LExprimental en Sciences physiques 1 Partie A Lexprimental

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L'Expérimental en Sciences physiques 1

L'Expérimental en Sciences physiques 1

Partie A L’expérimental et l’enseignement de l’expérimental n 1 - Les objectifs des TP

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

Partie B Innovations dans l’enseignement expérimental n Exemples de recherches n Utilisation des outils

Partie B Innovations dans l’enseignement expérimental n Exemples de recherches n Utilisation des outils informatiques n Copex : concevoir des protocoles expérimentaux 3

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

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

Partie A L’expérimental et l’enseignement de l’expérimental n 1 - Les objectifs des TP

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

Objectifs des TP n Quels objectifs d'enseignement envisagez vous pour l'enseignement expérimental au Lycée

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

Objectifs des TP dans les programmes n Quels objectifs pour les enseignements expérimentaux dans

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

Analyse de TP de bac (master Nguyen, 2008) n TP de bac d'électricité sur

Analyse de TP de bac (master Nguyen, 2008) n TP de bac d'électricité sur le régime transitoire – circuits RC et RL série n Question de recherche : quelles connaissances sont mobilisées par les élèves sur le modèle du régime transitoire lors d’un TP de bac ? n Méthodologie : analyse praxéologique des TP n 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

Partie A L’expérimental et l’enseignement de l’expérimental n 1 - Les objectifs des TP

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

Aspects historiques Les choix d'enseignement ont toujours été n en relation avec l'actualité scientifique

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

L'enseignement expérimental - Historique 3 grandes périodes en France n 1902 : avènement de

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

L'enseignement expérimental - Historique n 1902 : "l'initiation à la méthode expérimentale participe à

L'enseignement expérimental - Historique n 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 n 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 12

Finalités de l’enseignement actuel des sciences n En lien avec des problématiques sociétales :

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

Exemple en mécanique : la machine d'Atwood (thèse A. Yavuz, 2007) n Qu'est-ce que

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

Sigaud de Lafond 1784 15

Sigaud de Lafond 1784 15

UJF 2009 16

UJF 2009 16

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Dispositif de la machine d'Atwood (thèse A. Yavuz, 2007) n Objectifs pédagogiques dans le

Dispositif de la machine d'Atwood (thèse A. Yavuz, 2007) n 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) n 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 18

Dispositif de la machine d'Atwood n Objectifs actuels (UJF, 2009) Objectif unique (parfois :

Dispositif de la machine d'Atwood n Objectifs actuels (UJF, 2009) Objectif unique (parfois : apprentissage de la mise en équation d'une situation prototypique) ¨ apprentissage de la résolution mathématique (avec PFD) ¨ n 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) ¨ n il n'y a plus aucun lien avec une situation expérimentale La démarche est prédictive et très limitée

Objectifs pédagogiques à l'école polytechnique (manuel de Lamé, 1840) " les physiciens cherchant à

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 - cher 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. " 20

Partie A L’expérimental et l’enseignement de l’expérimental n 1 - Les objectifs des TP

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

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

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

La démarche expérimentale, qu'est-ce que c'est? Quelles phases ? (Epistémologie des sciences transposition dans

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

Propositions de Develay (1989) n n n n Méthode : itinéraire balisé par des

Propositions de Develay (1989) n n n n 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

Lexique n Quelques termes courants : ¨ Situation-problème (lycée) ¨ Démarche d’investigation scientifique (collège)

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

Démarche Expérimentale n Définir le problème n Proposer des hypothèses n Définir l'objectif précis

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

Expérimenter Monde des Objets des Théories et et des Evénements des Modèles Phénomènes, observables,

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

Démarche expérimentale n n n n Définir le problème Proposer des hypothèses définir l'objectif

Démarche expérimentale n n n n 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 expérimentale chemine 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

Proposition : démarche expérimentale Réel Modèle Théorie Définir le problème Concevoir le protocole Réaliser

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

La démarche expérimentale n'est pas linéaire n'obéit pas à un modèle unique mêle étroitement

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

Modèles de démarche expérimentale n Un modèle répond à l'usage que l'on veut en

Modèles de démarche expérimentale n 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 ?

Démarche expérimentale Problème / questionnement Résolution du problème Induction Déduction (F. Bacon, A. Comte,

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

Démarche expérimentale Millar , 2004 33

Démarche expérimentale Millar , 2004 33

Transposition de la démarche expérimentale Develay, 1989 34

Transposition de la démarche expérimentale Develay, 1989 34

Démarche expérimentale et empirisme n Coquidé (2003) Perspective empirique Perspective expérimentale La nature Le

Démarche expérimentale et empirisme n Coquidé (2003) Perspective empirique Perspective expérimentale La nature Le laboratoire Le vécu et le rapport pratique aux objets la description d'objets et de phénomènes Le familier et le naturel Le rapport construit aux objets la création de phénomènes L'artificiel Effort de catégorisation Effort d'analyse, d'objectivation et mesure Collecte d'observations Données hors d’un cadre théorique Expérimentation Données avec cadre théorique Savoirs et pratiques empiriques issus des pratiques sociales Recherche de régularités Corrélations empiriques Faits curieux Récits et descriptions Mise au point de pratiques empiriques reproductibles et application Recherche d'invariants Relations causales Faits exacts reproductibles Comptes rendus expérimentaux 35

Démarche expérimentale et empirisme n Ne sont pas opposés n Chaque démarche possède sa

Démarche expérimentale et empirisme n Ne sont pas opposés n Chaque démarche possède sa cohérence propre n 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 n 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) 36

Proposition : 3 modes didactiques de l’expérimental Transposition didactique Eclairer les enjeux éducatifs et

Proposition : 3 modes didactiques de l’expérimental Transposition didactique Eclairer les enjeux éducatifs et permettre des choix dans les dispositifs d'enseignement (Coquidé, 2003) n n n 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 37

Les 3 modes didactiques de l’expérimental n Le choix de modes dépend du niveau

Les 3 modes didactiques de l’expérimental n 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 38

Place du modèle dans les TP Quelle peut être la fonction du modèle dans

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

Place du modèle dans les TP Quelle peut être la fonction du modèle pour

Place du modèle dans les TP Quelle peut être la fonction du modèle pour les élèves ? Modèle connu Modèle inconnu Observation TP de type illustration TP de type démonstration Utilisation du modèle TP de type application TP de type découverte - Proposition d’hypothèses - Conception du protocole - Traitement des résultats - Interprétation des résultats

Transposition de la démarche expérimentale dans l’enseignement Peut-on proposer aux élèves d'aborder la démarche

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

Chercheurs et élèves / experts et novices Schraagen (1993) examine comment les experts résolvent

Chercheurs et élèves / experts et novices Schraagen (1993) examine comment les experts résolvent un problème nouveau (démarche expérimentale) n 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) n 42

Transposition Peut-on proposer aux élèves d'aborder la démarche du chercheur dans une approche constructiviste

Transposition Peut-on proposer aux élèves d'aborder la démarche du chercheur dans une approche constructiviste ? n n n 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 n 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? 43

Partie A L’expérimental et l’enseignement de l’expérimental n 1 - Les objectifs des TP

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

Etat des lieux au niveau international n Projet européen « Labwork in Science Education

Etat des lieux au niveau international n Projet européen « Labwork in Science Education » (LSE) n Meester : investigation scientifique dans les TP L 1 n Hofstein et Lunetta : perception des TP par les élèves n Séré : fonctionnement intellectuel d’étudiants réalisant des TP 45

Map tool of LSE 46

Map tool of LSE 46

Projet LSE : quelques résultats n Les objectifs d’apprentissage (item A) n n Analyse

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

LSE : Objectifs d’apprentissage Objectifs d'apprentissage en TP Aider les élèves à … 1.

LSE : Objectifs d’apprentissage Objectifs d'apprentissage en TP Aider les élèves à … 1. Identify objects and phenomena and become familiar with them 2. Learn a fact (or facts) 3. Learn a concept 4. Learn a relationship 5. Learn a theory model Learn how to use a standard laboratory instrument 7. Learn how to carry out a standard procedure 8. Learn how to plan an investigation to address a specific question 9. Learn how to process data 10. Learn how to use data to support a conclusion 6. 48

LSE : Objectifs d’apprentissage Au lycée + université 49

LSE : Objectifs d’apprentissage Au lycée + université 49

LSE : types de TP Estimation du temps passé en TP (% du temps

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) : n « Typical labwork » : travail des élèves en petit groupe, interagissant avec du matériel réel et suivant des instructions détaillées données par l’enseignant. n Outils informatiques : vidéo, CD-ROM, simulations… n « Open-ended labwork » (les élèves prennent des décisions sur ce qu’ils vont faire). n « Partial tasks » quelques tâches à la charge des élèves (comme planifier, interprétation de données fournies…) 50

LSE : types de TP 51

LSE : types de TP 51

LSE : types de TP 52

LSE : types de TP 52

LSE : les idées « What students are intended to do with ideas? »

LSE : les idées « What students are intended to do with ideas? » 53

LSE : les idées 54

LSE : les idées 54

LSE : Degré d’ouverture des TP 55

LSE : Degré d’ouverture des TP 55

Investigation scientifique dans les TP n Etude sur TP de chimie - 1ère année

Investigation scientifique dans les TP n Etude sur TP de chimie - 1ère année université en Angleterre et pays de Gales. Le vel of inquiry Aim Mat An erials/met swers hods 0 Given 1 Given Open 2 Given Open 3 Open 90 % des TP analysés se situent au niveau 0 ou 1 : TP « cook book » . Aucun TP au niveau 3. Meester, M. A. M. , & Maskill, R. (1995). IJSE 17(5), 575 -588. 56

Perception des TP par les élèves ¨ ¨ ¨ Les élèves n’ont pas une

Perception des TP par les élèves ¨ ¨ ¨ Les élèves n’ont pas une idée claire du but de leur travail en TP. L’intérêt principal est souvent perçu comme suivre les instructions ou obtenir la bonne réponse. Souvent les élèves ne font pas la relation entre le but de leur activité expérimentale et le contenu du protocole qu’ils ont mené. Le TP signifie souvent « manipuler des équipements » et non pas manipuler des idées. De nombreux élèves s’engagent dans des activités de laboratoire dans lesquels ils suivent des recettes, rassemblent des données sans véritablement comprendre le but et les procédures de leur investigation. L’approche « recette de cuisine » est la plus fréquente Hofstein, A. , & Lunetta, V. (2003). Science Education 88, 28 -53. 57

Fonctionnement intellectuel d’étudiants en TP n n TP de physique en Deug 2ème année

Fonctionnement intellectuel d’étudiants en TP n n TP de physique en Deug 2ème année en France, TP « traditionnel » Atomisation des actions ¨ n Difficulté à planifier les actions, à combiner une suite d’actions élémentaires qui permettent la réalisation de la consigne. Acquisition de connaissances. ¨ Mémorisation et mobilisation d’actions prototypiques. n n Fixité fonctionnelle (association privilégiée d’un instrument à une fonction). Est-ce un obstacle aux apprentissages conceptuels ? Séré, M. G. , & Beney, M. (1997). Didaskalia, 11, 75 -102. 58

Partie B Innovations dans l’enseignement expérimental 59

Partie B Innovations dans l’enseignement expérimental 59

Partie B Innovations dans l’enseignement expérimental n Exemples de recherches n Utilisation des outils

Partie B Innovations dans l’enseignement expérimental n Exemples de recherches n Utilisation des outils informatiques n Copex : concevoir des protocoles expérimentaux 60

Exemples de recherches ¨ Séré : réflexions sur les objectifs de TP ¨ Laugier

Exemples de recherches ¨ Séré : réflexions sur les objectifs de TP ¨ Laugier : situation-problème ¨ Rollnick : préparation des TP ¨ Conception d’expériences par les élèves ¨ Copex 61

Objectifs des TP – questions de recherche Trop d’objectifs associés à une séance de

Objectifs des TP – questions de recherche Trop d’objectifs associés à une séance de TP. Faire des choix par TP. Objectifs conceptuels : Les enseignants ont de fortes attentes et sont souvent déçus. Diverses études montrent que les élèves trouvent en général des stratégies pour éviter l'utilisation de la théorie. Il existe plusieurs rôles d'ordre différent pour les connaissances théoriques en TP : vérifier, établir, découvrir, utiliser. Quels rôles mettent en jeu des apprentissages conceptuels? n effort pour concevoir des situations et des stratégies pédagogiques pour obliger les élèves à utiliser des parties de théories à travers des questions appropriées Séré, 2002 62

Objectifs des TP – questions de recherche n Objectifs épistémologiques : les TP =

Objectifs des TP – questions de recherche n Objectifs épistémologiques : les TP = opportunité de placer la philosophie des sciences dans un contexte approprié Comment la contribution des TP des différentes disciplines converge / diverge avec l’image de la science des élèves ? n Objectifs procéduraux : identifier ce qui reste des processus (conscience ou appris) + comment la conscience des processus aide les élèves à prendre des décision, planifier, concevoir des expériences par eux-mêmes ? Peut on faire imiter l'activité des chercheurs par des élèves ? Séré, 2002 63

Résolution de problèmes et pratiques expérimentales n n n Situation problème par des élèves

Résolution de problèmes et pratiques expérimentales n n n Situation problème par des élèves en début de 2 nde en France, en chimie (153 élèves). « Mesurer le volume d’un gaz enfermé dans un flacon sans en perdre (ce gaz est insoluble dans l’eau). » Résultats : Motivation : les élèves montrent des réticences face à ce type de situation, mais sont prêts à les dépasser et à s’y investir avec enthousiasme. ¨ Les élèves montrent des difficultés par suite de manque de « savoirs pratiques » (maladresse dans l’utilisation du matériel) et de non maîtrise de « savoirs conceptuels » . ¨ Guidance serrée de l’enseignant nécessaire MAIS aussi initiatives aux élèves + espaces de débat. ¨ 64

Améliorer l’efficacité des TP par une préparation des TP n Etude avec des étudiants

Améliorer l’efficacité des TP par une préparation des TP n Etude avec des étudiants de 1ère année d’université lors de TP de chimie (1996 -1997 en Afrique du Sud). Question de recherche : comment la préparation de TP contribue à améliorer les compétences conceptuelles, procédurales et communicatives des étudiants. n Demander aux étudiants d’écrire un résumé du TP. n Nécessité de donner un guidage spécifique pour savoir quoi mettre. ¨ Les étudiants n’écrivent pas le but de l’expérience. ¨ n Poser des questions préalables pour vérifier les connaissances et compétences pré-requises. ¨ Les étudiants répondent mieux aux questions d’ordre conceptuel qu’aux questions nécessitant des connaissances procédurales. Rollnick, M. et al. (2001) Int. J. Sci. Educ. , 23, n° 10, p 1053 -1071. 65

Conception d’expériences par les élèves De nombreuses études montrent l’importance de faire concevoir des

Conception d’expériences par les élèves De nombreuses études montrent l’importance de faire concevoir des expériences par les élèves. ¨ Séré (2002) propose la conception d’expériences pour aider les élèves à acquérir des connaissances procédurales. ¨ Arce et Betancourt (1997) : meilleure compréhension dans les examens des concepts liés aux expériences conçues par les élèves. ¨ Neber et Anton (2008) observent des activités cognitives d’un ordre supérieur (ils pensent !) lorsque les élèves conçoivent des expériences. ¨ Karelina et Etkina (2007) : quand les élèves conçoivent une expérience, ils ont un comportement plus proche de celui de scientifiques que ceux qui font des TP traditionnels (discussions sur des concepts de physique, sur l’analyse des données…) 66

Partie B Innovations dans l’enseignement expérimental n Exemples de recherches n Utilisation des outils

Partie B Innovations dans l’enseignement expérimental n Exemples de recherches n Utilisation des outils informatiques n Copex : concevoir des protocoles expérimentaux 67

Utilisation des outils informatiques n Grille d’analyse de logiciels n Analyse de logiciels d’enseignement

Utilisation des outils informatiques n Grille d’analyse de logiciels n Analyse de logiciels d’enseignement en chimie 68

Lexique n TICE – Technologie de l’Information et de la communication pour l’Education, ou

Lexique n TICE – Technologie de l’Information et de la communication pour l’Education, ou Enseignement n NTE – Nouvelles technologies pour l’Education n EAO – Enseignement Assisté par Ordinateur n EIAH – Environnement Informatique pour l’Apprentissage Humain ¨ Environnement qui suscite ou accompagne la construction de connaissances chez l’apprenant ¨ Champ scientifique qui correspond aux travaux focalisés sur ces environnements

8 types de logiciels (de Vries RFP 2003) Théorie Tâche Connaissances Présenter de l'information

8 types de logiciels (de Vries RFP 2003) Théorie Tâche Connaissances Présenter de l'information : tutoriel Cognitiviste Lire Présentation ordonnée Dispenser des exercices : exerciseur Behavioriste Faire des exercices Association Véritablement enseigner : tuteur intelligent Cognitiviste Dialoguer Représentation Captiver l'attention et la motivation de l'élève : jeu éducatif Principalement Jouer béhavioriste Fournir un espace d'exploration : hypermedia Cognitiviste, constructiviste Fournir un environnement pour la découverte de lois naturelles : simulation Constructiviste, Manipuler, Modélisation cognition située observer Explorer Présentation en accès libre Fournir un environnement pour la Constructiviste découverte de domaines abstraits : micro -monde Construire Matérialisation Fournir un espace d'échange entre élèves : apprentissage collaboratif Discuter Construction de l'élève Cognition située

Le statut des données manipulées Typologie des systèmes de formation à distance pour le

Le statut des données manipulées Typologie des systèmes de formation à distance pour le travail expérimental n Nature des données utilisées n n n Contrôle des utilisateurs sur le processus d'obtention des données n n Réelles Simulées Aucun Partiel Total Trgalova J. (2003), Actes de EIAH 2003, INRP, Paris, 563 -566.

Données Type de logiciel Nature Contrôle Réelle Aucun Accès aux sciences Simulée Aucun Animations

Données Type de logiciel Nature Contrôle Réelle Aucun Accès aux sciences Simulée Aucun Animations Simulée Total ou partiel Simulations Réelle Aucun Réelle Partiel Réelle Total Télé- expérience (temps réel) Télé- détection Simple télé- opération Laboratoire distant

Caractériser les TP et l’intégration des TICE en TP n Les objectifs d’apprentissage (1)

Caractériser les TP et l’intégration des TICE en TP n Les objectifs d’apprentissage (1) n Les tâches assignées aux apprenants (2) n La fonction du modèle scientifique (3) n La nature des données manipulées (4)

(1) Les objectifs d’apprentissage définis par l’enseignant (Tiberghien 2001) CONTENUS (savoirs déclaratifs) METHODES (savoirs

(1) Les objectifs d’apprentissage définis par l’enseignant (Tiberghien 2001) CONTENUS (savoirs déclaratifs) METHODES (savoirs procéduraux) • Savoir identifier le matériel de laboratoire et connaître son utilité • Savoir comment utiliser le matériel de laboratoire (gestuelle, BPL*) • Savoir identifier des phénomènes • Savoir mettre en place des méthodes usuelles d'expérimentation • Acquérir des savoirs théoriques : • faits • concepts • relations • modèles et théories • Savoir traiter des résultats • Savoir utiliser des résultats pour justifier une conclusion • Savoir communiquer ses résultats • Savoir planifier une démarche expérimentale * BPL : Bonnes Pratiques de Laboratoire (inclut sécurité & environnement)

(2) Démarche Expérimentale Réel Modèle Théorie Définir le problème Concevoir le protocole Réaliser l’expérience

(2) Démarche Expérimentale Réel Modèle Théorie Définir le problème Concevoir le protocole Réaliser l’expérience Proposer des hypothèses Interpréter les résultats Traiter les données Conclure 75

(3) La fonction du modèle pour les étudiants Observation Utilisation du modèle Modèle connu

(3) La fonction du modèle pour les étudiants Observation Utilisation du modèle Modèle connu Modèle inconnu TP de type illustration TP de type démonstration TP de type application TP de type investigation - Proposition d’hypothèses - Conception du protocole - Traitement des résultats - Interprétation des résultats

Données Type de logiciel Nature Contrôle Réelle Aucun Accès aux sciences Simulée Aucun Animations

Données Type de logiciel Nature Contrôle Réelle Aucun Accès aux sciences Simulée Aucun Animations Simulée Total ou partiel Simulations Réelle Aucun Réelle Partiel Réelle Total Télé- expérience (temps réel) Télé- détection Simple télé- opération Laboratoire distant

Etude de quelques logiciels n Chemlab Acid-base titration n UEL : http: //www. uel.

Etude de quelques logiciels n Chemlab Acid-base titration n UEL : http: //www. uel. education. fr/consultation/reference/chimie/cinet/index. htm ¨ ¨ n Observer / Approche expérimentale / Hydrolyse CH 3 COOC 2 H 5 / par dosage Simuler / Simulateurs stochastiques d'ordre 1 / A <=> B copex-chimie : http: //copex-chimi. imag. fr/

Chemlab

Chemlab

Copex-chimie

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