La théorie des deux mondes

De la didactique pour préparer un cours de physique

Le prof débute son cours en parlant d'échographie. On a des images de fœtus en train de sucer leur pouce dans la tête, on se rappelle le froid du gel qu'applique le médecin avant de faire une échographie lorsqu'on s'était fait une entorse au foot. Quelques instants plus tard, nous voilà en train de bidouiller un micro et un récepteur sur un banc d'optique pour étudier la propagation des ondes sonores et on voit des sinusoïdes sur l'écran de l'oscilloscope. Il s'est passé quoi là? C'est quoi le lien? 

Enseigner c'est aussi aider l'élève à faire des liens

L'une des difficultés de l'enseignement de la physique est de permettre à l'élève de faire des liens entre les objets et les phénomènes du monde de tous les jours et entre les objets et les phénomènes de la classe de physique. Ces objets sont introduits en classe de physique pour modéliser la situation de la vie de tous les jours. Souvent, pour comprendre le lien entre l'objet de la vie de tous les jours et l'objet utilisé en physique, il faut passer dans le monde des concepts et des modèles. Il faut dire que l'échographe émet une onde ultrasonore qui se propage dans un milieu, est réfléchie, puis est enregistrée par un micro. C'est cette modélisation qui permet de comprendre la situation expérimentale choisie par le prof de physique. 

Tableau pour repérer les liens de modélisations à expliciter

Cette nécessité pour l'enseignant de bien faire attention à distinguer (et relier) objets et concepts, vie de tous les jours et classe de physique, a amené une chercheuse en didactique (A. Tiberghien) à introduire la notion de théorie des deux mondes. Cette théorie aide l'enseignant à construire les questions des activités de physique qu'il propose à ses élèves. Lorsqu'il a choisi la situation qu'il va étudier en classe, l'enseignant peut remplir le tableau de modélisation ci-dessous. 

 

 

Illustration sur l'exemple de la formation de la buée

Changeons d'exemple et prenons une démarche d'investigation proposée par Météo-France pour les primaires. Il s'agit de savoir "d'où vient l'eau de la buée?". Dans la vie de tous les jours, les enfants observent la formation de buée principalement en voiture, dans le bus ou parfois à la maison, les jours où il pleut et il fait froid. Il faut donc distinguer les objets (l'air dans la voiture, l'air hors de la voiture, la pluie, la vitre de la voiture, la pluie) les évènements (l'apparition et la disparition de la buée), les concepts de la vie de tous les jours (le chaud et le froid), et la théorie de la vie de tous les jours (la buée se crée quand le chaud rencontre le froid). 

Pour expérimenter en classe, les élèves proposent d'utiliser un sèche-cheveux ou des glaçons pour faire le chaud et le froid : ici, on voit une non dissociation du concept (chaud ou froid) et de l'objet (sèche-cheveux ou glaçons). L'enseignant va souvent mettre les glaçons dans de l'eau dans un verre et on arrive en classe de sciences à une situation avec comme objets : l'air de la pièce, l'eau avec les glaçons et le verre, la buée. Les concepts scientifiques à mettre en jeu pour décrire cette situation sont la température et l'humidité de l'air. L'explication physique est assez complexe en comparaison de celle de la vie de tous les jours, j'ai fait un billet sur ce sujet ici : http://la-zaude-a-lecole.blogspot.fr/2017/03/comment-se-forme-la-buee.html

 

Sur l'image ci-dessous on voit comment ce diagramme peut aider l'enseignant à expliciter les liens à faire pour aider les élèves à tirer le meilleur parti de cette situation d'apprentissage.

[J'ai lu] Teaching critical thinking? New directions in science education _ Osborne

J'entame aujourd'hui une série de billets sur les articles de sciences de l'éduc que je lis sur mes trajets quotidien en train... Une manière de partager mes lectures et de me forcer à faire des fiches de lecture!

Jonathan Osborne

Donc cet article est écrit par Jonathan Osborne, un chercheur en sciences de l'éducation qui travaille à Stanford et qui est très connu et très actifs (77 publis sur RG) en didactique des sciences. Il a travaillé sur de nombreux sujets et en particulier sur l'argumentation. 

Cet article est un point de vue écrit dans la revue "School Science Review" qui est une revue de "the Association for Science Education". Il ne s'agit pas d'une revue où sont publiés des résultats de recherche mais davantage d'une revue pour informer les différents membres de l'association.

Dans cet article, J. Osborne aborde la question de l'enseignement de l'esprit critique dans les cours de sciences. Dans l'introduction, Osborne défend l'idée que la critique est centrale dans le fonctionnement des sciences en ce qu'elle permet la comparaison des prédictions des théories avec les résultats expérimentaux. C'est par la critique des pairs que les résultats scientifiques sont acceptés ou rejetés. 

À l'opposé, Osborne constate que les sciences telles qu'on les enseigne forment souvent une sorte de dogme constitué d'un ensemble de faits et de savoirs incontestés et incontestables. Les didactiques des sciences ont bien établi que les élèves qui arrivent en classe de sciences possèdent des connaissances quotidiennes pour interpréter le monde. Ces connaissances quotidiennes sont parfois décrites sous le nom de : conceptions naïves, idées initiales, ... Lorsque ces connaissances diffèrent ou sont incompatibles avec le savoir à enseigner en classe, de nombreux auteurs parlent de misconceptions. J. Osborne propose donc d'utiliser ces conceptions pour développer l'esprit critique des élèves en pesant les arguments pour et contre les connaissances scientifiques et les connaissances quotidiennes.

Osborne utilise deux arguments pour défendre cette proposition :

1. Une pratique plus efficace. Plusieurs études semblent montrer qu'une telle pratique, en plus de permettre aux élèves d'avoir une meilleure compréhension du fonctionnement des sciences, pourrait aider les étudiants à comprendre les concepts scientifiques. En particulier, l'étude de Hynd and Alvermann (1986) montre que des textes de physique qui explique pourquoi les connaissances quotidiennes ne marchent pas avant d'expliquer les connaissances de physique donnent lieu à des apprentissages plus significatifs que des textes présentant uniquement les connaissances de physique. 
2. L'évolution des attentes de la société. Aujourd'hui, les sociétés occidentales modernes attendent de l'école, et en particulier des enseignements de sciences, qu'ils forment l'esprit critique des futurs citoyens. Cette évolution se retrouve en particulier dans les objectifs de tests internationaux comme le test PISA mené par l'OCDE. Dans le test PISA, la culture scientifique (scientific literacy) est évaluée selon les critères suivants : Explain phenomena critically, evaluate and design scientific enquiry et interpret data and evidence scientifically.

 Références :
Osborne (2014), Teaching critical thinking? New directions in science education, School Science Review, v95 n352 p53-62
Hynd and Alvermann (1986), The role of refutation text in overcoming difficulty with science concepts. Journal of Reading, 29, 440–446.

Très bonne idée ... pour évaluer?

Il y a quelques jours je discutais avec une collègue d'enseignement et de vulgarisation. Pour aider les étudiants à distinguer deux concepts ("espèce sauvage" versus "espèce domestique"), je proposai une activité où il fallait replacer différentes espèces d'animaux dans deux colonnes. L'idée intéresse ma collègue, je lui raconte comment il me semble possible d'intégrer cette idée dans une exposition itinérante pour des élèves de collège ou au cours d'un cours avec des étudiants adultes. 

Instantanément, ma collègue voit l'intérêt de cette activité pour évaluer ses étudiants en fin de module.  

Il y a quelques années, Nathalie Younès, une chercheuse en sciences de l'éducation de Clermont Ferrand présentait à une conférence les résultats d'une étude qualitative sur l'usage des boitiers de vote par des enseignants universitaires. La plupart ont d'abord commencé par utiliser les boitiers de vote pour évaluer les étudiants et voir "où ils en étaient" et "s'ils avaient appris leur cours" avant parfois de passer à un usage plus "moderne" dont le but de l'évaluation soit de permettre à l'étudiant de se situer. 

Après ces deux exemples, je me demande pourquoi les enseignants semblent détourner les "innovations pédagogiques" d'abord pour évaluer... 

• Si les enseignants sont en manque de matériel pour mener les évaluations sommatives (fin de module)? 
• S'il s'agit d'un manque de compréhension du rôle des rétroactions dans l'apprentissage? 

D'autres idées? 

Quelques réflexions sur "la recherche pour améliorer l'enseignement supérieur"

Ce WE, Thierry Mandon était sur France Inter dans Agora, chez Stéphane Pas Au Lit (blague qui me faisait beaucoup rire il y a ... 15 ans quand il animait le 7-9).

J'ai pas tout tout écouté, mais à un moment, vers 35', j'ai bien entendu : il faut développer la recherche en éducation pour l'université :

"Avec l'hétérogénéïsation des publics, (...) la recherche en éducation va devenir un problème absolument essentiel qu'il va falloir soutenir financièrement, puissamment,  si on veut réussir la démocratisation, si on veut de la qualité de l'exigence alors il va falloir investir dans la façon d'apprendre et tout le monde n'apprend pas forcément de la même façon"

Chouette, pédagogie (ou didactique, ou sciences de l'éduc) mises à côté de l'université, ça devient à la mode!

Chouette, il se trouve que c'est un peu ce que je veux faire.

Hibou, c'est pas si simple... 

1. De la recherche dans la façon d'apprendre : il y en a! Des bons enseignants, tout le monde en connaît au moins un! Le vrai problème ne serait-il pas davantage : comment massifier de bonnes pratiques d'enseignement? A ce sujet, je vous conseille la lecture très intéressante de l'article d'Elmore sur ce sujet : article "getting to scale" , ou sur le résumé que l'on trouve par exemple sur ce site.
2. De la recherche, oui mais laquelle? 
   Sur comment apprendre en général (pédagogie universitaire)? ou sur comment apprendre une discipline en particulier (des maths, des langues anciennes, de la physique)?
   Aujourd'hui les deux sont un peu dissociés. Les premiers relèvent davantage des départements de psycho, les autres relèvent davantage des disciplines mères.
   -> Quel type de travaux de recherche permet le mieux aux autres enseignants-chercheurs de modifier leurs pratiques?
   -> Va-t-on privilégier un type de recherche pour donner de réels moyens d'agir? Ou au contraire, vaut-il mieux ne pas mettre tous les œufs dans un même panier pour permettre à différentes approches de coexister et de trouver leur éco-système?

Dans mon environnement (département de physique), clairement, c'est la recherche en éducation faites par des chercheurs labellisés "enseignant-chercheur de physique reconnu" qui a le plus de chances d'être entendue. Ainsi en France plusieurs EC de physique ont fait évoluer leur façon d'enseigner suite au visionnage de la conférence d'Eric Mazur : Confessions of a converted lecturer.

Dans tous les cas, commencer à poser la question de cette recherche, c'est déjà avancer dans la bonne direction! 

Enseigner les constantes

La vitesse de la lumière dans le vide est une constante

La fréquence d'une onde est constante lors du passage d'un milieu à un autre

La vitesse du son dans l'air est une constante

Quand le prof écrit ça, il a plein de contre exemples en tête, que la vitesse de la lumière ne dépend pas du référentiel, de l'heure de la journée, de la longueur d'onde etc sauf si on est dans un milieu autre que le vide. Mais constant ça va plus vite. 

 Pas pour un étudiant qui n'a aucune idée de ce qui ne devrait pas influencer la grandeur dont on parle. Donc enseigner que quelque chose est constant, c'est citer toutes les choses qui pourraient faire que ça bouge, mais qui finalement n'influencent pas... !

évident quand c'est écrit non? 

Différents types de concepts

Le cheval, un concept catégoriel

Dans le livre de Rieiner sur la pédagogie[1], il y avait tout un chapitre consacré à l'apprentissage de concepts. Prenons l'exemple du concept cheval : pour enseigner ce concept l'auteur propose deux méthodes : 

• Méthode inductive : présenter un ensemble de représentants de chevaux, comme par exemple sur la carte postale ci-dessus, puis un ensemble de contre-exemples, et en déduire la définition du cheval
• Méthode déductive : donner la définition d'un cheval (mammifère herbivore à un seul doigts par membre avec des sabots, etc... ) puis présenter des exemples et des contre-exemples
• Dans les deux cas on demande ensuite à l'élève de s'entraîner à reconnaître ce qui est cheval et ce qui ne l'est pas. 

Dans l'enseignement classique, c'est très souvent le cas, car dès que l'on enseigne le sens d'un mot, on enseigne en fait un concept (adjectif, triangle, métaphore, ...). 

À la lecture d'un article du BUP (Bulletin de l'Union des Physiciens) [2], je prends conscience que cette méthodologie ne couvre qu'un type de concept : les concepts catégoriels. L'autre classe de concepts, les concepts formels, ne peuvent être introduits par une procédure de désignation. Quelques exemples en physique : 

• L'énergie
• La quantité de mouvement
• Une force
• L'accélération
• Le champ électrique
• ... 

 La construction de ce type de concept se fait au travers de ses propriétés. Dans le cas de la quantité de mouvement, le point important est qu'elle est conservée lors d'un choc par exemple.

Je ne suis pas convaincue de la stratégie choisie dans l'article pour cet enseignement, un autre exemple est réalisé par A. Tiberghien et son équipe dans l'enseignement du concept énergie au collège qui est très intéressant.

[1] Préparer un cours, tome 2, A. Rieunier
[2] Enseignement et apprentissage d'un concept par les élèves : la quantité de mouvement en classe de seconde. G. Lemeignan et al, BUP n°716, p1013-1030 (1989)

On teste mon TP

Déroulement d'un tir

Depuis l'an passé, je prépare un TP sur la mesure dans le cadre de mon mémoire en didactique. Bon, aujourd'hui, c'était le grand jour de pré-test,  et évidemment j'étais à la bourre, grave. En sautant la case repas, ça passait tout juste, mais évidemment, mes cobayes têtes en l'air étaient en retard, quand les autres étaient au taquet... 

Or donc, j'avais deux binômes : 

• Un de "naïfs" avec une étudiante en M1 et une autre en L3
• Un de moins "naïfs" avec un chercheur et une doctorante

Et un TP non directif, ouhlàlà, c'est trop dur d'enseigner sans parler! Heureusement que A était là pour me surveiller car j'ai du mal à ne pas rajouter d'informations pour les laisser réellement travailler en autonomie. C'était aussi difficile pour eux d'ailleurs. 

Le TP était organisé sous la forme d'un jeu : ça ça a bien marché, ils étaient ultra-motivés, ils se sont amusé, bref, côté dévolution, je me mets 10/10!

Les étudiants ont passé pas mal de temps à appréhender la manip au départ, et donc je pense que je gagnerai du temps à expliquer l'objectif du jeu en faisant la démonstration d'un lancer devant eux (réglage de la longueur du fil, nœuds, etc. ).

Par contre, dans les objectifs du TP, je voulais que mes étudiants modélisent le système étudié, et ça clairement, ça ne fait pas partie de leurs habitudes en TP. En discutant avec eux à la fin, ils m'ont expliqué que pour eux, dans un TP en temps limité, on manipule mais on ne pose pas d'équations, donc ils n'ont pas osé poser des équations. Clairement, je me suis retrouvée face à un problème de contrat didactique, et dans la discussion qui a suivie, on a décidé d'appeler cette séance un "TD expérimental", et de rajouter un schéma de la manip qui oriente la modélisation. 

Mon système est très amusant, car un fil est coupé par un cutter, et ça je sais que ça joue dans la motivation, ça change des systèmes classiques que l'on voit en TP. Par contre ça a l'inconvénient majeur qu'un binôme ne peut pas faire beaucoup de statistiques et du coup L. me proposait le TP équivalent avec la gouttière en lieu et place du pendule. Mais du coup la dispersion des résultats serait beaucoup moins importante, et à court terme je n'ai pas le temps de changer d'ici mardi prochain où je teste la séquence sur une classe entière. Je me dis que je peux contourner cette difficulté en indiquant que cette manche est le préalable à un contest entre les deux demi-classes qui aura lieu la semaine suivante en classe entière, et que donc, il faut qu'ils notent soigneusement chacun les résultats de chacun des tirs pour pouvoir ensuite travailler sur une stat raisonnable. 

Je leur avais laissé une grille pour qu'ils notent le résultat de chaque lancé, mais je n'avais pas mis d'indication sur les colonnes. Je pense que je pourrais rajouter les paramètres pertinents, ils perdraient surement moins de temps au départ, et pourraient peut être passer plus de temps sur ce qui m'intéresse. 

Enfin, je n'ai quasiment aucune trace écrite par les étudiants. A. avait raison, si on ne les force pas, ils n'écrivent rien. Du coup, pour remédier à ce point ainsi qu'aux non tentatives de modélisation, je pense proposer un temps où ils n'ont pas le droit de manipuler et où ils doivent communiquer par écrit une stratégie pour gagner. 

En tous cas c'était super intéressant, les étudiants étaient content de participer à ce test, ils ont trouvé ça beaucoup plus sympa que les TPs habituels, alors c'est déjà encourageant!

Les référentiels galiléens

Je n'aimais pas la mécanique du point, et encore moins la mécanique du solide car j'ai eu souvent l'impression d'y faire plus de maths que de physique, et de devoir mesurer des trucs évidents quand par hasard il y avait un TP (vérifier la première loi de Newton sur la table à coussin d'air etc). 

Cette année en didactique, je vois énormément de travaux portant sur la didactique de la mécanique, pire, l'expérience sur laquelle porte mon mémoire appartient à la mécanique, et ma foi, ça devient petit à petit intéressant... 

En ce moment je lis le livre d'Einstein : l'histoire des idées, le chapitre sur les champs où il reparle de mécanique en introduisant les référentiels galiléens. Bah oui, parce qu'en fait, jusqu'à cette partie là de l'histoire, il n'en parle pas. Il fait de la mécanique sans préciser : on considère que la Terre est un référentiel galiléen. Sacrilège, mais il n'a pas le droit!!! Tous les cours de mécanique depuis la première commencent par cette précision, même si on ne voit pas à quoi ça sert, on sait que le principe d'inertie n'est valable que dans un tel référentiel, et on sait qu'en général la Terre, c'est bon. 

En fait, je trouve ça très intéressant. Le physicien sait que dans l'énoncé moderne du principe d'inertie, il faut préciser le référentiel, mais l'élève de lycée n'a pas besoin de cette précision pour le moment. Il peut apprendre qu'un objet soumis à des forces qui se compensent ne change pas sa vitesse. C'est à dire qu'un livre sur une table soumis à son poids et à la réaction de la table ne bouge pas, et que si il n'y avait pas de frottement, que je coupais le moteur de ma voiture, je roulerai indéfiniment à la même vitesse sur une route horizontale. 

Mais le physicien n'aime pas qu'on enseigne des trucs qui ne sont pas toujours vrai, ben oui, dans le train qui tourne, ma valise, elle tombe! Que dire? Que faire?

Un choix pédagogique pourrait être  : 

1. D'énoncer le principe d'inertie sans parler de référentiel galiléen, ni de changement de référentiel, ni même de référentiel.Les élèves disposeront alors d'un certains temps pour appréhender le principe en le mettant en œuvre dans un certain nombre de situations.
2. Dans un deuxième temps on pourrait aborder le mouvement de translation (le contrôleur de train sur le quai et celui dans le train), et donc introduire la nécessité d'un système de coordonnées et d'un référentiel. On traitera alors les problèmes des changements de référentiel en ne prenant qu'une classe de référentiel en translation uniforme les uns par rapport aux autres.
3. Et puis enfin,  en prenant l'exemple du train qui tourne et qui fait tomber la valise, on montrera que tous les référentiels ne sont pas équivalents et on définira les référentiels galiléens.

Un exemple de transposition didactique : l'énergie au collège

Sources d'énergie

Cette réflexion vient directement de ma dernière lecture pour le master de didactique : Les Connaissances Naïves. Cet exemple est traité dans le chapitre sur les connaissances naïves en physique, mais ce qui me plait le plus est l'éclairage sur la transposition didactique qui pour la première fois pour moi est devenu très éclairant. 

L'énergie en physique est un concept très abstrait et mathématique : il s'agit d'un nombre qui se conserve. Prenons par exemple les réflexions de Feynman, grand physicien, prix Nobel de physique, à ce sujet : 

"De toutes les lois de conservation, celle qui traite de l'énergie est la plus difficile, la plus abstraite et cependant la plus utile, elle est plus difficile à comprendre que celles que je viens de décrire ; en effet, pour la charge [électrique] et ces autres lois de conservation, le mécanisme est clair, c'est plus ou moins la conservation de certains objets [...]. La conservation de l'énergie est un peu plus difficile, car, cette fois, nous avons un nombre qui ne varie pas avec le temps, mais ce nombre ne représente aucun objet en particulier"

C'est donc un concept très compliqué à introduire pour le physicien sans rentrer directement dans un formalisme mathématique plus que pénible pour des collégiens. Donc ça n'était enseigné qu'à partir du lycée.
Oui mais, le savoir à enseigner dans la classe n'est pas le seul produit des scientifiques, il est aussi influencé par la noosphère, c'est à dire les politiques, la société étouça. Et aujourd'hui, pas un JT sans que l'on ne parle d'énergie renouvelable, d'énergie fossile... Il faut donc introduire la notion d'énergie dès le collège.

Une transposition didactique intéressante consiste, en se basant sur les connaissances initiales des élèves, à introduire le concept d'énergie en se basant sur certaines propriétés de l'énergie, sans chercher à la définir per se. On introduit alors un modèle qui n'est pas le modèle en vigueur dans le monde de la recherche scientifique, mais qui permet d'introduire la notion en étant compatible avec ce qui sera introduit plus tard dans l'enseignement.

  Je trouve ce travail très intéressant, ça ouvre pas mal de perspectives quant à l'enseignement de certains domaines de la physique réservés au post bac qui ont atterrit en term S, ou dans un tout autre domaine, aux connaissances scientifiques de l'éthologie qui doivent désormais être enseignées au plus grand nombre dans le cadre des nouveaux galops.

Références :
Les connaissances naïves, J. Lautrey, S. Rémi-Giraud, E. Sander, A. Tiberghien,
Solomon (1985), Teaching the conservation of energy, Physics education, 20 (2), 165-170

Les représentations sémiotiques et non sémiotiques - Duval

Kosuth, une et 3 chaises, 1965

Selon Duval, la chaise est l'objet, la photo est une représentation non-sémiotique de la chaise, et le mot chaise est une représentation sémiotique de la chaise.

Selon Duval, il y a deux types de systèmes producteurs de représentations, les systèmes sémiotiques et les systèmes non sémiotiques dans lesquels il y a une relation de causalité entre objet réel et représentation. Selon lui ce sont les systèmes sémiotiques qui accroissent la capacité d'appréhension de la pensée ; mais leur appropriation ne suffit pas, ce qui compte c'est la possibilité de passer d'une représentation à une autre. Une façon d'aider l'apprenant à appréhender le passage entre les différents types de représentation, et de regarder les covariances : qu'est ce qui change dans une représentation quand on change un point dans une autre des représentations? Ce point me parait assez intéressant.

La difficulté en mathématiques, c'est qu'il n'existe pas forcément d'objet dans le monde réel correspondant aux objets qu'il faut représenter. 

 

Dans la représentation sémiotique, il y a des domaines discursifs utilisant une grammaire (discours, énoncé symbolique), et des domaines non discursifs comme les graphes, le dessin géométrique... 

Cet article se termine par une réflexion sur les processus d'apprentissage, et en particulier le clivage classique entre la prévalence de la conscience dans les apprentissages (Platon, Descartes, Husserl) ou alors au contraire la prévalence de systèmes cognitifs indépendants et primaires, la conscience étant le lieu d'émergence des représentations (Aristote, Locke, Condillac, Kant, Piaget...). Duval se place plutôt dans cette deuxième approche, et pour lui les registres de représentation sémiotique sont des structures cognitives secondaires.

Le modèle ou la modélisation?

Expérience classique pour étudier les lois de la réfraction

En sciences, on élabore des modèles qui permettent de prédire des choses dans le réel à partir d'une théorie plus générale. Ces modèles sont performants pour expliquer certains faits, mais ils ont des limites, des  domaines d'applications... 

À travers les travaux expérimentaux et les activités que l'on propose aux étudiants, il faut se demander si on les amène à apprendre des modèles ou apprendre à modéliser?

L'exemple en photo est réfléchi de manière à ne poser aucun problème de modélisation, tout a été bien choisi en amont, l'étudiant n'a plus qu'à apprendre à utiliser les lois dans le cadre de ce modèle.

Quel apport de la didactique pour un département de physique?

Hans Niedderer

En surfant sur le net, parce que je trouve que la formation que je suis est trop centrée sur le primaire-collège, je suis tombée sur une traduction de l'article de H. Niedderer : Research and development in physics didactics at university ; issues and trends par M. Méheut et A. Tiberghien. Ben c'est vraiment intéressant, et je regrette vachement de ne pas avoir lu ce document avant ma présentation d'hier!

Je vous mets le lien pour le télécharger sur didaskalia (gratuit) là.

L'auteur part du constat que : 

1. Les étudiants n'ont pas plus la vocation des sciences
2. Avec les cours classiques basés sur un modèle transmissif de l'information sont insuffisants pour permettre aux étudiants de comprendre les concepts de la physique.  

Image tirée de l'article

L'auteur défend la nécessité Nécessité d'un enseignement constructiviste innovant : 

• Parties de cours plus interactives 
• Clarification des objectifs (dans les énoncés...) 
• TP mind-on (Lunetta) : on trouve le fait peut être contre-intuitif pour l'enseignant que la plupart des étudiants, les TPs c'est chiant.

Quels sont les domaines de la didactique qui peuvent intéresser un département de physique? 

1. Recherche sur la motivation des étudiants pour étudier la physique
1. Quelles sortes de sujet, de types d'enseignement et de média sont intéressants et motivants pour les étudiants ?
2. Quelles sont les attentes des étudiants quand ils démarrent la physique à l'université ?
3. Pendant un cours spécifique de physique, qu'est-ce qui est intéressant, qu'est-ce qui est ennuyeux pour les étudiants ?
4. Quelles sont les raisons qui poussent les étudiants à quitter la physique après l'avoir étudiée quelque temps ?
2. Recherche reliée à la compréhension de la physique par des étudiants
1. Comment la compréhension des concepts de base de la physique peut-elle être améliorée?
2. Comment peut-on évaluer la compréhension des étudiants ?
3. Quels types de connaissance les étudiants ont-ils après ces cours de physique du début de l'université
4. Quelles connaissances ont-elles été acquises à partir des différents cours, selon les différentes approches?
   Il existe déjà un certain nombre d'études qui ont mesuré ces progrès, voir réf dans l'article page 8.
3. Études de processus d'apprentissage
1. Quels sont les états intermédiaires de connaissance pendant le processus d'apprentissage se déroulant lors d'un cours 
4. Recherches sur les cours magistraux
1. Quelle est la contribution des cours à la compréhension et à l'apprentissage de la physique ?
2. Quel est le point de vue des étudiants sur différents types de cours ?
3. Comment les effets de motivation des étudiants et d'apprentissage de la physique diffèrent selon différents types de cours ?
4. Quelle vision de l'apprentissage (plus active ou plus passive) les étudiants ont-ils ? Quelles sont leurs métaconnaissances sur l'apprentissage
5. Recherches concernant l'utilisation des nouvelles technologies
6. Recherches sur les travaux pratiques
1. Quels types de processus d'apprentissage se déroulent durant des TP?
2. Si des travaux pratiques spécifiques visent certains objectifs, dans quelle mesure le TP est-il efficace par rapport à ces objectifs ?

J'essaierai d'essayer de me souvenir de cet  article le jour où je devrais défendre ma place dans une université!

Grandeur et mesure : l'exemple de la masse

La balance numérique,
Un mauvais outil pour enseigner la masse

Aujourd'hui cours sur la mesure. Comprendre la différence entre grandeur et mesure : les psychologues (Piaget & co) ont montré que l'on pouvait savoir mesurer sans avoir compris ce que voulait dire la grandeur. Un exemple? Si on présente une suite d'allumettes à des enfants, et que les enfants répondent que la longueur mise bout à bout est différente selon que les allumettes sont mises en une seule ligne, ou alors en zig-zag par exemple. 

Les allumettes en ligne et en zig-zag

Les psychologues ont donc suggéré de considérer d'abord la grandeur (longueur, masse, ... ), en classant ce qui est plus ou moins long, plus ou moins lourd... Avant de la ramener à une grandeur étalon, ce qui va permettre de devenir une mesure.

Je me souviens de mon petit frère qui faisait des gâteaux au yaourt (on compare tout au volume d'un yaourt), on peut aussi voir l'exemple du quatre-quatre, ou l'on ramène tout au poids des oeufs, en utilisant non pas une balance numérique comme tout en haut, mais une balance de Roberval : 

Raisonner en physique - la part du sens commun

Lecture du WE

En didactique de la physique, on entend de manière un peu rabâchée, un peu toujours les 2 mêmes exemples d'obstacles conceptuels des enfants : la construction des images en optique et l'impetus en mécanique. 

J'ai donc emprunté le livre de Laurence Viennot qui détaille ces 2 exemples, et beaucoup d'autres. J'ai retrouvé les schémas que l'on nous avait proposé en cours de didactique et j'ai appris beaucoup de choses (voir par exemple le post sur le sténopé). 

J'ai beaucoup aimé les exemples du début, l'envie de prendre de la hauteur en ne se cantonnant pas au catalogue. Par contre j'ai trouvé que du point de vue de la physique, c'était parfois un peu creux : le bon raisonnement doit être celui là, je ne vous détaille pas comment on arrive à ce raisonnement là, et je vous montre que les élèves ne comprennent pas. Parfois les exemples sont un peu bâclés (sans connaître le cadre exact dans lequel la question est posée, on serait amenés à répondre différemment de ce qu'elle propose comme raisonnement expert) : un exemple, le cas de la compression d'un gaz. C'est dans le chapitre quasi-statique, donc on suppose une compression quasi-statique, mais elle ne dit pas si les parois sont conductrices de la chaleur ou non. Et moi, je n'ai toujours pas compris comment l'énergie cinétique des molécules augmente lors d'une transformation quasi statique. Le raisonnement est peut être simple, mais elle ne le développe pas. 

Bref, je suis contente de l'avoir lu, je pense que cet ouvrage fait partie des livres à avoir lu quand on enseigne en physique, mais ça n'est pas une bible!

Le sténopé - histoire d'un abandon

Camera oscura

Le sténopé, ou chambre noire, ou encore camera oscura, est l'ancêtre de l'appareil photo. C'est un dispositif extrêmement simple, facile à construire, basé sur le seul principe de proe principe de son fonctionnement. Laurence Viennot spagation de la lumière en ligne droite en l'absence de changement de milieu et il a disparu des programmes... mais pourquoi diantre? 

Dans mes lectures préparatoires au cours d'optique j'avais appris qu'un obstacle conceptuel fréquent chez les enfants concernant la formation des images était le concept d'image voyageuse, de persona : l'image se propage en se contractant ou en se dilatant entre l'objet et l’œil. L'une des situations problèmes adaptées pour faire évoluer les connaissances de l'apprenant, c'est l'image de mickey et de la demi lentille. Il s'agit d'un obstacle substantiel comme on l'a défini dans un post précédent.

Ce que je n'avais pas compris, c'est que dans ce problème, il y a aussi la notion d'image, qu'est ce qu'une image en optique : c'est un ensemble de rayons lumineux qui se croisent (réellement ou fictivement ) quelque part. Et cette notion d'image est très dure à construire chez l'apprenant, elle passe par l'utilisation de systèmes rigoureux, avant d'introduire ensuite la notion d'aberrations. 

Dans le cas du sténopé, on ne construit pas une image au sens de l'optique, mais on voit une image au sens courant du terme. Le fait que les étudiants ne sachent pas expliquer ce qui va se passer si on augmente ou si l'on réduit l'ouverture du sténopé prouve qu'ils n'ont pas compris le principe de cette expérience.

Laurence Viennot suggère donc de ne pas utiliser cette expérience comme expérience introductive, mais à la rigueur comme une expérience de synthèse. En faisant bien attention à tracer des pinceaux lumineux partant de chaque point dont on va faire la pseudo-image.

Je ferai donc attention l'an prochain quand je traiterai de cette expérience dans mon cours d'optique1.

Substantialisation et synthèse additive des couleurs

Quand la lumière est comprise comme la matière

Ce WE j'ai lu le livre de Laurence Viennot : Raisonner en physique, la part du sens commun. Dans ce livre l'auteure décrit comment le sens commun est souvent un obstacle pour la compréhension de la physique de niveau lycée. Plutôt que de faire un catalogue abscons des différents obstacles répertoriés dans la littérature (ce qui à mon niveau me paraissait déjà très intéressant), elle regroupe les obstacles selon leur nature. 

Un dénominateur commun à un certain nombre d'obstacles est la substantialisation. C'est à dire le fait de donner corps, substance et existence matérielle à ce qui n'en a pas, comme la chaleur qui s'écoulerait et se transmettrait d'un corps à l'autre, le rayon lumineux que l'on peut voir depuis le côté, la couleur de la lumière... 

La couleur de la lumière? 

Je n'ai jamais vu cet obstacle à l’œuvre, mais je n'ai jamais enseigné la synthèse additive des couleurs. D'après les études de didactique, le sens commun fait dire à des enfants (des adultes aussi?) que si on fait se croiser 2 faisceaux laser rouge et vert, et bien les faisceaux laser changeront de couleur après leur croisement, comme le feraient 2 encres. La couleur de l'un a en quelque sorte salit l'autre.

L'enfant attribue là une substance à ce qui n'en a pas, à savoir la couleur d'un faisceau lumineux.

C'est un exemple parmi d'autres du phénomène de substantialisation des concepts, pour mieux les appréhender. Le sens commun fait alors obstacle à la compréhension de la théorie de la synthèse additive des couleurs.

Théorie des situations didactiques - un résumé enfin!

Dans cet article, Brousseau est, selon moi, amené à :

1. Définir la notion de milieu et de contrat didactique.
   
   L'enseignement n'est pas le fruit de la simple relation élève-enseignant et de leurs connaissances respectives, il faut aussi prendre en compte : 
   1. le milieu (ce qui est autre que l'enseignant et l'élève, milieu effectif, connaissances antérieures...)  
   2. le contrat didactique (les règles du jeu implicites de la relation élève enseignant). 
    
2. Étudier les situations d'enseignement en : 
1. Nommant et décrivant les différents types de situation d'enseignement
1. Situations de diffusion de connaissances sans contrat didactique
2. Contrats faiblement didactiques portant sur un savoir nouveau
3. Stratégies fortement didactiques portant sur un savoir nouveau
4. Contrats basés sur la transformation des savoirs anciens
   
2. Dénonçant certains effets pervers du contrat didactique
1. Âge du capitaine, effet Topaze...
   
3. Construire des situations adidactiques
   
   dans lesquelles l'élève apprend au contact du milieu adidactique, dans une perspective constructiviste. Dans un tel contexte, l'élève construit son savoir sans connaître a priori le savoir qu'il doit construire en dépassant les obstacles épistémologiques constitués par ses connaissances anciennes (paradoxe du contrat didactique)
   L'auteur définit les différents moments d'une séquence d'enseignement adidactique :
1. La dévolution
2. Situation d'action
3. Situation de formulation
4. Situation de preuve
5. Phase d'institutionnalisation

C'est quoi le but des TPs?

Goniomètre avec prisme

 Oui, parce que quand j’encadre une séance de TP, je me demande parfois où l’on va, qu’avait dans la tête celui qui a rédigé l’énoncé du TP, quelle est la place de ce TP dans le curriculum de telle ou telle formation… J’ai récemment posé cette question au responsable de l’UE dans laquelle j’interviens, sa réponse fut assez déroutante :

 

Les objectifs visés des TPs : être solide sur les bases via la pratique expérimentale en particulier donc.  Autrement dit, ceux qui sont à l’aise avec le formalisme sont invités à adopter résolument une démarche expérimentale. Inversement, ceux qui ne sont pas à l’aise avec le formalisme, sont invités à comprendre les lois étudiées à partir d’une démarche expérimentale, tant la pratique expérimentale sera essentielle pour la compréhension de leurs futurs élèves !

Si on lit les programmes et la mode actuelle, on doit faire pratiquer la démarche expérimentale aux élèves. Dans les BO, la signification de la démarche expérimentale est claire, dans la réponse ci-dessus, ça me semble être très proche de la simple manipulation. Bref, ça veut dire qu’on doit toujours les faire se comporter en apprenti-chercheurs qui observent des phénomènes, se questionnent, proposent des hypothèses, mettent en œuvre un protocole pour vérifier leurs hypothèses, confrontent les résultats à leurs hypothèses, concluent ou en proposent de nouvelles. Bon, on aura compris, il ne faut surtout pas que l’étudiant ait un énoncé clé en main parce que c’est mal, d’autant plus qu’en général, c’est ce dont ils sont demandeurs, nos étudiants fainéants qui n’ont rien compris alors que nous si.

Donc on fait quoi ? Et bien on propose à nos étudiants un énoncé très succinct, voir complètement vide, avec une liste du matos, une liste de proposition d’expérience et une bibliographie et on se dit : bah voilà, hip hop c’est fait, ils n’auront pas d’autre choix que de pratiquer une démarche expérimentale. Je pense qu’on est là dans un simulacre de situation adidactique (en rapport avec les théories de type constructivistes à la Brousseau dans laquelle l’élève en se confrontant au milieu va développer des connaissances (déjà ça c’est pas gagné), mais en plus va poursuivre une démarche d’investigation).

Et qu’est-ce qu’il se passe en pratique pendant la séance ? Et bien nos étudiants sont bien sages, ils vont chercher la biblio qu’on a donnée, qui est remplie de protocoles ultra détaillés (prendre une résistance de 52 W, brancher en série un condensateur…) sans justification du choix des composants qu’ils vont suivre à la lettre, en cherchant de manière très artificielle à faire un calcul d’erreur à la fin, car on leur a dit que sans ça en physique, point de salut !

Bref, on prépare nos élèves pour le concours du CAPES, dans ce cadre leur apprendre à chercher dans des livres les monstrations qu’ils peuvent faire dans le cadre des montages qu’ils auront à présenter à l’oral peut se justifier. Dans cette optique, ils choisissent quelques manips qu’ils bachotent, et en ça ils préparent l’épreuve de montage du CAPES de physique-chimie.

Mais ce faisant on ne forme pas vraiment nos futurs enseignants. En particulier, prenons l’exemple du TP sur les lentilles et la formation des images. On va leur demander de mesurer des distances focales, des grandissements lors de montage à une ou 2 lentilles. Sur leur compte-rendu, on trouvera la copie du protocole du Duffait, leurs mesures, leurs barres d’erreurs dont ils ne comprennent pas le sens ni la raison d’être. 

Alors on fait quoi ? À court terme en ce qui me concerne, pas grand-chose, car je ne veux pas froisser le reste de l’équipe enseignante. Du coup je vais profiter de cette année pour réfléchir petit à petit à comment concevoir 4 séquences de TP (2 en M1, et 2 en M2) pour amener nos étudiants à préparer le concours du CAPES et à devenir des bons physiciens et des bons enseignants. Je proposerais ça au compte-gouttes au reste de l’équipe et on verra si on peut en tirer quelque chose.

L’exemple de l’ENS Lyon : Tout n’est pas bon à l’ENS, ça c’est le moins qu’on puisse dire. Cependant je dois reconnaître la qualité de la démarche de l’UE de physique expérimentale en L3, que je trouve innovante. Cette UE est découpée en plusieurs cycles :

1. TPs d’introduction : il s’agit de TP à protocoles détaillés dont le but est la découverte et la prise en main du matériel disponible à l’ENS ainsi que la remobilisation des connaissances déjà vu en L1 et L2. 
2.  Mini-projets : il s’agit de TPs portant sur l’étude d’un phénomène physique sur 3 séances de 4h que les étudiants ont vu, ou pas, en cours. L’énoncé est assez succinct, quelques idées de manipulations, cependant en général, il n’est pas évident de trouver un protocole tout fait qui soit réalisable au labo. On demande ensuite aux élèves de présenter leurs résultats comme ils le feraient à l’issue d’un stage. Il faut noter que les enseignants n’attendent absolument pas une réponse type à chacun des TPs, plusieurs mesures sont faisables, ce sont les étudiants qui choisissent, et du moment que c’est bien fait tout est recevable. C’est peut être cette partie-là qui est encore discutable pédagogiquement, car la ligne des énoncés n’est pas très claire et les différents mini-projets sont très inégaux. 
3.  Les projets qui se déroulent sur 6 séances de 4h. Les élèves choisissent eux-mêmes le phénomène qu’ils souhaitent étudier (en général un travail de recherche déjà publié, une article d’AJP…), ils ont à leur disposition tout le matériel disponible en enseignement au département de physique, ils proposent leurs protocoles… L’évaluation se fait avec un rapport écrit et une soutenance orale.

Au master enseignement, il ne s'agit pas de former des chercheurs, cependant je pense qu'il faut repenser toute l'organisation des 4 modules de physique expérimentale. ... Post à venir sur le sujet!

Un M2 de plus

Comme je m'ennuie un peu en cette rentrée, que je me lève à 6h tous les matins et que ça ne suffit pas à abattre la pile des dossiers urgents, je me suis lancée dans l'aventure d'un deuxième M2 (oui, j'en ai déjà un répondant au doux nom de Physique : concepts et application). Mais comme j'entends déjà maman râler, je vous rassure tout de suite, comme je suis quelqu'un de très raisonnable, je vais prendre 2 ans pour valider ce master. 

Au programme :

• Histoire et philosophie des sciences
• Didactique des sciences
• Sciences et sociétés : comprendre et communiquer les questions socialement vives
• Méthodologie de la recherche en didactique
• Didactique de la physique
• Anglais (pour passer un diplôme d'anglais niveau B2 nécessaire à la validation du master)
• Stage de recherche et mémoire

En vert ce que je fais cette année, sachant que je compte faire le mémoire sur 2 ans. La difficulté est que j'ai beaucoup de cours/TP qui sont sur les heures d'enseignement de ce master, il faudra donc qu'avec les power-point des intervenants je me fasse ma sauce...

Sur le blog, je vais essayer de tenir à jour quelques petites notes pour partager ce que j'apprends!

Première lecture : quelques réflexions sur l'enseignement des sciences

Dereck Hodson

Le premier article que j'ai lu est un article de D. Hodson, qui était chercheur à l'OISE (au Canada) jusqu'en 2008, intitulé : What count as good science education? C'est article assez simple à lire fait une sorte de bilan des bonnes pratiques de l'enseignement des science. Pour cela l'équipe enseignante doit construire/penser un curriculum décrivant : 

• but de l'enseignement des sciences qui va être proposé
• Sélectionner et former des futurs ingénieurs?
• Apporter de la culture scientifique à tous?
• Le contenu. Dans l'apprentissage des sciences, la didactique a amené à distinguer 3 buts distincts qui ne sont pas toujours clairement conscients pour les enseignants : 
• Apprendre des sciences : c'est à dire faire du disciplinaire
• Apprendre autour des sciences :épistémologie, histoire des sciences, relations entre science et société
• Apprendre à faire des sciences : démarche expérimentale
• Les méthodes d'apprentissage qui vont être mises en œuvre. Ici l'auteur explique différents exemples, mais ça n'est pas très clair, et je ne suis pas sure qu'il soit exhaustif...
  
• Cours magistral, construit et cohérent
• Discovery learning : à la mode dans les années 60-70 mais qui s'est révélé peu efficace
• Inquiry learning : démarche expérimental/projets expérimentaux
• Activités autour du langage : discussions, débats... 
• Démonstration ex cathedra par l'enseignant
• Activités liés à l'informatique
• Recherche de documentation
  
• L'évaluation des élèves : cette partie n'est pas développée dans cet article
  
• L'évaluation des enseignements : cette partie n'est pas non plus développée dans cet article. 

J'ai l'impression qu'il y a un relatif consensus sur la nécessité d'un curriculum cohérent dans une formation, et que l'apprentissage des sciences ne se résume pas à l'apprentissage de connaissances disciplinaires dans les sciences. Pour le reste, c'est encore assez flou. 

Je n'ai pas développé ici 2 autres points développés dans l'article :

• La nécessité de faire émerger les connaissances naïves des étudiants (ce qui fera l'objet d'un prochain article)
• Toutes les choses auxquelles on ne pense pas mais qu'apportent les approches expérimentales en sciences ('hands and mind on')