Vers un enseignement fondé sur le questionnement… Enseigner la Physique Vers un enseignement fondé sur le questionnement… Jean Claude Guillaud IUFM – Université Joseph Fourier jean-claude.guillaud@ujf-grenoble.fr

La poussée d’Archimède (niveau collège) « Mise en évidence : Nous faisons deux observations : l’index se déplace sur la graduation ; il indique P’(= 1,7N) < P (=2N). Le fil par lequel est suspendu l’objet reste vertical. » L’interprétation suit immédiatement : « La diminution de poids observée n’est qu’apparente elle est due à une force exercée par le liquide. Cette force est appelée Poussée d’Archimède : Pa. Sa direction est verticale puisque le fil reste vertical. Son sens est vers le haut. » Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

La deuxième partie de la leçon concerne la détermination expérimentale de la poussée d’Archimède… Plusieurs remarques sont faites : la poussée d’Archimède est Pa= P-P’= 0,3N le volume initial d’eau était de 300mL le volume d’eau déplacée est de 30mL Le poids de ce volume d’eau est rVg = 1x0,03x10 = 0,3N La relation liant la poussée d’Archimède à la masse volumique du liquide et au volume du corps est donc donnée : Pa= rVg Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Seul celui qui connaît la loi peut monter une telle expérience… Le matériel, les manipulations effectuées sont choisis et organisés avec comme fonction essentielle la mise en évidence de la loi. Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Autre situation… (niveau 5ème) Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Quelques éléments d’analyse… Les « conceptions » des élèves ne sont pas prises en compte Simple, mais riche, plusieurs faits en une seule monstration Expérience prototypique Mise en évidence LA LOI Désigne les grandeurs pertinentes et vise à permettre d’emblée leur mesure Le plus souvent unique pour un phénomène donné Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Les conceptions

La formation de l’esprit scientifique G. Bachelard 1938 « J'ai souvent été frappé du fait que les professeurs de sciences, plus encore que les autres si c'est possible, ne comprennent pas que l'on ne comprenne pas. Peu nombreux sont ceux qui ont creusé la psychologie de l'erreur, de l'ignorance et de l'irréflexion... Les professeurs de sciences imaginent que l'esprit commence comme une leçon, qu'on peut refaire une culture nonchalante en redoublant une classe, qu'on peut faire comprendre une démonstration en la répétant point par point. Ils n'ont jamais réfléchi au fait que l'adolescent arrive dans la classe de physique avec des connaissances empiriques déjà constituées : il s'agit alors, non pas d'acquérir une culture expérimentale mais bien de changer de culture expérimentale, de renverser les obstacles déjà amoncelés par la vie quotidienne. » La formation de l’esprit scientifique G. Bachelard 1938 Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Les élèves commettent des erreurs dont certaines ne sont pas accidentelles On les retrouvent chez la plupart des individus ; Elles sont récurrentes ; Elles résistent à un enseignement qui ne les prend pas en compte. Ces erreurs s'enracinent dans l'expérience passée de l'élève Sociale (culture commune) ; Didactique (produit de l'enseignement) ; Affective (structuration de la personnalité). Les élèves n'arrivent pas en classe vierges de toute connaissance, mais avec des "conceptions" Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Conceptions en électricité (1) Conception unifilaire Le courant va du générateur à la lampe. Conception unifilaire premier degré jusqu’en 5ème Les courants antagonistes : conception très présente en 4ème Les courants « antagonistes » Deux courants issus du générateur se heurtent dans la lampe, ce qui produit de la lumière. Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

« Mais lorsque l’action électromotrice a lieu … il en résulte un double courant ; l’un d’électricité positive, l’autre d’électricité négative, partant en sens opposés des points où l’action électromotrice a lieu, et allant se réunir dans la partie du circuit opposée à ces points… c’est cet état de l’électricité dans une série de corps électromoteurs et conducteurs, que le nommerai, pour abréger, courant électrique. » Mémoire présenté à l’Académie Royale des Sciences, le 2 octobre 1820 par A.-M. Ampère Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Conceptions en électricité (2) 1 2 Vrai Faux Je ne sais pas 1. La lampe L'1 va briller pareil que L1 2. La lampe L'1 va briller moins que L1 3. La lampe L'1 va briller plus que L1 L ' 1 2 3 Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Conceptions en électricité (3) Si le sujet considère que la pile est un générateur de courant constant, il répondra que L'1 brille autant que L1 ; Si la lampe L'3 est considérée comme un obstacle, le sujet répondra que L'1 brille moins que L1 ; Si le sujet possède (et utilise…) le modèle du physicien, il répondra que L'1 brille plus que L1. En effet, les lampes L'2 et L'3 étant en parallèle, leur résistance équivalente est inférieure à celle de L2 (nouvelle voie offerte au courant). Donc, l'intensité du courant délivré par le générateur est plus grande dans le deuxième circuit que dans le premier et L'1 brille plus fort que L1. L 1 2 L ' 1 2 3 Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Résultats obtenus Le tableau ci-dessus montre que le nombre de réponses correctes est tout à fait dérisoire, sauf au niveau U4 (40%). Il s'agit donc d'une question particulièrement difficile dont la solution est réservée à une minorité de spécialistes ! Pour l'essentiel, les échecs peuvent être imputés à la conception de générateur à courant constant. Qui oserait poser à ses élèves l'exercice ci-dessus ? Que penser d'un enseignement de l'électrocinétique qui ne permet pas d'obtenir de bons résultats dans la résolution de ce genre de problème ? Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Notion de situation-problème Quelles sont les raisons qui justifient un enseignement fondé sur le questionnement ? Notion de situation-problème

Des raisons épistémologiques… Les savoirs sont indissociables des problèmes qui leur ont donné naissance et qu’ils permettent de résoudre. Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Des raisons liées aux travaux en psychologie cognitive … (socio-constructivisme) Le constructivisme Importance de la mise en activité de l’élève et de la nécessité de concevoir ses apprentissages dans le cadre de la résolution de problèmes L’interaction sociale Importance de la prise en compte des processus d’interaction sociale dans la construction des connaissances chez l’élève Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Des raisons éthiques… « Ce qui est donné aux élèves dans le cours de biologie, de chimie et de physique ne saurait se réduire à une masse de connaissances objectives et impersonnelles qu’ils accumuleraient en mémoire pour les faire servir le moment venu. Il leur est d’abord et avant tout communiqué une certaine image de ce qu’est et de ce que prétend être la science au moment où ces élèves, garçons et filles, prennent connaissance des résultats acquis dans ces disciplines. Ainsi, les professeurs de sciences, qu’ils le veuillent ou non, qu’ils s’en rendent compte ou non, servent non seulement à transmettre tout un bagage théorique, mais également à légitimer et à valoriser l’activité scientifique elle-même. Ils se trouvent donc à transmettre une conception de la science au moment même où ils pourraient croire qu’ils ne transmettent que des connaissances acceptées. » Jacques DESAUTELS Conseil des Sciences du Canada Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Des raisons institutionnelles… Les programmes et commentaires de SPC font explicitement référence à la nécessité du questionnement. « Il faut (…) insister sur le fait que la pratique expérimentale dans l’enseignement ne favorise la formation de l’esprit scientifique que si elle est accompagnée d’une pratique du questionnement et de la modélisation. » BO N°6 spécial Août 1999 (Programmes de 2nde) « Dans l’introduction relative au programme de seconde, était mis en avant l’intérêt de privilégier en classe des activités de réflexion scientifique construites sur des situations-problèmes donnant naissance à un questionnement. Ce questionnement, on le sait, ne saurait se réduire à la simple observation expérimentale (…) Comprendre, c’est toujours reconstruire le réel par la pensée. Ces images mentales des phénomènes sont les outils indispensables pour anticiper le comportement d’un système, opérer des analogies avec d’autres systèmes ayant des comportements semblables, élaborer des expériences nouvelles, créer des objets nouveaux. Les phases de questionnement sont les moments au cours desquels ces images mentales sont élaborées par les élèves, lors d’un processus de confrontation entre ce qu’elles permettent d’anticiper et l’expérimentation directe.» BO N°7 31 Août 2000 p. 182 (Programme de Première S) Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Les deux caractéristiques du problème la problématisation : construire, formuler, poser le problème Explorer la (les) question(s) initiale(s), Rechercher les paramètres, les variables pertinentes, Interroger les phénomènes, Interroger les connaissances disponibles la résolution : Chercher, construire la réponse Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Mais une question n’est pas un problème… Une question appelle une réponse alors qu’un problème appelle une procédure de résolution. Le problème n’est pas donné au départ ; il se construit progressivement au cours d’activités (problématisation) Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Conduite du questionnement Une situation concrète…. …suivie d’une demande de prévision argumentée (hypothèse). Présentation des différentes hypothèses Discussion : sélection des hypothèses à valider Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Deux caractéristiques importantes Le choix de la question Toujours très concrète et orientée vers une réponse aussi univoque que possible. Formulée en termes d’opinion et non de connaissances (selon vous, à votre avis…)  But : éviter toute réponses ambiguë, non exploitable ou qui autorise une stratégie de contournement du problème. Le rôle central de l’anticipation On fait réfléchir, discuter en petits groupes d’au moins trois élèves, et on demande de prévoir en l’absence de tout constat expérimental.  But : conduire les élèves à utiliser et à confronter des opinions généralement fondées sur l’évidence du sens commun. Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Exemple 1 : où va tomber la balle ? (2nde) Un cycliste, roulant à vitesse constante sur une piste horizontale, abandonne sans la lancer une balle qu’il tenait à la main. A votre avis, où se trouvera le cycliste et son vélo lorsque la balle touchera le sol ? Vous travaillez par groupes de quatre et vous devez fournir par écrit une proposition de réponse précise et argumentée. La réponse est univoque Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Place de l’expérimentation L’expérimentation est élaborée, une fois le problème construit, afin de tester (valider ou réfuter) les hypothèses retenues. Elle intervient après la problématisation, au niveau de la résolution du problème. Les élèves peuvent être associés à la construction de l’expérimentation. Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Quelles sont les différentes phases d’une activité de questionnement ?

Phase de présentation Il s’agit de mettre en perspective les activités qui seront proposées aux élèves L’enseignant assure la «mise en scène» de la présentation devant la classe. 1 Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Phase d’action Il s’agit d’engager les élèves dans la construction du problème en leur demandant d’élaborer des propositions. Recherches en petits groupes de trois à cinq élèves ; (confrontation d’opinions; expression écrite d’un point de vue commun ou des différences d’opinions) L’enseignant s’assure, en passant dans les groupes, que les élèves effectuent bien le travail demandé. Il veille à ne pas induire la réponse correcte ni à corriger des erreurs éventuelles. Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Phase de formulation Il s’agit de mettre à la disposition de toute la classe les différents types de propositions. Travail collectif en classe. L’enseignant réalise au tableau une classification des propositions de manière à en dégager les principaux types. Les propositions incohérentes sont éliminées lors de la discussion. Celles qui restent constituent alors éventuellement autant d’hypothèses qui devront être soumises à l’expérimentation. Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Après la construction du problème…sa résolution Phase de validation But : valider ou invalider les hypothèses retenues notamment par l’expérimentation. Les élèves participent éventuellement à la construction ou à la mise au point du protocole d’expérimentation. L’enseignant permet la mise en œuvre du protocole expérimental quitte, éventuellement, à le faire lui-même. Phase d’institutionnalisation Le professeur décontextualise les connaissances construites et les expose. Ces connaissances sont reconnues comme utilisables dans un ensemble de situations bien déterminées (domaine de validité). Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Retour sur la situation du cycliste… Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

En guise de conclusion…

Un constat déjà ancien… Au début des années 90, seuls 1/3 des élèves de seconde disent préférer les SPC parmi les matières d’enseignement Ils se sentent étrangers à cette discipline; Ils lui reprochent de ne pas les aider à développer l’esprit critique ; à comprendre leur environnement scientifique et technique ; à se faire une opinion sur les aspects politiques et sociaux du développement scientifique et technologique. Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Plus récemment… Rapport Ourisson, pour l’Académie des sciences : « Désaffection des étudiants pour les études scientifiques », mars 2002 « Europe needs more scientists » : rapport pour la Commission Européenne (2004) Rapport Rolland pour l’assemblée nationale (2006) « L’enseignement des disciplines scientifiques dans le primaire et le secondaire » Rapport Rocard pour la Commission Européenne (2007) « L’enseignement scientifique aujourd’hui : une pédagogie renouvelée pour l’avenir de l’Europe » La désaffection des jeunes pour les études scientifiques est un problème mondial. Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

L’éducation scientifique dans le monde présente plusieurs constantes Un désenchantement général vis-à-vis de la science ; Une sous représentation des femmes dans les carrières scientifiques ; Un enseignement trop académique : La crise des sciences ne se limite pas au problème des scientifiques sous-payés et mal-aimés. Les méthodes d’enseignement des sciences constituent une des principales explications mises en avant, notamment par les élèves eux-mêmes, pour expliquer la désaffection Les sciences souffrent d’être perçues comme abstraites. Dans différents pays, cette impopularité est imputée aux insuffisances des programmes et des manuels qui conduiraient à un apprentissage purement mécanique, sans permettre une réelle compréhension des notions utilisées. Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Première des préconisations du rapport Rocard 2007 « Renverser la pédagogie pour enseigner les sciences, en la faisant passer de méthodes essentiellement déductives à des méthodes basées sur l’investigation permet d’augmenter l’intérêt des jeunes pour les sciences » Jean Claude Guillaud IUFM / UJF Vendredi 6 mars 2009

Merci !