Cours de dynamique basés sur l'expérimentation








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Bernard Gisin mai 2005

Collège Claparède

Genève

Année scolaire : 2004 - 2005
IFMES : 2ème année, physique.

MEF : Monsieur Bernard Gisin

MFR : Monsieur Maurice Reusse

MM : Monsieur Jacques Bochet

RF-DIR : Madame Silvia Cremonte


Travail de Fin
de Formation Initiale


Cours de dynamique basés sur l'expérimentation


Cours donnés à trois classes de première année du collège Claparède.

Plan Pages
1. Motivations 1
2. Problématique 1
3. Objectifs 1
4. Public visé 1
5. Contexte 2
6. Hypothèses de départ 2
7. Réflexions préliminaires 3

Faut-il demander aux élèves de définir les concepts de masse et de force ? 3
8. Démarche de préparation des cours 3
9. Liste d'expériences permettant aux élèves de s'initier à la notion de force 3
10. Description du déroulement des cours 7
11. Difficultés rencontrées 9
12. Les objectifs ont-ils été atteints ? 10
13. Avantages et inconvénients de cette méthode d'enseignement 10
14. Conclusions 11
15. Références bibliographiques 12
16. Annexes 13

Annexe 1 : Nombre de points par exercice 13

Annexe 2 : l'épreuve de niveau 2 14

Annexe 3 : le corrigé de l'épreuve de niveau 2 16

Annexe 4 : les activités 18

Annexe 5 : caractéristiques d'une masse et d'une force. 25


1. Motivations
Les motivations pour donner ces cours basés sur l'expérimentation sont triples. Premièrement, certains élèves de première année m'ont dit que le cours de cinématique était ennuyeux. Ils ont pourtant bien travaillé et obtenu de bonnes notes, donc je prends au sérieux leur remarque. Deuxièmement, le séminaire de didactique sur les laboratoires m'a montré un chemin possible pour rendre les élèves plus actifs. Troisièmement, mon enseignement en duo au cycle d'orientation avec M. Jacques Bochet m'a montré une autre manière d'enseigner, qui me plaît beaucoup. Elle se base sur le constructivisme, qui dit que l'élève n'apprend qu'en construisant son savoir, le maître ne peut que le guider dans son apprentissage, mais il ne peut pas apprendre à sa place. La majorité des cours de M. Bochet est basée sur la représentation que se font les élèves de l'électricité, sur leurs confrontations et sur des expériences qui les amènent vers une représentation permettant d'expliquer leurs observations.
2. Problématique
Suite aux cours traditionnels beaucoup élèves répondent correctement aux questions d'épreuves, mais ont-ils compris la physique enseignée ? Les résultats de mes élèves de deuxième année, lors d'une épreuve sur l'électrocinétique, me font douter de leur compréhension. Ils avaient le choix entre répondre à des questions simples et des questions de calculs. Les questions simples ne demandaient qu'une compréhension des bases des circuits électriques. Les questions de calculs demandaient de connaître des formules de physique et de savoir les appliquer pour obtenir des résultats numériques. La majorité des élèves a choisi les questions de calculs. Ceux qui ont choisi les questions "simples", ont fait trop d'erreurs. Malgré de bonnes notes à l'épreuve, je pense que peu de semaines après le cours, la majorité des élèves aura oublié l'essentiel du cours. Les travaux de Laurence Viennot sont étoffés de statistiques qui montrent qu'un nombre important d'élèves répond incorrectement à des questions simples, portant sur des sujets qu'ils ont étudiés. Une fois les cours terminés, ils conservent d'anciens schémas explicatifs. Comment aider les apprenants à modifier leurs représentations pour qu'elles leurs permettent d'améliorer leurs interprétations de phénomènes physiques ?

Un deuxième point est lié à la motivation des élèves. Une personne intéressée par un sujet donné, retiendra plus d'informations, et sera plus enclin à modifier ses conceptions. Comment capter d'avantage leur attention ?
3. Objectifs
Un objectif de cette approche basée sur l'expérimentation est de motiver plus d'élèves et par conséquent leur permettre une meilleure compréhension de la physique enseignée. D'autre part, ces cours les places dans une situation d'observation et d'apprentissage en étant actif. Les thèses du constructivisme soulignent l'importance pour l'apprenant d'être actif durant son apprentissage. Ce n'est qu'ainsi qu'il s'appropriera de nouvelles connaissances. La compréhension est donc privilégiée par rapport aux techniques de résolutions de problèmes.
4. Public visé
Les constatations précédentes concernent tous les niveaux, mais je me suis limité pour ce travail aux cours de dynamique, donnés à des élèves de première année du collège, c'est-à-dire à des adolescents entre 14 et 16 ans.
5. Contexte
Ces cours ont été donnés à trois classes de première année, au collège Claparède.

- Un cours était donné le lundi après-midi de 15h20 à 16h55 à 10 élèves de niveau 2 (avancé).

- Un cours était donné le mercredi matin de 8h00 à 9h35 à 12 élèves de niveau 1 (normal).

- Un cours était donné le mercredi matin de 9h55 à 11h30 à 11 élèves de niveau 2 (avancé).

Huit leçons de deux heures pour le groupe du lundi et le groupe de niveau 1 du mercredi matin.

Sept leçons de deux heures pour le groupe de niveau 2 du mercredi matin.

Une heure de cours correspond à 45 minutes.

Suite à ces cours, une épreuve de 95 minutes a permis d'évaluer les acquisitions des élèves en dynamique.
6. Hypothèses de départ
6.1 Pour apprendre, les élèves doivent être actifs. Certains réussissent à être intellectuellement actifs durant un cours transmissif, qui leur suffit. Mais pour une majorité, leur activité doit être physique en manipulant, observant, en confrontant leurs idées et en écrivant. C'est la thèse principale du constructivisme. Les discussions que j'ai eu à ce sujet, en particulier avec M. François Lombard(1) et M. Jacques Bochet, m'ont convaincu de son importance. Elle est également défendue par de nombreux chercheurs en didactique, tel que Gérard de Vecchi, Jean-Pierre Astolfi et Guy Robardet.

6.2 Les concepts compris restent mémorisés plus longtemps que les techniques, qui elles s'oublient vite. J'ai discuté de ce sujet avec plusieurs amis, tels que les deux personnes citées ci-dessus, mon maître formateur et mon frère qui est professeur de physique à l'université de Genève. Ils m'ont tous répondus qu'ils étaient convaincus de la véracité de cette hypothèse. J'en ai également discuté avec ma belle sœur, qui n'a pas de formation scientifique, mais qui était opératrice d'un microscope électronique. Elle m'a confirmé que pour savoir utiliser cet appareil, elle a dû comprendre la fonction des boutons qu'elle manipulait. Apprendre par cœur la suite de manipulations à effectuer pour obtenir des photos était ne lui suffisait pas.

6.3 Les concepts s'apprennent mieux par l'expérimentation que par la théorie. Cette hypothèse est probablement la plus controversée des trois. Plusieurs de mes collègues doutent de sa validité. En interrogeant mes élèves, une fois les cours et l'évaluation terminée, une petite majorité préférait voir la théorie avant l'expérience, alors que d'autres trouvaient intéressant d'aborder la théorie à travers l'expérience. Un dosage optimal entre la théorie et l'expérience, ainsi que leur ordre de présentation reste une tâche très difficile.
Pour vérifier ces hypothèses, il faudrait donner des cours transmissifs à un groupe d'une centaine d'élèves ou plus et des cours basés sur l'expérimentation à un autre groupe de taille similaire. Ensuite comparer leurs résultats lors de tests. Il faudrait faire une comparaison peu de temps après les cours et une autre plusieurs semaines ou mois après les cours. Je n'ai pas connaissance de tels tests, qui sont particulièrement délicats à réaliser sans biais. Les travaux de Laurence Viennot et de Gérard de Vecchi montrent que les cours transmissifs donnent des résultats décevants. Leurs travaux sont relativement récents et notre recule est insuffisant pour affirmer que les autres approches donnent de meilleurs résultats.


(1) M. François Lombard est enseignant en biologie au collège Calvin et chargé d'enseignement à la faculté de psychologie et des sciences de l'enseignement.

7. Réflexions préliminaires
Deux grandeurs fondamentales en dynamique sont celles de masse et de force. Il faut donc savoir les définir ou les caractériser. Pour satisfaire ma propre curiosité et être à l'aise avec ces deux notions, je les ai définies clairement, différemment de ce qu'ont trouve dans les livres de références, tel que le "LEP" cité dans la bibliographie. Dans l'annexe numéro 5 se trouve ces caractérisations. J'ai fait cela, car les définitions usuelles ne me satisfont pas (je les trouve trop simplistes) et pour clarifier ces concepts. Par contre une telle précision risque plus de troubler les élèves que de les aider. Les élèves ont reçu un cours papier avec ces réflexions, destinées aux plus curieux, mais la lecture des pages correspondantes a été laissée à la discrétion des élèves.
Faut-il demander aux élèves de définir les concepts de masse et de force ?

Je n'ai pas trouvé de livres qui définissent précisément ces notions. Même pour Newton et les physiciens qui lui ont succédé, ces définitions ont été très difficiles à donner. Il est étonnant de voir le nombre de livres de physique qui "définissent" la masse ainsi : "la masse est une grandeur qui caractérise la quantité de matière" (réf. LEP, mécanique, chapitre 4). Cela ne fait que déplacer le problème : "qu'est ce que la quantité de matière ?". Au cycle d'orientation, on définit la matière par "tout ce qui a une masse". On tourne en rond !
En conséquence, j'ai choisi de ne pas demander aux élèves d'essayer de définir ces deux grandeurs. J'ai commencé avec des caractérisations expérimentales de ces grandeurs, en me concentrant principalement sur la force. Les caractéristiques principales de la masse leurs sont connues. Passer trop de temps sur cette notion peu la rendre inutilement compliquée.
8. Démarche de préparation des cours
En me basant sur les trois livres LEP, Kulling et Monard, cités dans la bibliographie, ainsi que sur les cours de didactiques durant lesquels nous avons discuté de l'importance des laboratoires, j'ai établi une liste d'expériences pouvant être réalisées par les élèves dans le cadre de ces cours. Elle sera discutée par la suite. J'ai ensuite sélectionné certaines de ces expériences et écrit des protocoles d'activités à réaliser par les élèves. Ces protocoles d'activités sont donnés en annexe. Les élèves ont également reçu deux séries d'exercices et un cours de 14 pages, la dernière page étant constituée d'exercices. Ces séries d'exercices, le cours et les corrigés sont disponibles sur mon site web à l'adresse : http://www.perso.ch/bernard.gisin/coursphys1ere/index.html
9. Liste d'expériences permettant aux élèves de s'initier à la notion de force
a) La première expérience à faire est de vérifier que l'élongation d'un ressort est dans une certaine limite proportionnelle à la masse suspendue au ressort. Si on admet que le dynamomètre mesure une force, on peut vérifier que F = gm, où g est une constante de proportionnalité.
g = 9,81 [N / kg] peut être vérifié à partir de la pente d'un graphique de F en fonction de m.
b) La deuxième expérience est de vérifier le principe d'action = réaction. En plaçant horizontalement deux dynamomètres qui tirent l'un sur l'autre, on vérifie qu'ils indiquent toujours la même force, dans les limites des incertitudes de mesure.
c) Avec deux dynamomètres horizontaux, on vérifie le principe d'action = réaction. Si on intercale un troisième dynamomètre entre les deux, quelle valeur indiquera-t-il ?







d) Comparaisons de diverses situations :

i) Masse suspendue à un dynamomètre.

ii) Masse suspendue à un fil qui change de direction grâce à une poulie

iii) Deux masses identiques qui tirent un dynamomètre horizontal grâce à des poulies.








e) En plaçant horizontalement trois dynamomètres, qui tirent chacun un petit objet dans une direction, on peut vérifier que la somme vectorielle des forces est toujours nulle. Cette expérience avec celle du point b) montre expérimentalement que l'on peut remplacer deux forces ayant même point d'application, par une seule. => règle d'addition des forces. Par extension, on peut additionner plus que deux forces ayant même point d'application.


f) On peut étendre l'expérience précédente en ayant quatre dynamomètres qui tirent dans quatre directions qui ne sont pas coplanaires. Quel lien y a-t-il entre les quatre forces mesurées ?
g) On peut mesurer la force indiquée par deux dynamomètres placés dans un plan vertical, faisant un angle avec la verticale et supportant une masse m. Le but étant de constater que plus l'angle est grand, plus les forces indiquées par les dynamomètres seront grandes.

h) On peut vérifier que la force exercée pour retenir un chariot sur un plan incliné est proportionnelle à la hauteur du plan incliné, si la longueur du plan reste la même. Ayant déjà vu que l'accélération est aussi proportionnelle à la hauteur, on en déduit que la force est proportionnelle à l'accélération. (c.f. annexe 4).


i) Vérification expérimentale de Frésultante = ma. Sur un rail, on peut mesurer la force qui tire un chariot, la masse du chariot et l'accélération du chariot. Premièrement, on peut constater que la force indiquée par le dynamomètre n'est pas la même quand le chariot est retenu, que quand on le laisse accélérer.


j) En suspendant un objet à un dynamomètre, on peut mesurer sa force de la pesanteur. Si on le plonge dans un liquide, tel que de l'eau, de l'alcool ou de l'huile, comment varie la force indiquée par le dynamomètre ? Que déduire de cette expérience ?
k) Mesure de la force de frottement dynamique. En fonction de la masse de l'objet. Ou en fonction de la pente sur laquelle l'objet se trouve.

Remarques

L'idée de l'expérience g) m'est venue trop tard pour la proposer à mes élèves. C'est dommage, car je la trouve instructive. En interrogeant plusieurs de mes amis, j'ai été étonné de constater que pour la majorité d'entre eux, il n'était pas évident que plus l'angle est grand, plus la force indiquée par les dynamomètres est grande. J'ai déjà constaté lors d'autre cours de physique et de mathématiques, que certaines situations qui me paraissaient évidentes et intuitives n'était pas perçues comme telles par mes élèves ni par plusieurs de mes amis(1). L'expérience personnelle en tant qu'enseignant me semble nécessaire pour faire face à ces surprises.
Le temps étant limité, seules les expériences a), b), c), d), e) et h) ont été réalisées.

L'expérience i) a été tentée avec ma classe du lundi, mais le résultat n'est pas satisfaisant, comme le montre la discussion dans la partie décrivant le déroulement des cours.
J'ai construit une vingtaine de dynamomètres avec des pailles et des petits ressorts, pour les utiliser horizontalement, car ceux du collège ne sont pas très précis dans cette position. Je l'ai fait également pour montrer que des d'appareils sophistiqués ne sont pas indispensables pour faire des expériences de physique. Malgré une plus grande précision des dynamomètres que j'ai construit et une plus grande lisibilité, une majorité d'élèves a préféré les instruments du collège. Les arguments évoqués par les élèves étaient la fragilité de ce que j'ai fabriqué et le look plus professionnel des appareils du collège.
Voici une amélioration de l'expérience e), qui peut sembler minime et que je pense être importante.

La force exercée sur l'objet à travers le dynamomètre de gauche par les deux dynamomètres de droite correspond à la force exercée par le dynamomètre de gauche. L'addition vectorielle des forces exercées par les dynamomètres de droite est égale à la force exercée par le dynamomètre de gauche.

Cette expérience illustre la règle d'addition de forces.

Un détail de présentation d'une expérience peut modifier son impact de manière significative.




(1) J'ai été surpris de constater que mes élèves de première année, niveau 1 (normal), ainsi que plusieurs de mes connaissances, étaient incapable de prédire la température finale d'un mélange d'un litre d'eau à 10 [°C] avec un litre d'eau à 70 [°C].

° D'autres surprises viennent de la logique mathématique. En demandant quelle est la négation de la phrases : "J'ai faim et j'ai soif", la réponse habituellement donnée est "Je n'ai ni faim ni soif", alors que la négation correcte est "Je n'ai pas faim ou je n'ai pas soif (ou ni l'un ni l'autre)".

° Sachant que "s'il pleut Alice ira au cinéma" et "qu'il n'a pas plu", la déduction usuelle est "qu'Alice n'est pas allée au cinéma". Pourtant rien ne nous indique ce qu'elle fera s'il ne pleut pas. La difficulté est telle que la langue française est incomplète pour énoncer ce genre de problèmes.

10. Description du déroulement des cours
J'ai pris la décision de noter les activités. Cela stimule les élèves, mais peut diminuer leur curiosité et leurs essais de "tester autrement". C'est un choix qui facilite la gestion de la classe, donc pour une première tentative de ce genre de cours, c'est une sécurité personnelle. J'imagine que dans le futur, je pourrai donner des leçons similaires sans notes.
Les protocoles des activités étaient directifs avec un but précis à chaque fois. Ils reprenaient l'esprit des protocoles reçu pas mes élèves du cycle d'orientation lors de mon duo d'enseignement avec M. Jacques Bochet.
Chaque heure de cours durait 45 minutes.
La première heure du premier cours a été consacrée à l'introduction de la dynamique, à la distribution d'un cours de 14 pages sur papier et à la "définition" de la masse. Les élèves ont généralement une bonne notion de ce qu'est une masse, donc s'étendre sur ce sujet risque d'amener plus de confusion qu'autre chose.

La deuxième heure du premier cours a été consacrée à expérimenter la relation entre l'élongation d'un ressort et la masse accrochée au ressort. La relation : force de la pesanteur = masse  g, a ainsi été introduite.

Le dynamomètre a été présenté comme l'instrument de mesure d'une force.
Le deuxième cours avait pour but de faire prendre conscience aux élèves de la loi "action = réaction" à travers une activité. Cette loi est aussi décrite dans le cours papier. Nous y sommes revenus dans plusieurs expériences et dans des exercices.
Le troisième cours avait pour objectif qu'ils apprennent la règle d'addition de forces. Une activité devant leur faire découvrir qu'en mettant bout à bout les trois flèches représentant les trois forces subies par trois dynamomètres, on arrivait toujours au point de départ. Cette activité leur a posé plusieurs difficultés. La précision des mesures de forces n'était souvent pas satisfaisante et donc les élèves n'observaient pas la règle d'addition des forces. C'est suite à cette activité que je me suis rendu compte de l'amélioration que j'ai décrite à la page précédente.
Le quatrième cours était consacré à la résolution d'exercices appliquant la règle d'addition de forces.

J'ai défini ce qu'est la force résultante agissant sur un corps. Suite à une discussion sur le lien entre la force résultante, la masse et le déplacement d'un corps, j'ai introduit la loi fondamentale de la dynamique : Force résultante = masse  accélération.

Une deuxième activité, non expérimentale, sur l'addition de forces leur demandait d'appliquer la règle d'addition de forces.
Durant la première moitié du cinquième cours, nous avons résolu plusieurs exercices théoriques, utilisant l'addition de forces et les trois lois de Newton. Ensuite, une activité testant la relation entre la pente d'un plan incliné et la force nécessaire pour retenir un chariot sur cette pente a permis de faire le lien avec une activité du cours de cinématique, montrant la relation entre la pente d'un plan incliné et l'accélération d'un chariot sur cette pente. Cela permettait de vérifier indirectement la loi Force résultante = masse fois accélération.
Avec la classe de niveau 2 du lundi après-midi, j'ai tenté l'activité i) vérifiant la loi fondamentale de la dynamique. La réalisation de l'expérience, en mesurant directement la force qui accélère un chariot, est trop délicate. Les mesures doivent être faites avec beaucoup de soins, qui exigent trop de temps par rapport à celui à disposition. J'ai essayé d'utiliser cette difficulté pour souligner le génie de la découverte de la loi "Force résultante = masse fois accélération", mais sans succès. Je ne pense pas que les élèves ont retiré grand chose de cette expérience.

Les deux derniers cours ont été consacrés à une brève introduction de la trigonométrie dans un triangle rectangle, en définissant le sinus et le cosinus d'un angle, suivit de la dernière activité qui portait sur des exercices de détermination des forces agissant sur un véhicule roulant sur un plan incliné. Cette introduction à la trigonométrie, ainsi que les séances qui utilisaient ces connaissances, étaient théoriques. Elles testaient leur capacité de représenter diverses forces par des flèches, d'additionner des forces géométriquement, de décomposer des forces et d'en déduire la force résultante ainsi que l'accélération du véhicule. Le choix de consacré du temps à la trigonométrie, qui sera vue en mathématiques quelques semaines plus tard, était aussi guidé par le fait que ce sujet est nécessaire au chapitre suivant, qui traite de l'énergie et du travail d'une force.
Durant la dernière leçon avant les vacances de Pâques, les élèves de niveau 2 ont été évalués avec une épreuve de 95 minutes. Sur un total de 21 élèves, 4 étaient absents. Tous les élèves m'ont rendu leurs feuilles avant la fin du temps à disposition, ils avaient donc assez de temps. Par contre, ils ont trouvé l'épreuve difficile.
Les élèves de niveau 1 ont préféré avoir une leçon de plus et faire l'épreuve à la rentrée des vacances de Pâques. Ce décalage m'a permis de rectifier quelques questions, suite aux réponses des élèves de niveau 2.
Les résultats de ces épreuves sont analysés au point 12.
Tous les cours se sont déroulés dans le calme, avec de bonnes conditions de travail et un investissement satisfaisant de presque tous les élèves. Cela s'est traduit par de bonnes notes d'activités. Par contre les devoirs étaient insatisfaisants. Plusieurs élèves ne m'ont pas rendu un devoir qui était noté ! Que faire, quand même un travail noté est négligé ?
Il est intéressant de remarquer qu'au fur et à mesure des expériences, l'autonomie des élèves augmentait. Ils savaient où chercher le matériel, comment le monter et où le ranger en fin de cours. Par contre la difficulté pour rédiger par écrit les observations faites, reste un gros problème pour beaucoup d'entre eux. J'ai constaté cela mainte fois dans d'autre cours de physique et de mathématiques. La même observation m'a été rapportée par des collègues enseignants dans d'autres disciplines. Une manière d'obtenir plus d'effort de la part des élèves est de les noter. Une autre manière est d'écouter leurs explications, puis de leur dire d'écrire mot pour mot ce qu'ils viennent de dire oralement. Il est important de leur laisser beaucoup de temps de rédaction. Pour que les élèves écrivent plus, on peut aussi leur poser des questions plus précises. Mais cela sera au détriment de l'originalité de leurs réponses.

Adjonction après la présentation de ce travail.

Un mois après avoir terminé le chapitre de la dynamique, les élèves ont été testés dans ce domaine. Le but étant de savoir ce qu'ils avaient acquis à moyen terme. La première question concernait la connaissance et l'application de formules dans le cas de la chute d'un corps soumit à un frottement constant. La deuxième question testait leur compréhension et réflexion. Elle nécessitait l'utilisation du principe d'action = réaction pour dévier la trajectoire d'un astronaute dans l'espace. La troisième question reproduisait des exercices faits en classe sur le plan incliné.

La conclusion principale est que les élèves ayant eu une note suffisante au premier travail ont eu une bonne note à ce travail, alors que les autres ne se sont pas améliorés.

La deuxième constatation est que leurs connaissances et savoir-faire n'ont pas changé.

La troisième constatation est que les élèves de niveau 2 ont su utiliser le principe d'action = réaction pour résoudre la deuxième question, mais peu se sont donnés de la peine pour écrire une réponse précise. L'écart entre les élèves de niveau 1 s'est creusé. Les 5 élèves ayant obtenu les meilleures notes ont amélioré leurs résultats, les autres ont obtenu de moins bonnes notes.
11. Difficultés rencontrées
Pour beaucoup d'élèves, une difficulté liée à la loi "action = réaction" est résumée dans le raisonnement suivant :
"Puisque chaque force est accompagnée d'une force de même intensité mais de sens contraire, alors la force résultante est toujours nulle." Ma manière de répondre à cet argument est que la force de réaction agit toujours sur un autre objet de la force d'action. Chaque objet des schémas que je faisais était de couleur différente et les forces qui s'appliquaient sur un objet étaient dessinées de la même couleur que l'objet. Par conséquent une force et sa réaction étaient toujours dessinées de couleurs différentes. La force résultante agissant sur un objet dessiné d'une couleur donnée, s'obtenait par addition vectorielle des forces dessinées de la même couleur que celle de l'objet. L'utilisation systématique de couleurs, identiques tout au long des cours, aide les élèves à comprendre les notions qu'ils doivent intégrer. J'utilise aussi des couleurs dans des exercices demandant des résolutions d'équations. Les inconnues sont écrites en rouge et les valeurs connues en vert.
Un des mes espoirs était que les élèves découvrent à travers l'expérimentation les caractéristiques principales d'une force. Il n'a pas été satisfait. Une des raisons est que beaucoup d'élèves sont habitués à des résultats exacts. Probablement à cause des cours de mathématiques où les résultats approximatifs sont rares. Donc pour beaucoup d'élèves, il est difficile de tirer des conclusions à partir de mesures qui ne satisfont pas à cent pour cent la théorie.
L'échec de la découverte spontanée des caractéristiques principales d'une force, m'a fait prendre conscience que plus de 90% des expériences de physique réalisées dans le monde universitaire ont pour but de vérifier une théorie en sachant quel devrait être le résultat. Celles faites sans savoir quel devrait être le résultat sont beaucoup plus rares et plus délicates à réaliser. Cette remarque pose la question de savoir s'il est préférable d'exposer la théorie aux élèves avant de réaliser l'expérience ou s'il est préférable de leur faire découvrir la théorie par l'expérience. Je pense qu'une expérience faite avant un exposé théorique est utile pour mettre en défaut les conceptions erronées d'élèves. Mais arriver à faire découvrir une règle théorique par des expériences prend beaucoup de temps et demande des compétences inhabituelles.
Malgré cette petite déception personnelle, la plupart des élèves ont apprécié cette nouvelle approche différente de celle utilisée pour enseigner la cinématique, branche très mathématique. Seuls deux élèves m'ont clairement dit qu'ils préféraient qu'on leur donne la théorie, sans soutien expérimental.
Notons aussi que plusieurs élèves ne savent pas utiliser correctement un rapporteur. Ce qui pose un problème pour mesurer des angles entre des forces ou pour placer correctement des forces.
Une remarque sociologique.

Il est intéressant de noter que dans l'activité page 5, qui a pour but d'appliquer la règle d'addition de forces, le cercle représentant Claire est plus grand que celui qui représente Jean. De même, le trait pouvant représenter la force exercée par Claire est plus long que celui correspondant à Jean. Malgré cela, tous mes élèves ont choisi que Jean exerce une force supérieure à celle exercée par Claire, car Jean est un nom masculin, alors que Claire est un nom féminin. J'en ai discuté avec eux. La notion que le genre masculin est plus fort que le genre féminin est fortement ancré dans leur représentation. Cette constatation a été observée une deuxième fois lors de la correction de l'épreuve. Cela perturbe les élèves que Claire puisse peser plus que Jean. Dans tous les cas, ils ont écrit que Jean exerçait une force supérieure ou égale à Claire. Cette remarque montre que les élèves peuvent être déstabilisés par des détails qui n'ont rien à voir avec le sujet de l'exercice. Parfois il est bon de les perturber ainsi, pour les tester, mais il faudrait être conscient de l'influence de ces détails. J'ai éliminé ce facteur déstabilisant dans l'épreuve des élèves de niveau 1 (normal).
J'imaginais faire faire aux élèves une expérience par cours, avec une brève synthèse en fin de leçon. Mais rapidement, j'ai constaté qu'il fallait prendre du temps pour la synthèse et pour exercer les notions vues durant les expériences, en résolvant des problèmes.
J'ai essayé du suivre l'esprit des cours donnés au cycle d'orientation en duo avec M. Jacques Bochet. Malheureusement, le manque de discussion avec un collègue pour la préparation des cours ne m'a pas permis d'atteindre le même niveau de qualité des consignes. Après chaque cours, je découvrais plusieurs améliorations à apporter aux protocoles des activités.
12. Les objectifs ont-ils été atteints ?
Rappelons que les objectifs étaient de motiver les élèves et d'obtenir une meilleure compréhension de la physique enseignée.
Malheureusement, l'objectif principal de la majorité des élèves est d'avoir des bonnes notes. Cet objectif était facilement réalisé par les élèves qui se donnaient de la peine et effectuaient convenablement leurs expériences. Donc beaucoup d'élèves s'appliquaient durant la réalisation de ces expériences et appréciaient cette approche. Seuls deux élèves m'ont clairement dit qu'ils préféraient une approche plus théorique. Ils avaient l'impression de ne "rien comprendre" à travers ces expériences. Observer et en tirer des conclusions ne leur suffisaient pas.
Les élèves ont-ils une meilleure compréhension de la physique suite à ces cours ? J'en doute. La moitié de l'épreuve concernait des connaissances et "savoir-faire", l'autre moitié demandait une bonne compréhension de la notion de force et de sa représentation par des flèches pour résoudre des problèmes de réflexion. La partie concernant les connaissances et "savoir-faire" a été mieux résolue en moyenne, que la partie de compréhension et réflexion, qui leur a posé de grosses difficultés. Cela se voit clairement dans l'annexe 1, qui indique le taux de réussite aux questions de l'épreuve.
Je pense qu'une approche plus classique aurait permis aux élèves de mieux répondre aux questions de connaissances et "savoir-faire". Par contre, ils auraient certainement été moins motivés. A plus long terme, si les connaissances s'oublient rapidement, ils leurs restera peut-être un bon souvenir de cours qu'ils m'ont dit avoir appréciés.
13. Avantages et inconvénients de cette méthode d'enseignement
Un inconvénient connu et constaté de cette approche est sa lenteur. Cette méthode expérimentale demande beaucoup plus de temps qu'une approche théorique pour aborder les mêmes sujets.
Un avantage, connu également, est qu'elle motive plus d'élèves et qu'elle permet à plus d'élèves d'avancer à leur rythme. J'ai rarement dû faire de la discipline durant ces activités. C'est un avantage particulièrement important pour l'enseignement au cycle d'orientation.
Comme discuté précédemment, je n'ai pas l'impression que cette approche apporte une meilleure ou moins bonne compréhension des sujets étudiés. Les résultats d'un test à venir seront intéressants. J'espère que les notions conceptuelles auront été mieux intégrées et les questions utilisant la loi "action = réaction" seront mieux résolues que lors de la première épreuve. Je m'attends à ce que les difficultés pour répondre à des questions techniques auront augmenté.
14. Conclusions
Ces cours avaient pour objectifs de motiver les élèves et de leur permettre une meilleure compréhension. Le premier objectif a été atteint pour une partie des élèves, plus particulièrement durant les premières expériences. Les cours se sont déroulés dans le calme, j'ai dû faire très peu de discipline. Les comptes rendus des élèves étaient satisfaisants. Par contre, il ne semble pas que leur compréhension de la dynamique soit meilleure suite à ces cours. Je manque de recul et d'expérience pour avoir un jugement fiable.
Une hypothèse de départ était que les élèves doivent être actifs pour apprendre. J'en suis toujours convaincu, mais le dosage entre expériences, théorie et exercices est difficile à trouver pour optimiser l'apprentissage. Chaque expérience doit être accompagnée d'une théorie qui résume les observations faites durant les manipulations. Ensuite, quelques exercices sont nécessaires pour consolider ce qui vient d'être vu.
Une autre hypothèse était que les concepts compris restent mémorisés plus longtemps que les techniques, qui elles s'oublient vite. Je continue de croire que cette affirmation est correcte. Toutes les personnes avec lesquelles j'en ai discuté, m'ont conforté dans cette conviction. La comparaison entre l'exercice 1 et l'exercice 4 de l'épreuve confirme le fait que les techniques s'oublient vite. L'exercice 4 a été mieux réussi en moyenne que l'exercice 1, malgré qu'il soit techniquement plus difficile. La différence peu être expliquée par le fait qu'il a été vu en dernier et par le fait que plus de temps y a été consacré. Un mois après la fin de cours, les élèves seront testés sur un problème d'application des connaissances et un problème de réflexion. Les résultats ne seront à disposition qu'après la rédaction de ce travail.
La dernière hypothèse était que les concepts s'apprennent mieux par l'expérimentation que par la théorie. J'ai des doutes concernant cette affirmation. Je pense que cela dépend des personnes et surtout des dosages. Des expériences non soutenues par la théorie n'apportent pas grand chose à la plupart des élèves. De la théorie non soutenue par des expériences reste très abstraite pour beaucoup d'entre eux. Un mélange des deux est certainement optimal, mais dans quelles proportions et dans quel ordre ? J'ai choisi de faire les expériences avant la théorie, pour aller vers une découverte. J'ai l'impression que d'exposer la théorie avant de faire les expériences a plusieurs avantages. L'un d'eux est de placer les élèves dans un contexte qui les rassure. Il est plus facile de vérifier un résultat connu, que d'en découvrir un nouveau.
Une grosse contrainte vient du programme et du temps à disposition. En sept à huit cours, mes élèves ont parcouru un champ plus petit que celui vu par mes collègues. Ont-ils mieux assimilés le concept de force et les lois de Newton ? Je ne le pense pas. Par contre, ils m'ont dit avoir été plus motivés par ces cours que par ceux du premier semestre.
Je constate que beaucoup d'élèves savent résoudre des problèmes, car ils ont appris les techniques pour arriver aux solutions, mais peu d'élèves ont compris les notions de bases, leur permettant de résoudre des problèmes différents de ceux exercés en cours. La remarque que j'ai souvent entendue est : "Mais on a jamais vu ça !". La majorité des élèves sait refaire des exercices, mais peine à utiliser ses connaissances pour en résoudre de nouveaux.
Finalement, ces cours basés sur l'expérience ont été intéressants, mais un peu décevant. Les résultats obtenus ne semblent pas meilleurs que ceux obtenus dans des cours plus traditionnels. Le dosage entre expérience et théorie doit être amélioré. Quand le temps le permet, effectuer des expériences pour ébranler les convictions des élèves, puis enseigner la théorie avant de la vérifier expérimentalement est généralement avantageux. On peut laisser quelques cours basés sur la découverte, mais cela prend beaucoup de temps, et l'efficacité de cette approche reste à être prouvée.

15. Références bibliographiques.
Rey "Les relations dans la classe au collège et au lycée", de Bernard Rey, éditions "ESF, Paris", 1999, ISBN 2-7101-1367-8.
Viennot "Raisonner en physique, la part du sens commun", de Laurence Viennot, éditions "de boeck", 1996, ISBN 2-8041-2236-0.
Vecchi "Aider les élèves à apprendre", de Gérard de Vecchi, éditions "Hachette Education", 1992, ISBN 2-01-0191155-2.

Une nouvelle édition a été imprimée en 2004, son numéro ISBN est : 2-0117-0833-8
Astolfi "L'école pour apprendre", de Jean-Pierre Astolfi, éditions "ESF", 1992, ISBN 2-7101-0959-X.

Une nouvelle édition a été imprimée en 2002, son numéro ISBN est : 2-7101-1587-5

Et une autre édition a été imprimée en 2004, son numéro ISBN est : 2-7101-1675-8
Robardet "Eléments d'épistémologie et didactique des sciences physiques. De la recherche à la pratique", de Guy Robardet et Jean-Claude Guillaud, éditions "IUFM de Grenoble", 1993, ISBN 2-95076620-0-X.
LEP "Physique Chimie, sciences expérimentales", de Paul Avanzi, Alain Kespy, Jacques perret-Gentil, Daniel Pfistner, éditions "L.E.P Loisirs et Pédagogie", Lausanne 1992, ISBN 2 606-00577-5.

Deux nouvelles éditions ont été éditées depuis 1992.
Kulling "Exercices de physique mécanique", de André Külling et Jean-Claude Noverraz, édition Corbaz S.A. Montreux, 1992, ISBN 2-607-01100-0.
Monard "Mécanique", de J.-A. Monard, éditeur centrale d'achats de la ville de Bienne, 1974, ISBN pas de numéro.
TFFI_1 "De l'usage des représentations dans la notion de pression", de Chantal Bonjour et Etienne Schoepfer, travail de fin de formation initiale en physique : TR 123 du 8 avril 2001.
TFFI_2 "Différentiation entre objets réels et leurs représentations ; Différentiation entre plusieurs représentations", de Luc Faravel et Pascal Rebetez, travail de fin de formation initiale en physique : TR 49 de mars 2001.
TFFI_3 "La force d'archimède dans les gaz traitée par une situation problème", de Sabrina Cappi-Roland, travail de fin de formation initiale en physique : TR 424 de mai 2004.


16. Annexes
Annexe 1

Nombre de points par exercice. N2 = résultats des niveaux 2. N1 = résultats des niveaux 1.
Exercice 1, sur 6 points, testant des connaissances et savoir-faire.

N2 3 3 4 4 2 6 3 6 5 4 3 4 1 4 1 4 3 moyenne = 60 / 17 = 3,53 = 0,59  6, 59 % de réussite.

N1 0 4 3 4 2 4 6 6 3 4 6 moyenne = 42 / 11 = 3,82 = 0,63  6, 63 % de réussite.
Exercice 2, sur 8 points, testant de la compréhension.

N2 2 1 0 4 7 4 7 7 6 8 0 2 1 1 1 3 3 moyenne = 57 / 17 = 3,35 = 0,42  8, 42 % de réussite.

N1 0 0 0 0 1 6 2 3 0 6 3 moyenne = 21 / 11 = 1,91 = 0,24  8, 24 % de réussite.
Exercice 3, sur 9 points, testant de la compréhension.

N2 1 2 1 7 6 5 7 7 5 2 9 3 2 3 3 3 3 moyenne = 69 / 17 = 4,06 = 0,45  9, 45 % de réussite.

N1 1 2 1 3 3 2 5 4 2 4 6 moyenne = 33 / 11 = 3,00 = 0,33  9, 33 % de réussite.
Exercice 4, sur 14 points, testant des connaissances et savoir-faire.

N2 11 5 2 7 13 14 5 5 14 14 13 14 7 12 5 11 8 moyenne = 160 / 17 = 9,41 = 0,67  14, 67 %.

N1 2 1 6 6 2 7 14 14 14 13 13 moyenne = 92 / 11 = 8,36 = 0,59  14, 59 %.
Exercice 5, sur 8 points, testant de la compréhension. Il était probablement trop difficile et n'est donc pas significatif.

N2 3 3 0 1 4 3 1 1 4 3 1 1 0 5 0 2 1 moyenne = 33 / 17 = 1,94 = 0,24  8, 24 % de réussite.

N1 0 1 1 1 1 1 1 5 8 1 5 moyenne = 25 / 11 = 2,27 = 0,28  8, 28 % de réussite.
On observe clairement que les questions testant les "connaissances et savoir-faire" sont mieux réussies que les questions testant la compréhension.

Il est intéressant de noter également que le sujet de l'exercice 4 a été vu plus récemment que celui de l'exercice 1 et malgré que ce sujet soit plus difficile, il a été mieux réussi.

L'épreuve de niveau 1 était légèrement différente de celle de niveau 2.
Adjonction après la présentation de ce travail.

Un travail effectué un mois après la fin de ces cours tends à montrer que le niveau de "connaissance et savoir-faire" des élèves n'a pas changé, alors qu'ils ont globalement mieux répondu à la question portant sur la compréhension et le raisonnement. Ce travail n'était compté que positivement sur leur moyenne, ce qui a eu comme conséquences que beaucoup d'élèves n'ont pas pris ce travail au sérieux. Ils ont répondu très sommairement aux questions.

D'autres commentaires à ce sujet se trouvent en fin de page 8.

Annexe 2 : l'épreuve de niveau 2.

Annexe 3 : le corrigé de l'épreuve de niveau 2.

Annexe 4 : les activités.

Annexe 5 : caractéristiques d'une masse et d'une force.

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