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Enseigner explicitement la mesure et la modélisation au lycée : quelle faisabilité, quels avantages ?

Qui sommes-nous?Groupe SESAMES (INRP/ ENS / Lyon2 )Enseignants collège/lycée et chercheurs en didactique des sciences

Choix théoriques?Se mettre à la place des élèves

Avoir conscience (et assumer) que les questions du professeur ne soient pas celles que se poseraient spontanément les élèves

Percevoir l’arbitraire de la réponsePrendre en compte les connaissances préalables et les difficultés classiques des élèves.

Distinguer les connaissances de la physique et de la chimie des connaissances du quotidien pour prendre conscience des "connexions" à construire

Enseigner la physique et la chimie de façon moins déroutante, en donnant des repères sur leurs objectifs et sur la façon dont elles fonctionnent.

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monde de la théorie et du modèle

monde des objets et des événements

La difficulté essentielle

Relations entre concepts

Relations entre événements et/ou objets

Relations entre concepts et/ou événements/objets

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Enseigner explicitement la mesure et la modélisation au lycée : quelle faisabilité, quels

avantages ?But ?

Montrer l’intérêt et faisabilité d’enseigner la mesure, la modélisation, le fonctionnement de la physique à des élèves de secondes

Quel contexte?Première partie de physique du programme de seconde

Déroulement:Quelques mots clésUn questionnaire sur la physique pour des profs et des élèvesDéroulement de la partie et exemples d’activitésUn outil: la carte conceptuelle

Sites:site académique http://www2.ac-lyon.fr/enseigne/physique/phychi2

site PEGASE http://pegase.inrp.fr

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Quelques mots clés…

Grandeur Unités

MesurePhysique

Quel sens un élève de 2nde peut-il donner à ces termes ?

Quelle définition en donneriez-vous ?

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Progression Chap 1 Qu'est-ce que la physique ?

Act 1 : Questionnaire et discussion sur les objectifs et les propriétés de la physique.

Act 2 : Comment la physique fonctionne-t-elle ? Un exemple historique (modèle de la gravitation de Newton et d’Einstein). Modèles

Act 3 : Grandeurs physiques (lien vers l’activité) Chap 2 Outils de description de l'univers et du système solaire Act 1 : Répartition des planètes dans le système solaire. Act 2 : Un outil pratique pour comparer : l'ordre de grandeur. Act 3 : Réalisation d'une maquette du système solaire dans le couloir du lycée. Act 4 : Vitesse de la lumière dans l'univers et application à la désignation des

distances. Activité 5 : L'année de lumière : une unité de distance.

Chap 3 La mesure Act 1 : Interprétation de mesures de la masse d'une pomme, chiffres significatifs. Act 2 : Mesurer avec des outils différents. Act 3 : Une petite histoire du mètre… Act 4 : Utilisation du "modèle de la mesure".

Chap 4 Lien entre expérience et modèle Act 1 : Accord entre modèle et mesures (le pendule simple). Act 2 : Deux modèles historiques du système Terre-Soleil. Act 3 : Reconstitution à l'aide d'une maquette de la méthode d’Ératosthène.

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Chapitre 1 – Act 3 Grandeurs physiques

Pour décrire et interpréter le monde matériel qui nous entoure, les physiciens utilisent des grandeurs physiques.

Plus généralement, les sciences utilisent des grandeurs. Une grandeur peut souvent être mesurée, estimée ou calculée et peut être symbolisée par une lettre. Ce sont ces grandeurs qui figurent généralement dans les "formules" qu'on utilise, en physique ou dans d’autres disciplines.

Exemples de grandeurs physiques : la longueur, le temps, la vitesse, le volume.

1. Dans le texte de l’activité 2, souligner en rouge les grandeurs physiques, en bleu les unités et entourer les valeurs (nombre + unité).

2. Parmi les termes ou expressions suivants, souligner ceux qui vous semblent correspondre à une grandeur. La couleur, la durée, l'odeur, l'état physique, la population d’un lycée, le pH, la largeur, l'électricité, l'intensité électrique, le son, l'intensité sonore, l’inflation, la capacité de stockage d'un disque dur, le débit d'une connexion à Internet, l'aire d'une surface.

3. Proposer au moins deux exemples de grandeurs physiques (ne figurant ni dans la liste précédente ni dans les exemples du début) et, pour chaque exemple :

le symbole que vous avez l'habitude d'utiliser pour noter cette grandeur (pour la désigner par exemple dans des formules) ;

l’unité que vous avez l’habitude d’utiliser pour cette grandeur.

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Chapitre 3 – Act 1 Mesure de la masse d'une pomme

On place une pomme sur un pèse-personne digital. Celui-ci affiche la valeur de 0,2 kg. On place à présent cette même pomme sur une balance de cuisine dont l’affichage est en gramme. 1. Compléter le schéma en indiquant la valeur affichée par cette balance.

2. En réalité la valeur affichée par la balance est cent quatre vingt six grammes. Cette valeur est différente de celle que vous avez indiquée en question 1. Proposer une explication à cette différence.3. Les écritures 0,2 et 0,200 sont-elles équivalentes - pour un physicien ? oui non

- pour un mathématicien ? oui non- dans la vie de tous les jours ? oui non

4. Le physicien dit que le pèse-personne donne la masse de la pomme avec 1 chiffre significatif et que la balance de cuisine indique cette même masse avec 3 chiffres significatifs.5. Sur la balance de cuisine, on place maintenant une autre pomme, un tout petit peu plus petite que la précédente. La valeur affichée est 170 g. a. Combien de chiffres significatifs cette valeur comporte-elle ? Justifier la réponse. b. Déduire des questions précédentes à quelle condition le chiffre 0, présent dans une valeur indiquée par un physicien, est significatif.c. Quelle valeur afficherait le pèse-personne pour cette deuxième pomme ?

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Chapitre 4- Act 2: Deux modèles historiques du système Terre – Soleil

Activité 2 : Deux modèles historiques du système Terre – SoleilObservations :

Les Égyptiens avaient observé qu’à midi, une fois par an à une date donnée, à Syène (ville égyptienne), un bâton planté verticalement ne possédait pas d'ombre. Par contre, à Alexandrie, ville située plus au Nord, un bâton planté verticalement avait bien une ombre.Pour interpréter cette observation, on peut proposer deux modèles différents reformulés à partir de réflexions de savants antiques :

Modèle 1 (inspiré d'Anaxagore, env. -500) : La Terre est considérée comme étant plane.Le Soleil est un astre qu’on peut représenter par un point.Syène est peu étendue et peut être représentée par un point S. De même, la ville

d’Alexandrie peut être représentée par un point A. À midi, une fois dans l'année, le point S est exactement sous le point représentant le Soleil, contrairement au point A.

Modèle 2 (inspiré d'Ératosthène, env. -290) :la Terre est considérée comme étant sphérique ;le Soleil est à une très grande distance de la Terre, si bien que le faisceau de lumière qui

parvient sur Terre peut être décrit par un faisceau de rayons parallèles ;

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Questions :1. Confrontation entre les observations et les modèles proposés1. Les deux schémas précédents sont chacun associés à un des deux modèles

proposés. Indiquer sous chacun à quel modèle il est associé.2. Sachant que chaque schéma représente la situation à midi le jour où les

observations ci-dessus sont réalisées, indiquer sur chaque schéma les emplacements des points S et A.

3. Pourquoi peut-on dire que les deux segments représentant les bâtons sur le schéma de droite sont verticaux ?

4. Sur chaque schéma, tracer au moins un rayon lumineux qui permet d'interpréter le fait que le bâton planté à Syène n'a pas d'ombre.

5. Sur chaque schéma, pour le bâton planté à Alexandrie, tracer le rayon de lumière arrivant sur Terre et passant par le sommet du bâton. Sur chaque schéma, représenter en couleur "l’ombre" du bâton.

6. Le modèle 1 est-il en accord avec l’observation faite à Syène ? à Alexandrie ?7. Même question pour le modèle 2.8. Peut-on dire qu’un de ces deux modèles rend mieux compte des observations que

l’autre ?9. D’après vos connaissances personnelles, lequel de ces deux modèles est

aujourd’hui accepté par la communauté scientifique ? 10. D’après vos connaissances, décrire une observation en accord avec le modèle

choisi dans la question précédente et en désaccord avec l'autre modèle.

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Résultats élèves et profs au questionnaire sur la nature et le fonctionnement de la physique

Résultats sur 324 élèves (dont 204 élèves de 2nde et 69 élèves de collège)

Comparaison avec les 232 réponses des enseignants

1. La physique a pour objectif de faire de nouvelles découvertes sur le monde qui nous entoure.

Comme chez les enseignants

Un large consensus

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2. La physique a pour objectif de faire de ce

monde un meilleur endroit pour vivre.

les enseignants aussi…

Une question qui divise…

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3. La physique a pour objectif d'établir la vérité sur les

phénomènes qui nous entourent.

Mais aussi chez les enseignants… ce qui pose le problème du statut de la vérité

Une idée répandue chez les élèves…

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4. Faire de la physique consiste à appliquer des formules

mathématiques pour trouver un résultat

Enseignants : un fort décalage !!

Vers une image mathématique de la physique scolaire…

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5.Faire de la physique nécessite d'utiliser des théories, des modèles, et des lois pour décrire et interpréter le monde autour de nous

enseignants

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6. Faire de la physique conduit à mettre au point et réaliser des expériences qui nécessitent souvent de faire des mesures.

revendiquée par les enseignants…

Une affirmation forte du caractère expérimental de la physique…

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7. La physique est une science qui peut remettre en cause ses propres théories

et plus du tout chez les enseignants

Une idée qui reste à construire chez peu d'élèves seulement…

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8. On a besoin de définir la physique pour l'apprendre et pour en faire.

Même les enseignants

Encore une question qui divise…

Chapitre 4, activité 1utilisation du modèle du pendule simple

A l'aide de ce modèle, prévoir la valeur de la période d'un pendule pour lequel la longueur du pendule est égale à 2,00 m.

Quelles sont toutes les opérations mentales que doit mener un élève pour répondre à la question ?

La carte conceptuelle: Un outil d’analyse

des démarche attenues de l’élève

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Valeur…

Relation algébrique

Grandeurs physiques

Choix d'unités calcul CS

La carte conceptuelle: Un outil d’analyse des

démarche attenues de l’élève

Répondre à la question précédente demande d’effectuer le

parcourt suivant:

Cette chaine amorce une carte plus complète constituée de trois

grands pôles, compléter cette carte :

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Expérience de labosituation matérielle Mesure(s)

(résultat de l'action de mesurer)

Ordre de grandeurReprésentation

schématiquemaquette

Représentationgraphique

Énoncés en français

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