L' Expérimental en Sciences physiques

1. L'Expérimental en Sciences physiques

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

3. Partie BInnovations dans l’enseignement expérimental • Exemples de recherches • Utilisation des outils informatiques • Copex : concevoir des protocoles expérimentaux

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

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

6. Objectifs des TP • Quels objectifs d'enseignement envisagez vous pour l'enseignement expérimental au Lycée ? • Classer vos objectifs : sans intérêt / secondaire / important / fondamental 0 1 2 3 (reporter sur 1 transparent)

7. Objectifs des TP dans les programmes Quels objectifs pour les enseignements expérimentaux dans les programmes du Lycée ? Objectifs expérimentaux dans les programmes de TS / critères d'évaluation au bac en TS Objectifs dans les programmes / objectifs qui vous paraissent important (ou pas important) 7

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

9. Partie AL’expérimental et l’enseignement de l’expérimental 1- Les objectifs des TP 2- Aspects historiques 3- L’expérimental - La démarche expérimentale 4- Etat des lieux

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

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

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

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

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

15. Sigaud de Lafond 1784

16. UJF 2009 16

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

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

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

21. Partie AL’expérimental et l’enseignement de l’expérimental 1- Les objectifs des TP 2- Aspects historiques 3- L’expérimental - La démarche expérimentale 4- Etat des lieux

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

23. La démarche expérimentale, qu'est-ce que c'est? Quelles phases ? (Epistémologie des sciences  transposition dans l'enseignement)

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

25. Lexique Quelques termes courants : Situation-problème (lycée) Démarche d’investigation scientifique (collège) Démarche scientifique Démarche expérimentale 25

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

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

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

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

30. La démarche expérimentale n'est pas linéaire n'obéit pas à un modèle unique mêle étroitement réel et théorie ...

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

32. Induction (F. Bacon, A. Comte, C. Bernard) Observation Résolution du problème Formulation d'hypothèses Protocole expérimental reproductible Interprétation des résultats Validation Expérimentale et sociale Démarche expérimentale Déduction K. Popper, G. Bachelard). Problème / questionnement Moteur de la recherche Cadre théorique défini

33. Démarche expérimentale Millar , 2004

34. Transposition de la démarche expérimentale Develay, 1989

35. Démarche expérimentale et empirisme • Coquidé (2003)

36. Démarche expérimentale et empirisme • Ne sont pas opposés • Chaque démarche possède sa cohérence propre • Un processus de recherche nécessite des moments empiriques (parfois très long) parce que le réel ne se laisse pas facilement manipuler ni conceptualiser  résistance du réel Cette résistance oblige à articuler démarches d'exploration et de validation • A l'école (transposition) une perspective empirique méthodique ou une perspective expérimentale critique, correspondent à des épisodes différents, qui s'articulent dans une éducation scientifique Coquidé (2003) ; Coquidé et al. (1999)

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

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

39. Place du modèle dans les TP Quelle peut être la fonction du modèle dans les activités des élèves ?

40. Place du modèle dans les TP Quelle peut être la fonction du modèle pour les élèves ? TP de type illustration TP de type démonstration TP de type application TP de type découverte • - Proposition d’hypothèses • Conception du protocole • Traitement des résultats • Interprétation des résultats

41. Transposition de la démarche expérimentale dans l’enseignement Peut-on proposer aux élèves d'aborder la démarche du chercheur dans une approche constructiviste ?

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

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

44. Partie AL’expérimental et l’enseignement de l’expérimental 1- Les objectifs des TP 2- Aspects historiques 3- L’expérimental - La démarche expérimentale 4- Etat des lieux

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

46. Map tool of LSE

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

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

49. LSE : Objectifs d’apprentissage Au lycée + université

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