « aimer » les sciences Apprentissages conceptuels Développement de démarches scientifiques Développement de compétences argumentatives ...

Exemple en mécanique : la machine d'Atwood (thèse A. Yavuz, 2007) Qu'est-ce que c'est que la machine d'Atwood ? A quoi sert elle ? Quel usage pédagogique en fait on ?

Sigaud de Lafond 1784

UJF 2009 16 16

Dispositif de la machine d'Atwood (thèse A. Yavuz, 2007) Objectifs pédagogiques dans le manuel français de 1784 Volonté d'établir un lien permanent avec le « réel » : - Construire le dispositif - Modéliser le dispositif expérimental - Prédire le mouvement (loi de Galilée) - Vérifier la compatibilité entre résultats théoriques et expérimentaux Une phase déductive fait le lien entre ces tâches (en partie implicite avec peu de développements algébriques et en langue naturelle) Objectifs pédagogiques dans un manuel allemand de 1880 prévision des caractéristiques du mouvement  principe de D'Alembert apprentissage des concepts de la mécanique par la résolution de problèmes

Dispositif de la machine d'Atwood Objectifs actuels (UJF, 2009)  Objectif unique (parfois : apprentissage de la mise en équation d'une situation prototypique) apprentissage de la résolution mathématique (avec PFD) La situation physique est totalement modélisée la situation physique et la problématique sont simplifiées à l'extrême (cf schéma et énoncé - une seule poulie, sans frottements, déterminer l'accélération seulement) il n'y a plus aucun lien avec une situation expérimentale La démarche est prédictive et très limitée mais elle reste problématique pour les élèves ... et pour les enseignants (nombreuses erreurs)  relève de la résolution de pb

Objectifs pédagogiques à l'école polytechnique (manuel de Lamé, 1840) " les physiciens cherchant à grouper les phénomènes dont ils s'occupent en un petit nombre de théories, soumettent à toutes les épreuves de l'observation, de l'expérience et du calcul, les lois et les hypothèses qui peuvent le mieux atteindre ce but scientifique." "parmi les théories de la physique, les unes sont encore sous l'empire des hypothèses, seul lien qui puisse aujourd'hui grouper les faits qui les composent, tandis que d'autres atteignant leur loi générale, ne tarderont pas à faire partie des sciences mathématiques." - "Exposer avant tout les procédés d'expérience et d'observation qui conduisent aux lois des phénomènes ; - discuter et rapprocher ces lois pour les réduire au moindre nombre - choisir et éprouver les hypothèses qui peuvent le mieux coordonner tous les faits de chaque cadre théorique physique - chercher s'il est possible l'hypothèse unique ou la loi générale qui embrasserait toute la science telle est la démarche scientifique qu'il importait de suivre." attention il s'agit ici d'objectifs généraux pas pour la machine d'Atwood

Partie A L’expérimental et l’enseignement de l’expérimental 1- Les objectifs des TP 2- Aspects historiques 3- L’expérimental - La démarche expérimentale 4- Etat des lieux fil conducteur = objectifs en TP

L'expérimental, qu’est-ce que c’est ? Remue-méninges

La démarche expérimentale, qu'est-ce que c'est? Quelles phases ? (Epistémologie des sciences  transposition dans l'enseignement) activité : proposer des étapes pour la démarche expérimentale

Propositions de Develay (1989) Méthode : itinéraire balisé par des étapes prévisibles dans un parcours intellectuel Démarche : cheminement sans a priori d'étapes prédéterminées Proposition pour l'enseignement : Méthode expérimentale lorsque l'itinéraire des élève est prédéterminé. Démarche expérimentale = moins contrainte par des indications d'actions de la part de l'enseignant Démarche expérimentale : au niveau méthodologique peut être caractérisée par diverses étapes, identifiées tout autant par leur situation dans une chronologie que par l'ensemble des interactions qui les unissent en un système cohérent. Expérience = produit de l'expérimentation. Partie émergée (visible) de l'iceberg, ie du processus, ie de l'expérimentation Expérimentation = étape de la démarche expérimentale au cours de laquelle va être mise en place une expérience. Processus qui conduit de l'hypothèse à la réalisation d'une expérience et à l'analyse de ses résultats. Manip : caractère manuel de l'activité. (En TP, ramène l'activité de l'apprenant à la dimension d'exécution) c'est une proposition qui n'est pas spécialement suivie, dont le but est de s'entendre sur les termes ... Mais elle repose également sur une certaine vision de la démarche expérimentale 24 24

Lexique Quelques termes courants : Situation-problème (lycée) Démarche d’investigation scientifique (collège) Démarche scientifique Démarche expérimentale Définir et les positionner les uns par rapport aux autres 25 25

Démarche Expérimentale Définir le problème Proposer des hypothèses Définir l'objectif précis de l'expérience Concevoir le protocole expérimental Réaliser l'expérience Traiter les données Analyser / Interpréter les résultats Conclure Enlever ?

Expérimenter Monde Monde des Objets et des Evénements des Théories et des Modèles Enlever ? Phénomènes, observables, réel, ... Idées

Démarche expérimentale Définir le problème Proposer des hypothèses définir l'objectif de l'expérience Concevoir le protocole expérimental Réaliser l'expérience Traiter les données Analyser / Interpréter les résultats Conclure Comment la démarche expérimentale chemine t'elle entre réel, modèle et théorie? Faire un schéma : 1- positionner les étapes dans les 3 zones Réel/modèle/théorie et 2- faire apparaître les relations entre étapes

Proposition : démarche expérimentale Réel Modèle Théorie Définir le problème Concevoir le protocole Proposer des hypothèses Réaliser l’expérience Interpréter les résultats Traiter les données Conclure

La démarche expérimentale n'est pas linéaire n'obéit pas à un modèle unique mêle étroitement réel et théorie ... Le modèle utilisé doit être adapté à l’usage qu’on veut en faire. Exercice : quel modèle, quel point de vue pour quel usage en didactique ? A quoi ils peuvent servir et à qui ? Choisir lesquels on garde

Modèles de démarche expérimentale Un modèle répond à l'usage que l'on veut en faire A votre avis, dans quels buts les modèles suivants ont-ils été construits ?

Démarche expérimentale Induction (F. Bacon, A. Comte, C. Bernard) Déduction K. Popper, G. Bachelard). Problème / questionnement Observation Moteur de la recherche Résolution du problème Cadre théorique défini Formulation d'hypothèses Protocole expérimental reproductible modèles de la démarche pour les 2 courants historiques inductiviste et déductifs du fonctionnement de la science La différence repose surtout sur le positionnement du problème au départ Interprétation des résultats Validation Expérimentale et sociale

Démarche expérimentale un autre modèle de raisonnement scientifique Millar , 2004

Transposition de la démarche expérimentale Develay, 1989 " Le schéma que nous proposons ci-après matérialise les différentes étapes de la méthode expérimentale dans des situations d'enseignement, étapes dont nous avons dit qu'elles ne sont pas tant à penser chronologiquement que interactivement."

Démarche expérimentale et empirisme Coquidé (2003) Perspective empirique Perspective expérimentale La nature Le vécu et le rapport pratique aux objets la description d'objets et de phénomènes Le familier et le naturel Effort de catégorisation Collecte d'observations Données hors d’un cadre théorique Savoirs et pratiques empiriques issus des pratiques sociales Recherche de régularités Corrélations empiriques Faits curieux Récits et descriptions Le laboratoire Le rapport construit aux objets la création de phénomènes L'artificiel Effort d'analyse, d'objectivation et mesure Expérimentation Données avec cadre théorique Mise au point de pratiques empiriques reproductibles et application Recherche d'invariants Relations causales Faits exacts reproductibles Comptes rendus expérimentaux utilité pour les enseignants de primaire et collèges où l'approche est souvent plus empiriste qu'expérimentale A SIMPLIFIER

Démarche expérimentale et empirisme Ne sont pas opposés Chaque démarche possède sa cohérence propre Un processus de recherche nécessite des moments empiriques (parfois très long) parce que le réel ne se laisse pas facilement manipuler ni conceptualiser  résistance du réel Cette résistance oblige à articuler démarches d'exploration et de validation A l'école (transposition) une perspective empirique méthodique ou une perspective expérimentale critique, correspondent à des épisodes différents, qui s'articulent dans une éducation scientifique Coquidé (2003) ; Coquidé et al. (1999) Première approche = épistémologie des sciences (fonctionnement de la science = articulation) Deuxième point = transposition didactique  articulation des approches dans l'enseignement scientifique utilité pour les enseignants de primaire et collèges où l'approche est souvent plus empiriste qu'expérimentale résistance du réel : Par exemple : si il n'y a avait pas de résistance du réel, alors Aristote aurait proposé le principe de l'inertie au lieu de Galilée (et pas Newton)

Proposition : 3 modes didactiques de l’expérimental Transposition didactique  Eclairer les enjeux éducatifs et permettre des choix dans les dispositifs d'enseignement (Coquidé, 2003) Mode de familiarisation pratique Expérience pour voir, essayer, explorer Première initiation scientifique, apprentissage d’un outil, d’un instrument Mode d’investigation empirique Expérience pour tester, contester, argumenter Pratiques d’investigation, recherche problématisée, initier à des démarches scientifiques Mode d’élaboration théorique Expériences pour démontrer, conceptualiser, modéliser Elaboration conceptuelle ou modélisante : contribuer à la construction théorique des sciences

Les 3 modes didactiques de l’expérimental Le choix de modes dépend du niveau scolaire Comment les articuler pour définir une formation scientifique authentique  mode de familiarisation : essentiel en primaire, nécessaire dans le secondaire  mode d'élaboration théorique concerne aussi les jeunes enfants pour que les activités expérimentales débouchent sur des acquis conceptuels identifiés, même modestes Coquidé , 2003

Place du modèle dans les TP Quelle peut être la fonction du modèle dans les activités des élèves ? Dia reprise du stage CIES 39

Place du modèle dans les TP Quelle peut être la fonction du modèle pour les élèves ? Modèle connu Modèle inconnu Observation Utilisation du modèle TP de type illustration TP de type démonstration TP de type application TP de type découverte Dia reprise du stage CIES - Proposition d’hypothèses Conception du protocole Traitement des résultats Interprétation des résultats 40

Transposition de la démarche expérimentale dans l’enseignement Peut-on proposer aux élèves d'aborder la démarche du chercheur dans une approche constructiviste ? Situer par rapport aux débats actuels

Chercheurs et élèves / experts et novices  Schraagen (1993) examine comment les experts résolvent un problème nouveau (démarche expérimentale) dans leur spécialité diviser le pb en sous-pbs résolus dans un ordre donné hors de leur spécialité s'en sortent grâce à une démarche très structurée structures de connaissance abstraites collection de stratégies + ou – générales qui ont la forme (pas la matière) du raisonnement scientifique contrôles (simulations mentales  satisfaire les contraintes du pb)

Transposition Peut-on proposer aux élèves d'aborder la démarche du chercheur dans une approche constructiviste ? les élèves ne possèdent pas les connaissances procédurales ni conceptuelles suffisantes les connaissances procédurales ne sont pas enseignées apprendre en faisant n'est pas efficace (Séré 2002)  besoin d'une conscience de l'importance des procédures et de leur identification le monde des objets et des observables n'a pas toujours un sens intuitif en soi (Robinault, 2002) ex : élèves ne sont pas toujours familiers avec les objets d'un TP  que percevoir, que faire avec ces objets, que faut il mesurer, que doit on modéliser avec ces objets? ajouter Séré  on n'apprend pas en faisant

Partie A L’expérimental et l’enseignement de l’expérimental 1- Les objectifs des TP 2- Aspects historiques 3- L’expérimental - La démarche expérimentale 4- Etat des lieux fil conducteur = objectifs en TP

Etat des lieux au niveau international Projet européen « Labwork in Science Education » (LSE) Meester : investigation scientifique dans les TP L1 Hofstein et Lunetta : perception des TP par les élèves Séré : fonctionnement intellectuel d’étudiants réalisant des TP

Map tool of LSE

Projet LSE : quelques résultats Les objectifs d’apprentissage (item A) Analyse de documents de TP (165 documents analysés) Les types de TP (item B) Questionnaire enseignants Ce que font les élèves dans le domaine des idées (item B) Degré d’ouverture des TP

LSE : Objectifs d’apprentissage Objectifs d'apprentissage en TP Aider les élèves à … Identify objects and phenomena and become familiar with them Learn a fact (or facts) Learn a concept Learn a relationship Learn a theory model Learn how to use a standard laboratory instrument Learn how to carry out a standard procedure Learn how to plan an investigation to address a specific question Learn how to process data Learn how to use data to support a conclusion Learn how to communicate the results of labwork A mettre ici ??

LSE : Objectifs d’apprentissage Au lycée + université

LSE : types de TP Estimation du temps passé en TP (% du temps total de TP) pendant une année sur chaque type de TP (cf liste suivante) : « Typical labwork »: travail des élèves en petit groupe, interagissant avec du matériel réel et suivant des instructions détaillées données par l’enseignant. Outils informatiques : vidéo, CD-ROM, simulations… « Open-ended labwork » (les élèves prennent des décisions sur ce qu’ils vont faire). « Partial tasks » quelques tâches à la charge des élèves (comme planifier, interprétation de données fournies…)

LSE : types de TP

LSE : types de TP

LSE : les idées « What students are intended to do with ideas? »

LSE : les idées

LSE : Degré d’ouverture des TP

Investigation scientifique dans les TP Etude sur TP de chimie - 1ère année université en Angleterre et pays de Gales. Level of inquiry Aim Materials/methods Answers Given 1 Open 2 3 90 % des TP analysés se situent au niveau 0 ou 1 : TP « cook book ». Aucun TP au niveau 3. Meester, M. A. M., & Maskill, R. (1995). IJSE 17(5), 575-588.

Perception des TP par les élèves Les élèves n’ont pas une idée claire du but de leur travail en TP. L’intérêt principal est souvent perçu comme suivre les instructions ou obtenir la bonne réponse. Souvent les élèves ne font pas la relation entre le but de leur activité expérimentale et le contenu du protocole qu’ils ont mené. Le TP signifie souvent « manipuler des équipements » et non pas manipuler des idées. De nombreux élèves s’engagent dans des activités de laboratoire dans lesquels ils suivent des recettes, rassemblent des données sans véritablement comprendre le but et les procédures de leur investigation. L’approche « recette de cuisine » est la plus fréquente Hofstein, A., & Lunetta, V. (2003). Science Education 88, 28-53.

Fonctionnement intellectuel d’étudiants en TP TP de physique en Deug 2ème année en France, TP « traditionnel » Atomisation des actions Difficulté à planifier les actions, à combiner une suite d’actions élémentaires qui permettent la réalisation de la consigne. Acquisition de connaissances. Mémorisation et mobilisation d’actions prototypiques. Fixité fonctionnelle (association privilégiée d’un instrument à une fonction). Est-ce un obstacle aux apprentissages conceptuels ? Séré, M. G., & Beney, M. (1997). Didaskalia, 11, 75-102. les procédures et l'autonomie Dans les pratiques de chercheurs, il y a une grosse différence entre élèves et chercheurs (beney, 1998) : - Le chercheur dispose de procédures toutes prêtes / les élèves n'en ont pas et sont continuellement gênés par les obstacles correspondants. Les élèves n'ont pas de fil d'Ariane (conducteur), contrairement aux chercheurs (= connaissance d'une collection de procédures)  illusion à penser que les élèves peuvent "imiter" l'activité des chercheurs, ou des professionnels. Hyp de recherche : les connaissances procédurales constituent des outils pour l'autonomie. A être étudiés en open-ended lab et projets, qui sont considérés comme les principales stratégies pour l'autonomie. Mais elles sont exceptionnelles et time consuming.  changer la place données aux procédures, mesures, analyse de données, et plus généralement aux méthodes d'investigation.  toruver une nouvelle voie pour les TP traditionnels.  à étudier aisni que le comportement des élèves ayant des opportunités d'initiatives en TP.

Partie B Innovations dans l’enseignement expérimental

Partie B Innovations dans l’enseignement expérimental   Exemples de recherches Utilisation des outils informatiques Copex : concevoir des protocoles expérimentaux

Exemples de recherches   Séré : réflexions sur les objectifs de TP Laugier : situation-problème Rollnick : préparation des TP Conception d’expériences par les élèves Copex

Objectifs des TP – questions de recherche Trop d’objectifs associés à une séance de TP. Faire des choix par TP. Objectifs conceptuels : Les enseignants ont de fortes attentes et sont souvent déçus. Diverses études montrent que les élèves trouvent en général des stratégies pour éviter l'utilisation de la théorie. Il existe plusieurs rôles d'ordre différent pour les connaissances théoriques en TP : vérifier, établir, découvrir, utiliser. Quels rôles mettent en jeu des apprentissages conceptuels?  effort pour concevoir des situations et des stratégies pédagogiques pour obliger les élèves à utiliser des parties de théories à travers des questions appropriées Séré, 2002 On n ’apprend pas en faisant Objectifs épistémologiques : quand on travaille avec des appareils et des objets, les étudiants acquièrent un aperçu intuitif dans l'usage de la théorie, le développement de savoir théorique, le choix de données, les rôles respectifs de la mesure et de l'observation. Montre que les TP = opportunité de placer la philosophie des sciences dans son contexte approprié. Objectifs procéduraux : rôle des processus en TP. Examiner les méthodes d'investigation, les procédures, les habiletés mis en œuvre dans les expériences. Au niveau de l'école (en dessous du niveau de cette étude), les élèves ne peuvent pas les redécouvrir. Question clé = identifier ce qui reste conscient, qu'est ce qui est appris en tant que processus, et comment la conscience des processus aide les élèves à prendre des décision, planifier, concevoir des expériences par eux-même. Le lien entre autonomie et connaissance procédural reste en question.  renouvelle la question : "est-il possible de faire imiter l'activité des chercheurs par des élèves de cet age?" N'a pas posé le pb des relations sociales dans un groupe d'élèves, prenant en compte les procédures comme des outils de décision (quelle influence sur les autres Q de recherche?)

Objectifs des TP – questions de recherche Objectifs épistémologiques : les TP = opportunité de placer la philosophie des sciences dans un contexte approprié Comment la contribution des TP des différentes disciplines converge / diverge avec l’image de la science des élèves ? Objectifs procéduraux : identifier ce qui reste des processus (conscience ou appris) + comment la conscience des processus aide les élèves à prendre des décision, planifier, concevoir des expériences par eux-mêmes ?  Peut on faire imiter l'activité des chercheurs par des élèves ? Séré, 2002 Conclusion 1 Dans la plupart des TP étudiés, les connaissances conceptuelles et théoriques sont présentes à chaque étape. Mais il est illusoire d'interpréter ceci comme si le monde des objets/événements/observations était séparé du monde des concepts et modèles ???? Les 2 sont emmêlés ??? Plusieurs études prennent l'efficacité des apprentissages de la théorie pour leur usage.  interroger les rôles des K théo en TP en les distinguant clairement : cad distinguer "laisser les étudiants trouver ou établir leurs propres théories", "etablir et comparer plusieurs modèles pour les mêmes observables", "fournir la théorie à utiliser (pour le familiarisation"), vérifier une partie de théorie, l'utiliser dans une simulation, etc... Cependant dans chaque cas, des détours pour éviter l'utilisation de la théorie sont possibles.  Besoin d'un effort pour concevoir des situations et des stratégies pédagogiques pour obliger les élèves à utiliser des parties de théories à travers des questions appropriées.

Résolution de problèmes et pratiques expérimentales Situation problème par des élèves en début de 2nde en France, en chimie (153 élèves). « Mesurer le volume d’un gaz enfermé dans un flacon sans en perdre (ce gaz est insoluble dans l’eau). » Résultats : Motivation : les élèves montrent des réticences face à ce type de situation, mais sont prêts à les dépasser et à s’y investir avec enthousiasme. Les élèves montrent des difficultés par suite de manque de « savoirs pratiques » (maladresse dans l’utilisation du matériel) et de non maîtrise de « savoirs conceptuels ». Guidance serrée de l’enseignant nécessaire MAIS aussi initiatives aux élèves + espaces de débat. Laugier, A., & Dumon, A. (2003). Chemistry Education: Research and Practice, 4(3), 335-352. Décrire la situation

Améliorer l’efficacité des TP par une préparation des TP Etude avec des étudiants de 1ère année d’université lors de TP de chimie (1996-1997 en Afrique du Sud). Question de recherche : comment la préparation de TP contribue à améliorer les compétences conceptuelles, procédurales et communicatives des étudiants. Demander aux étudiants d’écrire un résumé du TP. Nécessité de donner un guidage spécifique pour savoir quoi mettre. Les étudiants n’écrivent pas le but de l’expérience. Poser des questions préalables pour vérifier les connaissances et compétences pré-requises. Les étudiants répondent mieux aux questions d’ordre conceptuel qu’aux questions nécessitant des connaissances procédurales. Rollnick, M. et al. (2001) Int. J. Sci. Educ., 23, n°10, p 1053-1071.

Conception d’expériences par les élèves De nombreuses études montrent l’importance de faire concevoir des expériences par les élèves. Séré (2002) propose la conception d’expériences pour aider les élèves à acquérir des connaissances procédurales. Arce et Betancourt (1997) : meilleure compréhension dans les examens des concepts liés aux expériences conçues par les élèves. Neber et Anton (2008) observent des activités cognitives d’un ordre supérieur (ils pensent !) lorsque les élèves conçoivent des expériences. Karelina et Etkina (2007) : quand les élèves conçoivent une expérience, ils ont un comportement plus proche de celui de scientifiques que ceux qui font des TP traditionnels (discussions sur des concepts de physique, sur l’analyse des données…)

Partie B Innovations dans l’enseignement expérimental   Exemples de recherches Utilisation des outils informatiques Copex : concevoir des protocoles expérimentaux

Utilisation des outils informatiques   Grille d’analyse de logiciels Analyse de logiciels d’enseignement en chimie

Lexique TICE – Technologie de l’Information et de la communication pour l’Education, ou Enseignement NTE – Nouvelles technologies pour l’Education EAO – Enseignement Assisté par Ordinateur EIAH – Environnement Informatique pour l’Apprentissage Humain Environnement qui suscite ou accompagne la construction de connaissances chez l’apprenant Champ scientifique qui correspond aux travaux focalisés sur ces environnements

8 types de logiciels (de Vries RFP 2003) Théorie Tâche Connaissances Présenter de l'information : tutoriel Cognitiviste Lire Présentation ordonnée Dispenser des exercices : exerciseur Behavioriste Faire des exercices Association Véritablement enseigner : tuteur intelligent Dialoguer Représentation Captiver l'attention et la motivation de l'élève : jeu éducatif Principalement béhavioriste Jouer Fournir un espace d'exploration : hypermedia Cognitiviste, constructiviste Explorer Présentation en accès libre Fournir un environnement pour la découverte de lois naturelles : simulation Constructiviste, cognition située Manipuler, observer Modélisation Fournir un environnement pour la découverte de domaines abstraits : micro-monde Constructiviste Construire Matérialisation Fournir un espace d'échange entre élèves : apprentissage collaboratif Cognition située Discuter Construction de l'élève

Le statut des données manipulées Typologie des systèmes de formation à distance pour le travail expérimental Nature des données utilisées Réelles Simulées Contrôle des utilisateurs sur le processus d'obtention des données Aucun Partiel Total Trgalova J. (2003), Actes de EIAH 2003, INRP, Paris, 563-566.

Simple télé- opération Données Nature Contrôle Réelle Aucun Simulée Total ou partiel Partiel Total Type de logiciel Accès aux sciences Animations Simulations Télé- expérience (temps réel) Télé- détection Simple télé- opération Laboratoire distant

Caractériser les TP et l’intégration des TICE en TP Les objectifs d’apprentissage (1) Les tâches assignées aux apprenants (2) La fonction du modèle scientifique (3) La nature des données manipulées (4)

(1) Les objectifs d’apprentissage définis par l’enseignant (Tiberghien 2001) CONTENUS (savoirs déclaratifs) Savoir identifier le matériel de laboratoire et connaître son utilité Savoir identifier des phénomènes Acquérir des savoirs théoriques : faits concepts relations modèles et théories METHODES (savoirs procéduraux) Savoir comment utiliser le matériel de laboratoire (gestuelle, BPL*) Savoir mettre en place des méthodes usuelles d'expérimentation Savoir traiter des résultats Savoir utiliser des résultats pour justifier une conclusion Savoir communiquer ses résultats Savoir planifier une démarche expérimentale * BPL : Bonnes Pratiques de Laboratoire (inclut sécurité & environnement)

(2) Démarche Expérimentale Réel Modèle Théorie Définir le problème Concevoir le protocole Proposer des hypothèses Réaliser l’expérience Interpréter les résultats Traiter les données Conclure

(3) La fonction du modèle pour les étudiants Modèle connu Modèle inconnu Observation Utilisation du modèle TP de type illustration TP de type démonstration TP de type application TP de type investigation - Proposition d’hypothèses Conception du protocole Traitement des résultats Interprétation des résultats

Simple télé- opération Données Nature Contrôle Réelle Aucun Simulée Total ou partiel Partiel Total Type de logiciel Accès aux sciences Animations Simulations Télé- expérience (temps réel) Télé- détection Simple télé- opération Laboratoire distant

Etude de quelques logiciels Chemlab Acid-base titration UEL : http://www.uel.education.fr/consultation/reference/chimie/cinet/index.htm Observer / Approche expérimentale / Hydrolyse CH3COOC2H5 / par dosage Simuler / Simulateurs stochastiques d'ordre 1 / A <=> B copex-chimie : http://copex-chimie.imag.fr/

Chemlab

Copex-chimie

Bibliographie Arce, J., & Betancourt, R. (1997). Journal of College Science Teaching, 27(2), 114-118. Belhoste, Gispert, Hulin (1996). Les sciences aux lycée… Vuibert, INRP. Coquidé, M., Bourgeois-Victor, P., & Desbaux-Salviat,B. (1999), Aster, 28 Coquidé (2003), Education, formation : nouvelles questions, nouveaux métiers, ESF. De Vries E. (2001), Revue Française de pédagogie, 137, 105-116. Develay (1989) Aster, 8. Hofstein, A., & Lunetta, V. (2003). Science Education 88, 28-53. Karelina, A., & Etkina, E. (2007). Phys. Rev. ST, Phys. Educ. Res., 3. Laugier, A., & Dumon, A. (2003). Chemistry Education: Research and Practice, 4(3), 335-352 Meester, M. A. M., & Maskill, R. (1995). International Journal of Science Education, 17(5), 575-588. Millar (2004), Meeting High School Science Laboratories: Role and Vision, Washington, DC. N’Guyen (2008) Mémoire de master, UJF.

Bibliographie Neber, H., & Anton, M. (2008). Int. J. Sci. Educ., 30(13), 1801-1821. Robinault, 2002 Rollnick, M. et al. (2001) Int. J. Sci. Educ., 23 (10), 1053-1071. Schraagen (1993) , Cognitive Science, 17. Séré, M. G., & Beney, M. (1997). Didaskalia, 11, 75-102. Séré, M. G. (2002). Science Education 86(5), 625-643. Tiberghien A. et al (2001), Science Education, 85, 483-508. Trgalova J. (2003), Actes de EIAH 2003, INRP, Paris, 563-566. Yavuz (2007) Doctorat UJF.