Françoise Chauvet, Chantal Duprez, Isabelle Kermen, Philippe Colin, Marie-Bernadette Douay
 

Plan d'ensemble

     Présentation

A. Intentions générales d'une séquence utilisant le logiciel de simulation
     A.1. Présentation du logiciel
     A.2. Un outil pour l'apprentissage des élèves
     A.3. Apprentissages attendus des élèves
     A.4. Modalités de travail avec les élèves

B. Outils pour la construction d'une séquence
     B.1. Compléments sur la théorie cinétique et le modèle du gaz parfait
     B.2. Sensibilisation aux difficultés des élèves de seconde

C. Des scénarios pour un parcours conceptuel
     C.1. Prise en mains rapide du logiciel Atelier cinétique
     C.2. Un exemple de scénario élève

D. Des résultats d'expérimentations de séquences
     D.1. Effets de la seconde à l'université
     D.2. Appropriation par les enseignants stagiaires d'IUFM
     D.3. Des réactions d'élèves de seconde

     Bibliographie

B. Outils pour la construction d'une séquence

     L'usage de la simulation avec les élèves nécessite d'avoir les idées claires sur les relations entre les variables du modèle cinétique moléculaire aux deux niveaux envisagés, microscopique et macroscopique. Il est classique d'associer la pression aux chocs et la température à l'agitation thermique des molécules : « La pression p, mesurée par le manomètre, est due aux chocs des molécules sur les surfaces exposées. », « La température T, mesurée par le thermomètre, rend compte de l'agitation moyenne des molécules. » (GTD 2000, p. 148). Nous soulignons plus particulièrement, dans l'analyse des effets des chocs et de l'agitation thermique, le rôle des deux variables du modèle que sont la vitesse (quadratique) moyenne et la masse des particules, variable du modèle qui n'intervient pas lorsqu'on se limite aux lois macroscopiques pV = nRT.

B.1. Compléments sur la théorie cinétique et le modèle du gaz parfait

     Dans la section B.1, sont présentés avec le minimum de formalisme des compléments sur la théorie cinétique pour rappeler les lois qui fondent la simulation. On indique aussi les correspondances entre les grandeurs physiques ou les lois (inconnues des élèves de seconde ou hors programme comme la quantité de mouvement ou l'énergie cinétique) et les termes utilisés par les élèves eux-mêmes lors de l'appropriation de la simulation.

Lien vers les compléments sur la théorie cinétique

     Dans la section B.2, on présente les résultats d'une enquête menée en 2001, dans les Académies du Nord Pas de Calais et de Créteil, pour faire un état des lieux avant enseignement sur le thème des gaz et mettre en évidence les conceptions initiales des élèves.

C. Des scénarios pour un parcours conceptuel

     Les exemples de scénarios qui suivent sont des pistes de travail pour les enseignants qui veulent mettre en oeuvre le logiciel. Les enseignants peuvent les transformer pour les adapter à leurs propres objectifs et au niveau de leurs élèves. Il ne s'agit donc pas d'un protocole de TP « clés en mains ».
Nous proposons deux parcours, un pour les enseignants et un pour les élèves. Ces parcours et les indications qui les jalonnent s'appuient sur des expérimentations en classe ordinaire et sur des analyses menées en collaboration entre enseignants et chercheurs. Ils pointent les difficultés les plus fréquemment observés aussi bien par les élèves que par les enseignants pour guider les élèves dans un travail de construction de concepts.

C.1. Prise en mains rapide du logiciel Atelier cinétique

     Le scénario « Prise en mains rapide » du logiciel Atelier théorie cinétique est destiné à l'enseignant. Il vise en un minimum de situations à mettre en évidence les possibilités de la simulation pour explorer le modèle et les hypothèses qui le fondent. Le mode de questionnement choisi est analogue à celui qu'un enseignant peut mettre en place avec les élèves pour les faire raisonner sur les situations simulées.

Lien vers la prise en main rapide pour l'enseignant.

     Le scénario « Exploration » d'un modèle cinétique de gaz est une version plus proche d'un document pour les élèves, avec indication d'étapes pour un déroulement possible, de questions à poser, de demande de raisonnement à expliciter, d'intervention de l'enseignant, de phases de débat et de mise au point. Il propose un ordre dans l'introduction des expériences simulées sur la pression et sur la température qui tient compte des capacités cognitives des élèves et est susceptible de les engager dans la résolution d'un problème. Peut-on à partir des propriétés microscopiques de la collection de particules du modèle, prévoir les relations qui lient les variables macroscopiques ?

Lien vers le scénario Exploration.

D. Résultats d'expérimentations de séquences

D.1. Une simulation pour introduire un modèle cinétique microscopique de gaz : effets de la seconde à l'université

     Communication en mai 2003
Chauvet F. et Duprez C. (2003b), Une simulation pour introduire un modèle cinétique microscopique de gaz : effets de la seconde à l'université. In Actes du Colloque international sur l'enseignement des sciences : Expérimentation et construction des concepts, les sciences de l'école primaire à l'Université, IUFM Champagne Ardenne, Université de Reims, ULB et Facultés universitaires de Namur, Charleville-Mezières.

Résumé
Le programme de seconde porte la marque de résultats de recherches didactiques antérieures, menées au niveau collège, sur l'introduction d'un modèle cinétique particulaire pour expliquer les propriétés physiques des gaz, avec appui sur une simulation. Dans la perspective d'une diffusion large de résultats de recherche, notre équipe a réadapté cette simulation à la puissance actuelle des ordinateurs, et s'est centrée sur les enseignants, nécessaires médiateurs entre les concepteurs d'un outil innovant (séquence ou logiciel) et ses utilisateurs. Une approche d'un modèle cinétique particulaire nécessite une étude des effets statistiques et une étude dynamique des particules impliquées. Pour les élèves de seconde, les concepts et les lois ne sont pas disponibles, à l'exception d'une première approche du principe d'inertie. Dans ces conditions, l'élaboration par les enseignants d'un guide d'activités pour les élèves n'est pas sans poser problème, si l'objectif, au delà de la contemplation de l'image animée, consiste en une construction conceptuelle des grandeurs pression et température.
Deux enquêtes complémentaires sont présentées. Elles portent sur les acquis conceptuels des utilisateurs du logiciel. L'une a été menée auprès d'élèves de seconde, avant et après un usage de la simulation en classe guidé par des enseignants expérimentés. L'autre, auprès d'étudiants de DEUG, compare la maîtrise des concepts, avec et sans approche avec le logiciel.

D.2. Environnement d'apprentissage fondé sur une simulation :
appropriation par les enseignants stagiaires d'IUFM

     Communication en octobre 2003
Chauvet F. et Duprez C. (2003a), Environnement d'apprentissage fondé sur une simulation : appropriation par les enseignants stagiaires d'IUFM. In V. Albe, C. Orange, L. Simonneaux (Éds), Actes des 3^èmes Rencontres Scientifiques de l'ARDIST, « Recherches en Didactique des Sciences et des Techniques : Questions en débat. », p. 13-20, Toulouse.

Résumé
Dans le contexte d'un enseignement en seconde au lycée d'un modèle cinétique de gaz, qui fait l'objet d'un consensus entre concepteurs des programmes et chercheurs en didactique, nous nous interrogeons sur l'impact d'un environnement d'apprentissage fondé sur une simulation de ce modèle auprès des enseignants et des élèves. Dans cet article, nous voulons savoir dans quelle mesure un travail en formation initiale portant sur l'intégration d'un logiciel qui prend en compte les difficultés des élèves et vise une construction de concepts, permet de transmettre de nouvelles intentions et de faire évoluer les pratiques pédagogiques. L'étude détaillée d'entretiens devant la simulation avec de futurs enseignants permet de comprendre les facteurs décisifs pour son appropriation ou au contraire ce qui fait obstacle. L'analyse des scénarios envisagés par les stagiaires IUFM pour un transfert vers les élèves et les réponses à un questionnaire d'opinion, permet de repérer des tendances de transformations et des aspects de mises en oeuvre, en résonance (ou non) avec nos intentions.

D.3. Des réactions d'élèves de seconde

À paraître. Une simulation pour explorer un modèle cinétique de gaz en seconde.
Par Françoise Chauvet, Le Bup (Bulletin de l'Union des professeurs de Physique et de Chimie) n° 866, Vol. 98, juillet / août / septembre 2004, p.1091-1105.

Résumé
Cet article propose d'intégrer une simulation fondée sur la théorie cinétique des gaz dans une séquence d'enseignement en seconde. Il s'appuie sur des observations de classe et des entretiens avec des enseignants qui l'ont mise en oeuvre. Il analyse de manière détaillée les réactions des élèves aux scénarios des enseignants. Sont ainsi repérées des régularités dans les succès ou les échecs des stratégies de guidage des élèves lors de l'exploration du modèle. L'entrée en scène de la masse des particules se révèle un facteur favorable pour engager les élèves dans la résolution d'un conflit cognitif et pour qu'ils approchent de manière qualitative les concepts de pression et température cinétiques.

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CHAUVET, F. et DUPREZ, C. (2003b). Une simulation pour introduire un modèle cinétique microscopique de gaz : effets de la seconde à l'université. In IUFM de Reims (Éds), Actes du coll. Intern. sur l'enseignement des Sciences : Expérimentation et construction des concepts, les sciences de l'école primaire à l'université, Charleville-Mézières.

CHAUVET, F. (2004). Une simulation pour explorer un modèle cinétique de gaz en seconde. Le Bup (Bulletin de l'Union des professeurs de Physique et de Chimie) n° 866, Vol. 98, juillet / août / septembre 2004, p.1091-1105.

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