Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant








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Astronomie : Conceptions1 des élèves et des autres…


Sommaire


Astronomie : Conceptions des élèves et des autres… 1

La lumière et les ombres 2

Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant 2

Difficultés provenant des idées préalables des élèves (conceptions) 2

La forme sphérique de la Terre : vivre sur une Terre plate et la penser sphérique 4

La rotation de la Terre sur elle-même 6

1. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant 6

2. Difficultés provenant des conceptions des élèves 6

Le mouvement apparent du Soleil 7

1. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant ou scientifique 7

2. Difficultés provenant des idées préalables des élèves (conceptions) 7

La rotation de la Terre autour du Soleil 8

Difficultés provenant des conceptions des élèves : Le phénomène des saisons 8

Le systèmes solaires et l’univers 10

1. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire commun 10

2. Difficultés provenant des conceptions des élèves 10

La Lune : observations et explications des phases 11

La lumière et les ombres



Le phénomène d’ombre est sous jacent à l’étude de nombreux phénomènes astronomiques : phase de la Lune, éclipse, hauteur du Soleil…. Il est donc nécessaire de connaître les conceptions des élèves et donc les difficultés, voire les obstacles liés à la conceptualisation de ce phénomène.

Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant


  • Le mot lumière désigne très souvent l'éclairage électrique.

  • Le mot "ombre" désigne en général l'ombre portée sur le sol, sur un mur, sur un écran, sur un objet mais plus rarement l’espace situé derrière l'objet éclairé. On dit qu’un objet “ a ” une ombre sans faire référence à la source.

Difficultés provenant des idées préalables des élèves (conceptions)


  • Les élèves n'ont pas l'idée de la propagation de la lumière : la clarté ou l'obscurité sont plutôt considérées comme un "état" du lieu qui ne nécessite pas toujours la présence d'une lampe ou du soleil. "Il y a de la lumière dans la pièce". Les élèves ne conçoivent pas qu'un objet quelconque puisse envoyer de la lumière vers nos yeux ; cela ne leur apparaît que s'il s'agit d'une source lumineuse reconnue : lampe, Soleil. La présence de lumière n'est reconnue par les élèves que "sur" une source intense, ou "sur" une zone très éclairée (zone directement éclairée par le soleil par exemple).

  • Le mécanisme de la vision des objets est souvent conçu suivant le modèle erroné du "rayon visuel" partant de l'oeil pour aller capter l'image de l'objet. Ce modèle est conforté par les expressions “jeter un œil”, “balayer du regard”.

  • Beaucoup d'élèves pensent qu'ils peuvent voir la lumière "de côté", (c'est à dire qui passe devant leurs yeux) sans que cette lumière entre dans leurs yeux. Pour certains élèves, l'ombre a les propriétés d'un objet matériel. Ils attribuent à l'ombre les mêmes propriétés que l'objet qui l’a produit. Ils ne se rendent pas nécessairement compte du rôle de la source lumineuse.

  • 30% des élèves [13-14 ans] seulement évoquent la propagation rectiligne de la lumière et parmi ceux-là, nombreux sont ceux qui reconnaissent cette qualité à la lumière seulement quand il s’agit de sa direction en ligne horizontale.

  • La notion d’ombre n’est pas encore correctement construite par les élèves en début de cycle 3, même pour ce qui concerne leur ombre portée lorsqu’ils sont au Soleil2.

    • Pour quelques uns, l’ombre est « jumelle », pour d’autres elle est « colorée3 » et/ou « détaillée ». Ces types de production proviennent d’aspects liés à l’imaginaire pour lesquels il y a identification entre différents niveaux de l’ombre du « moi » au « moi »





Ombre jumelle

Ombre détaillée

    • L’ombre est souvent mal orientée par rapport au Soleil et à la personne et/ou sans contact. L’origine des ombres mal orientées semble liée aux techniques graphiques : le passage de trois dimensions dans la réalité à deux dimensions sur la feuille est problématique. De fait, le Soleil est tantôt devant, tantôt derrière le personnage tout en étant dans le plan de la feuille.





Ombre mal orientée

Ombre sans contact et mal orientée



La forme sphérique de la Terre : vivre sur une Terre plate et la penser sphérique



Quand on veut travailler avec les élèves sur les questions suivantes :

  • Comment peut-on expliquer la succession des journées et des nuits ?

  • Dans quel sens la Terre tourne-t-elle sur elle-même ?

  • Quelle heure est-il dans tel pays lorsqu’il est, par exemple, midi chez nous ?

Ces questions, les difficultés des raisonnement quelles mettent en jeu, font quelles sont déconseillées comme base de travail au moins avant 10ans. En effet on ne peut en concevoir une réponse sans le pré requis de la forme sphérique de la Terre.
Nous (dont les élèves) vivons sur une Terre que nous percevons comme plate (aux aspérités montagneuse près). Nous identifions et différencions sans ambiguïtés le haut et le bas qui constituent des points de repère importants. Nous avons appris à situer le ciel, le Soleil, les étoiles « en haut ». Pour autant, en astronomie, il nous faut penser une Terre sphérique dont le bas est au centre de celle-ci et le haut partout autour. Le passage d’un mode de pensée à l’autre résulte d’une construction cognitive longue et difficile.

Les enfants de 5-6 ans


Leur conception de l’espace est plane. Un jour ou l’autre il entend l’information selon laquelle « la Terre est ronde ». Il n’est pas possible qu’il puisse la saisir dans toute sa portée. Il va néanmoins l’intégrer à son système de pensée tout en conservant l’essentiel de celui-ci, à savoir un haut et un bas absolus. Il va ainsi se représenter une Terre ronde… comme une galette.

Les enfants de 9-10 ans


Avant enseignement, pour de nombreux élèves (mais encore pour quelques uns après enseignement…), le ciel (les nuages) et les astres (la Lune, les étoiles) sont dessinés en haut de la feuille.


Après enseignement les étoiles peuvent être dessinées autour de la terre, le bonhomme dessiné correctement au pôle sud. Mais la trajectoire d’un objet lâché est toujours dirigée vers le bas de la feuille.


La rotation de la Terre sur elle-même

1. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant


  • Certains ouvrages expliquent que "la rotation de la Terre s'effectue d'ouest en est". L'expression laisse croire que les points cardinaux permettent de repérer des positions et des mouvements dans l'espace alors qu'ils sont exclusivement des repères terrestres destinés à repérer des positions et des déplacements sur Terre.

  • Le mot « heure » est utilisé pour désigner un moment du temps (« quelle heure est-il ? ») qui peut être qualifié en fonction d’une règle (heure légale, heure d’été), mais également une unité de durée (1/24 du jour). En d’autres termes, le mot « heure » désigne soit une durée, soit une date.



2. Difficultés provenant des conceptions des élèves


  • Certains élèves se représentent le monde suivant le modèle géocentrique, selon lequel la Terre est immobile, le Soleil, et éventuellement les étoiles, tournant autour d'elle en un jour. En ce qui concerne le mouvement apparent des étoiles, seulement 14% des enfants le connaissent avant enseignement4 et en fournissent une explication partiellement correcte. Ce pourcentage ne varie pratiquement pas en ce qui concerne le Soleil : seuls 16% des enfants expliquent son mouvement par la rotation de la Terre sur elle-même.

  • D'autres élèves, qui ont eu l'occasion de remettre en cause cette dernière idée, expliquent alors le jour et la nuit par le fait que la Terre "tourne autour du Soleil" (au lieu de "tourne sur elle-même").

  • Même si une majorité des élèves (en cycle 3) sait que la Terre tourne sur elle-même en 24h, pratiquement aucun ne connaît la conséquence la plus visible de cette rotation : le mouvement apparent du soleil. Quant à la nature du mouvement apparent des étoiles (une rotation autour d’un point fixe représenté par la Polaire) elle n’est envisagée par aucun élève.



Le mouvement apparent du Soleil

1. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant ou scientifique


  • Le fait de dire que le Soleil "se lève" et "se couche" correspond à une conception anthropomorphique du Soleil.

  • Dans le langage courant, le mot jour signifie aussi bien clarté, jour de la semaine, durée de 24 heures, période pendant laquelle il fait "jour" (et pas nuit). Dans le contexte astronomique, un jour correspond à la durée séparant, en un lieu donné, deux culminations successives du Soleil. Cette durée varie un peu au cours de l'année, sa valeur moyenne est de 24 heures. La période pendant laquelle le Soleil reste au-dessus de l'horizon, c'est-à-dire, pratiquement, pendant laquelle il "fait jour" est appelée journée.

  • Dans le langage courant, le mot "hauteur" désigne une longueur. En revanche, dans le contexte de l'astronomie, la "hauteur" du Soleil (ou d'un autre astre) désigne l'angle5 que font la direction dans laquelle on peut l'observer à un instant donné d'une part, et le plan horizontal d'autre part. Cela conduit à des expressions comme "le Soleil est haut (ou bas) dans le ciel" dans lesquelles les termes "haut" et "bas" ne désignent pas des longueurs mais des angles. Si l'on n'y prend pas garde, les élèves peuvent assimiler, à tort, "haut" à "loin" et "bas" à "proche".

  • Le mouvement observé du Soleil dans le ciel est qualifié d'apparent, ce qui ne signifie pas qu'il s'agit d'une illusion. Il est tout à fait correct, avec les élèves, d'employer des expressions comme "mouvement du Soleil par rapport à l'horizon".



2. Difficultés provenant des idées préalables des élèves (conceptions)


  • Les plus jeunes élèves (essentiellement au cycle 1) se représentent le Soleil comme un être vivant, qui agit (se déplace, éclaire) volontairement.

  • Au cycle 3, les élèves savent que les journées ne gardent pas la même durée tout au long de l’année. La manière dont s’effectue l’évolution n’est pas connue : de nombreux élèves (les ¾) pensent que la durée du jour (qu’ils n’ont pas différencié de la journée) allonge en été et diminue en hiver.

  • Comme beaucoup d’adultes, certains enfants de cet âge affirment volontiers que le Soleil se lève à l’Est et se couche à l’Ouest


La rotation de la Terre autour du Soleil

Difficultés provenant des conceptions des élèves : Le phénomène des saisons


Beaucoup d'élèves croient que le phénomène des saisons est dû au fait que la distance Terre-Soleil varie au cours de l'année (explication incompatible avec l'inversion des saisons entre l'hémisphère nord et l'hémisphère sud), alors que l'explication (qui sort du cadre du programme) réside dans le fait que l'axe de rotation de la Terre est "penché", "incliné" (non perpendiculaire) par rapport au plan contenant sa trajectoire autour du Soleil.

Le sujet est difficile. Les conceptions des élèves (et des autres…) sont très résistantes car très logiques. De plus elles peuvent être renforcées par l’enseignement lorsqu’il n’est pas assez attentif aux manières de raisonner des élèves.
« Plus près, plus chaud ! », cette formule peut résumer la conception essentielle avec laquelle il faudra composer tout au long de la séquence.

On peut d’ailleurs affirmer que tous les élèves interprètent les différences de températures entre l’été et l’hiver par une évolution de la distance Terre-Soleil qui serait plus petite en été qu’en hiver

et encore une majorité d’adultes…

Le document ci-dessous a été produit par un étudiant titulaire d’un bac S et d’un DEUG A (Maths-physique). Selon sa représentation il y aurait deux hivers et deux étés par an !

« Plus près, plus chaud ! » : il nous faut insister sur la logique de cette proposition…

De longue date un enfant sait que s’il s’approche d’un feu il aura plus chaud. C’est ce raisonnement qui est intériorisé et généralisé à de nombreuses situations analogiques. Ce raisonnement n’est pas faux. Il est vrai que si la Terre s’approchait notablement du Soleil, sa température moyenne augmenterait. Mais c’est la réciproque qui est fausse. Ce n’est pas parce que la température augmente que la Terre se rapproche nécessairement du Soleil. En d’autres termes « plus près implique plus chaud »…, mais « plus chaud n’implique pas plus près ». Dans notre cas c’est la variation de la hauteur du Soleil que dépend la différence de température entre l’été et l’hiver.
Le questionnement qu’il sera nécessaire de mettre en place est le suivant :

    • Comment peut-on expliquer qu’en ce moment (en hiver), les jours sont plus courts que les nuits ?

Ainsi que…

    • Comment peut-on expliquer qu’en ce moment, les températures sont les plus basses de l’année ?



Le systèmes solaires et l’univers

1. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire commun


  • Les noms des planètes peuvent avoir été rencontrés dans le cadre de rubriques astrologiques, de même l’expression “ être né sous une bonne étoile ” peut entretenir la même confusion.

  • Des oeuvres de fiction de qualité variée peuvent avoir familiarisé les élèves avec un vocabulaire mais ne donnent pas de garanties sur le sens qui y est associé.

  • L’acception du mot satellite est souvent limitée à un objet construit par l’homme.



2. Difficultés provenant des conceptions des élèves


  • Les élèves confondent souvent étoiles et planètes. Ils ne sont pas a priori conscients de ce que le Soleil est une étoile, car celles-ci apparaissent dans le ciel comme des points minuscules très différents de l’aspect du Soleil vu depuis la Terre.

  • Les élèves pensent souvent que les planètes sont beaucoup plus volumineuses que les étoiles : en effet ils ont souvent observé des photos de planètes où celles-ci ont une taille importante ; du fait de leur distance considérable, malgré leur taille, les étoiles n’ont pas de surface apparente (aspect d’un disque) ni pour l’oeil, ni pour la plupart des télescopes (leur image apparaît comme une tache lumineuse sans aucun détail).

  • Le Soleil (ou une étoile) est qualifié de “ boule de feu ”, ce qui laisse penser que sa lumière provient d’une combustion.

  • Les dimensions dans l'Univers sont toujours très sous-évaluées. Si de nombreux termes sont connus des enfants (étoiles, planètes, galaxies, satellites, comètes…), ils n'ont aucune idée de la structure de l'Univers, ni des distances.

La Lune : observations et explications des phases



Dessine la Lune telle que tu l’as déjà observé


Quelques élèves, assez rares, ne dessinent qu’une seule phase, en générale la pleine Lune. Beaucoup représentent la peine Lune et un ou deux croissants. Quelques-uns rajoutent des quartiers (assez peu toutefois)

Et la Lune gibbeuse ?


Très rares sont les élèves qui la représentent correctement. Généralement ils la représentent en juxtaposant deux portions de cercles tracés au compas (le premier et l’avant dernier schémas ci-contre sont caractéristiques de l’erreur commise).

Pourquoi la Lune brille-t-elle ?


Dans leur grande majorité, les élèves savent que la Lune n’émet pas sa propre lumière. Nombreux sont aussi les élèves qui savent que la Lune « renvoie »6 la lumière du Soleil. Il faut toute fois signaler que tous n’acceptent pas volontiers cette explication, pour une raison tout à fait logique : la nuit, le Soleil est de l’autre côté de la Terre, il ne peut donc pas éclairer la Lune qui elle, est en plein ciel…

Explications des phases


    • Les élèves attribuent souvent les phases de la Lune à l’ombre portée de la Terre sur la Lune : ils confondent ainsi l’origine des phases avec celle des éclipses de Lune.



    • Parfois ils expliquent que la surface de la Lune n'est pas totalement visible à cause des nuages.



1 Ce document a été essentiellement réalisé à partir d’informations issues de l’excellent livre de Jean-Michel Rolando L’Astronomie à l’école Ed. Delagrave Pédagogie et formation (2003), les autres sources sont référencées dans le texte et données en notes de bas de page.

2 Cf. CALMETTES, Bernard (2000) « Les dessins d’observation dans les premières phases d’étude d’objets et de phénomènes » in Aster n°31, INRP.

3 Une séance organisée avec des élèves de CM1 (9 ans) a mis en évidence que les élèves dessinaient des ombres colorées et détaillées pour des objets (des quilles en l’occurrence)

4 MERLE, Hélène & DUSSEAU, Jean-Michel, (1996) « Apprentissage du mouvement diurne de la Terre par des enfants âgés de 9 à 10 ans » In Didaskalia 9

5 Or des travaux de didactique ont montré que la construction de la notion d’angle soulève un certain nombre de difficultés. En effet les élèves ont tendance à définir un angle comme une figure composée de deux segments de même origine et de même longueur.

  • Ainsi deux figures qui diffèrent seulement par la seule longueur des côtés leur apparaissent comme représentant des angles différents.

  • De plus les élèves ont du mal à reconnaître un angle comme sous figure d’une figure existante.

  • Enfin les élèves font difficilement le lien entre les concepts géométriques qui leur sont enseignés et l’espace réel.

6 Le terme exact est « diffuser » qui signifie renvoyer dans toutes les directions de l’espace. Réfléchir (comme le fait un miroir) signifie renvoyer dans une direction unique.



Jean Claude Guillaud – IUFM Grenoble

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