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Pratiques pédagogiques en physique et chimie

Pratiques pédagogiques en physique et chimie

Georges GIDROL est professeur de physique depuis 1973 en collège, lycée et formation continue. Peu à peu sa pratique a évolué et s'est imprégnée des principes fondamentaux de la gestion mentale afin de permettre à ses élèves d'accéder à une compréhension approfondie des concepts étudiés. Sa pédagogie au quotidien respecte constamment l'activité mentale de ses élèves. Faciliter l'accès à la compréhension est un objectif constant car, en physique, les élèves rencontrent des obstacles spécifiques.

Découvrir le sens des phénomènes.

Etre attentif, c'est rendre présent le présent, mettre dans sa tête ce qui est encore à l'extérieur. La difficulté, vient lorsque ce présent extérieur n'est perçu par aucun des sens. Quand je suis devant un circuit électrique, je ne vois pas le courant, je n'entends rien, si je touche je ne sens rien. Quand je lis un roman, je vois les mots qui sont des codes, et ceux-ci me renvoient à ce qu'ils signifient parce que j'ai stocké des évoqués de sens qui me permettent de comprendre la phrase lue. En physique, le lien entre le perçu et l'évoqué est à construire à chaque nouvelle notion, en s'appuyant forcément sur certains acquis. Pour que la compréhension des élèves soit plus riche, qu'ils puissent aller plus loin, nous devons leur permettre de faire exister mentalement la réalité invisible que nous devons faire imaginer, la réalité quotidienne visible, les codes, les lois et les applications, ce qui se décline en P1-P2-P3-P4. Voir, plus loin, des exemples de balayage paramétrique.

Pour schématiser ce qui vient d'être dit, voici les chemins par lesquels il faut passer :

A faire découvrir et à compareré :	Exemples :
La réalité, visible ou invisible	L'eau de mer avec le sel dissous, son goût
Les grandeurs physiques	La concentration molaire, son lien avec le volume..
Les formules	C = n / V
Les unités	Mole par litre, mole et litre
Les situations rencontrées ultérieurement	On prélève une solution, on dilue, … exercices.

Exemple détaillé : Comprendre l'intensité du courant électrique.

Faire comprendre aux élèves que l'intensité est la même en tout point d'un circuit constitué d'une seule boucle relève de l'exploit.

Tout d'abord faire comprendre ce qu'est le courant électrique.

Ce qui m'a beaucoup aidé, c'est l'analogie avec une situation à notre échelle : une ronde d'enfants avec chacun un chapeau, tous le même. L'enfant est l'analogue du noyau de l'atome, ses habits sont l'analogue de ses électrons, et un des habits (le chapeau) va circuler. Au signal du meneur de jeu, chaque enfant met son chapeau sur la tête de son voisin. Ainsi les chapeaux circulent mais lorsque le courant s'arrête, chacun est vêtu comme au départ. On n'a pas ajouté de chapeau comme on n'ajoute pas d'électrons au métal lorsque le courant circule.

Attention! Souvent les élèves ont acquis un point de repère et, s'appuyant dessus, affirment qu'ils ont compris alors qu'ils n'en sont qu'au balbutiement. Prenons l'exemple du déplacement des électrons qui constitue le courant électrique dans un métal. L'appareil le plus simple qui donne l'information est le filament d'une lampe qui s'échauffe au passage du courant. L'élève peut affirmer qu'il a compris, c'est à dire que pour lui, il est clair que si le filament s'échauffe, c'est qu'il y a du courant, donc qu'un courant se manifeste par la coloration du fil. Il en reste au filament. Or il est possible qu'un courant soit trop faible pour que le filament émette de la lumière. Je dois stimuler des évoqués plus riches, plus nombreux, plus précis, faire imaginer les atomes et certains électrons qui passent de l'un à l'autre.

Les analogies peuvent amener à la compréhension de l'organisation de la matière. Elles peuvent aussi empécher de saisir la réalité. Je dois donc, après les avoir présentées, décrire le plus fidèlement possible le réel et faire le parallèle avec nos analogies, sans oublier d'en faire ressortir les limites. Faute de quoi les élèves imaginatifs ne reviendront pas sur terre, et ceux qui sont proches du concret sans recul, se tromperont de réalité. Ils en resteront aux représentations de l'analogie.

Une analogie qui conduit à des impasses est celle des voitures comparées au courant électrique. Les voitures bloquées par un feu rouge s'arrêtent, mais celles qui sont derrière continuent de rouler un moment. Des élèves pensent que c'est la même chose pour le courant et que des électrons peuvent s'accumuler derrière un moteur ou un interrupteur fermé. Les métaphores pédagogiques, présentent un grand intérê;t pour l'enseignant : elles permettent d'accompagner la construction du sens par les élèves ; mais en même temps, elles portent en elles des limites dont il faut étre conscient.

Chercher la présentation la plus éclairante :

Je montre le circuit dont le schéma est proposé ci-dessous. Il contient un générateur pouvant fournir une tension allant de 1 V à 15 V réglable par potentiomètre, trois lampes sur support, et trois ampèremètres à aiguille dont le calibre est tel que lorsqu'on fait varier la tension, les aiguilles passent de la gauche à la droite de l'échelle. (Les multimètres à affichage numérique ne permettent pas cette perception immédiate que les trois intensités évoluent en même temps. Or c'est cela qui est important.)

Je demande, avant de lancer le courant, de signaler quel ampèremètre indiquera la valeur la plus forte.

On observe, et je fais varier l'intensité pour que les aiguilles passent d'une extrémité à l'autre du cadran.

Pensant qu'il fallait proposer une représentation mentale du courant, représentation évoluant avec l'intensité, j'ai demandé aux élèves : "Comment vous représentez-vous le courant dans le circuit? Comment vous représentez-vous un courant moins intense que le précédent? L'un d'eux a répondu : "Je vois un fil plus ou moins gros selon l'intensité qui le traverse".

Je montre alors le circuit précédent dont le schéma est au tableau, je fait varier l'intensité et montre le schéma. Je demande à toute la classe d'imaginer le circuit fin (peu de courant) puis d'imaginer que le trait symbolisant le conducteur grossit (plus de courant) . Je propose alors soit de voir dans la tête le fil grossir en tout point en même temps, soit de se décrire verbalement, intérieurement cette intensité qui reste toujours la même en tout point du circuit, et qui change partout en même temps lorsque l'intensité varie. (.....ou les deux types d'évocation). Ensuite, je dicte la loi : Dans un circuit à une seule boucle, l'intensité est la même en tout point". Je demande de vérifier dans sa tête si la loi et l'expérience expriment la même chose.

J'ai visé un passage par le P1 puis par le P2 avant d'assurer le passage de l'un à l'autre. Pour cela j'incite à percevoir l'un et évoquer l'autre, puis le contraire. Par ces évocations dirigées, les élèves ont un moyen de s'approprier cette notion.

Créer un climat propice à la compréhension et à la réflexion.

L'idée majeure est de trouver les meilleures conditions pour que les élèves pensent, c'est-à-dire qu'ils évoquent. Ma pratique repose sur quelques principes simples de gestion mentale. En voici quelques exemples efficaces.

• Laisser du temps et du silence pour évoquer Je pose une question à la classe. J'ajoute : "Quand vous avez la réponse, faites signe" Ils ont l'habitude et savent qu'il suffit de lever la main et de la baisser. Je compte discrètement les mains, ce qui me permet de repérer ceux qui savent répondre ou croient savoir, ceux qui sont rapides. De savoir aussi combien n'ont toujours pas la réponse. Ceci me permet de doser le moment où je vais interroger un élève. Et pendant ce temps, aucun bruit ne vient perturber l'évocation de ceux qui cherchent.
• Rassurer et ne laisser personne "en rade" Dans le même esprit, lorsqu'en classe je fais chercher un exercice avec plusieurs questions, petit à petit, j'écris les réponses au tableau. Ceux qui ont trouvé sont rassurés et retournent à leur travail. Ceux qui étaient en rade ont des élèments pour avancer sans perdre tout leur temps. Et aucun n'est gêné par des explications orales car chacun peut travailler en silence.
• Maîtriser et mesurer son discours Evoquer est fatiguant. Parler est fatiguant. Donc ne parler que lorsque c'est nécessaire. On saoule les élèves avec des discours qui ne font du bien qu'à nous. Alors ne parlons que lorsque les élèves sont prêts à écouter, et seulement après avoir pensé au message que nous voulons transmettre. Puis, énonçons ce message une fois, lentement, simplement … Et laissons du silence.
• Tirer profit d'une correction.J'insiste toujours sur le véritable enjeu de la correction. Avoir une copie bien corrigée est inutile si l'élève ne se sent pas concerné, car ce qui importe c'est qu'il devienne plus compêtent. Donc, j'annonce avant la correction : "Repérez comment vous auriez dû faire, comment vous ferez la prochaine fois". Et à la fin de la correction, je dis : "notez à la fin de votre cahier de physique ce que cette correction vous a apporté, comment vous ferez juste la prochaine fois". Et si j'ai moins de temps, je dis : "Que chacun pense à ce qu'il a appris (silence d'une minute ou deux) …Untel, qu'as-tu appris lors de cette correction? Comment feras-tu pour réussir cela?"
• Dicter Dans le même ordre d'idée, lorsque je dicte, (après en avoir averti les élèves) je ne dicte qu'une fois chaque phrase. Les élèves, dans le silence, apprennent à garder en eux sans effort des phrases entendues de plus en plus longues et les déroulent sur leur cahier. Cela me repose, et la suppression des répétitions ne perturbe plus celui qui écrit un mot et en entend un autre. Cette habitude de garder des phrases longues leur sera utile lors de prises de notes ultérieures.
• La prise de note en différé.On vient d'observer des lampes et des piles. Les élèves ont vu l'influence de la tension du générateur sur l'éclat de chaque lampe. J'ai expliqué ce que signifient "tension et intensité nominale". J'ai expliqué, en m'appuyant sur l'expérience, la différence entre "intensité" et "intensité nominale". "Etes-vous prêts à noter ce que vous savez sur les valeurs nominales?" Certains répondent : "non". Je recommence et ils m'écoutent. Ils savent qu'ils devront noter quand je me tairai. Je reprends mon discours une fois, deux fois. Je vois clairement qu'ils écoutent activement. Ils sont"attentifs". Jusqu'à ce qu'ils disent se sentir prêts à écrire. Et là, pendant leur prise de note, je me tais et ne réponds à personne. Les élèves ont besoin de repères, de définitions solides et fiables, de mots écrits correctement. J'ai la chance d'avoir en 4° un livre de physique où les contenus sont très bien présentés. Je peux donc faire noter certaines conclusions d'expériences en prenant le risque que leur rédaction ne soit pas parfaitement académique. Mais je préfère cela à un cours dicté pendant lequel le film intérieur de mes élèves raconte la sortie de ski ou le dernier SMS. Ils ne s'en plaignent pas et je constate qu'ils viennent au cours de physique avec plaisir : les cours ne sont pas fastidieux, la plupart disent qu'ils comprennent, ils sont actifs et ne s'ennuient pas. Je les mets donc en projet de garder ce que je raconte pour l'écrire l'instant suivant. Ils évoquent ce que je leur demande d'évoquer. La grande majorité pense, et l'évocation qu'ils construisent laisse forcément une trace qui facilitera la mémorisation. La gestion mentale insiste sur cette nécessité de la mise en projet et sur la capacité qu'a chaque personne de construire volontairement des évoqués. C'est vers cela que je tends.
• Balayer tous les paramètres Etudier la physique, c'est s'intéresser à du réel, invisible le plus souvent. On voit la voiture, mais voit-on sa vitesse? On voit le jarret du footballeur, mais voit-on la force exercée sur le ballon ? Nous sommes obligés de représenter ces réels par des schémas. Et notre travail consiste à aider nos élèves à penser successivement le réel et sa représentation, à joindre dans la tête ces deux évoqués. Quant aux lois, elles s'expriment par des phrases, mais parfois ces phrases se résument par une formule. Et lè encore, il faut faire la navette entre la formulation mathématique, la relation qu'elle exprime entre des grandeurs physiques et donc entre des éalités qui dépendent les unes des autres. On doit donc faire appel au vécu des élèves (P1) au code (P2) du formalisme mathématique exprimé dans les formules, à la réalité cachée qu'il faut bien imaginer si on veut raisonner (P1 + P4) et enfin établir un lien entre ces grandeurs physiques - stylisées par des lettres dans les formules - puisqu'elles interagissent, dépendent les une des autres, ressemblent à du vécu malgré les différences, appartiennent à des ensembles, existent dans le temps ou indépendamment du temps etc. (P3). Par exemple, si je questionne lesélèves sur le courant électrique, ils évoqueront les baladeurs, les piles, la foudre (appel au P1). Je peux aussi leur dire que le courant électrique ressembleà une circulation d'eau : analogie avec un tuyau ou une rivière. Mais il en diffère par le fait qu'il est constitué d'électrons qui appartiennent au conducteur alors que l'eau peut être évacuée du tuyau. Ensuite, il faudra associer ce courant à une lettre, I (pour intensité) et à l'unité de cette grandeur physique qui est l'Ampère (A) (sollicitation du P2). Enfin, on reliera l'intensité aux autres grandeurs physiques qui en dépendent : U = R.I par exemple. Et là, il faudra évoquer comment varie l'intensité I en fonction de la tension U, puis en fonction de la résistance R (liens en P3). Tout cela pour permettre aux élèves d'avoir un contenu mental riche et complet associé à "courant électrique".

Autre exemple : En 1° S la 1° loi de Newton

Je dicte la loi "Si un système matériel est soumisà un ensemble de forces dont la somme est nulle, le vecteur vitesse de son centre d'inertie reste constant, et réciproquement".

Une loi dictée sollicite en principe le paramètre 2 (ce qui ne veut pas dire que tous les élèves vont l'évoquer en P2). J'invite ensuite les élèves à relire pour comprendre, afin qu'ils repèrent le sens.

Puis je propose des situations de mouvement rectiligne (P1) Un train sur la ligne Dijon -Mâcon, un ascenseur loin des étages de départ et d'arrivée, une marche d'escalator, le tout à vitesse constante. On vérifie par un bilan de force que la somme des forces est bien nulle. Puis les élèves cherchent des situations où la loi s'applique encore (P3) avec élargissement par recours au P4.

A l'aide de mobiles autoporteurs, des élèves essaient de lancer le mobile de telle façon que sa trajectoire ne soit pas une droite. Ils ont beau faire tourner l'objet ou faire des contorsions avec leur main, dès que le mobile est seul sur la table, il a un mouvement rectiligne uniforme. On prend le temps de bien évoquer l'observation (P1), puis on repense à la loi et on compare (P1-P2-P3).

On peut repartir dans le P1 et faire émerger des exemples : une voiture glisse sur du verglas. Un train roule sur une voie rectiligne horizontale. Un hélicoptère descend vers le sol suivant une droite oblique.

Dans chaque exemple, on imagine les forces, on imagine le vecteur vitesse, on repense à la loi. La loi donne-t-elle la réponse ? Tout cela pour rendre la pensée mobile.

On aura aussi cherché ensemble un moyen de schématiser la loi (P2 P3) :

Je fais chercher une autre situation où cette loi ne s'applique pas (P3 - P4) objet en chute libre, train dans un virage …

Je demande que chacun cherche une question qu'on pourra lui poser et où il aura besoin de cette loi (P3 P4).

Autre exemple : le dosage. Séance TP cours de 1° S.

Je commence en faisant appel aux connaissances des élèves et à leur expérience : je cite les dosages de sucre dans les urines, de nitrate dans l'eau ou d ‘ozone dans l'air.

L'objectif est donné : "déterminer la concentration molaire en ion Fe 2+ d'une solution". On établit ensemble l'équation de la réaction et je donne le protocole pour réaliser le dosage (P2).

On déduit de l'équation de la réaction la relation entre les concentrations à l'équivalence en utilisant un tableau d'avancement (par exemple : C 0 . V 0 = 5 C R .V R ) (P2 / P3).

Pour enrichir leurs évocations en P1 et leur permettre d'imaginer ce qui se passe réellement dans le bécher, je fais faire un grand dessin de bécher où chacun représente les ions présents au début du dosage. Les élèves versent 1 mL de solution titrant de la burette. Ils reportent sur leur dessin les ions qui ont disparu et ceux qui sont apparus. On verse la solution titrant jusqu'à changement de couleur, c'est à dire jusqu'à l'équivalence, et là encore, ils complètent sur leur dessin les ions qui restent et rayent ceux qui ont disparu.

Ils ajoutent enfin une goutte en plus, contenant les ions qui permettront de savoir qu'on a atteint l'équivalence. Je demande de décrire ce qui s'est passé au niveau microscopique.

Je propose un exercice nouveau avec une autre réaction chimique. Puis je demande de trouver des couples de substances, l'une que l'on veut doser, et l'autre qui la mettra en évidence (P4).

Pour faire comprendre la notion d'équivalence et de volume équivalent, (P3) je raconte l'histoire suivante qui est une métaphore : imaginons un groupe de 20 filles qui veulent faire des danses folkloriques. Il faut 2 filles pour un garçon. Un animateur fait entrer des garçons dans la salle et les trios se forment alors qu'il y a de moins en moins de filles disponibles. Lorsque le 10° garçon entre, on a atteint l'équivalence. Le dosage est terminé. On a versé le volume équivalent de garçons. Comment l'animateur resté à l'extérieur saura-t-il qu'il a atteint l'équivalence ? Quand le 11° garçon entre et constate qu'il arrive trop tard, il hurle sa déception. Ce cri est pour l'organisateur l'équivalent du changement de couleur de l'indicateur coloé (ou du réactif) pour le chimiste. Savoir qu'il fallait 10 garçons permet à l'organisateur de savoir qu'il y avait 20 filles à l'intérieur. Cette recherche était un dosage des filles de cette salle.

On comprend que pour présenter une notion nouvelle, il ne suffit pas de l'énoncer et de faire des exercices. Il faut balayer tous les paramètres pour s'adresser au domaine mental privilégié d'une grande diversité d'individus.

Ces pratiques sont portées par le même désir : dé;velopper l'activité évocative, inviter à une compréhension approfondie du réel à condition que les élèves passent ensuite à la mémorisation pour ne pas tout perdre! Elles auront, on peut l'espérer, des conséquences sur la réussite des élèves et surtout, sur l'image positive qu'ils auront d'eux-mêmes. S'ils gagnent en responsabilité, ils sauront se projeter dans un avenir qu'ils pourront construire, avec ou sans la physique.

Georges GIDROL, formateur en gestion mentale

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