un tp situation-problème permet-il de faire évoluer
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Mémoire professionnel IUFM de l’académie de Montpellier Année 2001 / 2002 Site de Perpignan
MEMOIRE REALISE PAR : TUTEUR DE MEMOIRE : CALVO Stéphane Mr PONSA Pierre PLC2 Sciences Physiques Lycée Notre Dame de Bon Secours Lycée Notre Dame de Bon Secours PERPIGNAN PERPIGNAN
ASSESSEUR :
Un TP situation-problème permet-il de faire évoluer certaines conceptions
d’élève en mécanique ?
2
Résumé en français :
Résumé en Anglais :
Mots clés :
3
Cadre Réservé au Jury :
4
« Si j’avais à réduire toute la psychologie de l’éducation à un seul principe, je dirais ceci : le
facteur le plus important qui influe sur l’apprentissage est ce que l’apprenant sait déjà. Assurez-
vous de le connaître et enseignez en conséquence. »
Ausubel, Educational psycologie, 1968
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Sommaire
Introduction p. 7
I Problématique p. 9
I.1 La méthode d’enseignement inductiviste et ses limites_________________________p. 9
I.2 Les conceptions des apprenants___________________________________________p.10
I.3 Un nouvel instrument didactique : La situation-problème_______________________p.12 II Expérimentation p.16 III Vérification p.21 Conclusion p.23
7
INTRODUCTION
J’effectue mon stage en responsabilité au lycée privé Notre Dame de Bon Secours à Perpignan. Ce
dernier accueille chaque année, environ 1200 lycéens provenant des différents collèges publics et
privés du département.
Outre les différentes filières classiques, ce lycée dispose de classes post-bac ( classes préparatoires
HEC, BTS ). L’encadrement des étudiants est assuré par 120 professeurs de différentes matières et
une dizaine de surveillants.
Pendant cette année de stage, j’enseigne les sciences physiques à une classe de seconde générale,
qui est constituée de 35 élèves ayant tous choisi l’option « Sciences Economiques et Sociales ».
Parmi ces élèves, 4 redoublent et seulement 8 désirent poursuivre des études scientifiques. Malgré
son profil peu scientifique, cette classe manifeste tout de même un certain intérêt pour la matière.
Depuis plusieurs années, l’enseignement dans les collèges et lycées subit de nombreuses réformes.
En effet, comme tant d’autres, les programmes de sciences physiques ont évolué entraînant par la
même occasion l’introduction de nouvelles méthodes d’enseignement.
Aujourd’hui, les sciences physiques peuvent être enseignées selon différentes techniques reposant
toutes sur l’expérimentation. En début d’année, ayant une pauvre expérience professionnelle face à
un riche vécu d’étudiant, j’ai tout naturellement opté pour l’ enseignement que l’on pourrait
qualifier de « traditionnel » : à savoir l’inductivisme.
Quelle ne fut pas ma surprise quelques temps après le début des cours : mes élèves semblaient
oublier régulièrement les notions abordées en cours ou en TP et me questionnaient alors comme au
premier jour en ayant à nouveau les mêmes idées préconçues.
Demandant conseil à mon tuteur, j’entendis parler pour la première fois de « conceptions ».
Mon problème se traduisit alors par la question suivante :
« Comment faire évoluer les conceptions des élèves ? »
A ce stade, mon tuteur me proposa de lire l’article de G.Robardet « Enseigner les sciences
physiques à partir de situations-problèmes. » paru dans le BUP de Janvier 1990.
Vu l’état avancé du chapitre en cours, je décidai alors de préparer un TP situation-problème pour le
chapitre de mécanique suivant. Mon interrogation étant alors :
8
« Un TP situation-problème permet-il de faire évoluer certaines conceptions d’élève en
mécanique ? »
Au travers de ce mémoire, je tenterai de répondre à cette interrogation. Pour cela, dans un premier
temps, j’essaierai de mettre en évidence la démarche qui m’a permis d’arriver à l’utilisation d’un
TP situation-problème. Puis, dans un second temps, je présenterai le TP que j’ai élaboré et
expérimenté en classe. Enfin, avant de conclure, j’exposerai l’exercice et ses résultats qui m’ont
permis de vérifier l’efficacité de la situation-problème et donc de répondre à l’interrogation
précédente.
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I PROBLEMATIQUE
La décision d’utiliser la situation-problème pour résoudre ma difficulté est, en fait, le résultat d’un
long travail de recherche, visant à répondre dans un premier temps, à l’interrogation suivante :
« Pourquoi l’usage de la méthode d’enseignement inductiviste ne permet pas à l’apprenant
de progresser efficacement en sciences physiques ? »
I.1 La méthode d’enseignement inductiviste et ses limites.
Pendant très longtemps, l’état d’esprit de l’enseignant a pu se résumer par cette phrase d’Etienne
Bonnot de Condillac : « L’enfant n’est qu’une cire molle qu’il s’agit d’imprégner ».
La démarche inductiviste est en parfait accord avec cette façon de penser. Cette dernière repose sur
l’interprétation d’une expérience prototypique visant à mettre en évidence une loi, un concept.
Dans le cadre de la démarche inductiviste, on part d’une expérience évoquée ou réalisée en classe.
Cette dernière est simplifiée au maximum afin de coller parfaitement avec la loi qu’elle tend à
induire. Elle est donc, souvent, déconnectée de toute réalité.
Je pense que la nature de cette expérience est déjà en soi, un premier obstacle pour l’apprenant. En
effet, à aucun moment, on ne tient compte de son attente. Or comme le dit Michel Develay : « La
situation d’apprentissage ne prend du sens pour celui qui apprend qu’à la condition de
correspondre à un dessein qu’il ambitionne d’atteindre. ».
Une fois l’expérience décrite et mise en place, l’élève passe à la mesure de grandeurs choisies par
l’enseignant. Ces dernières doivent, bien entendu, permettre de retrouver par leur exploitation
souvent mathématique, la loi induite. Les relations établies à partir des mesures deviennent alors
des règles de fonctionnement de la loi, du modèle. C’est la validation opératoire.
Enfin, à l’aide de situations proches de l’expérience de départ, l’apprenant vérifie le
fonctionnement induit du modèle. C’est la phase de consolidation des acquis.
Jean Jacques Rousseau disait déjà à son époque : « Rendez votre enfant attentif aux phénomènes
de la nature, bientôt vous le rendrez curieux. Mettez les questions à sa portée et laissez-lui les
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résoudre, qu’il ne sache rien de ce que vous lui avez dit, mais qu’il a compris lui-même : qu’il
n’apprenne pas la science, qu’il l’invente. ». Cependant ici, l’apprenant est spectateur d’un
raisonnement et ne peut, en aucun cas, développer un esprit critique. Tout est élémentaire,
dépouillé. Le doute et l’erreur sont, quant à eux, totalement évincés. L’apprenant suit donc un
programme parfaitement établi à l’avance par l’enseignant, ce qui peut paraître totalement opposé
à une démarche de recherche scientifique.
La pédagogie inductiviste peut paraître très attirante pour l’enseignant et j’avoue pour ma part y
avoir adhéré dés le départ. En effet, elle permet d’éviter toutes les surprises et les questions
gênantes de la part des apprenants. C’est pourquoi aujourd’hui encore, beaucoup d’enseignants
l’utilisent, en essayant, il est vrai, de l’adapter aux conditions actuelles. Cependant, il ne faut pas
oublier que la façon dont l’élève évolue est la quintessence même d’une méthode d’enseignement.
Pour ma part, il est clair que la démarche inductiviste se soucie peu des apprenants et encore
moins, de leurs différentes conceptions. Or ce sont ces conceptions qui, dans le cadre de ma classe
n’ont cessé de ressurgir. En effet, il semble qu’au bout d’un certain temps, les différents concepts
induits par cette technique laissent place aux conceptions d’origine. Leur non prise en compte me
paraît donc être un autre défaut de la pédagogie inductiviste, pouvant expliquer son inefficacité
dans le cadre de ma classe.
Ayant pris conscience de tous ces critères, il m’a paru nécessaire, avant d’essayer de faire évoluer
les conceptions de mes élèves, de m’intéresser de plus près à ces dernières en répondant aux Items
suivants :
« Qu’est ce qu’une conception ? »
« Pourquoi doit-on tenir compte des conceptions de l’apprenant ? »
« Peut-on changer de conception facilement ? »
I.2 Les conceptions des apprenants.
Giordan explique dans son ouvrage : « Les origines du savoir » que les apprenants possèdent,
avant d’aborder tout enseignement, des idées sur les questions étudiées. En effet, de nos jours, la
société se « scientifise », et les apprenants acquièrent une culture scientifique souvent incomplète,
qu’ils maîtrisent mal.
11
L’apprenant ne peut donc en aucun cas être comparé à une feuille vierge que l’enseignant se doit
de remplir. Il possède des conceptions que l’on peut définir de la façon suivante :
Une conception est un modèle explicatif sous-jacent, simple, organisé, logique, cohérent, le plus
souvent lié au vécu et parfois erroné.
Les conceptions ont des origines très diverses : psychogénétiques ( liées au développement de
l’intelligence de l’enfant ), phylogénétiques ( semblables à celles exprimées au cours de l’histoire
), « ambiguïté du langage courant ».
Les conceptions ont donc des origines profondes. Simples et logiques, la plupart du temps, elles
s’avèrent extrêmement résistantes à tout changement.
En raison de leur grande ténacité, les conceptions qui ne sont pas prises en compte ( comme dans
le cas de la démarche inductiviste ) persistent à l’état latent. Elles ne manquent pas alors de
réapparaître à la première occasion venue. Giordan fait la remarque suivante : « Lorsqu’il ne tient
pas compte des conceptions enfantines, le maître ne fait que fournir une connaissance « plaquée »
qui sera très vite oubliée. On pourrait comparer cela à une affiche que l’on placarde et qui, quelque
temps après, en se décollant, découvre ce qu’elle masquait. ». Prendre en considération les
conceptions de l’apprenant s’avère donc essentiel dans la réalisation d’une séquence
d’enseignement.
Il semblerait logique qu’une conception erronée une fois repérée par l’enseignant, celui-ci essaie
de la corriger, en insistant particulièrement, sur les points qui semblent poser problème. Mais,
vouloir « éradiquer les conceptions initiales » de l’apprenant en lui fournissant un raisonnement
d’adulte, mené par un adulte est un leurre. Il a lui-même construit ses conceptions, c’est donc à lui
d’en changer par son propre processus intellectuel.
Il semble qu’il faille, non seulement, partir des conceptions mais aussi les laisser évoluer, se
transformer. Un concept, ne s’apprend pas en une fois, il s’affine au fur et à mesure que
l’apprenant surmonte les obstacles qui s’opposent à l’évolution de sa conception d’origine. En
aucun cas, le modèle préexistant n’est détruit, ce dernier est adapté aux connaissances nouvelles de
l’apprenant.
Gaston Bachelard résume assez bien ce qui a été dit précédemment, ainsi que ma façon de penser,
à ce stade de mes recherches, en disant : « J’ai toujours 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
12
pas. Ils n’ont pas réfléchi au fait que l’élève arrive en classe avec des connaissances empiriques
déjà constituées ; il ne s’agit pas d’acquérir une culture expérimentale, mais bien de changer de
culture, de renverser les obstacles amoncelés par la vie quotidienne. ».
A ce stade de mes recherches, une nouvelle interrogation se pose :
« Par quelle technique d’enseignement peut on faire évoluer efficacement les conceptions de
l’apprenant ? »
I.3 Un nouvel instrument didactique : La situation-problème.
La méthode à retenir se devait, bien sûr, de combler les ratés de la démarche inductiviste ( faible
intérêt de l’élève, disparition du statut de l’erreur, prise en compte inexistante des conceptions
initiales de l’apprenant ) mais aussi de répondre à certains critères indispensables à la bonne
évolution des conceptions de mes élèves ( définition des obstacles à surmonter ). La technique
d’enseignement que j’ai retenue et que je me propose d’expérimenter dans la suite de ce mémoire
n’est autre que la situation-problème. Je l’ai découverte en lisant l’article du BUP « Utiliser des
situations-problèmes pour enseigner les sciences physiques », écrit par G.Robarget.
La situation-problème est définie par Guy Brousseau de la façon suivante : « Il s’agit non pas de
communiquer les informations qu’on veut enseigner, mais de trouver une situation dans laquelle
elles sont les seules à être satisfaisantes ou optimales, parmi celles auxquelles elles s’opposent,
pour obtenir un résultat dans lequel l’élève s’est investi. ». Née de la démarche hypothético-
déductive, elle apparaît comme révolutionnaire face à l’ancienne méthode inductiviste.
Pour mieux comprendre la situation-problème, on se doit d’analyser la fonction des différentes
étapes de la démarche qui lui correspond :
• Etape 1 : L’enseignant présente une situation adidactique relatant un fait ou un phénomène
directement lié à l’environnement de l’apprenant. Cette situation expérimentale ou
théorique n’est, en aucun cas, épurée ou simplifiée. Malgré cela, elle se doit de rester
énigmatique pour l’apprenant qui doit ressentir la nécessité de comprendre, de résoudre.
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Cette première étape est primordiale car elle suscite l’intérêt de l’apprenant. Comme le dit
Michel Develay : « Le désir de savoir ne se transforme en intention d’apprendre qu’à la
condition de voir émerger une motivation ». Cette situation concrète lui permet donc de
s’approprier la situation, d’apprendre à partir de son quotidien, de son vécu.
• Etape 2 : L’enseignant pose le problème à résoudre ou décrit la recherche à effectuer sous
forme de questions plongeant alors l’apprenant dans une situation didactique.
La formulation de la question est ici capitale. En aucun cas, l’enseignant ne doit avoir
recours à des questions contenant en elles-mêmes la réponse ou encore des questions
fermées. Seules des questions ouvertes ( « comment expliques-tu ce phénomène ? » ) ou
des questions d’incitation ( « comment pourrait-on s’y prendre pour répondre à cette
question ? » ) permettent de créer des situations pédagogiques favorisant :
- l’émergence des conceptions,
- la prise de conscience de l’existence de contradictions ( conflits cognitifs ),
- la possibilité de confrontation des différentes conceptions ( conflits socio-cognitifs ),
- l’incitation à la recherche et à l’action.
De plus, il est impératif que le problème de l’enseignant soit aussi celui de l’élève.
• Etape 3 : L’élève va donc chercher à résoudre le problème en formulant des hypothèses
écrites directement liées à ses conceptions.
La formulation des hypothèses se doit d’être rédigée par écrit pour plusieurs raisons :
- l’apprenant doit pouvoir les critiquer ultérieurement,
- ces hypothèses écrites vont en fait révéler les conceptions des apprenants à
l’enseignant qui pourra alors déterminer les différents obstacles à surmonter.
• Etape 4 : L’enseignant après avoir recueilli l’ensemble des hypothèses, les communique à
l’ensemble de la classe. Un débat s’instaure logiquement entre les apprenants afin de savoir
quelle hypothèse est la bonne, même si cette dernière n’a pas été trouvée.
Le débat scientifique que gère l’enseignant, lui permet d’initier l’évolution des conceptions
des apprenants en suscitant entre eux le conflit cognitif et socio-cognitif.
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• Etape 5 : Les apprenants après consultation de l’enseignant proposent une expérience
permettant de vérifier ou d’infirmer les hypothèses retenues après le débat ( ce sont
généralement les plus pertinentes ).
L’enseignant doit faire preuve d’une grande vigilance à ce stade de la démarche. Il ne doit,
en aucun cas, imposer une expérience, mais plutôt inciter les élèves à en choisir une. En
effet, dans le cadre de la situation-problème, l’expérience voit son rôle revisité. Elle n’est
plus le point de départ de la démarche mais un simple test servant à l’apprenant à évaluer
lui-même ses hypothèses et donc ses conceptions. L’expérience retenue, doit permettre le
dépassement de l’obstacle identifié auparavant par l’enseignant.
• Etape 6 : Les apprenants réalisent la ou les expériences retenues. En fonction des résultats
obtenus, ils formulent alors une conclusion écrite.
• Etape 7 : Les différentes démarches adoptées ainsi que les conclusions qui en découlent
sont présentées à la classe. Un nouveau débat scientifique animé par l’enseignant s’installe
afin de décider si l’une des hypothèses retenues précédemment est acceptable.
Cette nouvelle confrontation des différents résultats des apprenants permet de générer à
nouveau le conflit cognitif et socio-cognitif entre ces derniers. Cette étape favorise la
poursuite de l’évolution des conceptions. L’apprenant peut déjà, ici, par lui-même, décider
d’écarter des hypothèses ( donc des conceptions ), si bien entendu les résultats obtenus le
permettent.
• Etape 8 : L’enseignant conclut le débat en présentant l’hypothèse ou la conclusion à retenir
même si elles n’ont à aucun moment été formulées par les apprenants.
L’élève peut alors reprendre la trace écrite de sa démarche personnelle, et l’ajuster en
conséquence, si cela s’avère nécessaire. Par cette démarche, il achève, par lui-même,
l’adaptation de ses conceptions.
Cette nouvelle technique semble donc présenter de nombreux avantages, c’est pourquoi il m’a paru
alors intéressant de l’essayer.
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Le nouveau programme de sciences physiques de seconde voit son enseignement fondamental de
physique divisé en trois thèmes dont un de « mécanique » intitulé « L’espace en mouvement et le
temps », lui-même divisé en deux parties :
• Mouvement et forces,
• Le temps.
3 notions articulent la progression de la première partie :
• La relativité du mouvement : le mouvement d’un objet n’a de sens que par rapport à un
autre objet pris comme corps de référence,
• Le principe d’inertie,
• L’utilisation heuristique du principe d’inertie pour la mise en évidence de forces et en
particulier de la gravitation universelle.
Malgré que les notions de poids, de trajectoire et de référentiel soient vues en classe de 3ème, mes
collègues professeurs s’accordaient à dire que ces dernières étaient soit oubliées, soit non
maîtrisées par les apprenants de seconde. De plus, les professeurs de première scientifique
faisaient la même remarque pour ces notions et celles vues en classe de seconde.
Etant alors convaincu que ce problème était lié aux conceptions originelles des apprenants sur le
sujet, j’ai choisi d’utiliser la situation-problème pour tenter de leur faire acquérir ces notions en
faisant évoluer ces mêmes conceptions d’origine.
L’interrogation à laquelle je vais donc tenter de répondre grâce à l’expérimentation qui suit n’est
autre que :
« Un TP situation-problème permet-il de faire évoluer certaines conceptions d’élève en
mécanique ? »
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II Expérimentation
J’ai expérimenté le TP suivant avec les 32 élèves de ma classe divisés en 2 groupes de 16 élèves
alors qu’aucun rappel des notions de mécanique étudiées en 3ème, n’avait été fait auparavant. La
séance a duré environ 1 h 20 pour chaque groupe.
La séance a, dans un premier temps, débuté par l’interrogation suivante :
« Tout le monde a-t-il fait ou déjà vu un vélo ? »
Les apprenants, surpris par ma question, ont, bien entendu, répondu par l’affirmative.
J’ai continué ensuite, en introduisant sous forme de petite histoire, le phénomène qui allait servir
de situation de départ.
« Imaginons un cycliste, roulant tranquillement à vitesse constante sur une route. Ce dernier tient
dans sa main une balle. Un spectateur immobile regarde du bord de la route le cycliste passer.
Lorsqu’il arrive à hauteur du spectateur arrêté qui l’observe, le cycliste lâche la balle.
Selon vous, quel va être la trajectoire de la balle pour le cycliste, et pour le spectateur ? »
Après avoir recueilli quelques réponses instantanées, j’ai distribué la fiche présentée en annexe 1
aux apprenants. Sur cette dernière, la consigne à suivre est reformulée : en plus d’une trace écrite,
les apprenants doivent compléter deux schémas ( l’un représentant la vue de coté du piéton, l’autre
représentant la vue de dessus du cycliste ).
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Les réponses des apprenants sont les suivantes :
Hypothèses formulées par les
apprenants
Nombre d’apprenants ayant formulé ces
hypothèses
La balle tombe derrière sa position
initiale 12
La balle tombe verticalement par
rapport à sa position initiale
20
La balle tombe devant sa position
initiale. 2
Selon qui regarde la balle, la trajectoire de la balle est différente
1
L’annexe 2 regroupe des extraits tirés des copies d’apprenants illustrant ce que pense la majorité
de ceux qui ont répondu de la même façon.
De plus, suite à l’examen des schémas des apprenants, deux constatations apparaissent :
Nombre d’apprenants concernés
Le dessin de la trajectoire de la balle par rapport au cycliste est identique à celui de la
trajectoire par rapport au spectateur. 32
Le dessin de la trajectoire de la balle par rapport au cycliste ne correspond pas à celui
de la trajectoire par rapport au spectateur. 1
L’annexe 3 présente des schémas d’apprenants illustrant ce tableau.
12
20
21
0
5
10
15
20
25 La balle tombederrière saposition initiale
La balle tombeverticalement parrapport à saposition initiale
La balle tombedevant saposition initiale
Selon qui regardela balle, latrajectoire de laballe estdifférente
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Enfin, si on regarde de plus prés les écrits et les schémas des apprenants, on peut classer les
réponses des élèves dans les catégories suivantes mettant en évidence leurs différentes
conceptions :
Réponses des apprenants Nombre
d’apprenants concernés
Conceptions mises en jeu n° d’annexe
Le poids de la balle la fait chuter. 31
Un corps est mis en mouvement par l’action d’une
force. n°4 document 1
Le poids et la force d’attraction terrestre font chuter la balle. 3 Poids et force d’attraction
sont 2 forces différentes. n°4 document 2
La trajectoire de la balle est une droite verticale car le poids est
vertical. 24 Confusion entre trajectoire et
vecteur force. n°4 document 3
La balle exerce une force appelée poids. 2 Une force est liée à la matière
et non à une interaction n°4 document 4
Si on considère les forces de frottement de l’air, la balle chute
vers l’arrière. 12 Additivité des forces
vectorielles n°5 document 1
On a deux trajectoires différentes selon l’observateur ( référentiel )
que l’on choisi. 1 Relativité du mouvement. n°5 document 2
Quel que soit le référentiel choisi, la trajectoire de la balle
est la même 32 La trajectoire d’un corps est
indépendante du référentiel. n°5 document 3
31
3
24
2
12
1
32
0
5
10
15
20
25
30
35
Le poids de la balle la fait chuter.Le poids et la force d'attraction terrestre font chuter la balle.La trajectoire de la balle est une droite verticale cat le poids est vertical.La balle exerce une force appelée poids.Si on considère les forces de frottement de l'air, la balle chute vers l'arrière.On a deux trajectoires différentes selon l'observateur ( référentiel ) que l'on choisi.Quel que soit le référentiel choisi, la trajectoire de la balle est la même.
19
Grâce au tableau précédent, on voit que les conceptions ( justes ou erronées ) des apprenants sont
nombreuses et très diverses. Cependant, j’ai décidé d’essayer de faire évoluer celle que ma
situation de départ ( déclenchante ) semblait favoriser : la relativité du mouvement.
Après avoir recueilli les réponses de tous les apprenants, un court débat s’est instauré visant à
exposer et à critiquer les différentes hypothèses émises. Deux des propositions sont alors écartées :
« la balle tombe devant sa position initiale » et « la balle a une trajectoire différente selon la
position de celui qui l’observe ».
Le débat clos, les apprenants réfléchissent pendant quelques minutes aux moyens qu’ils
emploieraient pour vérifier leurs hypothèses. Leurs propositions furent les suivantes :
• Sortir dans la cours et réaliser l’expérience,
• Utiliser une chronophotographie,
• Utiliser l’ordinateur pour réaliser une simulation.
En fait, c’est un compromis entre les deux dernières propositions qui a été retenu.
Les fiches situées en annexe 6, 7, 8, 9, révélatrices du protocole expérimental à utiliser, sont alors
distribuées aux élèves.
La lecture du film, à elle seule, a énormément surpris les élèves. La remarque suivante m’a même
été formulée : « Monsieur, ce n’est pas possible, lorsqu’on lâche un objet, il tombe verticalement.
Vous êtes sûr que les images n’ont pas été truquées ? ». Ceci montre bien à quel point les
convictions et donc les conceptions des élèves sont tenaces.
Grâce au logiciel synchronie 2000, les apprenants ont alors déterminé par pointage les trajectoires
de la balle et du vélo dans le référentiel terrestre. Puis, à partir de ces trajectoires, obtenues par la
totalité des élèves ( voir annexe 10 ), et d’un papier calque, ils ont retrouvé la trajectoire de la balle
dans le référentiel du vélo.
Là encore, leur surprise fut grande. Après avoir vérifié leur dernier travail grâce à Synchronie, les
apprenants rédigent chacun une conclusion. Tous, sans exception, reconnaissent avoir travaillé
sans rechercher par rapport à qui le mouvement est étudié. Après une brève discussion, j’ai donc
dicté la conclusion finale, aujourd’hui dans leur cours :
20
« Toute description du mouvement d’un corps doit être faite par rapport à un solide de référence (
référentiel ). Le mouvement d’un système est relatif au solide de référence choisi, c'est-à-dire qu’il
en dépend. »
Cependant, pour pouvoir répondre à mon interrogation de départ qui est :
« Un TP situation-problème permet-il de faire évoluer certaines conceptions d’élève en
mécanique ? »
Je me dois de vérifier si la situation-problème que je viens de décrire a permis de faire évoluer
les conceptions de mes élèves au sujet de la relativité du mouvement.
Pour cela, j’ai utilisé l’exercice qui suit.
21
III Vérification
Désireux de vérifier l’efficacité à long terme de la séance précédente ( et donc de la situation-
problème ), il m’a fallu attendre quelques mois avant de donner l’exercice de l’annexe 11.
Le thème de chimie intitulé « Constitution de la matière » étant bien entamé, les élèves se sont
malgré tout penchés sur cet exercice en classe pendant une vingtaine de minutes.
La situation présentée par l’exercice est en fait une simple transposition de celle vue en TP. Les
réponses des apprenants peuvent être réunies dans le tableau suivant :
Réponses formulées par les apprenants
Nombre d’apprenants ayant formulé ces
réponses
La balle tombe derrière sa position initiale 3
La balle tombe verticalement par rapport à
sa position initiale 15
La balle tombe devant sa position initiale. 1
La trajectoire de la balle est différente selon le
référentiel d’étude ( caméra )
16
La trajectoire de la balle ne dépend pas du référentiel d’étude
( caméra )
19
Les annexes 12 et 13 rassemblent des extraits de copies d’élèves représentatifs de l’ensemble des
réponses d’élèves.
3
15
1
16
19
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
La balle tombederrière sa positioninitiale
La balle tombeverticalement parrapport à sa positioninitiale
La balle tombe devantsa position initiale
La trajectoire de laballe est différenteselon le référentield'étude
La trajectoire de laballe ne dépend pasdu référentiel d'étude
22
16 apprenants ont bien répondu lors de l’exercice alors qu’une seule bonne hypothèse avait été
formulée le jour du TP. On peut donc dire que 15 d’entre eux ont grâce à la situation-problème fait
mûrir leurs conceptions. Cependant, 19 apprenants ont préservé leur conception d’origine.
Le second trimestre s’achevant, mes élèves m’ont informé du choix de leur carrière. Il m’a parut
intéressant de réunir ces profils d’apprenants et le nombre de bonnes réponses faites :
Filière demandée Nombre d’élèves ayant demandée cette filière
Nombre de bonnes réponses faites par
ces élèves
Pourcentage de réussite
S 8 8 100 %
ES 19 5 26,3 %
L 3 0 0 %
STT 5 1 20 %
On constate ici que les apprenants se destinant à une carrière scientifique ont parfaitement assimilé
le concept de référentiel, contrairement aux autres.
100%
20%26,30%
0%0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
SESLSTT
23
Conclusion
L’interprétation des résultats exposés précédemment répond clairement à la question qui est la
quintessence même de ce mémoire : « Un TP situation-problème permet-il de faire évoluer
certaines conceptions d’élève en mécanique ? ».
Comme nous l’avons vu précédemment une partie des apprenants de ma classe ( 16 ) a réussi à
changer de conceptions grâce à cette nouvelle technique pédagogique. Cependant, ces résultats
semblent également induire que cette méthode est surtout adaptée pour des apprenants qui
possèdent déjà une certaine démarche logique et scientifique ( 8 élèves se destinant à une première
scientifique ). Les autres ont, en effet, pour la majorité, conservé leurs conceptions premières. Ils
n’ont donc, semble-t-il, pas acquis ou amélioré, cette réflexion particulière.
Je pense donc que la situation-problème permet de faire évoluer les conceptions des apprenants
mais il faut que ces derniers possèdent déjà un certain raisonnement logique, scientifique.
Cependant, même si dans le cadre de ma classe, la situation-problème n’a pas été totalement
efficace, on se doit de souligner le fait que cette dernière possède des avantages primordiaux
favorisant le bon déroulement d’une séance d’apprentissage. Je pense, en effet, que la situation-
problème permet au professeur de mieux connaître et donc de mieux maîtriser les difficultés de ses
apprenants. Elle permet également un investissement total de la part des élèves ce qui génèrent en
eux une motivation supplémentaire pour apprendre.
Malgré ce long travail de recherche que je viens de vous présenter, je ne pense pas en avoir
terminé avec les situations-problèmes. Ayant renouvelé cette expérience cette année dans le cadre
du lycée mais aussi du collège, j’en suis venu à me poser les items suivants :
« Faut-il avoir recours systématiquement aux situations-problèmes ? »
« Comment peut-on évaluer un TP situation-problème ? »
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Sommaire
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TP 9.
I Où va tomber la balle ? Un cycliste roulant à vitesse constante sur une piste horizontale abandonne sans la lancer une
balle qu’il tenait dans la main.
La scène est observée à la fois par une personne éloignée placée sur le bord de la route
( figure 1 : vue de côté ) mais aussi par le cycliste lui même ( figure 2 : vue de dessus ).
A votre avis où se trouveront le cycliste, son vélo et la balle lorsque cette dernière touchera le sol ? Vous devez fournir une réponse précise et argumentée à l’aide de deux schémas ( l’un représentant la vue de côté et l’autre la vue de dessus ). Représenter en plus, sur le schéma représentant la vue de coté, la manière dont on voit tomber la balle ( trajectoire ).
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Annexe 1
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Comment vous y prendriez vous pour vérifier votre hypothèse ?
La balle tombe derrière sa position initiale.
La balle tombe devant sa position initiale.
La balle tombe verticalement par rapport à sa position initiale.
Selon qui regarde la balle, la trajectoire de la balle est différente.
Annexe 2
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Le dessein de la trajectoire de la balle par rapport au cycliste est identique à celui de la trajectoire par rapport au spectateur.
Le dessein de la trajectoire de la balle par rapport au cycliste ne correspond pas à celui de la trajectoire par rapport au spectateur.
Annexe 3
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Document 1
Document 2
Document 3
Annexe 4
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Document 4
Document 1
Document 2
Document 3
Annexe 5
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II Etude du mouvement à l’aide d’une vidéo. Une vidéo est une succession d’images prises à intervalles de temps successifs égaux. A) Réalisation et exploitation de la chronophotographie du mouvement. Objectifs de la manipulation :
A l’aide du logiciel Synchronie 2000 et du film « vélo » fourni avec, déterminer :
• la trajectoire de la balle par rapport à la terre, • la trajectoire d’un point du cadre d’un vélo par rapport à la terre. • la trajectoire de la balle par rapport au cadre du vélo.
Utilisation du logiciel :
Cliquez sur l'icône Synchronie 2000. La fenêtre principale du logiciel s'ouvre.
Cliquez alors sur Edition puis dans le menu qui s'affiche cliquez sur Lire image ou séquence vidéo.
La fenêtre intitulée Ouvrir s'affiche. Dans le menu déroulant supérieur (où est inscrit images ) cliquez sur Disquette 31/2 (A:). Sélectionnez la vidéo intitulée vélo puis cliquez sur ouvrir.
Annexe 6
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La fenêtre intitulée Fenêtre n°2: velo.avi s'ouvre. Cliquez sur Etalonnage dans la barre de menu de cette nouvelle fenêtre. Déplacez la souris en maintenant enfoncé son bouton gauche d'un point blanc de la règle jaune du film à un autre. Une flèche grandit au fur et à mesure de l'opération puis la fenêtre Valeur étalon apparaît. Entrez la valeur de 1m puis cliquer le bouton OK.
Cliquez sur Origine dans la barre de menu. Placez le curseur sur l’origine de la flèche d'étalonnage. Un repère orthonormé apparaît.
Cliquez sur Pointeur dans la barre de menu La fenêtre intitulée Pointeur apparaît Sélectionnez dans un premier temps la forme du pointeur ( petite cible ronde ). Cliquez sur Saisir.
Le pointage peut commencer. Pour cela repérez un point de l'objet dont on étudie le mouvement et cliquez dessus avec le bouton gauche de la souris pour chaque image qui défile.
Annexe 7
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Une fois le pointage terminé, cliquez sur Vecteur dans la barre des menu Une nouvelle page de travail apparaît avec à gauche un enregistrement de la trajectoire du solide étudié.
Exploitation des résultats :
Grâce au logiciel, on obtient les points de la trajectoire de la balle et du cadre du vélo par rapport à la terre ( document d’exploitation ).
Pour obtenir la trajectoire de la balle par rapport au cadre du vélo c’est à dire dans un référentiel lié au vélo :
1) Numéroter, sur le document d’exploitation, les points du vélo et de la balle qui se correspondent
à l’aide de deux couleurs différentes.
2) Sur une feuille de papier calque, tracer deux axes perpendiculaires d’origine O.
3) Faire coïncider le point O avec chacune des positions successives du point repéré sur le vélo en prenant soin de garder les axes parallèles à eux-mêmes.
4) Noter à chaque fois, sur le papier calque, la position de la balle par rapport au vélo.
C) Conclusion.
Quelle est la nature du mouvement de la balle dans le référentiel terrestre ? dans le référentiel du vélo ? Conclure.
Annexe 8
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D) Vérification du mouvement de la balle dans le référentiel du vélo.
Dans la fenêtre intitulée Fenêtre n°2: velo.avi. cliquez sur Mvt.Relatif dans la barre de menu de cette fenêtre. Cochez Mouvement relatif et cliquez sur OK.
Cliquez sur Pointeur dans la barre de menu La fenêtre intitulée Pointeur apparaît Sélectionnez dans un premier temps la forme du pointeur ( petite cible ronde ). Cliquez sur Saisir.
Le pointage peut commencer. Pour cela repérez un point de l'objet dont on étudie le mouvement et cliquez dessus avec le bouton gauche de la souris pour chaque image qui défile.
Une fois le pointage terminé, cliquez sur Vecteur dans la barre des menu Une nouvelle page de travail apparaît avec à gauche un enregistrement de la trajectoire du solide étudié. Tracer Y en fonction de Y_R.
Annexe 9
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Trajectoires obtenues par les élèves.
Annexe 10
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Exercice : Trajectoire d’une balle. Dans une gare, une personne se tient debout, sans marcher, sur un tapis roulant horizontal ; elle tient une balle à la main. La balle est lâchée. Deux caméras sont utilisées pour observer la balle en mouvement : une sur le tapis ( appareil n°1 ) et une autre à l’extérieur du tapis ( appareil n°2 ).
Exercice de vérification.
Annexe 11
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La balle tombe derrière sa position initiale.
La balle tombe verticalement par rapport à sa position initiale.
La balle tombe devant sa position initiale.
Annexe 12
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La trajectoire de la balle est différente selon le référentiel d’étude ( caméra ).
La trajectoire de la balle ne dépend pas du référentiel d’étude ( caméra ).
Annexe 13
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