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UE 35 mémoire professionnel
Master 2 MEEF
Marina HUGHES
LES REPRÉSENTATIONS EN SCIENCES ET TECHNOLOGIE
TRAVAIL AVEC UNE CLASSE DE CE1-CE2 EN ÉLECTRICITÉ
DIRECTEUR DE MEMOIRE : Eric VOTTERO ANNEE 2015-2016
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REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier l’ensemble des élèves de ma classe, qui se sont prêtés au jeu des
différents tests tout au long de la réalisation de ce mémoire, et qui en règle générale ont
montré beaucoup de considération pour mes propos. Les enfants que l’on m’a confiés,
pour ma première année en tant qu’enseignante, sont particulièrement agréables.
Je remercie également les collègues de mon école pour leur soutien et leur empathie à
mon égard, ainsi que tous les collègues enseignants qui ont bien voulu s’essayer à
l’exercice périlleux du schéma de la lampe de poche à la fin de mon questionnaire.
Un grand merci à Frédérique Poupon, responsable du groupe départemental de
sciences du Vaucluse, qui m’a éclairé de ses lumières, notamment lors de la rédaction
de la séquence d’enseignement en électricité.
Enfin, je remercie vivement mon directeur de mémoire qui m’a encouragée dans mes
choix théoriques concernant l’orientation du mémoire, qui m’a soutenue au moment de
l’évolution du processus rédactionnel et enfin, m’a confortée lors de sa finalisation.
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Table des matières
1. Introduction ........................................................................................................................................... 5
1.1 - Contexte de l’enseignement .................................................................................................. 5
1.2 - L’enseignement des sciences à l’école maternelle et élémentaire .................................. 6
2. L’enseignement des sciences à l’école, ancrage théorique .................................................................. 8
2.1 Enseigner les sciences en fonction du développement psychologique des élèves.......... 8
2.2 Les représentations mentales dans la littérature ........................................................... 10
2.3 De l’émergence de la conception à la construction du concept ..................................... 12
2.4 Etudier les représentations initiales des élèves .............................................................. 14
2.5 Les représentations mentales des élèves, éléments de problématique ......................... 15
3. Recueillir des données pour savoir ce que pensent les enseignants et connaitre les représentations
des élèves : .......................................................................................................................................... 18
3.1 Le point de vue des enseignants, élaboration du questionnaire .................................... 18
3.2 Le point de vue des élèves .............................................................................................. 24
Résultats du pré-test : .................................................................................................................. 25
Protocole : .................................................................................................................................... 25
Analyse des productions : ............................................................................................................ 26
Représentation pratique de l’objet ............................................................................................. 27
Représentation mécanique de l’intérieur de la lampe : .............................................................. 28
Introduction aux notions d’électricité : ....................................................................................... 29
Représentations atypiques .......................................................................................................... 30
4. La séquence d’électricité ..................................................................................................................... 33
4.1 Le programme pour une classe de CE1-CE2 : .................................................................. 33
4.2 Construire une séquence d’enseignement ..................................................................... 35
Construire une séquence par la situation .................................................................................... 36
Construire une séquence par le savoir ........................................................................................ 36
Construire une séquence par la méthode. .................................................................................. 36
Construire une séquence par l’obstacle ...................................................................................... 37
4.3 Contrat didactique et enseignement : ............................................................................ 37
4
4.4 Place des analogies dans l’enseignement des sciences .................................................. 38
4.5 Séquence d’enseignement .............................................................................................. 40
4.6 Test 2 : après enseignement de la séquence ......................................................................... 41
Schéma fonctionnel d’un circuit électrique ayant fait l’objet d’une abstraction vis-à-vis de
l’objet lampe. ............................................................................................................................... 43
Schéma fonctionnel du circuit électrique d’une lampe avec transposition dans l’objet (8 élèves)
..................................................................................................................................................... 44
Schéma conventionnel du circuit électrique d’une lampe .......................................................... 44
4.7 Test : quelques semaines plus tard ................................................................................. 45
5. Analyse et interprétation des résultats ............................................................................................... 48
5.1 Résultats issus des questionnaires .................................................................................. 48
5.2 Résultats croisés et conclusion ........................................................................................ 53
6. Discussion : Représentations, mémoire et neuroéducation, des pistes de recherche à explorer ...... 55
7. Bibliographie ........................................................................................................................................ 56
Livres ............................................................................................................................................ 56
Chapitres d’ouvrages ................................................................................................................... 56
Articles de revue .......................................................................................................................... 57
Documents professionnels .......................................................................................................... 57
Sources des illustrations en annexe, pour séquence d’enseignement ........................................ 57
8. ANNEXES .............................................................................................................................................. 58
8.1 Table des annexes ........................................................................................................... 58
8.2 Tables des illustrations .................................................................................................... 58
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1. Introduction
1.1 - Contexte de l’enseignement
L’enseignement de la séquence de science qui s’inscrit dans le cadre de ce mémoire et
qui vise à appréhender les représentations mentales et leur persévérance dans le
temps, s’adresse à des élèves d’une classe de CE1-CE2 de l’école André et Andrieux
Gilous d’Eyguières (Bouches du Rhône). Les effectifs sont les suivants : 6 CE1 et 18
CE2, la classe est composée d’autant de filles que de garçons. Il s’agit d’une classe très
dynamique et impliquée dans la vie de l’école. Les élèves participent volontiers à l’oral
et de manière active aux enseignements, sans problème de crainte d’éventuels
jugements négatifs. Ils font preuve de beaucoup de curiosité pour l’ensemble des
domaines enseignés. Les élèves ont pour certains déjà été scolarisés en double niveau.
A condition de remettre le cadre dans la classe et de formuler clairement les consignes,
ils appliquent les méthodes de travail autonomes indispensables à certains moments,
dans ce type de classe. En effet, la classe de CE1-CE2 est à cheval sur deux niveaux,
mais également sur deux cycles.
Nous observons beaucoup d’hétérogénéité entre les élèves, dans le niveau CE2, tant
sur le plan de l’âge (en début d’année scolaire, la pyramide des âges s’étend de 6 à 9
ans), que sur le niveau attendu pour cette classe. Il y a deux doublants et un élève en
passage anticipé. D’après les évaluations diagnostiques réalisées en début d’année
scolaire et d’après les évaluations de fin de CE1, certains élèves présentent des
difficultés en lecture (déchiffrage et compréhension) et n’ont pas une représentation
claire du nombre alors que d’autres ont complètement acquis l’ensemble des
compétences attendues. Nous noterons que deux élèves sont issues de pays étrangers
et vivent en France depuis deux ans, l’une d’entre eux bénéficie d’un suivi
d’orthophonie. De manière globale, et si nous croisons l’ensemble des disciplines
d’enseignement, nous distinguons 4 groupes de niveaux en CE2. Les élèves ne se
situent pas dans les mêmes groupes de niveaux en fonction des domaines.
Les élèves de CE1 ont été triés préalablement à la constitution de la classe. Il s’agit
d’élèves ne présentant pas de difficulté ayant retenu notre attention. Dès le début de
l’année, nous pouvons faire le constat qu’ils savent tous lire avec fluidité et avec
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compréhension du contenu, de plus ils réalisent des additions avec des nombres
inférieurs à 30 sans difficulté. Ces constats d’ordres généraux s’appuient sur des
évaluations diagnostiques réalisées la première semaine de la rentrée scolaire 2015.
La classe de CE1-CE2 est localisée dans une des quatre écoles du village d’Eyguières.
L’école Gilous est considérée comme plutôt favorisée. Le village est situé dans une
zone rurale à proximité de grandes agglomérations, il compte environ 8000 habitants.
Le village comprend quelques sociétés implantées localement, mais la plupart des actifs
travaillent à l’extérieur du village, préférentiellement dans les pôles commerciaux et
industriels des environs ainsi que sur les bases militaires d’Istres et de Salon de
Provence. Bien que l’école soit située en zone rurale, le secteur primaire est très peu
représenté parmi les parents d’élèves. Ils sont majoritairement issus des classes
moyennes et supérieures. Le village a connu une augmentation importante de la
population dans les années 1990, avec une construction de logements de type
pavillonnaire. Globalement, il y a peu de logements sociaux sur le village.
1.2 - L’enseignement des sciences à l’école maternelle et élémentaire
L’enseignement des sciences permet d’aborder le réel et le technique, d’abord par
l’observation active du monde qui nous entoure. Par la curiosité qu’elle suscite,
l’observation de notre environnement est une source de motivation pour aller plus loin,
se questionner, opposer les idées afin de comprendre les mécanismes sous-jacents aux
phénomènes, tirer des conclusions qui permettent d’aboutir à une connaissance
objective et vérifiable. L’enseignement des sciences sert à l’acquisition des
connaissances, mais aussi au développement des compétences et des comportements
nécessaires à la vie en société. L’enfant est aujourd’hui un élève mais aussi un futur
citoyen (compétence 6 du socle commun).
La pratique des sciences expérimentales à l’école donne à l’enfant l’occasion de
développer puis mettre en place sa relation au monde matériel, c’est-à-dire le réel. Il
découvre que ce monde peut se prêter à des questions et des investigations.
L’enseignant peut aider l’élève à se poser les bonnes questions, à émettre des
hypothèses en lui offrant un cadre, des situations soigneusement sélectionnées et
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adaptées à son niveau. Avec l’aide de bons supports d’enseignement, le guidage
pédagogique semble représenter le meilleur moyen de faire découvrir aux enfants le
domaine des sciences. De manière générale, selon Vygotsky (1934)1, la collaboration
spécifique entre l’enfant et l’adulte est l’élément central dans le processus éducatif.
C’est bien cette démarche décrite par cet auteur que nous mettrons en place dans la
classe dans le cadre de l’enseignement de la séquence en électricité.
Nous étudierons comment les représentations initiales des élèves évoluent après
l’enseignement d’une séquence en sciences et s’il s’agit bien de connaissances
acquises. Plusieurs semaines après, nous évaluerons de quelle manière elles se sont
transformées ou ont perduré chez les élèves.
1 Vygotsky, L. S., Sève, F., Clot, Y., & Sève, L. (2013). Etude du développement des concepts
scientifiques pendant l’enfance. In Pensée et langage (p. 271‑413). Paris: la Dispute.
8
2. L’enseignement des sciences à l’école, ancrage théorique
2.1 Enseigner les sciences en fonction du développement psychologique
des élèves
Avant 6 ans, H. Wallon2 qualifie le stade de développement des enfants de syncrétique.
Pour lui, l’enfant raisonne par couple et oppose uniquement les caractéristiques de deux
phénomènes entre eux. L’apprentissage des sciences est malgré tout possible et peut
constituer une source d’enrichissement de l’univers des enfants à condition que les
supports et les thèmes proposés soient adaptés à leurs capacités de raisonnement.
Nous noterons que la pensée par couple est hautement modulée et régresse dès
l’enrichissement du langage ; ce qui est le cas avant l’entrée à l’école pour certains
enfants et rapidement après l’entrée en petite section de maternelle pour les autres. De
5-6 ans à 11 ans, les enfants se situent selon Wallon, dans une période
développementale qu’il appelle le stade catégoriel. L’entrée dans ce stade de
développement leur permet de s’ouvrir davantage au monde par des différenciations sur
des objets et des phénomènes qui les entourent (en opposition avec le stade antérieur
du syncrétisme). D’après Wallon, « les différents traits des objets ou des situations, au
lieu d’être confondus entre eux dans chaque ensemble, sont progressivement identifiés
et classés rendant possibles des comparaisons, des distinctions, des assimilations
systématiques et cohérentes ». Les enfants possèdent alors l’ensemble des
compétences nécessaires pour poursuivre, en cycle 2 et cycle 3, l’apprentissage des
sciences à l’école.
Apprendre comprend tout d’abord de changer une conception par un savoir. Or,
appréhender un savoir requiert de l’intégrer à une structure existante. D’après André
Giordan (1998)3 « apprendre est tout autre chose que recevoir une information ». Après
avoir fait le bilan des connaissances de l’enfant concernant un phénomène donné,
l’intérêt serait de le faire participer à la démarche d’apprentissage en le rendant
2 Wallon, H. (1963). Les étapes de la personnalité chez l’enfant. Enfance, 16(1), 73‑78.
3 Giordan, A. (1998). Apprendre! Paris: Belin.
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davantage acteur d’une séance. L’enseignant peut lui donner envie d’apprendre en lui
permettant de se poser des questions auxquelles il ressent le besoin de connaitre la
réponse. Dans cette démarche, André Giordan précise « aidons l’enfant à puiser sa
dynamique dans l’action ».
La transversalité des compétences mises en jeu dans l’enseignement des sciences en
classe présente de nombreux intérêts. En effet, l’enseignement des sciences contribue
à la construction des savoirs fondamentaux : lire, écrire et compter. En s’appuyant sur
des situations concrètes qui requièrent une participation active, l’enfant comprend mieux
pourquoi on lui demande de lire des extraits variés et de les analyser. Une fois créées
les conditions d’une succession ordonnée de démarches scientifiques en commençant
par la lecture, les savoirs peuvent s’inscrire dans la mémoire de l’enfant. Cet
apprentissage n’est pas une accumulation de savoirs si l’enfant est acteur dans sa
démarche de compréhension d’un phénomène. Il organise les savoirs en réseaux et se
les approprie de manière à les comprendre quand il est amené à lire. Dans une
démarche inverse, à l’aide de bons supports, et dans un souci de conservation de la
cohérence et de poursuite d’un thème, nous pouvons favoriser un renforcement des
connaissances. Par la lecture, l’enfant va pouvoir retrouver dans sa mémoire des
connaissances en cours d’acquisition. Il va ainsi reconnaitre dans une lecture des
notions qu’il a appréhendées plus tôt.
Rédiger est une action très importante dans la démarche scientifique, notamment
lorsqu’on note ses questions, observations et conclusions. Rassembler les idées, les
ordonner en fonction du type de texte à rédiger, sont autant d’occasions où l’action
d’écrire est sollicitée. La rédaction d’un compte rendu d’expérience nécessite de
s’adapter en permanence du point de vue de l’écriture (emploi de la 3ème personne,
emploi du temps passé ou du présent intemporel). L’activité de rédaction nécessite
également l’emploi précis du vocabulaire de référence au domaine. L’action de rédiger
des paragraphes en employant des connecteurs (d’abord, puis, ensuite, enfin…) met en
jeu des compétences transversales aux sciences et au français. Dans le processus de
description, on s’attache à être rigoureux sur l’emploi de ces connecteurs. On apprend
aussi à articuler un texte avec des graphiques et des tableaux.
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Enfin, l’apprentissage des sciences ne peut s’envisager sans la proposition de situations
problèmes et la mise en application de processus pour les résoudre (planification des
tâches, organisation du raisonnement). L’enseignement de ces méthodes pourrait
permettre aux élèves d’augmenter leur capacité d’apprendre à apprendre (Johsua. S et
Dupin. J-J, 19934). Par ailleurs, nous utilisons dans les sciences certains outils
mathématiques comme moyens de résoudre un problème, ce qui permet un certain
détachement vis-à-vis de la discipline, une prise de hauteur. Par exemple, un calcul
devient un instrument au service de la compréhension d’un phénomène et pas
seulement un objectif en soi. L’intérêt ici est de permettre aux élèves de considérer
l’outil mathématique comme un moyen d’appréhender une situation-problème, c’est-à-
dire sortir du schéma que certains enseignants décrivent parfois : « Maître, je fais une
plus ou une moins (sous-entendu addition ou soustraction) ? » dénotant d’une simple
application béhavioriste du calcul. Dans le cadre de l’apprentissage des sciences,
l’enseignant a la possibilité de multiplier les occasions de réaliser des calculs à visée
explicative et ainsi inviter les élèves à aller au-delà des comportements conditionnés.
Toutes les compétences mises en jeu permettent de tendre vers plus de logique et plus
de rigueur, et ainsi accompagnent l’enfant vers l’acquisition d’une démarche
scientifique. D’après les auteurs de l’ouvrage Réussir avec les sciences (2003)5, il est
indispensable d’utiliser le regard et la curiosité naturelle de l’enfant « qu’il s’agira de
mettre en mots et auquel il faudra donner la forme de l’écrit ».
2.2 Les représentations mentales dans la littérature
Avant toute acquisition de connaissances, les élèves ont besoin de développer leur
pensée, en effet pour Wallon (1963), les pensées préopératoires, qu’elles soient
personnalistes ou catégorielles, sont marquées par l’animisme, l’artificialisme et le
finalisme. Ces formes de pensées sont susceptibles d’être activées et être représentées
4 Johsua, S., & Dupin, J.-J. (2003). Introduction à la didactique des sciences et des mathématiques.
Paris: PUF.
5 Ferry, L., France, & Conseil national des programmes. (2003). Réussir avec les sciences. Paris:
CNDP : Albin Michel.
11
dans les productions initiales des élèves qui serviront de cadre d’analyse de départ à
cette étude. En effet, les élèves de la classe ont entre 6 et 9 ans en début d’année. Par
défaut, la pensée des enfants est égocentrée, elle constitue par conséquent un obstacle
à la pensée scientifique. L’élève est centré sur lui-même, il éprouve des difficultés à
prendre en compte le point de vue de l’autre. La pensée animiste repose sur la
croyance que les objets sont dotés d’intentions, les enfants leur prêtent une vie propre.
Par l’artificialisme, l’enfant pense que tout ce qui existe a été créé par l’homme. Enfin,
dans le finalisme, l’enfant pense que tout objet a été fabriqué pour l’homme.
Composante de la compétence 3 du socle commun, apprendre à observer, est une
étape cruciale de la démarche scientifique. Observer est une action complexe, savoir
observer est donc le résultat d’un apprentissage. Ainsi, un objet complexe peut amener
une observation incertaine ou incomplète. Les rêves et les désirs peuvent influer sur la
perception des objets. En outre, il est fort possible que deux personnes regardent le
même objet et le représentent de deux manières différentes.
Les enfants arrivent à l’école avec des préjugés. Ils sont en effet soumis à la vie dans la
société qui leur permet de générer des représentations. Mais ces représentations se
situent au sens dit commun. Les points de vue générés par la vie de tous les jours des
élèves sont très éloignés des concepts scientifiques. Par conséquent, les
connaissances scientifiques ne pourront être solides que si elles remplacent celles du
sens commun. Cela comprend nécessairement une disparition de celles-ci. Les
concepts issus de la culture scientifique sont bien souvent diamétralement opposés à
ceux de la culture populaire ne générant pratiquement que des conceptions ou ce que
l’on peut également appeler des points de vue.
En sciences, plutôt que d’utiliser le mot représentation, nous préférerons le mot
conception pour parler de ce que les auteurs G. Giordan, & G. de Vecchi, (2000)
appellent « un ensemble d’images mentales, et de modèles présents chez l’apprenant
avant qu’une activité quelconque ne débute ». Une conception qui est en relation avec
le niveau de connaissances de l’apprenant et son milieu socio-culturel. D’après les
auteurs, connaitre les représentations des élèves avant l’enseignement permet de
mieux l’adapter. En effet, comprendre les représentations des élèves met en lumière le
point de départ des apprentissages. Il est important de tenir compte des conceptions
12
afin qu’elles ne ressurgissent pas à tout moment, comme si elles étaient de manière
constante dans un état latent. Dans leurs travaux, les auteurs mettent l’accent sur le
pouvoir de persistance des représentations chez les élèves.
En revanche, l’analyse des conceptions doit être uniquement un point de départ. Il est
préférable de ne pas s’y attarder trop longtemps afin de ne pas les ancrer dans la leçon,
ni les faire apparaitre au premier plan de l’enseignement. En effet, la conception est
davantage à considérer comme « un modèle explicatif sous-jacent » pour A. Giordan, &
G. de Vecchi, (2000), car ce ne sont pas les productions elles-mêmes qui sont
intéressantes, mais les représentations qu’elles sous-tendent. Par exemple, dans le
domaine de l’électricité, les auteurs citent des élèves s’exprimant sur le sujet : « la pile
fournit quelque chose, l’énergie, à l’ampoule qu’elle va utiliser » ou bien « qu’une
résistance use le courant ». Il s’agit ici d’une vision substantialiste du courant électrique,
il est donné une certaine matérialité à l’électricité alors qu’elle est invisible en réalité. Il
est intéressant de se servir de ces remarques pour l’enseignement d’une séquence
sans y accorder une importance prépondérante et sans rester fixer dessus trop
longuement.
2.3 De l’émergence de la conception à la construction du concept
Les conceptions chez les élèves sont issues de constructions à la fois individuelles et
sociales. Pour un même concept, plusieurs représentations existent chez les élèves. De
plus, pour R. Tavernier et M.-A. Pierrard (2009) les situations inédites font resurgir les
conceptions initiales, certaines de ces conceptions pouvant être issues d’analogies
erronées ou abusives. Nous aborderons le sujet de l’utilisation des analogies peu après.
Les méthodes pédagogiques à mettre en place pour transformer les conceptions en
concepts sont les suivantes :
- réfuter et argumenter en prouvant l’erreur,
- formuler de nouvelles consignes pour changer de conception,
- prouver que la connaissance mise en place atteint ses limites très rapidement et
en enseigner une plus efficiente,
- expliciter les mots les plus difficiles en les anticipant,
- s’appuyer sur des documents support : documentaires, lectures, matériel,
13
- faire évoluer les supports et les approches : lecture, dessin, production plastique,
construction.
Nous nous appuyons sur ces préconisations pour rédiger la séquence d’enseignement
en électricité.
Ces mêmes auteurs définissent le concept de la manière suivante : « qu’il soit
scientifique, technologique ou dans d’autres domaines, il est le résultat d’un mouvement
de pensée visant à généraliser et à abstraire, par des procédures et pour des objectifs
spécifiques à chaque discipline, une idée à partir de traits perçus comme étant
communs à un ensemble de faits ou de phénomènes ». Pour ces auteurs, les concepts
générés à l’école se font de manière consciente ou inconsciente, ils se créent par
l’interaction avec autrui et par le biais des éléments rencontrés. Les concepts se
construisent de manière bien spécifique. Il existe trois formes de conceptualisation :
- Par déduction : le concept est supposé connu, il est explicité avec des exemples.
Il a donc des limites puisqu’il peut générer des confusions. Par exemple : Il peut y
avoir confusion entre les concepts d’objet et de substance. Si l’on prend
l’exemple des conducteurs électriques, un élève écrit : « la lampe s’allume avec
le bracelet et le fer mais pas avec la feuille », (les objets étant la feuille et le
bracelet).
- Par comparaison, induction, puis déduction : l’objet étant ici de comparer des
situations afin de créer le concept et de le compléter à l’aide d’exemples. Pour le
concept de source d’énergie, l’induction permet de se poser des questions
comme « comment s’éclaire-t-on ? » y seront ensuite associées des générations
d’hypothèses et de validation successives. C’est à partir d’un ou de plusieurs
exemples que peut se former le concept de source d’énergie.
- Par modélisation : l’objet d’étude est porté par une représentation qui est appelée
modèle. Le modèle peut être généré sous forme de maquette mais aussi
d’analogie. Pour les auteurs : « il est construit par référence au réel, au système
que l’on doit modéliser ». Ces modèles sont créés par rapport au problème que
l’on cherche à résoudre. Il est souvent nécessaire de les faire évoluer, voire de
les abandonner lorsque l’on cherche à comprendre d’autres phénomènes.
14
2.4 Etudier les représentations initiales des élèves
Nous allons à présent étudier la manière de faire émerger les conceptions des élèves
dans le domaine des sciences. Pour cela, différentes méthodologies existent.
Des questionnaires peuvent être proposés avant pendant et après de la démarche
pédagogique. Les questions peuvent être posées de manière assez générale si l’on
souhaite obtenir d’elles qu’elles amènent des réponses dont le contenu est descriptif. Il
semble également intéressant de poser des questions d’explication de faits. En effet, un
phénomène peut être décrit mais pas explicité de manière correcte ou utilisé de manière
correcte. Le questionnaire semble alors peu pertinent pour ce que nous recherchons.
L’entretien semi directif permet de suivre l’évolution de la pensée des apprenants.
L’objectif étant de libérer la parole et ne pas passer à côté de la conception de certains
élèves pouvant être mal à l’aise avec le crayon. Toutefois, il est possible que certains
élèves ne soit pas à leur aise à l’oral.
Il est également possible d’utiliser des situations familières afin de faire émerger les
représentations. Proposer aux élèves de réaliser un schéma le permet car tous ne sont
pas capables de décrire sur papier ce qu’ils pensent. En effet, en cycles 2 et 3 la
production d’écrit est un exercice à part entière. En revanche, produire un dessin permet
de prendre en compte les conceptions de tous. Il nous parait également judicieux de
faire accompagner le dessin d’une explicitation de celui-ci afin de recueillir de manière
libre les commentaires des élèves de toute façon, que ce soit : phrases, légendes, mots
de vocabulaires.
Pour R. Tavernier et M.-A. Pierrard (2009), les conceptions des élèves peuvent émerger
grâce à un dessin et/ou à un écrit. En effet, les représentations graphiques constituent
une forme d’expression des représentations mentales. Toutefois, le dessin n’est pas
une carte mentale de l’élève. Les techniques qui invitent les élèves à expliciter leurs
conceptions devraient pouvoir nous servir de scanner, elles devraient nous permettre
d’avoir accès à la boite noire des élèves, c’est-à-dire, ce que l’on ne voit pas de ce qu’ils
savent sur le sujet qui nous intéresse. Pourtant cette image couchée sur papier n’est
pas une transcription pure de ce qui ce passe dans leur tête. En effet, cette
représentation passe par de multiples filtres, elle est soumise à des compétences en
graphisme pour la reproduction. L’ensemble des points évoqués sera considéré dans le
15
cadre de nos analyses des productions. Compte tenu de l’ensemble des éléments
énoncés précédemment, le dessin schématique constitue la méthode la plus appropriée
pour notre objet d’étude. Afin de laisser la libre expression des élèves, il est essentiel
d’expliquer que les productions ne sont pas notées. La nature des productions, ainsi
que le volume des rendus, seront également dépendants de l’ambiance créée en
classe. Il importe donc d’avoir généré un climat de confiance afin que les élèves ne se
sentent pas jugés sur un domaine qu’ils n’ont pas encore étudié. En effet, notre intérêt
est d’avoir accès aux pensées des élèves même si celles-ci s’avèrent curieuses ou
originales, les élèves doivent se sentir libres de les coucher sur papier. Il nous semble
que les élèves de la classe de CE1-CE2 sont à leur aise pour s’exprimer et n’auront pas
de risque de se sentir jugés, car l’ambiance instaurée depuis le début de l’année a été
propice à la création d’un climat de confiance que ce soit entre élèves ou entre élèves et
enseignantes.
2.5 Les représentations mentales des élèves, éléments de problématique
La pensée égocentrée des élèves peut être génératrice de représentations mentales
erronées et constituer un obstacle à l’acquisition de connaissances. Les conceptions
initiales des élèves sont éloignées de la réalité scientifique (elles s’appuient sur la
pensée animiste, finaliste, égocentrique, et possiblement la personnification de
l’électricité).
Il s’agit de considérations que nous retrouvons fréquemment dans la littérature de
recherche en didactique des sciences, mais également dans d’autres disciplines comme
les mathématiques. En effet, il s’agit d’un problème qui est finalement transdisciplinaire.
Savoir comment prendre en compte les représentations des élèves, les qualifier et les
décrire avant l’enseignement d’une séquence, nous semble présenter un intérêt pour
l’ensemble des disciplines enseignées à l’école. Afin de recentrer le problème sur
l’élémentaire, nous considèrerons les préoccupations des enseignants de cycle 2 et
cycle 3 sur ce sujet. Ainsi, nous nous demanderons comment les enseignants
perçoivent les obstacles d’apprentissage dans leurs classes. Nous prendrons ainsi en
compte les personnes qui se trouvent au plus près des difficultés des élèves en
recueillant leurs points de vue à l’aide d’un questionnaire, ainsi que leur représentation
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d’un objet technique électrique. Nous souhaitons également connaitre les conceptions
initiales des élèves en électricité. Mais comment faire émerger les représentations des
élèves en science, et de quelles natures sont-elles? Quels types de représentations ont
les élèves en électricité ? Pour comprendre cela nous proposerons aux élèves de
produire un schéma commenté concernant le fonctionnement d’un objet technique (le
même que les enseignants). Nous analyserons ces productions de manière à en
déterminer les caractéristiques principales. En fonction des résultats obtenus à ce
premier test, et plus précisément en fonction de la nature des productions, nous
élaborerons une séquence adaptée à la classe et qui permette au mieux de transformer
les croyances initiales des élèves en concepts. Nous nous demanderons alors en quoi
l’enseignement d’une séquence en électricité peut-elle sur le long terme transformer les
conceptions initiales des élèves en concepts scientifiques ? Nous chercherons ainsi à
produire une séquence explicite et efficace pour enseigner les phénomènes liés à
l’électricité au programme des cycles deux et trois, cycles représentés par la classe de
CE1-CE2, en responsabilité cette année. L’élaboration de cette séquence permettra
également de se questionner sur les liens entre le contrat didactique et l’évolution des
représentations (G. Brousseau 1986)6. Pour cela, nous distinguerons les analogies qui
permettent de faire le lien entre ce que l’élève connait déjà et les notions que nous
souhaitons qu’il appréhende et celles qui induisent des représentations erronées. Par
l’enseignement de cette séquence, nous chercherons comment ces conceptions initiales
deviennent des concepts scientifiques et ensuite de quelles façons elles demeurent des
connaissances stables sur le long terme. Afin de vérifier que les connaissances sont
acquises et installées de manière durable, nous nous attacherons à réaliser le même
exercice que celui proposé au départ concernant la production d’un schéma commenté
sur un objet technique, cela juste après enseignement de la séquence et plusieurs
semaines plus tard. Il s’agira donc de réaliser trois tests. Ces productions seront
analysées afin de déterminer la robustesse des connaissances et leur installation parmi
les autres acquis, juste après enseignement et quelques semaines plus tard. L’intérêt
est ici de comprendre si les enseignements sont conservés sur le long terme et, si ce 6 Brousseau, G. (1986). Fondements et méthodes de la didactique des mathématiques. Recherche en
Didactique des Mathématiques, (7.2).
17
n’est pas le cas, nous proposerons des pistes de réflexion pour en comprendre la cause
grâce à l’analyse des productions d’élèves. En effet, sur le long terme, plusieurs auteurs
ont montré que les connaissances acquises pendant l’enseignement d’une séquence de
sciences, risquent de retourner à leur état de conception initiale.
18
3. Recueillir des données pour savoir ce que pensent les enseignants et connaitre les représentations des élèves :
3.1 Le point de vue des enseignants, élaboration du questionnaire
Afin de relayer les opinions des enseignants, l’entretien semi-directif peut être un moyen
intéressant. Il permet de comprendre précisément les préoccupations des enseignants
sur le sujet des représentations des élèves et les obstacles d’apprentissage. En effet, ce
thème assez complexe et finalement soumis à énormément de facteurs subjectifs, aurait
été pertinemment traité grâce au recueil de la parole de l’enseignant. Nous pensons
également que de nombreuses idées originales auraient pu émerger d’entretiens semi-
directifs. Malgré ces arguments, la solution du questionnaire est celle qui a été retenue
car elle demeure la technique la plus efficace en termes d’effectif interrogé et de rapidité
de traitement. Les entretiens n’auraient été menés qu’avec quelques volontaires. Les
questionnaires seront distribués à une trentaine d’enseignants. De plus, une question
ouverte en fin de questionnaire, et des champs dédiés à des observations, nous
permettent tout de même le recueil d’écrits des professionnels volontaires.
Nous avons ainsi élaboré un questionnaire visant à comprendre le point de vue des
enseignants d’écoles élémentaires sur le sujet des représentations des élèves en
science et sur la robustesse des connaissances acquises (cf. annexe 1). Pour cela,
nous nous sommes appuyés sur la méthode proposée par F. de Singly (1992)7. Nous
proposons donc d’un questionnaire d’opinion, également appelé échelle d’attitude (nous
ne développerons pas les éléments de la littérature scientifique explicitant les subtiles
différences entre ces deux termes). Nous veillerons à ordonner les questions et les
propositions de réponses afin de ne pas favoriser une certaine désirabilité sociale8 qui
pourrait émerger chez les personnes interrogées. La désirabilité sociale qui consiste à
répondre de la façon dont nous considérons être la meilleure pour être jugé
positivement par autrui, est un phénomène couramment observé et peut biaiser les
réponses. L’anonymisation des questionnaires permettra également d’en éviter la
manifestation. Nous demanderons uniquement, en préambule, le nombre d’années
7 De Singly, F. (1992). La fabrication du questionnaire : les règles de questionnement. In L’enquête et
ses méthodes: le questionnaire (Nathan). Paris. 8 Lemaine, J.-M. (1965). Dix ans de recherche sur la désirabilité sociale. L’année psychologique, 65(1),
117–130.
19
d’expérience du volontaire dans l’enseignement, afin de pouvoir comparer l’opinion des
experts et des débutants. Ce questionnaire est composé de 8 questions à choix
multiples qui nous permettent d’étayer notre problématique de départ. Le neuvième item
propose aux enseignants participants de réaliser le même test que les élèves, c’est-à-
dire la réalisation du schéma commenté d’une lampe. Les justifications scientifiques et
empiriques des choix des questions sont détaillées dans le tableau ci-dessous.
L’ensemble du questionnaire fait l’objet d’un pré-test afin de vérifier son efficience et sa
pertinence. Il est nécessaire que le questionnaire obtienne des réponses cohérentes
entre elles et corrélées pour s’assurer de la consistance de celui-ci. Par ailleurs, il est
important que les questions soient comprises par tous les interrogés. Le pré-test doit
permettre de déceler les ambiguïtés dans les questions. Pour cela, il est habituel dans
la recherche en psychologie et en sociologie de réaliser un prétest impliquant un
nombre équivalent à 5 à 10 % de l’effectif total des interrogés. Par conséquent, trois
personnes sont interrogées dans le cadre de ce prétest. Les enseignants volontaires
travaillent en école élémentaire en cycle 2 ou 3 (selon l’organisation des cycles à la
rentrée 2015). Le pré-test montre des incompréhensions des différents types de
réponses proposées à la question 4. Nous avons donc défini de manière simple certains
termes employés comme animiste et analogie. Aucun autre obstacle n’a été évoqué lors
de ce pré-test qui nous semble concluant. Le questionnaire est donc distribué à une
cinquantaine d’enseignants dans plusieurs écoles et à l’ESPE d’Avignon. L’objectif est
de recueillir environ 30 tests complétés. Il est fréquent d’avoir beaucoup de déchets
dans ce type d’étude. Cela peut être dû au recueil de tests inexploitables, n’ayant pas
été complétés en totalité, et aussi le fait de personnes motivées au premier abord puis
ne remettant jamais le questionnaire pour analyse. Nous nous sommes également
heurtés à plusieurs refus sous le prétexte que l’enseignant ne se sent pas concerné par
le sujet. Nous avons ainsi recueilli 25 tests complétés.
Après passation de ce test auprès des enseignants volontaires en élémentaire,
(interroger 250 volontaires nous aurait assuré une robustesse statistique) nous nous
attachons à comparer les réponses données à chacune des questions en réalisant des
croisements entre les questions préliminaires et celles du questionnaire. Pour cela, nous
20
nous inspirons de l’échelle de Lickert9. Cette démarche, permettant d’obtenir des
réponses nuancées et proposant une échelle d’attitude, consiste à donner un score à
priori aux réponses données, c’est-à-dire transformer des réponses sous forme
d’échelle d’attitude, en scores numériques. Dans un second temps, les réponses sont
additionnées afin d’obtenir un résultat total au questionnaire. Nous obtenons ainsi un
résultat nous permettant de savoir si les enseignants sont d’accord avec nos
hypothèses de départ issues de la littérature ou si, au contraire, les enseignants de par
leur expérience ont une opinion opposée à celles extraites de nos recherches
bibliographiques. Cette méthode n’empêche en aucun cas le dépouillement des
résultats par item. Cette méthode est à envisager en fonction de la pertinence des
réponses. Par ailleurs, ce questionnaire propose une question ouverte ainsi que des
réponses à classer (échelle de préférence). L’analyse qualitative des réponses écrites
par les interrogés est réalisée en parallèle des deux autres approches, celles-ci étant
complémentaires pour notre étude. L’analyse des champs textes est effectuée au cas
par cas. Les réponses seront regroupées par typologie afin d’expliciter les éléments
interrogés qui n’ont pas pu l’être de manière codée, étayant de manière précise et
compréhensive le point vue des enseignants. Afin de rendre visible le protocole mis en
place, un guide du questionnaire est présenté sous forme de tableau. Il permet à la fois
de justifier les questions et leur intitulé, mais aussi de distinguer les hypothèses testées.
9 Mialaret Gaston, « L'observation armée. Questionnaires et tests », Méthodes de recherche en
sciences de l'éducation, Paris, Presses Universitaires de France, «Que sais-je ?», 2004, 128 pages
21
Eléments de contexte
Intitulé de la question
Justification empirique et ancrage théorique
1. Enseignez-vous les sciences dans votre classe ? Oui Non
Cette question nous permettra de comprendre de quelle manière et pourquoi l’enseignant se sent concerné par le reste des questions. Il est évident que si l’enseignant mutualise l’enseignement des sciences avec un collègue, il risquera d’avoir moins d’idées sur ce thème que sur d’autres.
2. Enseignez-vous l’électricité dans votre
classe ? Oui, Non, pourquoi ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
Dans le cadre de discussions informelles en salle des maîtres de l’école, nous avons pu observer que l’enseignement de l’électricité était quelque peu délaissé. Les enseignants évoquent des difficultés de mise en place matérielle, et de manque de matériel (ce qui est contradictoire). Nous nous interrogeons donc sur ce point. D’autant plus, qu’après une brève recherche dans les placards de mon établissement et investigation auprès de mes collègues sur la présence de matériel dans l’école, j’ai trouvé 3 mallettes complètes. Ces mallettes pédagogiques disposent de l’ensemble du matériel électrique nécessaire à l’enseignement d’une séquence en cycle 2 et 3. Ces mallettes anciennes étaient non utilisées jusqu’alors à l’école par mes collègues. L’intérêt de cette question serait de savoir si l’électricité est communément enseignée, si cela n’est pas le cas, d’en comprendre les raisons. Depuis que nous avons évoqué ce domaine d’enseignement avec enthousiasme dans l’école, plusieurs collègues souhaitent le réaliser dans leur classe. Il est également question de décloisonner entre classes pour cet enseignement.
Hypothèse testée : 1. Les conceptions initiales des élèves sont éloignées de la réalité scientifique
Intitulé de la question
Justification empirique et ancrage théorique
3. Les représentations mentales des
élèves avant l’enseignement d’une séquence en sciences sont très différentes des savoirs qu’ils peuvent acquérir après cet enseignement.
Tout à fait d’accord Plutôt d’accord Sans avis Plutôt pas d’accord Pas du tout d’accord
Cette question fait écho à notre première problématique. Elle permet de savoir à quel point les enseignants pensent que les conceptions initiales des élèves sont distinctes des concepts scientifiques. Nous avons choisi cinq modalités de réponse de manière à ménager une possibilité médiane, relativement neutre au centre de l’échelle. Ce mode de formulation de question est inspiré de l’échelle de Likert
10.
10 Mialaret Gaston, « L'observation armée. Questionnaires et tests », Méthodes de recherche en sciences de l'éducation, Paris, Presses Universitaires de France, «Que
sais-je ?», 2004, 128 pages
22
4. Dans le domaine de l’électricité, nous sommes susceptibles d’observer les représentations initiales suivantes chez les élèves (plusieurs réponses sont possibles) :
- Animiste (croyance en une force vitale animant les objets)
- Magique - Substantialiste (l’électricité est
perçue comme une substance, par exemple comme l’eau)
- Analogies (l’élève se sert d’autres phénomènes pour expliquer)
- Autres : ………………………… Exemples (pas exclusivement en électricité) : ……………………………………………………
Dans le cadre de cette question, plusieurs réponses sont proposées afin de permettre à l’enseignant interrogé de mettre un qualificatif scientifique sur les représentations des élèves. Dans un premier temps, aucun terme n’avait été mentionné et l’enseignant devait lui-même proposer une réponse, mais après concertation avec un enseignant expérimenté, le risque était celui de ne pas savoir comment qualifier précisément une représentation. L’enseignant a tout de même la possibilité d’employer son propre vocabulaire dans le champ prévu dessous. Certains termes ont été explicités car considérés comme jargonnant, ils peuvent être incompris, ce qui est susceptible de biaiser les réponses au questionnaire.
5. L’enseignement d’une séquence sur l’électricité permet de transformer les représentations initiales des élèves en concepts scientifiques. Tout à fait d’accord Plutôt d’accord Sans avis Plutôt pas d’accord Pas du tout d’accord
En premier lieu, il parait évident qu’une séquence d’enseignement conduit les élèves à s’approprier des savoirs en abandonnant leurs connaissances erronées, que ce soit en sciences ou dans d’autres domaines. Dans les faits, cette conclusion n’est pas systématique. Nous nous appuyons, dans le cadre de cette question, sur des données empiriques. D’après certains enseignants interrogés en amont de la rédaction de ce travail, il n’est pas rare que les élèves demeurent ancrés dans leurs considérations d’origine concernant un domaine et notamment en sciences, même après avoir suivi une séquence d’enseignement. En effet, pendant une évaluation de fin de séquence, des enseignants observent une résurgence des opinions et points de vue antérieurs à l’enseignement de sciences, alors même qu’une analyse compréhensive ait été menée en cours de séquence. La réapparition de représentations initiales peut concerner des lieux communs, mais aussi des croyances.
6. Qu’est-ce qui, d’après vous, va favoriser l’abandon des représentations initiales pour permettre l’acquisition des concepts scientifiques ? Numéroter les cases en fonction de l’importance accordée, du plus important (1) au moins important (6 ou 7) : 1/ Qualité des supports 2/ Quantité des séances
Cette question nous permet de savoir ce qui, pour les enseignants, est prépondérant dans l’apprentissage des élèves ; par extension, ce qu’ils vont mettre en avant pour favoriser l’acquisition des compétences. L’enseignant a également la possibilité d’ajouter un item pour étayer son opinion sur cette question. Nous utilisons une échelle de préférence
11 dont nous analyserons les résultats sous forme de tableau à
double entrée. Les propositions ont été sélectionnées à partir de la synthèse théorique effectuée en chapitre 4 de ce travail, concernant la manière de créer une séquence de science. Nous observons que certaines réponses concernent l’enseignant de manière directe (qualité de l’enseignant, quantité des séances, variété des méthodes) alors que d’autres le sont de manière indirecte (ambiance de la classe,
11
Mialaret Gaston, « L'observation armée. Questionnaires et tests », Méthodes de recherche en sciences de l'éducation, Paris, Presses Universitaires de France, «Que
sais-je ?», 2004, 128 pages
23
3/ Qualité de l’enseignant 4/ Variété des méthodes utilisées pour ’enseignement 5/ Ambiance de la classe 6/ Motivation de l’élève 7/ Autre : ………………………………..
motivation des élèves et qualité des supports). Avec cet éclairage, il sera intéressant de savoir comment l’enseignant va positionner ces propositions et si ce classement est lié à l’expérience de l’enseignant
Hypothèse testée : 2. Sur le long terme, plusieurs auteurs ont montré que les connaissances acquises pendant l’enseignement d’une séquence de sciences, risquent de retourner à leur état de conception initiale
Intitulé de la question Justification empirique et ancrage théorique
7. Les connaissances acquises en sciences sont susceptibles de revenir à leur état initial quelques semaines après l’enseignement de la séquence. Tout à fait d’accord Plutôt d’accord Sans avis Plutôt pas d’accord Pas du tout d’accord Observation :………………………………
Cette question fait appel à l’expérience des enseignants (les résultats sont à corréler avec le nombre d’années d’expérience dans l’enseignement du participant). Ils vont en effet donner leur ressenti quant à la réminiscence des conceptions initiales des élèves en sciences. Ils vont également être en mesure de répondre de manière encore plus certaine s’ils ont eu la possibilité de suivre une classe d’élèves sur deux années consécutives. Il est intéressant de savoir si d’après les enseignants, les connaissances acquises sont pérennes. Cette question risque de mettre à défaut des enseignants qui, par crainte que l’on puisse considérer que leurs enseignements ne sont pas efficaces, répondent de manière non-sincère. La notion de désirabilité sociale
12
est donc potentiellement prégnante sur cette question. L’anonymisation des questionnaires est donc indispensable.
8. Observations libres concernant l’apprentissage des sciences et les représentations des élèves dans ce domaine sur le long terme :……………….
Nous souhaitons, dans le cadre de cet item, recueillir un écrit de l’enseignant. Cette partie du questionnaire va nous servir de support à la libre expression. L’intérêt est de se rapprocher, sous la forme d’un écrit, de ce que l’on pourrait recueillir à la suite d’un entretien. Ce champ très ouvert nous permet de faire émerger un contenu inédit et sans cadre. Nous espérons obtenir des remarques originales.
Représentation des enseignants
9. Réaliser le schéma du fonctionnement d’une lampe de poche et l’expliquer
Nous souhaitons comparer les représentations des enseignants et les représentations des élèves en électricité. En effet, ce domaine complexe peut être difficile à appréhender même pour les adultes enseignants. L’objectif sera ici de comprendre de quelle manière les enseignants comprennent et représentent de manière graphique le fonctionnement d’une lampe de poche. Il sera important que les enseignants jouent le jeu et n’aillent pas chercher une représentation dans un manuel ou sur internet.
12
Lemaine, J.-M. (1965). Dix ans de recherche sur la désirabilité sociale. L’année psychologique, 65(1), 117–130.
24
3.2 Le point de vue des élèves
Avant d’enseigner la séquence, il est intéressant de faire une évaluation diagnostique et
ainsi prendre une photographie des connaissances des élèves en électricité. L’étude
d’un objet technique peut servir de situation de départ pour comprendre les
représentations mentales des élèves. Par exemple, en présentant succinctement une
lampe de poche à la classe, il est possible de demander aux élèves de représenter cet
objet sous forme de dessin et de l’accompagner de commentaires.
Cet objet est intéressant car il fait partie de la vie des élèves au quotidien, il possède les
caractéristiques simples d’un objet fonctionnant avec une batterie électrique13. Il est
composé d’ :
- Une batterie
- Une ampoule
- Un interrupteur
- Un circuit électrique
La consigne proposée est la suivante :
« Réaliser le schéma et donner l’explication du fonctionnement de l’objet. »
Il est recommandé de tester la validité de cette consigne à l’aide d’un pré-test réalisé
dans une autre classe de niveau équivalent. En effet, ce pré-test a pour objectif de
déterminer si les productions obtenues à partir de la consigne présentée sont
pertinentes à étudier, c’est-à-dire suffisamment variées et explicites. En effet, des
productions pouvant poser problème dans le cadre de leur traitement, seraient issues
des situations suivantes :
- les élèves savent déjà comment la lampe fonctionne et qui réalisent un schéma
scientifique parfait (circuit électrique, utilisation du vocabulaire),
- les élèves n’ont pas d’idée et ne produisent rien ou quelque chose d’insuffisant pour
être analysé.
13
Tavernier, R., & Pierrard, M.-A. (2009). Enseigner les sciences expérimentales à l’école élémentaire:
physique et technologie. [Paris]: Bordas.
25
En résumé, il pourrait être problématique de trouver uniquement dans les productions
un effet planché ou un effet plafond.
Résultats du pré-test :
Une classe de CE2 d’une autre école située en milieu socioculturel favorisé (donc
similaire à la nôtre) a été sollicitée au mois de décembre pour participer à cette étude.
Après présentation rapide d’une lampe de poche, sans ouvrir l’objet, la consigne prévue
a été donnée à la classe.
Les productions recueillies sont intéressantes et variées. Les élèves produisent tous au
minimum un schéma et une phrase d’explication.
Certains élèves utilisent la notion d’électricité, de circuit et le vocabulaire adapté :
ampoule, fil, interrupteur. D’autres font appel à des analogies comme celle de routes
acheminant le courant électrique. En ce qui concerne la schématisation, certains élèves
apportent une légende à leur schéma, voire un lexique des symboles électriques. Ces
élèves ont reçu un enseignement en électricité l’année dernière.
Malgré cela, la majorité des élèves sont très éloignés de la réalité scientifique du
fonctionnement d’une lampe. Chez les élèves n’ayant pas reçu d’enseignement sur le
domaine de l’électricité, nous observons l’émergence de représentations imagées et
poétiques mais sans lien avec les concepts. Ce pré-test est satisfaisant et nous permet
de valider la consigne ainsi que l’objet d’étude pour notre classe.
Protocole :
Lundi 1er Février 2016, aux environs de 9 h 00, il est exposé aux élèves la consigne
suivante (identique à celle du pré-test) :
« Réaliser le schéma et donner l’explication du fonctionnement de l’objet ». Cette
consigne est énoncée plusieurs fois à l’oral et elle est écrite au tableau. Nous n’allons
pas effectuer l’analyse précise de cette consigne et son influence sur les productions. Il
s’agit d’un travail pouvant faire l’objet d’un mémoire à lui seul. La consigne a été
reformulée par les élèves à l’oral afin que l’enseignante s’assure de la compréhension
de tous. La nature des productions nous permet de vérifier cet élément. La lampe de
poche est laissée en exposition pendant la passation expérimentale. L’objet n’est pas
26
ouvert et non explicité par l’enseignant afin de laisser les élèves noter librement leurs
hypothèses concernant le fonctionnement et la constitution de l’objet. Le protocole
respecte les indications décrites en 2.4. Les élèves ont pris le temps nécessaire pour
réaliser leur schéma, soit environ 20 minutes. Le calme a été imposé afin que les
élèves ne s’influencent pas les uns les autres. Selon J. Guichard (1998), cité par
Bernard Calmette (2000), le travail demandé aux élèves constitue une observation
investigatrice car "le passage à l'expression graphique de l'observation amène à
réfléchir davantage, à se poser de nouvelles questions [...] Avoir à dessiner l'objet
observé conduit à repérer des détails auxquels on n'avait pas accordé d'importance car
ils ne semblaient pas correspondre aux questions que l'on se posait. "
Globalement, les élèves ont tous produit un protocole que nous pouvons analyser. Ils
ont apprécié réaliser ce travail. Ils ont émis le souhait que l’enseignante leur explique le
fonctionnement précis de l’objet par la suite. Ils ont donc su que la séquence serait
réalisée en période 4, ce qui nous laissera le temps de la penser et de l’élaborer en
fonction des productions obtenues.
Analyse des productions :
Pour la réalisation de l’analyse des dessins des élèves, nous avons choisi de nous
inspirer la méthode de Bernard Calmette14 (2000) car elle est très appropriée à notre
objet d’étude et relativement récente. Pour cet auteur, les représentations d’un objet, ou
d’un phénomène scientifique, sont directement liées aux connaissances et aux
représentations sous-jacentes de l’élève. Cette hypothèse a été évoquée plus en amont
de ce travail en 2.4.
En ce qui concerne leur compétence en dessin, les élèves de notre classe se situent,
dans ce que Bernard Calmette, citant G-H Luquet (1977), appelle le réalisme visuel :
« à partir de 8 ans : l'enfant représente les objets en essayant de se conformer aux
critères de l'adulte. Il y a alors respect des proportions, un certain souci du détail,
apparition des perspectives vraies ». Par ailleurs, le dessin est dépendant de l’image
14
Calmettes, B. (2000). Les dessins d’observation dans les premières phases d’étude d’objets et de
phénomènes. Aster, (31), 217‑244.
27
mentale produite par l’enfant. Pour J. Bideau (1998)15, l'image « est reconstructive du
réel à un double titre : parce qu'elle est l'analogue d'une activité perceptive sensori-
motrice qu'elle imite et schématise, et parce qu'elle est 'habitée', 'informée' à chaque
étape de son développement par la conceptualisation opérative actuelle du sujet ».
Dans le cadre de ce travail, nous ne décrirons pas chaque production d’élève de
manière exhaustive. Nous les classerons par catégorie et effectuerons une analyse de
protocole individuel des plus représentatives en termes de conceptions initiales
erronées chez les élèves. D’une manière générale, nous retrouvons les caractéristiques
du dessin d’enfant de 8 ans. Les élèves se focalisent sur un ou deux détails de l’objet,
probablement prégnant de leur point de vue, et le décrivent précisément tout en le
dessinant avec soin et sans grossir ce détail. Les élèves pointent ce détail à l’aide de
flèches ou le mettent en valeur avec des couleurs vives et des encadrements. Nous
noterons que la répartition dans les différentes catégories, plus ou moins éloignées des
concepts scientifiques n’est pas fonction de l’âge ou du niveau des élèves. En effet, les
CE1 et les CE2 faisant l’objet de ce protocole sont répartis de manière aléatoire dans
les catégories que nous avons déduites. En outre, les productions ne sont pas
annotées par l’enseignante et l’orthographe non corrigée, afin de ne pas les dénaturer
et en brouiller la lecture.
Nous observons les productions suivantes classées en 4 catégories :
Représentation pratique de l’objet :
Dans leurs expressions graphiques et écrites, ces élèves, au nombre de 11, mettent
l’accent sur l’interrupteur (nommé fréquemment bouton on/off) en tant qu’élément
permettant d’allumer et d’éteindre la lampe. Ces élèvent insistent sur la présence de
piles à l’intérieur de la lampe en précisant qu’il existe un emplacement prévu à cet effet.
Les piles, souvent dessinées par paires (représentation du format R6) sont décrites
chez certains comme si l’objet présentait une transparence permettant de les percevoir
au travers de la coque. Ces élèves décrivent l’objet comme le ferait un mode d’emploi.
Ainsi, Mathis explique ci-dessous « tu appuies sur le bouton » de manière détaillée et 15
BIDEAU, J. (1998). Image mentale et développement : Piaget avait-il raison ? Bulletin de
psychologie, 51, 437, 519-527.
28
efficiente comment se servir de la lampe. Il est intéressant de noter que ces élèves sont
manifestement capables d’utiliser cet objet sans réellement avoir conscience de son
fonctionnement électrique. Nous pouvons également noter que ces élèves possèdent
très probablement des jouets fonctionnant avec des piles, ils sont par conséquent
habitués à les manipuler.
Figure 1 test 1, représentation pratique
Représentation mécanique de l’intérieur de la lampe :
Les élèves imaginant un procédé mécanique dans la lampe de poche sont au nombre
de 3. L’élève (ci-dessous) évoque un engrenage complexe qui transmet de l’information
et permet de libérer la lumière « sa mes la lumière ». Le vocabulaire employé est celui
de la mécanique et de la géométrie : manivelle, boule, rectangle.
Figure 2, test 1, représentation mécanique
29
Nous retrouvons chez une autre élève des évocations d’une roue actionnée par une
poignée. Après avoir interrogé l’élève, elle confirme posséder à son domicile une lampe
de poche à dynamo, sans pouvoir la nommer ainsi, elle tente d’expliquer le
fonctionnement de l’objet en mimant le mouvement de rotation et actionnant la poignée
permettant de transformer de l’énergie mécanique en énergie électrique dans un
alternateur.
Introduction aux notions d’électricité :
Ces productions sont relativement proches des notions électriques que les élèves
doivent appréhender, ces types de productions sont aux nombres de 8. Certains élèves
expliquent qu’ils imaginent ouvrir la lampe et qu’ils peuvent y percevoir des fils
électriques rejoignant les piles. Le mot contact, qui est un terme central en électricité
n’est pas évoqué chez les élèves. Clarisse produit ci-dessous une représentation
graphique très soignée. Nous nous rapprochons ici d’une représentation scientifique
sans y parvenir complétement. D’autres élèves proposent l’explication suivante du
fonctionnement qui est erroné, citation dans sa version originale : « les pile font marcher
les bouton et ensuite sa alume la lanpe ». Il s’agit d’une présentation sous la forme
d’une suite d’évènements.
Figure 3, test 1 : représentation se rapprochant des notions électriques
30
Maël évoque dans sa production une certaine conduction de l’électricité au travers d’un
tuyau « ça sirqul dans un tuio ». En observant attentivement le schéma, nous
remarquons un tube jaune (strié comme une gaine électrique) qui relie les piles à
l’interrupteur et qui ensuite vient en contact avec l’ampoule pour l’allumer. Cette
représentation maladroite se rapproche de la réalité scientifique. Par l’utilisation du mot
tuyau, nous pouvons également nous demander si Maël ne fait pas référence à
l’analogie du phénomène de l’eau. Nous pourrions alors émettre l’hypothèse selon
laquelle, cet élève pourrait avoir une représentation substantialiste de l’électricité.
I
Figure 4, test 1, représentation se rapprochant des notions électriques
Représentations atypiques
Ces deux autres représentations inclassables nous semblent intéressantes à décrire :
Nous observons une production que nous avons considérée comme se rapprochant de
celle du fonctionnement de la fibre optique. Cet élève représente de nombreux
« câbles » qui s’entremêlent et qui projettent par eux même de la lumière vers
l’extérieur de l’objet (en direction d’une maison). Il est probable qu’il connaisse ce
procédé ou qu’il ait vu des fibres optiques acheminant de la lumière. Après lui avoir
demandé d’expliciter son schéma, il évoque des guirlandes de noël qui acheminent via
plusieurs fils de la lumière qui jaillit à son extrémité. Ainsi, il ne s’agissait pas de fibre
optique mais plutôt de guirlandes de noël.
31
Figure 5, test 1, représentation atypique
Nous pointons alors ici les limites de l’interprétation de schématisation d’élèves, ainsi
que les biais d’interprétation que nous sommes susceptibles de commettre. En effet, il
s’agit alors de notre propre représentation que nous projetons sur la production de
l’élève. Toutefois, à notre sens, il s’agit ici de la seule production qui présentait une
réelle ambiguïté et que nous avons pu lever.
Figure 6, test 1, représentation atypique
Une autre élève, Léonie, parle plutôt d’aspiration au niveau de l’emplacement de la
lumière. L’aspiration est déclenchée par un bouton, cette aspiration, est produite à partir
de la lumière « leconmmencement devien rouge et sa comence aspirer ».
32
Un seul élève évoque l’ampoule (Maël) pourtant visible sur la lampe. Nous tenons à
préciser, au vu des schémas produits par les élèves, que la lampe électrique proposée
en classe est tout à fait classique dans son fonctionnement et de forme très commune.
Dans les productions des élèves, il n’y a pas d’évocation de la notion de circuit, pourtant
centrale et essentielle en électricité. Les problèmes rencontrés sont issus des
représentations, ou des non-représentations scientifiques de l’objet, mais aussi d’un
défaut de méthode de représentation schématique tel que nous l’utilisons en sciences.
Nous pouvons également remarquer un déficit au niveau lexical, ce qui est parfaitement
normal puisque le vocabulaire scientifique propre à l’électricité n’a pas été enseigné par
le passé et constitue un apprentissage à part entière. En conclusion, nous retrouvons,
dans les productions des élèves, certaines représentations que nous avions envisagées
dans le cadre de nos hypothèses de départ, comme des représentions substantialistes,
même si il ne s’agit pas de la majorité. En revanche nous n’avions pas prévu les
représentations pratiques et mécaniques de l’objet. Les représentations attendues telles
que les représentations magiques et animistes ne sont pas apparues chez les élèves
de cette classe. Il est probable que les élèves soient trop avancés dans leur
développement pour produire ces typologies de représentations, cela peut également
provenir de l’objet à schématiser laissant moins de place qu’un autre à l’imaginaire.
L’observation, à l’origine de toute démarche scientifique, et la schématisation de cet
objet technique, ne sont pas innés pour les élèves.
En conclusion, nous citerons un extrait de l’article de Bernard Calmette (2000) : « Il
semble que l'observation scientifique corresponde à un apprentissage qui ne peut
donner des effets que dans la pratique, par la réflexion, dans les échanges et dans la
durée. L'observation se construit en même temps que les autres savoirs et savoir-
faire. » Nous verrons donc si, dans la durée, les représentations évoquées par les
élèves vont perdurer ou évoluer en savoirs.
33
4. La séquence d’électricité
Nous nous intéressons dans ce chapitre aux éléments opérationnels nous permettant
de construire une séquence en électricité. Pour cela, nous présentons les thèmes sur
lesquels nous nous appuyons pour l’élaborer. Il est essentiel de se référer aux
programmes de l’Éducation nationale, mais également à la place du contrat didactique
dans l’enseignement des sciences, ainsi qu’aux rôles des analogies dans la
compréhension de phénomènes scientifiques.
Dans le programme de 2015, le niveau CE2 fait à nouveau partie du cycle 2. Bien que
la classe soit d’un double niveau, après étude attentive du bulletin officiel, les
enseignements peuvent être menés de manière conjointe, tout en considérant que les
exigences en termes de connaissances et de compétences demeurent évidemment
supérieures en CE2.
4.1 Le programme pour une classe de CE1-CE2 :
Dans le Bulletin Officiel du 26 novembre 2015, le CE1 et le CE2 se trouvent en cycle 2,
cycle des apprentissages fondamentaux. L’électricité est abordée dans la partie
« questionner le monde du vivant de la matière et des objets ». Par ailleurs, après
comparaison avec les programmes officiels précédents, le contenu des compétences et
connaissances sont presque identiques.
En effet, si nous référerons au B.O n°1 du 5 janvier 2012, qui définit les compétences à
acquérir tout au long de la séquence, l’électricité est classée dans le domaine des
objets techniques :
Les textes officiels précisent les compétences à acquérir dans le domaine des circuits
électriques alimentés par des piles, les règles de sécurité et les dangers de l’électricité :
- Réaliser et comparer des montages en série et en dérivation alimentant des lampes.
- Savoir schématiser des circuits électriques simples.
- Approcher la notion de fusible et de disjoncteur.
34
- Réaliser un montage permettant de mettre en évidence la conductivité des solutions et
du corps humain. Le détecteur utilisé sera une DEL.
- Savoir que les disjoncteurs et les fusibles permettent, dans certaines limites, d’assurer
la sécurité dans une installation domestique.
Le vocabulaire essentiel à connaitre est le suivant : circuit ouvert circuit fermé, série,
dérivation, fusible, court-circuit, disjoncteur, électrocution.
Dans les programmes de 2015, le chapitre qui nous intéresse s’articule autour de
plusieurs questionnements : « les matériaux et les objets, à quoi servent-ils ? Comment
fonctionnent-ils ? »
Les objectifs d’apprentissage sont les suivants :
- « comprendre la fonction et le fonctionnement d’objets et connaitre les règles de
sécurité à appliquer lors de leur utilisation.
- Identifier les matériaux qui les constituent et leurs propriétés.
- Savoir modéliser quelques objets et circuits électriques simples. »
En ce qui concerne les circuits électriques simples alimentés par des piles, il faut :
- « Connaitre les constituants et le fonctionnement d’un circuit électrique simple et le
rôle de l’interrupteur.
- Savoir que le passage de l’électricité dans le corps humain présente des dangers
qui peuvent être mortels.
- Court-circuit et rôle de protection des fusibles dans un appareil électrique. »
Pour la démarche et le contenu d’enseignement, il est proposé « différentes activités
pour construire une première représentation de la notion de circuit électrique et
l’apprentissage ou la démarche des règles de sécurité associées, ainsi qu’apprendre à
porter secours (se protéger, protéger autrui). Enfin, les enjeux seront également de
connaitre quelques propriétés comme celle de matériaux conducteurs et isolants. »
Des compétences communes aux niveaux CE1 et CE2 sont présentées comme « la
fabrication d’objet technique suivant les démarches analytique et technologique », ainsi
35
que « modéliser des objets techniques utilisant des circuits électriques simples
alimentés par des piles utilisant des lampes, des interrupteurs. »
Dans le domaine 4, intitulé les systèmes naturels et les systèmes techniques,
« questionner le monde, constitue l'enseignement privilégié pour formuler des
questions, émettre des suppositions, imaginer des dispositifs d'exploration et proposer
des réponses. Par l'observation fine du réel dans trois domaines, le vivant, la matière et
les objets, la démarche d'investigation permet d'accéder à la connaissance de quelques
caractéristiques du monde vivant, à l'observation et à la description de quelques
phénomènes naturels et à la compréhension des fonctions et des fonctionnements
d'objets simples.
Différentes formes de raisonnement commencent à être mobilisées (par analogie, par
déduction logique, par inférence...) en fonction des besoins. Étayé par le professeur,
l'élève s'essaie à expérimenter, présenter la démarche suivie, expliquer, démontrer,
exploiter et communiquer les résultats de mesures ou de recherches, la réponse au
problème posé en utilisant un langage précis. Le discours produit est argumenté et
prend appui sur des observations et des recherches et non sur des croyances. Cet
enseignement développe une attitude raisonnée sur la connaissance, un comportement
responsable vis-à-vis des autres, de l'environnement, de sa santé à travers des gestes
simples et l'acquisition de quelques règles simples d'hygiène relatives à la propreté, à
l'alimentation et au sommeil, la connaissance et l'utilisation de règles de sécurité
simples. »
4.2 Construire une séquence d’enseignement
En respectant les programmes officiels, nous nous demandons comment créer une
séquence d’enseignement permettant aux élèves de générer des savoirs savants les
plus pérennes possibles. Il existe plusieurs manières d’organiser la construction d’une
séquence en sciences. Nous proposons d’étudier différentes constructions.
36
Construire une séquence par la situation
D’après J.-P. Astolfi et coll. (2006), une séquence d’enseignement peut être conçue
autour de situations pédagogiques diversifiées. C’est-à-dire que le point de départ peut
être très concret comme une visite de musée. Il s’agira ici d’introduire les concepts
utiles à l’enseignement de la séquence. Il sera donc indispensable de les revoir tout au
long de celle-ci. Il est aussi possible de réutiliser des concepts déjà abordés dans un
autre contexte que celui proposé par la situation. Ce qui va compter ici, c’est l’intérêt
porté par les élèves à la situation proposée. Nous revenons toujours à cette idée de
motivation, source de toute intégration notionnelle. L’intérêt est ici de créer le lien chez
l’élève entre la réalité de la situation, ce qui peut être intellectuellement proche de leur
centre d’intérêt et la notion pédagogique que l’on souhaite introduire. On restera donc
attentif dans ce type de situation à ce que cela ne soit pas juste un prétexte à
l’introduction de leçon et que le fonctionnement de l’excursion ne demeure pas celui de
la classe, faute de quoi, l’élève risque de remettre en cause l’intérêt de l’excursion elle-
même en passant à côté du lien qui existe entre la réalité de la situation proposée et la
notion étudiée.
Construire une séquence par le savoir
Dans l’enseignement scientifique, la méthode d’enseignement par le savoir est celle qui
est la plus utilisée. Il s’agit de la présentation systématique de la leçon dans un temps
donné. L’enseignant prendra en compte la participation des élèves ainsi que les
progressions, mais il ne perd pas de vue la ligne d’arrivée qui est l’introduction des
notions fixées à l’avance et à acquérir dans un temps prédéterminé. La fonction des
exemples introduits sera de type motivationnel ou référentiel (prenant en compte des
évènements déjà vécus). Cela a pour objectif de rendre l’enseignement concret et à la
fois que ces exemples soient opératoires chez les élèves. L’utilisation d’exemples
variés est fortement recommandée.
Construire une séquence par la méthode.
Elle consiste en l’acquisition et la mise en place d’une méthode scientifique d’analyse,
c’est-à-dire que les objectifs dérivés de la séquence sont aussi l’appropriation de
37
l’approche scientifique. Dans ce cas, les interventions des élèves sont davantage de
l’ordre argumentatif. La motivation des élèves repose ici sur leur envie de manipuler et
expérimenter. Concrètement, l’intérêt de suivre cette méthode demandera à
l’enseignant de prévoir dans la séquence de la manipulation et de l’expérimentation,
tout cela étant propice pour les élèves à se poser des questions d’investigation
scientifique et leur donner l’envie d’argumenter et de débattre.
Construire une séquence par l’obstacle
Avant le début de l’enseignement, on fait l’hypothèse que l’existence d’une notion
difficile à appréhender par les élèves fait obstacle à l’apprentissage. La séquence sera
donc centrée sur le dénouement de ce problème précis faisant partie des acquisitions à
posséder en fin d’enseignement. L’enseignant juge donc décisif, mais faisable, le saut
intellectuel à réaliser pour la compréhension des concepts. Le moteur sera alors de
faire tomber la classe dans un piège que l’enseignant va leur tendre, alors même qu’ils
se pensaient savants sur la notion. La surprise ainsi produite, la classe sera encline à
comprendre l’explication leur permettant de surmonter leur erreur. Cette méthode peut
être utilisée pour traiter la notion d’isolant et de conducteur.
Ces méthodes proposent chacune des éléments intéressants à mettre en place dans la
séquence d’enseignement. Par conséquent, nous construisons une séquence
d’enseignement proposant ces méthodes de manière alternée afin d’éviter toute
monotonie et pour mettre à profit les avantages de chacune d’elles.
4.3 Contrat didactique et enseignement :
Afin de pouvoir en discuter, définissons tout d’abord les constituants du contrat
didactique. Il s’agit de mettre en œuvre l’explicitation maximale lors de l’enseignement
et de manière constante de façon à ce que les élèves ne soient plus soumis au
décodage pour savoir ce que l’on attend d’eux (Guy Brousseau, 1986). Malgré tout,
certains implicites sont nécessaires afin de permettre aux élèves de produire les
opérations cognitives en jeu à travers ces attentes. Nous citons Guy Brousseau : « si le
38
maitre dit ce qu’il veut, il ne peut plus l’obtenir ». Ces effets, qu’il appelle effet Topaze et
effet Jourdain, se caractérisent par, en premier lieu, fournir aux élèves la réponse
souhaitée de manière détournée et par la suite se contenter d’une réponse
approximative en pensant que les élèves ont compris, et en supposant qu’ils n’auront
pas eu les mots pour l’exprimer. Ainsi, ces deux biais mis en œuvre en classe, donnent
l’illusion que les enseignements fonctionnent alors que la tâche est résolue par
l’enseignant. En effet, les élèves sont privés de certaines sous étapes pourtant
fondamentales dans la compréhension du phénomène ; il y a une substitution des rôles.
L’équilibre que doit mettre en place l’enseignant se situe entre, d’une part, instaurer des
règles précises et clairement établies de ses attentes afin que les élèves ne soient pas
sanctionnés pour ne pas avoir réalisé la tâche prévue à cause d’une incompréhension
de la marche à suivre, et, d’autre part, expliciter tellement que l’exercice de
cheminement de pensée nécessaire à la compréhension d’un phénomène est réalisé
par l’enseignant lui-même. C’est-à-dire garder une part d’inconnu, une part d’implicite
de manière à uniquement dévoiler ce qui pourrait constituer le ressort d’un
apprentissage et laisser ainsi les élèves découvrir par eux-mêmes pour préserver un
certain dynamisme intellectuel. Nous prenons également en considération ces
conclusions pour construire et enseigner la séquence en électricité aux élèves de la
classe.
4.4 Place des analogies dans l’enseignement des sciences
Dans la progression de nos lectures sur le sujet de l’apprentissage des sciences à
l’école élémentaire, le thème des analogies revient de nombreuses fois. Relativement
controversé, ce sujet requiert une attention toute particulière si l’on s’intéresse à la
didactique des sciences. Il demanderait, en outre, que l’on s’y penche davantage. Par
conséquent, nous nous servirons d’un exemple afin de traiter ce sujet, de manière
certes non exhaustive, mais de façon à éclaircir, d’une part, pourquoi l’utilisation
d’analogies dans l’apprentissage des sciences présente un intérêt certain et plus
particulièrement en électricité, et, d’autre part, nous en montrerons les limites.
Nous avons déjà introduit la notion de concepts et la manière dont ils pouvaient
39
remplacer les conceptions des élèves. Nous nous situerons ici à un niveau
sensiblement différent et davantage opérationnel, car s’agit d’expliquer la manière dont
s’articulent les connaissances entre elles.
Il a été montré que les connaissances que les élèves engrangent au fil des années
d’école ne s’accumulent pas de manière linéaire et qu’elles ne sont pas structurées
telles un mille feuilles, sous forme de couches successives d’acquis. En effet, en
psychologie cognitive, nous savons que les connaissances sont interdépendantes et
s’articulent de manière complexe et que le fonctionnement de ces connexions est
propre à chaque individu, tant en ce qui concerne leur stockage dans la mémoire à long
terme que la manière dont l’individu y accède pour les utiliser. Chaque nouvelle
connaissance est mise en lien, en réseau, avec un savoir ancien, pouvant être à son
tour modifié en fonction du nouvel acquis. Il a également été démontré, par J.-J. Dupin
et S. Joshua (1994), que l’utilisation d’analogies mettait en exergue ces connexions
entre savoir ancien et savoir nouveau selon « un degré élevé d’organisation ».
L’analogie apparait quand on utilise un phénomène connu et maitrisé pour résoudre un
problème présentant des similitudes avec le premier. Nous utilisons alors le vocabulaire
suivant : le domaine-cible pour qualifier le phénomène inconnu et complexe et le
domaine de référence pour nommer celui que l’on connait et sur lequel on peut
s’appuyer. Les points de comparaison entre les deux domaines sont par conséquent
indispensables pour les mettre en lien et peuvent se situer à des niveaux divers comme
celui du système ou de certaines propriétés. Dans leurs travaux de 1994, S. Joshua S.
et J.-J. Dupin dressent les conditions dans lesquelles l’utilisation de l’analogie est
pertinente et plus particulièrement pour l’enseignement de l’électricité. Par exemple,
l’utilisation de l’image du courant hydraulique, pour expliquer le phénomène du courant
électrique, présente au final un bilan discutable. Pour que l’utilisation d’analogies soit
efficace il est essentiel que :
- Les données de la situation-cible soient épurées,
- Le procédé soit répété pour plusieurs situations afin de favoriser la compréhension.
Nous observons donc que ce mode de pensée peut être utile, mais qu’il ne s’agit pas
d’un système très rigoureux d’un point de vue scientifique ; il comporte par conséquent
des limites. Ainsi, les élèves n’étant en aucun cas experts de la discipline, nous
40
n’introduirons pas par un système d’analogie le phénomène électrique. En outre, si
elles émergent sous forme de questionnements chez les élèves dans le cadre de la
séquence en électricité, comme nous avons pu l’observer dans certaines
représentations schématisées, nous veillerons à ce que l’utilisation d’analogies soit
réalisée avec prudence et discernement, afin qu’elle n’induise ou ne maintienne pas de
représentation erronée chez les élèves.
4.5 Séquence d’enseignement
Chaque séance sera décrite de manière succincte (cf. annexe 2), l’objet étant ici la
constitution d’une séquence complète en électricité. Toutefois, afin de guider la lecture
et synthétiser la progression pédagogique de la séquence, il est nécessaire d’expliciter
les éléments les plus prégnants pour chacune des 7 séances. Ainsi, chaque séance
comprend une durée, des compétences à acquérir, une organisation, ainsi qu’un cadre
théorique dans lequel s’inscrivent les orientations prises en ce qui concerne la
didactique des sciences. En effet, il est fondamental d’appuyer le choix des méthodes
d’enseignement par les théories pédagogiques décrites plus haut, non seulement afin
de s’y référer, mais aussi car ces choix didactiques s’inscrivent dans une certaine
rigueur scientifique, tout en laissant la latitude suffisante d’adaptation à l’évolution de la
séance dans la classe. En effet, les séances ne sauraient être figées, elles sont, bien
entendu, flexibles en termes de progression en fonction des besoins des élèves. Cette
séquence s’appuie sur plusieurs documents ressources, dont les références sont citées
en annexe, et notamment celle du centre pilote « La main à la pâte » du département
du Lot « les circuits électriques » (cycle 3, 2013).
Afin de favoriser une bonne intégration des notions, et une continuité dans la
construction des connaissances, les séances seront dispensées de manière
« massée », à raison de deux séances par semaine.
Par ailleurs, dans le domaine de l’électricité, il est particulièrement intéressant de ne
pas dissocier l’apprentissage des savoirs techniques de ceux de l’apprentissage de la
sécurité. Cela pour plusieurs raisons : la manipulation de matériel électrique comportant
toujours un danger, aborder les risques permet l’adoption d’une pratique prudente et en
41
conscience. La sécurité des élèves est une priorité, en les rendant plus responsables et
en position de percevoir les dangers, ils ne seront pas enclin à s’exposer à des risques
à leur domicile. Dès la première séance, l’attention sera donc attirée sur le fait qu’il ne
faut en aucun cas reproduire à la maison, à partir des prises de courant, les
expériences réalisées en classe. L’électricité étant indissociable de la notion de danger,
mener les apprentissages de manière coordonnée favorise la création de liens et de
représentations logiques de manière plus adaptée qu’en les abordant
chronologiquement distants ou fragmentés sur un plan plus théorique.
Dans le cadre du mouvement de « La main à la pâte », Georges Charpak préconise
l’utilisation d’un cahier de sciences qui suivra l’élève pendant toute sa scolarité à l’école
primaire. Cet outil lui permettra d’observer ses productions antérieures, de les comparer
à celles qu’il est capable de réaliser en grandissant. Le cahier de sciences favorise
également le suivi de la progression de l’élève, ainsi que la révision des contenus
précédents. Cet outil est le témoin que le temps est nécessaire à l’apprentissage. Afin
d’intégrer l’apprentissage des notions essentielles en électricité au projet de classe, les
élèves seront amenés à fabriquer un objet technique électrique. Cet objet, ayant pour
finalité de tracer une fresque en art visuel, permettra aux élèves d’appréhender les
contraintes techniques liées à la fabrication d’un objet et à son cahier des charges, de
s’essayer à l’expérimentation concrète comportant un objectif final réalisable, tout en
faisant un lien interdisciplinaire. A l’issue de ce travail, chaque élève pourra conserver
un objet et l’utiliser à la maison, ce qui favorisera le maintien de la motivation et
accordera une visibilité aux familles sur le travail accompli en classe. Les parents seront
mis à contribution à hauteur du montant de l’achat d’une pile LR6 par élève. L’ensemble
des documents concernant la fabrication de l’objet technique se trouve en annexe 3.
4.6 Test 2 : après enseignement de la séquence
Après la dernière séance de la séquence d’enseignement en électricité, le même
protocole que précédemment a été mis en place dans la classe testée, cela afin de
connaitre l’évolution des représentations initiales et ainsi vérifier notre première
hypothèse. Les élèves se sont une fois de plus prêtés au jeu de l’expérimentation, mais à
42
notre grande surprise sans qu’aucun ne relève la répétition des situations, alors qu’elles
sont bien identiques dans les deux tests, consigne comprise. Globalement, nous
observons des productions schématiques efficaces rapidement exécutées et avec soin.
Nous observons qu’elles sont beaucoup moins colorées que précédemment, les élèves
s’attachant davantage à la production schématique qu’à la copie de la forme réelle de
l’objet. Les élèves ont adopté le style schématique travaillé, tel qu’il été appréhendé
pendant la séquence.
Uniquement trois élèves n’ont pas complétement exécuté la tâche demandée :
- Nous relevons une production vide. L’élève a manifestement réalisé un schéma
puis l’a effacé. Il arrive à cet élève de ne rien produire en classe si l’enseignant
n’est pas avec lui pour l’inciter à faire son travail. Il ne s’agit en aucun cas d’un
problème de connaissance ou de compétence (ses résultats aux évaluations le
prouvent), mais plutôt d’un dysfonctionnement ponctuel de mise au travail qui a
déjà fait l’objet d’un entretien avec sa mère en présence de l’élève. Dans le
cadre de ce protocole, il était exclu que l’enseignante fasse une intervention
particulière envers cet élève au risque de perturber le bon fonctionnement et
l’homogénéité de traitement des élèves lors du test.
- Nous observons le schéma d’une élève qui fait briller une ampoule sur sa
représentation schématique, sans que les fils soient en contact. Il pourrait s’agir
d’une étourderie.
- Nous relevons également une production presque identique à celle réalisée
avant l’enseignement de la séquence. Cette élève pourtant attentive s’est
contentée de dessiner la lampe de poche fermée, éteinte puis allumée sans en
détailler les composants ou le fonctionnement. Pour le moment, cet élément
demeure énigmatique. Nous tacherons de comprendre pourquoi l’évolution des
représentations ne s’est pas produite chez cette élève qui habituellement intègre
les notions sans difficulté, mais qui aurait tendance à se contenter du minimum.
Pour ces trois élèves, la notion de circuit ouvert et fermé sera à retravailler en atelier de
différenciation, afin de ne pas rester sur une fragilité. La majorité des élèves de la
classe (21 sur 24 présents), tous niveaux confondus, a réalisé un circuit électrique tout
43
à fait satisfaisant comprenant l’ensemble des composants étudiés pour faire fonctionner
une lampe, le vocabulaire associé et le principe de contact indispensable entre ses
composants pour faire briller l’ampoule.
Les élèves de la classe ont produit des schémas que nous les avons classés en trois
catégories (nous en avons proposés certains pour lecture) :
Schéma fonctionnel d’un circuit électrique ayant fait l’objet d’une abstraction vis-à-vis de
l’objet lampe. (11 élèves)
Figure 7, test 2, représentation sous forme de circuit
Ces élèves ont appliqué les enseignements reçus lors de la séquence. Ils ont
représenté de manière tout à fait correcte les composants électriques ainsi que le
circuit. Certains ont davantage détaillé la légende que d’autres. Nous retrouvons à ce
niveau-là de détails, les différences de niveaux des élèves en termes d’appréhension
de concepts et de vocabulaire que nous avons appréciées tout au long de l’année.
Toutefois, tous les élèves, même ceux en difficulté en mathématiques et en français,
ont réalisé un schéma scientifique du fonctionnement de la lampe. Il est simplement
question de détails non requis de manière obligatoire qui apparaissent chez les élèves
qui s’attellent perpétuellement à produire davantage que ce qui est demandé.
44
Schéma fonctionnel du circuit électrique d’une lampe avec transposition dans l’objet (8
élèves) :
Figure 8, test 2, représentation avec transposition dans l'objet
Ces élèves ont transposé le circuit électrique étudié en classe en se l’appropriant
suffisamment pour l’intégrer à la lampe de poche. Nous tenons à préciser que la lampe
de poche n’a pas été ouverte. Cette approche inattendue est remarquable car elle
démontre une maitrise importante des savoirs et une application de celle-ci vers un
objet. Nous notons ici l’évolution des représentations initiales vers des concepts
scientifiques de l’élève Clarisse, dont nous avions explicité le dessin lors du premier
test.
Schéma conventionnel du circuit électrique d’une lampe
Une élève a représenté le circuit de la lampe électrique sous forme de schéma
conventionnel. Ce schéma n’a été étudié que très brièvement, uniquement de manière
à introduire la notion de symbole en électricité ainsi que l’utilité de cette symbolisation
pour communiquer avec les autres pays. Nous considérons cette représentation
également remarquable d’autant plus qu’elle est parfaitement exécutée et possède une
légende. Nous tenons à signaler qu’aucun élève n’avait accès à la leçon ou à un
manuel pendant la passation expérimentale.
45
Pour une très large majorité, c’est-à-dire pour 21 élèves sur 24 (un élève absent ce
jour-là) les représentations initiales ont bien évolué en concepts scientifiques grâce à
l’enseignement de la séquence.
En termes de synthèse, et afin d’exploiter ce travail sans perdre de vue la finalité qui est
l’apprentissage des élèves, nous réaliserons un affichage en classe des différentes
méthodes de schématisation produites par les élèves eux-mêmes. L’intérêt sera de les
faire s’exprimer sur la clarté et l’efficacité des schématisations pour la compréhension
du phénomène tout en leur permettant de faire émerger la notion d’hétérogénéité des
représentations schématiques, qui sont toutes acceptables, à conditions qu’elles soient
scientifiques (cohérentes, complètes, répondant aux concepts enseignés). Ainsi les
élèves auront une illustration que plusieurs solutions sont possibles pour résoudre un
même problème posé. Nous ferons ainsi le lien avec les mathématiques et la résolution
de problèmes qui représente un enjeu central en élémentaire.
4.7 Test : quelques semaines plus tard
La question qui se pose est le délai auquel il est pertinent de réaliser ce test. Selon
certains enseignants, il suffit que passent deux semaines de vacances pour que
certains élèves aient oublié les enseignements pourtant bien intégrés en apparence.
Dans l’idéal, nous aurions souhaité attendre quatre mois pour refaire passer notre
protocole et ainsi vérifier si les connaissances sont bien ancrées chez les élèves, c’est-
à-dire à la rentrée de septembre 2016. Les contraintes de temps nous en empêchent.
Nous réalisons donc le dernier test un mois après le précédent.
Selon le même protocole les élèves sont amenés à réaliser le schéma fonctionnel d’une
lampe de poche. L’effectif de la classe est complet ce jour-là, soit un total de 25. Nous
recueillions 25 productions, aucune n’est vide, l’élève n’ayant pas réalisé de schéma la
dernière fois effectue un travail tout à fait satisfaisant. Il semble avoir ressenti le besoin
d’expliciter plus précisément sa représentation. Après analyse des schémas, nous
observons davantage de réalisations du type schéma fonctionnel avec abstraction de
l’objet lampe, tels que nous les avions nommés lors du second test. La lampe
46
composée du circuit électrique est représentée dans 5 protocoles. Parmi ces 5
protocoles 2 travaux d’élèves de CE1 sont incomplets et tendent vers les
représentations initiales observées au départ. Ces deux élèves seraient, en apparence
revenus à leurs conceptions initiales. Ces deux productions sont isolées et proviennent
de deux très bons élèves qui sont assis côte à côte. Il nous semble essentiel de
comprendre plus précisément le sens de ces dessins et s’il ne s’agit pas d’un problème
de compréhension de la consigne combiné d’un effet d’entrainement entre ces deux
élèves.
Le reste des élèves montrent une stabilité des connaissances acquises, voire un
progrès. En effet, certains réalisent le même type de schéma légendé et explicité de
manière scientifique en respectant le mode schématique appris et travaillé en classe.
Les autres réalisent un travail encore supérieur en termes de soucis du détail. Ces
élèves ajoutent en effet des termes qui ont été vus en classe mais qu’ils n’avaient pas
utilisé lors du précédent test. C’est à dire que tout en faisant preuve d’abstraction vis-à-
vis de l’objet présenté, ils améliorent leur schéma en ajoutant des éléments de
vocabulaires, notamment pour décrire l’ampoule et/ou étayent leur schéma par un
second, présentant ainsi les différents modes d’utilisation de la lampe (circuit
fermé/ouvert). Notre seconde hypothèse de travail n’a pas testée de manière optimale
au vue du délai temporel entre les tests 2 et 3. Toutefois, les concepts scientifiques
acquis par les élèves de la classe, dans leur majorité ne sont pas revenus à leur état
initial de conception.
Figure 9, test 3, schématisation avec enrichissement
47
Pour ces élèves, le temps a été source de progrès. Nous retrouvons très clairement
dans leurs schématisations, des connaissances issues des nombreuses manipulations
des composants électriques effectuées lors de l’enseignement de la séquence. Nous
pouvons proposer une explication de type hypothétique à ce phénomène. Il est possible
que les connaissances acquises et à présent stockées sur le long terme dans la
mémoire aient été articulées d’une manière plus efficiente avec les autres
connaissances. Les élèves ont tout à fait pu enrichir leur production à partir de
l’affichage réalisé en classe avec l’ensemble des schémas de leurs camarades. Les
concepts scientifiques nouvellement acquis ayant fait l’objet de plusieurs manipulations
et exploitation dans le cadre de ce travail leur a permis de s’entrainer à les extraire et
les étayer, les rendant ainsi accessible plus facilement. La réactivation de ces concepts
solidement ancrés étant moins couteuse à extraire qu’auparavant et les élèves toujours
désireux faire de leur mieux, réinvestissent aisément ce qui est à présent acquis tout en
puisant dans les connaissances certes moins maitrisées, car moins réinvesties mais
également utilisables. Nous pouvons réellement nous demander si ces trois tests
réalisés de manières échelonnées dans le temps, couplés au travail de synthèse par la
réflexion concernant les différentes formes de schématisation, n’auraient finalement pas
permis aux élèves d’améliorer leurs compétences dans le domaine scientifique.
48
5. Analyse et interprétation des résultats
5.1 Résultats issus des questionnaires
Nous avons recueilli 20 questionnaires remplis par les enseignants volontaires en
veillant à ce que nous ayons des effectifs équilibrés d’enseignants expérimentés et
d’enseignants débutants dans notre échantillon. Ainsi, les enseignants ont entre 1 an et
40 ans d’expérience dans l’enseignement. Certains ont déjà pratiqué un autre métier
avant de devenir enseignant, alors que les autres ont enseigné toute leur carrière.
En ce qui concerne les études suivies, il est manifeste que les enseignants ayant
poursuivi des études scientifiques ont davantage été enclins à répondre à notre
questionnaire. En effet, sur 20 questionnaires rendus, 12 l’ont été par des enseignants
ayant suivi des études scientifiques. Ce résultat introduit manifestement un biais dans
notre étude puisque la majorité des enseignants exerçant aujourd’hui sont davantage
issus de filières littéraires. Cet échantillon n’avait en aucun cas vocation à être
complétement représentatif du corps enseignant, cependant il est probable que le reste
des réponses produites soit également influencé par cette donnée et oriente quelque
peu l’ensemble du questionnaire. Toutefois, le fait que le questionnaire ait été rempli
par des enseignants, plutôt scientifiques pour plus de la moitié, représente un résultat
en soi que nous avons tenté d’expliquer en émettant les hypothèses suivantes :
- Le thème de ce travail a intéressé davantage les enseignants ayant des
accointances avec les sciences.
- Les enseignants non scientifiques ne se sont pas sentis concernés ou à l’aise
avec le questionnaire. Nous pouvons également imaginer que certains, malgré
l’anonymat des réponses, ont renoncé à remettre le questionnaire suite à la
lecture de la dernière question « réaliser le schéma fonctionnel d’un lampe de
poche ».
Sur 20 professeurs des écoles, 12 enseignent les sciences. Les raisons évoquées sont
le décloisonnement et le fait que les enseignants débutants n’ayant la classe qu’à mi-
temps, n’enseignent que la moitié des matières. Bien souvent, le binôme en a choisi la
49
répartition. Ce qui est particulièrement intéressant est que sur ces 12 professeurs des
écoles qui enseignent les sciences, 11 sont issus de filières scientifiques. Les
enseignants ayant réalisé des études scientifiques seraient davantage conduits que les
autres à enseigner les sciences. Il est probable que ce goût pour les sciences les
pousse à le faire partager aux élèves. Il serait intéressant d’aller plus loin dans l’étude
sur ce point particulier et rechercher des informations sur les liens entre goût pour une
discipline et la manière de l’enseigner (d’un point de vue du planning imposé cette
année nous ne pouvons nous permettre cette recherche supplémentaire).
Le second point de ce questionnement est quelque peu délicat à traiter car dans
l’absolu le thème de l’électricité est au programme de cycle 2 et cycle 3, il se doit par
conséquent d’être enseigné. Or, dans les faits, les réponses données par les
enseignants montrent qu’un élève peut tout à fait passer par l’école élémentaire sans
avoir reçu les notions de base en électricité. Sur les 12 enseignants qui enseignent les
sciences, 6 déclarent enseigner l’électricité en classe mais pas de manière
systématisée tous les ans. Les raisons évoquées sont identiques à celle des
enseignants de notre école, c’est-à-dire un problème de manque de matériel, la mise en
œuvre de la manipulation de matériel trop compliquée et le risque d’agitation des
élèves. Une autre raison évoquée plusieurs fois est celle d’un programme trop « lourd »
en sciences. Ce qui est étonnant, c’est que le thème de l’électricité est souvent celui qui
se retrouve victime de l’impasse. Nous pouvons nous demander pour quelle raison, car
dans les faits toutes les écoles possèdent, ou peuvent être dotées, du matériel requis à
moindre coût. En outre, la mise en œuvre des composants électriques n’est pas plus
contraignante que la préparation du matériel pour une séance de pratique en art visuel
ou en EPS. Les enseignants ont probablement peu d’attrait ou un manque de
compétence en électricité. C’est cette question à laquelle nous essaierons de répondre
lors de l’analyse du dernier item de notre questionnaire, concernant les représentations
des enseignants sur le fonctionnement d’une lampe de poche.
Afin de tester l’adhésion des enseignants à notre première hypothèse, (les
représentations initiales des élèves sont éloignées de la réalité scientifique), analysons
leurs réponses à la question 3. Nous observons que 14 enseignants sur 20 sont plutôt
50
d’accord ou d’accord avec l’idée que les élèves ont des représentations éloignées de la
réalité scientifique, 4 sont sans avis et 2 plutôt pas d’accord. Globalement, nous
pensons que les enseignants de notre échantillon sont d’accord avec cette hypothèse.
Nous notons que les personnes sans avis ne sont pas exclusivement des enseignants
novices et aucune personne n’est totalement en opposition avec cette hypothèse (pas
de réponse pas du tout d’accord). En revanche les 2 enseignants plutôt pas d’accord
avec l’hypothèse sont deux PFSE.
En ce qui concerne le type de représentation initiale chez les élèves (question 4), nous
noterons que la moitié des enseignants considère que les élèves auront des
représentations de type analogie accompagnées ou non d’autres types de
représentation. Il en est de même pour les représentations de type substantialiste qui
peuvent être ou non accompagnées d’autres représentations d’après les enseignants.
Pour le reste des réponses, les répartitions sont partagées entre les différentes
propositions.
La question 5 permet de tester le degré d’adhésion des enseignants à l’idée quelque
peu évidente selon laquelle les élèves transforment leurs représentations en savoirs
après avoir suivi l’enseignement d’une séquence de sciences. L’ensemble des
enseignants adhère à cette idée, ce qui est tout à fait logique.
En ce qui concerne la question 6, l’analyse des réponses est effectuée en fonction des
éléments classés comme étant les plus importants pour les enseignants. Sont classées
en première position les réponses du type qualité de l’enseignant pour un quart, la
variété des méthodes utilisées pour un quart également, la qualité des supports pour 4
enseignants. Il n’y a qu’un seul enseignant qui propose un autre type de réponse
classée comme étant la plus importante pour lui, il s’agit de l’expérimentation et la
manipulation. Cette réponse, d’après nous, fait partie de l’item variété des méthodes, ce
qui rajoute un point à cet item si nous le reclassons ainsi. La qualité des supports a été
classée par 7 volontaires en seconde position. Nous pouvons ainsi affirmer que,
globalement, ce qui semble le plus prégnant pour les enseignants, afin de favoriser
l’abandon des représentations initiales, sont la qualité de l’enseignant, la variété des
méthodes et la qualité des supports. Ce qui apparait comme le moins important est
51
l’ambiance de la classe et la motivation des élèves, en effet, ces items ont été classés
en fin d’échelle. Les éléments les plus importants se révèlent être d’après les
enseignants interrogés davantage des éléments internes, qui sont directement liés à
l’enseignant, et qui lui sont propres. En ce sens, la distribution des réponses tend vers
des facteurs dépendant directement de l’enseignant. En revanche, il n’y a pas de
corrélation entre l’expérience de l’enseignant et la tendance à attribuer de manière
interne ou de manière externe la responsabilité de changement de conception des
élèves.
Enfin, les enseignants sont partagés quant au devenir des savoirs sur le long terme.
Toutefois, sur les 10 enseignants qui adhérent à cette hypothèse, 7 sont des
enseignants ayant plus de 10 ans d’expérience dans l’enseignement, ce qui est un
résultat intéressant à prendre en compte. A l’inverse, les 7 enseignants sur 9 qui
s’opposent à l’hypothèse d’un retour en arrière en ce qui concerne les savoirs acquis,
ont une expérience de moins d’un an dans l’enseignement. Il a donc une corrélation
entre les opinions au sujet du devenir des apprentissages et l’expérience des
enseignants.
Analyse des productions des enseignants :
Les enseignants ayant fait des études scientifiques réalisent avec aisance un schéma
relativement complet du fonctionnement d’une lampe selon les codes conventionnels ou
selon les règles de schématisation. Les autres réalisent des dessins, un peu plus
élaborés, mais qui se rapprochent de ceux recueillis auprès des élèves lors du premier
test, c’est-à-dire ce que nous avons qualifié être de l’ordre du fonctionnement pratique
de la lampe (avec ou sans présence de piles et avec ou sans interrupteur). Parmi eux,
certains avouent avoir demandé de l’aide à une tierce personne alors qu’un autre écrit
avec sincérité, à l’emplacement prévu pour le schéma : « j’en suis bien incapable ». Les
représentations initiales des enseignants qui n’ont pas suivi des études scientifiques
sont éloignées des concepts, comme celles des élèves.
Analyse des champs texte :
52
De manière globale, nous avons obtenu des réponses étayées en ce qui concerne les
champs textuels malgré des omissions de certains enseignants. Malgré l’intérêt que
nous leur portons, nous ne pourrons pas citer et analyser l’ensemble des commentaires
recueillis sur le thème de l’apprentissage des sciences à l’école. Les enseignants
chevronnés réalisent de manière systématique l’enseignement des sciences en classe
ont eu davantage d’idées que les autres sur le sujet.
- Les enseignants ont perçu des obstacles à l’apprentissage et la compréhension
des savoirs provenant de représentations initiales des élèves. Les enseignants
expérimentés ont réellement conscience que l’enjeu se situe bien dans l’intérêt
de surmonter des obstacles issus de représentations erronées chez les élèves. Il
semble d’ailleurs pour certains difficile de dépasser certaines de ces
représentations très prégnantes pour les élèves, et encore davantage pour ceux
« qui ne sont pas sollicités à la maison », précise un enseignant. Par exemple,
des lieux communs véhiculés par l’entourage ou des représentations étriquées
associant uniquement l’électricité à une notion de danger domestique, ancrent
les opinions dans un certain « obscurantisme, contre lequel il faut lutter grâce
aux sciences ». Une enseignante fait part de considérations d’un élève au sujet
du soleil, qui lui n’a pas de bouton mais qu’il compare à une lampe.
- Plusieurs enseignants investis ajoutent qu’il est indispensable d’observer,
d’expérimenter et de manipuler en sciences et également prendre en compte des
représentations initiales des élèves. Un enseignant préoccupé insiste sur l’idée
simple mais essentielle de « s’atteler à faire aimer les sciences ».
- Certains font référence au temps de l’apprentissage qui est long et aux savoirs
doivent être remémorés régulièrement. Il est également décrit par une
enseignante expérimentée « quelques semaines suffisent pour que les
représentations initiales reviennent ». Cette hypothèse est testée au terme de ce
travail.
Il serait intéressant pour nous de savoir si le questionnaire a permis à des enseignants
peu enclins à s’intéresser aux représentations initiales et à leur modification sur le long
53
terme, de s’approprier cette problématique plus directement et les inciter à l’utiliser dans
leur pratique.
5.2 Résultats croisés et conclusion
A la suite des observations des productions d’élèves et des conclusions aux résultats
des questionnaires, nous effectuons des analyses croisées entre les différentes
données recueillies et les mettons en lien avec nos hypothèses. La première hypothèse
selon laquelle les représentations des élèves sont éloignées de la réalité scientifique a
été vérifiée dans les productions. Les enseignants interrogés étaient globalement en
accord avec cette hypothèse. En revanche, de manière globale, les productions
recueillies sont de natures différentes que celles envisagées dans le questionnaire.
Elles utilisent pour certaines des analogies (comme l’eau), le substantialisme
(conduction de l’électricité dans un tuyau) et peuvent être très originales, voire
magiques (aspiration, guirlandes de noël), mais il ne s’agit pas de la majorité qui sont
des représentations pratiques de l’objet ou se rapprochent de concepts scientifiques
sans les atteindre. A la suite de l’enseignement de la séquence en électricité, les
productions des élèves sont réellement transformées en savoirs scientifiques, ainsi que
les enseignants l’avaient prévu. Pour changer ces représentations, nous nous sommes
appuyés sur la littérature scientifique ainsi que sur des documents professionnels et
nous nous sommes attachés à élaborer une séquence au plus près des besoins des
élèves. Les enseignants ont placé la qualité de l’enseignant, la variété des méthodes, et
la qualité des supports, comme les plus prégnants pour faire évoluer les
représentations. Outre la qualité de l’enseignant, qui d’après nous n’est pas un
ingrédient prépondérant car elle est inhérente à l’expérience, ces facteurs
correspondent à ce que nous avons lu, mis en place dans la séquence, et a permis
l’évolution des représentations en concepts.
En ce qui concerne l’hypothèse selon laquelle les savoirs acquis risquent de revenir à
leur état initial sur le long terme, les enseignants expérimentés sont plutôt d’accord
alors que les enseignants novices y sont opposés. L’échantillon est donc partagé mais
pas de manière aléatoire. Il existe une corrélation entre les opinions des enseignants
54
concernant l’ancrage des concepts sur le long terme et l’expérience. Les enseignants
novices, en désaccord avec l’hypothèse d’un retour à l’état initial des connaissances,
seraient davantage en adéquation avec les productions des élèves issues du troisième
test. En effet, celles-ci ont en grande majorité perdurées à l’état de savoirs, certaines
ayant même progressé.
En conclusion, nous nous intéressons à la transversalité inhérente à ce travail. Les
élèves possèdent des représentations dans tous les champs disciplinaires. Prendre en
compte ces représentations pour les transformer en savoirs, peut leur permettre de
progresser davantage dans tous les domaines. Il est, par conséquent, envisageable de
procéder de cette manière pour l’ensemble des disciplines. En effet, l’analyse des
représentations initiales nous a permis d’ajuster une séquence d’enseignement en
science, ce qui pourrait être réalisé pour apprendre mieux dans toutes les matières.
Enfin, nous avons élaboré un prolongement à ce travail, afin de générer un projet
pluridisciplinaire. Ce projet, comprenant la construction d’un objet technique (cf. annexe
3) qui a répondu à un besoin émergeant en art visuel, nous a ouvert des perspectives.
En effet, il s’agit d’une occasion de plus pour les élèves d’apprendre en sciences mais
pas uniquement. Il permet aussi de créer un lien entre les disciplines scientifiques et
artistiques tout en concrétisant la séquence d’enseignement par une fabrication. Il
réalise également une connexion avec les familles, les élèves repartant tous avec leur
objet, ce qui permettra aux parents d’avoir un aperçu de ce que l’on fait à l’école.
55
6. Discussion : Représentations, mémoire et neuroéducation, des pistes de recherche à explorer
Afin de prolonger cette étude, nous nous intéressons au travail de l’équipe de recherche
de neuropsychologie de l’université de Caen invitée récemment dans l’émission de
France Inter, La tête au carré16, qui a mis en exergue dans son dernier ouvrage17 les
liens entre mémorisation et apprentissage. Cette articulation, qui a finalement été assez
peu sollicitée jusqu’alors à l’école, se révèle pourtant indispensable pour faire
progresser les élèves et mettre en œuvre les meilleures conditions d’enseignement
pour favoriser la réussite de tous. En ce sens, la neuroéducation, discipline récente, est
intéressante à étudier pour aider les élèves à transformer leurs représentations en
savoirs et à les intégrer sur le long terme aux autres connaissances déjà acquises. Pour
cette équipe de chercheurs, les différentes mémoires composées des mémoires de
travail, perceptive, épisodique, procédurale et sémantique, pour être articulées
conjointement, et donc fonctionner de manière optimale, doivent être toutes mobilisées
en classe. Les élèves ont besoin de toutes ces formes de mémoires et également de
savoir comment les utiliser (métacognition). Une façon de les solliciter de concert est de
faire varier les supports et les méthodes de travail, ce que nous avons également mis
en exergue dans notre étude. L’objectif de cette articulation conjointe est le profit des
enseignements au plus grand nombre (les élèves ayant des modes de fonctionnement
mnésique tous différents) et ainsi agir sur l’efficacité des séances d’apprentissage.
Certains supports sont en effet plus appropriés pour certains élèves et pour certains
domaines d’apprentissage. Afin de tester ces liens entre représentations initiales,
apprentissage, et mémorisation en science, il serait intéressant de faire varier les
méthodologies d’entrée en la matière dans les séquences. Ces séquences
d’enseignement pourraient nous permettre de recueillir les différents types d’évolution
des savoirs sur le long terme en fonction de ces variables, que sont les méthodologies
d’enseignement et les variations de supports.
16
http://www.franceinter.fr/player/reecouter?play=1264829
17 Eustache, F., & Guillery-Girard, B. (2016). La neuroéducation: la mémoire au cœur des apprentissages.
56
7. Bibliographie
Livres
Astolfi, J.-P., Peterfalvi, B., & Vérin, A. (2006). Comment les enfants apprennent les sciences? Paris: Retz.
Eustache, F., & Guillery-Girard, B. (2016). La neuroéducation: la mémoire au cœur des apprentissages.
Ferry, L., France, & Conseil national des programmes. (2003). Réussir avec les sciences. Paris: CNDP : Albin Michel.
Giordan, A. (1998). Apprendre !, Paris: Belin.
Giordan, A., & Vecchi, G. de. (2000). L’enseignement scientifique: comment faire pour que ça marche ? Paris; Nice: Delagrave ; Z’Editions.
Johsua, S., & Dupin, J.-J. (2003). Introduction à la didactique des sciences et des mathématiques. Paris: PUF.
Tavernier, R., & Pierrard, M.-A. (2009). Enseigner les sciences expérimentales à l’école élémentaire: physique et technologie. [Paris]: Bordas.
Chapitres d’ouvrages
Bideaud, J., Houdé, O., & Pédinielli, J.-L. (1993). Les théories classiques du développement. In Lhomme en développement (p. 29‑91). Presses Universitaires de France.
De Singly, F. (1992). La fabrication du questionnaire : les règles de questionnement. In L’enquête et ses méthodes: le questionnaire (Nathan). Paris.
Mialaret Gaston, « L'observation armée. Questionnaires et tests », Méthodes de recherche en sciences de l'éducation, Paris, Presses Universitaires de France, «Que sais-je ?», 2004, 128 pages
Vygotsky, L. S., Sève, F., Clot, Y., & Sève, L. (2013). Etude du développement des concepts scientifiques pendant l’enfance. In Pensée et langage (p. 271‑413). Paris: la Dispute.
57
Articles de revue
BIDEAU, J. (1998). Image mentale et développement : Piaget avait-il raison ? Bulletin de psychologie, 51, 437, 519-527.
Brousseau, G. (1986). Fondements et méthodes de la didactique des mathématiques. Recherche en Didactique des Mathématiques, (7.2).
Calmettes, B. (2000). Les dessins d’observation dans les premières phases d’étude d’objets et de phénomènes. Aster, (31), 217‑244.
Dupin, J.-J., & Johsua, S. (1994). Analogies et enseignement des sciences : une analogie thermique pour l’électricité. Didaskalia, (3), 9-26.
Lemaine, J.-M. (1965). Dix ans de recherche sur la désirabilité sociale. L’année psychologique, 65(1), 117–130.
Wallon, H. (1963). Les étapes de la personnalité chez l’enfant. Enfance, 16(1), 73‑78.
Documents professionnels
Centre Pilot « La main à la pâte » de Nogent sur Oise. (2012). Circuits électriques et
chemins du courant, sujet d’étude pour le cycle 3 (p. 48).
Ministère de l’Education Nationale. (2015). Programme d’enseignement de l’école
élémentaire, Bulletin Officiel.
Podcast: http://www.franceinter.fr/player/reecouter?play=1264829
Sources des illustrations en annexe, pour séquence d’enseignement
Schéma de lampe et évaluation sur les circuits, ESPE de l’université de Lorraine
« Parcours 3 ».
Circuits en série et en dérivation, Delforge Phillipe, Académie de Rouen
Document pédagogique Maîtres ressources sciences, Risque électrique à la maison:
circonscription Ambérieu en Bugey
Document pédagogique, fusible, installation domestique, centre pilote du département
du Lot, la main à la pâte cycle 3, 2013.
58
8. ANNEXES
8.1 Table des annexes
ANNEXE 1 : Questionnaire.......................................................................……………...57
ANNEXE 2 : Séquence d’enseignement en électricité et documents
pédagogiques…...……………………………………………………………………………..61
ANNEXE 3 : Prolongement du projet science, construction d’un objet
technique…………………………………………………………………………………….…70
8.2 Tables des illustrations
Figure 1 test 1, représentation pratique ......................................................................... 28
Figure 2, test 1, représentation mécanique ................................................................... 28
Figure 3, test 1 : représentation se rapprochant des notions électriques ...................... 29
Figure 4, test 1, représentation se rapprochant des notions électriques ....................... 30
Figure 5, test 1, représentation atypique ....................................................................... 31
Figure 6, test 1, représentation atypique ....................................................................... 31
Figure 7, test 2, représentation sous forme de circuit .................................................... 43
Figure 8, test 2, représentation avec transposition dans l'objet ..................................... 44
Figure 9, test 3, schématisation avec enrichissement ................................................... 46
59
ANNEXE 1 : Questionnaire
Dans le cadre du Mater 2 Métiers de l’Enseignement de l’Education et de la Formation
à l’ESPE d’Avignon, nous réalisons un mémoire ayant pour objet d’étude les
représentations en électricité des élèves de niveau CE1-CE2. Afin d’étayer le travail de
recherche sur le sujet, ce questionnaire vous est transmis. En effet, il est important de
prendre en compte votre opinion sur les représentations des élèves en sciences est
plus précisément en électricité. Merci d’avoir accepté de consacrer quelques minutes
pour compléter ce questionnaire et d’essayer d’y répondre le plus spontanément
possible. Il n’y a pas de bonne ou de mauvaise réponse, de plus, ce questionnaire est
anonyme.
Nombre d’années d’expérience en tant qu’enseignant :………
Nombre d’années d’expérience professionnelle : …………...
Type d’études poursuivies : ……………………………………….
1. Enseignez-vous les sciences dans votre classe ?
Oui
Non
Cette question nous permettra de comprendre de quelle manière et pourquoi
l’enseignant se sent concerné par le reste des questions. Il est évident que si
l’enseignant mutualise l’enseignement des sciences avec un collègue, il risquera d’avoir
moins d’idées sur ce thème que sur d’autres.
2. Enseignez-vous l’électricité dans votre classe ?
Oui
Non, pourquoi ?
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
60
3. Les représentations initiales des élèves dans le domaine de l’électricité sont
éloignées de la réalité scientifique.
Tout à fait d’accord
Plutôt d’accord
Plutôt pas d’accord
Pas du tout d’accord
4. Nous sommes susceptibles de trouver les représentations initiales suivantes chez
les élèves :
- Animiste
- Magique
- Substantialiste
- Analogies
- Autres :
……………………………………………………………………………………..
Exemples (pas exclusivement en électricité) :
………………………………………………………………………………………………
……
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
…………
5. L’enseignement d’une séquence sur l’électricité permet de transformer les
représentations initiales des élèves en concepts scientifiques.
Tout à fait d’accord
Plutôt d’accord
Plutôt pas d’accord
Pas du tout d’accord
61
6. Qu’est ce qui, d’après vous, va favoriser l’abandon des représentations initiales pour
permettre l’acquisition des concepts scientifiques ? Numéroter les cases en fonction
de l’importance accordée, du plus important (1) au moins important (6) :
1. Qualité des supports
2. Quantité des séances
3. Qualité de l’enseignant
4. Variétés des méthodes utilisées pour l’enseignement
5. Ambiance de la classe
6. Motivation de l’élève
7. Autre……..…………………………………..
7. Les connaissances acquises en sciences sont susceptibles de revenir à leur état
initial quelques semaines après l’enseignement de la séquence.
Tout à fait d’accord
Plutôt d’accord
Plutôt pas d’accord
Pas du tout d’accord
8. Observations libres concernant l’apprentissage des sciences et les représentations
des élèves dans ce domaine :
…………………………………………………………………………………………………
Merci de votre participation
62
ANNEXE 2
Séquence d’électricité (7 séances)
Niveau: CE2/CE1 Domaine disciplinaire : Sciences – électricité
Objectifs des séances: - Evaluation diagnostique - Expérimenter un circuit en série - Appréhender la démarche scientifique - Schématiser : Savoir représenter un montage avec les symboles - Réaliser des montages en série et en dérivation, - Connaître les règles de sécurité électrique, savoir que le corps humain et l’eau conduisent légèrement l’électricité,
suffisamment pour augmenter les dangers de l’électricité du secteur
- Evaluation : les circuits électriques
Sous-compétences : connaitre les notions de circuit et de conduction électrique, reconnaitre les types de circuits et les
nommer, savoir expliquer comment l’électricité est conduite et générée, connaitre le vocabulaire associé.
Compétences visées:
A partir d’un objet technique, analyser ses éléments constitutifs pour définir ce qu’est un circuit électrique simple : générateur et ampoule - Savoir construire un circuit en série - Apprendre le vocabulaire : circuit ouvert/fermé, interrupteur - Savoir représenter un montage avec les symboles - Identifier des matières bonnes conductrices de l’électricité de celles conduisant mal ou très mal l’électricité - Réaliser des montages en série et en dérivation, à distinguer les deux types de circuits en mettant en évidence leurs
propriétés - Réaliser des montages en série et en dérivation, à distinguer les deux types de circuits en mettant en évidence leurs
propriétés
- Connaître les règles de sécurité électrique, savoir que le corps humain et l’eau conduisent légèrement l’électricité,
63
suffisamment pour augmenter les dangers de l’électricité du secteur
Liste du matériel nécessaire pour réaliser les 7 séances de la séquence d’électricité dans une classe de CE1-CE2
composée de 25 élèves :
- Une lampe de poche - 30 ampoules et 30 supports à ampoules
- 15 piles plates et 15 interrupteurs - 1 fusible avec filament apparent
- 100 fils avec pinces crocodiles
Titre des séances
Compétences mise en œuvre
Organisation de la séance Cadre théorique de référence pour l’enseignement
Séance 1 : Qu’y a-t-il dans la boite ? durée : 45 min.
A partir d’un objet technique, analyser ses éléments constitutifs pour définir ce qu’est un circuit électrique simple : générateur et ampoule. Apprendre le vocabulaire : énergie, pile, ampoule, contact, culot, vis.
1/ Une boite mystère dans laquelle se trouve une lampe de poche est confiée à 3 élèves qui ont tout d’abord pour mission d’explorer l’objet (ampoule, pile). Ils ont ensuite pour tâche de faire découvrir cet objet à la classe sans employer ces 5 termes : lampe, éclairer, éclairage, briller, lumière. Les élèves notent de manière individuelle sur une ardoise le contenu hypothétique de la boîte. Si certains élèves n’ont rien écrit, ils peuvent poser des questions fermées, les élèves en charge de la boite peuvent finir par donner les mots interdits. 2/ Identifier ce qui est nécessaire pour allumer une lumière. On fournit une pile et une ampoule à la classe divisée en groupe de 2 ou 3 élèves. La manipulation rapide de la pile et de l’ampoule permet de constater que ces deux éléments sont nécessaires. 3/ Sécurité : en parallèle de la distribution, PE mise en garde contre le court-circuit, risque d’échauffement violent de l’ampoule et de brulure.
Evaluation diagnostique visant de connaitre les prérequis de la classe. Réactivation des connaissances éventuelle de CE2 Procédé Lamartinière Démarche d’investigation : formulation d’hypothèses. Investissement et réflexion avec un support ludique
64
Savoir schématiser le circuit
4/ les E : schématiser le circuit et le légender. Utilisation du vidéo projecteur 5/ Trace écrite du schéma légendé avec le vocabulaire)
Manipulation, exploration
Séance 2 : Comment allumer et éteindre une ampoule « loin » de la pile ? durée : 45 min.
Savoir construire un circuit en série Apprendre le vocabulaire : circuit ouvert/fermé, interrupteur Savoir représenter un montage avec les symboles
1/ L’objectif est de permettre aux élève d’expérimenter avec du matériel comment allumer une lampe loin de la pile. Le matériel fourni à la classe, divisée en groupe de 2 élèves, est une lampe, des fils conducteurs, une pile plate et un interrupteur. Les groupes d’élèves expérimentent, découvrent, notent le résultat et ce qu’ils ont compris sur le cahier d’expériences. Chaque groupe explicite ensuite à la classe ce qu’il a compris. On regarde les différentes productions schématisées et on les classe. 2/ Rédaction d’une trace écrite collective : réalisation du schéma du circuit avec les symboles conventionnels, utilisation du vidéo projecteur. 3/ Les risques électriques au quotidien (travail sur fiche)
Démarche expérimentale : Manipuler, expérimenter, discuter, débattre en groupe et argumenter. Transversalité de la séance : éducation civique et morale, fonctionnement du corps humain
Séance 3 : qu’est ce qui est conducteur, isolant ? durée : 45 min.
Identifier des matières bonnes conductrices de l’électricité de celles conduisant mal ou très mal l’électricité Vocabulaire « isolant » est à utiliser avec précaution, une matière « isolante » ne l’étant pas de
1/.PE Commencer par reprendre le principe de la boucle en y plaçant un objet en bois (un cure-dent, par exemple). Anticipation : PE : Poser la question : Que se passe-t-il si une partie de la boucle est faite de bois? Noter les réponses de chaque groupe 2/ Distribuer le matériel pour expérimenter (1 pile, 3 fils, pince croco, une ampoule sur support et un cure dent). Constatation : L’ampoule ne brille pas, exactement comme quand l’interrupteur est ouvert : le bois ne conduit pas l’électricité et le circuit est donc ouvert. On
Investigation, manipulation Observation des résultats, conclusion Démarche expérimentale : mise en place d’un protocole expérimental, on ne fait varier qu’une seule variable afin de contrôler le dispositif et
65
façon absolue
dit que le bois est un isolant électrique. 3/ Proposer ensuite des objets et qui sont destinés à remplacer le cure dent. Les objets peuvent être identiques pour chaque groupe ou bien différents d’un groupe à l’autre mais composés de la même matière (exemple : une règle en aluminium et du papier aluminium). Il est intéressant de faire tester la gaine vide d'un câble électrique afin de mettre en évidence son côté sécuritaire. Anticipation : Lesquels vont permettre à l’ampoule de briller ? Travail sur tableau 4/ Noter individuellement les prévisions dans un tableau que l’on crée en classe (commencer par le cure-dent) et ensuite noter en rouge ou bleu selon si on s’est trompé ou pas.
valider les effets. Métacognition : amener l’élève à réfléchir sur son raisonnement Transversalité : création et utilisation du tableau à double entrées
Séance 4 : montage série et parallèle durée : 45 minutes
Réaliser des montages en série et en dérivation, à distinguer les deux types de circuits en mettant en évidence leurs propriétés. Connaitre le vocabulaire : circuit série, circuits en dérivation ou circuits dérivés.
1/.Réussir à allumer deux ampoules avec une seule pile (et des fils conducteurs). Anticipation : PE : Demandez aux élèves de dessiner sur leur cahier d’expérience le circuit tel qu'ils l'imaginent. Discutions en classe des différents modèles proposés. 2/ Distribuer le matériel pour expérimenter (une pile, 2 ampoules identiques sur support + le nombre de fils, pince croco dessinés). Une fois cette première observation faite, faire expérimenter l'autre type de circuit (montage non effectué, série ou dérivation) à chaque groupe. Donner le vocabulaire. Constatation: il y a plusieurs solutions pour allumer 2 ampoules avec une même pile. Les E : dessiner les deux types de circuit (un en
Formulation d’hypothèses Schématisation Débattre, argumenter, écoute, transversalité : enseignement moral et civique (considérer l’opinion de l’autre) Manipulation, expérimentation
66
dérivation et celui en série)
Séance 5 : suite montages en série et en parallèle
Réaliser des montages en série et en dérivation, à distinguer les deux types de circuits en mettant en évidence leurs propriétés, Connaitre le vocabulaire : circuit série, circuits en dérivation ou circuits dérivés.
1/ Une fois que tous les élèves ont expérimenté par eux-mêmes les deux types de circuits, PE : demander ce qui va se passer si on dévisse une des ampoules dans chacun des circuits. Faire noter les prévisions. 2/ Les E : expérimenter et noter les constatations (faire exprimer la présence de deux boucles dans le montage en dérivation). Les deux types de circuits ne sont pas équivalents : si on dévisse une des deux ampoules dans le montage en série, l’autre s’éteint aussitôt. La boucle est ouverte et le courant électrique ne circule plus. Si on dévisse une des deux ampoules dans le montage en dérivation, l’autre continue à briller. Il y a deux boucles et seule la boucle où se trouve l’ampoule dévissée est ouverte. La deuxième boucle reste fermée et le courant électrique continue à y circuler.
3/ Les E : Observer la luminosité des ampoules lorsque les deux sont allumées. Normalement le circuit en série est moins lumineux 4/ Synthèse : PE quel type de montage électrique est utilisé pour alimenter une habitation ? Lorsqu’on éteint la lampe de la cuisine, celle de la chambre reste allumée.
Manipulation et formulation d’hypothèses Confrontation des hypothèses avec les résultats Débattre et conclure Observation scientifique Application concrète
Séance 6 : Comment protège ton l’installation d’une
Comprendre la notion de court-circuit et percevoir l’intérêt de protection des fusibles (ou des
1/ PE définir un court-circuit qui est « une boucle qui ne contient qu'une pile ». (Dessin par un élève au tableau). 2/ Les E : Rappel des différents cas déjà observés et
Transversalité de la séance : éducation civique et morale, fonctionnement du corps humain
67
maison ? qu’est-ce qu’un court-circuit ? 45 minutes
disjoncteurs) pour limiter les dangers des courts-circuits dans les maisons par exemple. Connaître le vocabulaire associé (fusible, court-circuit, disjoncteur)
leurs effets : chaleur, étincelles, autant de raisons qui rendent ce phénomène passionnant pour les enfants. Il est d’autant plus crucial de leur en faire comprendre les dangers. 3/ Les E : Exprimer quelles peuvent être les conséquences d’un court-circuit.
4/ Manipulation : Pour des raisons de sécurité, PE manipule (prévoir lunettes de protection pour lui et distance suffisante pour les élèves qui observent). Il y a danger à faire réaliser cette manipulation par les élèves. Préparation : relier quelques brins de paille de fer formant un « filament » aux pinces croco de deux câbles de liaison. Les brancher ensuite sur la pile neuve. Selon la taille du filament, celui-ci va brûler, juste fumer, ou ne rien faire de façon visible (dans ce cas le débrancher rapidement et recommencer avec un filament plus fin). 5/ Explication : PE quel est l'intérêt d'un tel dispositif. Mettre l’accent sur des dangers de l'électricité, même avec une simple pile mais aussi remarquer la conséquence, c'est-à-dire la rupture de la boucle
Expression orale : transversalité Observation scientifique d’un phénomène : le court-circuit
Séance 7 Evaluation des connaissances
Les E travaillent sur l’évaluation concernant le fonctionnement d’un circuit électrique simple et le vocabulaire associé. Ils sont également évalués sur la démarche expérimentale adoptée tout au long de la séquence d’enseignement notamment dans le cadre des montages des circuits et de la séance sur les matériaux conducteurs et isolants.
Lire un schéma
68
69
Le risque électrique à la maison
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tableau de résultats permettant une métacognition
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ANNEXE 3
PROLOGEMENT DU PROJET SCIENCE : REALISATION EN CLASSE D’UN OBJET TECHNIQUE
LA BROSSE VIBRANTE
Introduction
L’objectif de ce travail est de comprendre un processus de fabrication en construisant un
objet simple et utile.
Mener un projet conduisant à la réalisation d'un objet par les élèves (des dispositifs relais)
vise quelques objectifs simples : mettre les élèves en situation de réussite en leur
permettant de mener un projet concret jusqu'à son terme, leur permettre de travailler en
autonomie, de découvrir un processus de fabrication, de questionner des champs
technologiques ou culturels nouveaux.
Rappeler ces objectifs ainsi que quelques règles d'action simples doit pouvoir aider à
choisir une fabrication adaptée tant au public spécifique qu'aux moyens dont disposent les
enseignants.
Ces principes généraux, sont illustrés par un exemple, la fabrication d'une brosse vibrante.
L'exemple proposé montre comment un projet technologique se nourrit des autres
disciplines et s'ouvre sur différents domaines. Ainsi nous avons fait un lien transdisciplinaire
entre un besoin en art visuel et la fabrication d’un objet électrique issu des sciences et
technologies.
1) Mettre les élèves en situation de réussite :
- susciter l'intérêt en leur proposant de construire un objet qu'ils pourront s'approprier,
- les placer devant une situation concrète qu'ils sont à même de maitriser,
- leur permettre de mener une fabrication jusqu'au bout.
2) Favoriser leur autonomie dans le travail :
- prendre des initiatives,
- travailler à son propre rythme,
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- inventer ses propres solutions à l'intérieur d'un cadre préexistant, donc sécurisant.
3) Les amener à mieux connaître le monde industriel :
- identifier les processus de fabrication mis en œuvre dans la réalisation des objets qui les
entourent,
- découvrir les matériaux et les machines-outils permettant de les façonner,
- envisager les conséquences sociales des modes de fabrication mis en œuvre.
Activités scientifiques et technologiques:
Pour atteindre, même partiellement ces objectifs, quelques principes méritent d'être
rappelés :
1) Conditions matérielles :
La réalisation doit être :
- simple et ne pas faire appel à des technologies non maitrisables par les élèves,
- de courte durée (3 à 4 séances de 1h30 maximum),
- bon marché
- adaptée au matériel de la classe.
2) Un objet utile aux élèves :
Chaque élève doit pouvoir s'approprier "son" objet et définir avec précision les objectifs de
chaque étape du projet :
- l'objet doit pouvoir être utilisé par chaque élève,
- l'objet doit être personnalisable,
- la qualité esthétique de l'objet doit être reconnue, c'est elle qui garantira la rigueur de la
réalisation.
En aucun cas lors de la fabrication nous ne nous sommes limités à des travaux pratiques
proches dont le seul but serait d'occuper les élèves. De même, il faut bannir les
"réalisations poubelles" (objets jetés dès lors qu'ils ont été́ achevés et notés). Ainsi chaque
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objet sera apporté à la maison afin que l’élève puisse faire partager son savoir tout en
faisant un lien école-famille.
3. L’objet permet de questionner plus amplement les champs technologiques et
culturels.
Travail dans la classe de CE1-CE2, Eyguières
Le besoin :
Dans le cadre de la classe, en art visuel, nous avons évoqué le besoin de travailler à partir
d’un outil différent du pinceau, ou de la brosse classique afin de réaliser des formes
particulières : les traits courbes comme des arabesques. Dans une première séquence
nous avions traité les cercles et la manière de réaliser des profondeurs en nous appuyant
sur le travail de Kandinsky. Aujourd’hui nous souhaitons par prolongement essayer
d’expérimenter des méthodes pour tracer des lignes courbes qui côte à côte se suivent et
se croisent de manière aléatoires. Nous l’avons observé dans le travail de Kandinsky.
Gelb-Rot-Blau
Kandinsky Vassily (1866-1944)
Paris, Centre Pompidou - Musée national d'art moderne - Centre de création industrielle
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Ainsi, après concertation de l’ensemble des élèves, nous avons imaginé créer un objet
technique, comme une brosse vibrante, qui nous permette de réaliser des lignes courbes
sur un support papier. Nous fabriquons donc un objet technique pouvant nous servir d’outil
graphique en art visuel. Cet objet technique viendra également clôturer une séquence en
électricité.
Cahier des charges :
L’objet doit être peu couteux, nous avons donc imaginé un outil simple constitué de
matériaux peu onéreux. La coopérative de la classe a été sollicitée afin de financer un objet
pour chaque élève.
L’objet imaginé en classe a été inspiré de l’artiste Jean Tinguely, qui utilisait des objets du
quotidien de manière détournée (Espace Georges Pompidou, Paris). Par exemple dans
cette œuvre, l’objet issu de matériaux de récupération a été conçu pour faire de la musique
avec de l’énergie hydraulique.
Jean Tinguely et Niki de Saint Phalle, Fontaine Stravinski, 1983, Centre Georges-
Pompidou.
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Fonction globale de l’objet que nous fabriquons : Il s’agit d’un objet pratique qui peint par
rotation. Ces rotations sont créées par un moteur vibrant qui est alimenté par un générateur
électrique : une pile.
Fonctions de service :
Cet outil est sans danger pour les élèves, facile d’utilisation et de montage pour un âge
situé entre 6 et 10 ans avec l’aide de l’enseignant.
Cet objet doit être maniable, facile à entretenir et assez résistant (chutes, manipulation peu
précautionneuse des enfants). L’objet doit être facile à nettoyer, par exemple sur une
éponge afin d’enlever les résidus de peinture ou d’encre sans mouiller la partie circuit.
Les dimensions de la brosse vibrante sont visibles sur la fiche technique suivante :
La brosse vibrante doit être en mesure de terminer complétement une représentation
graphique et être suffisamment rapide dans ses mouvements. La brosse produit des
mouvements aléatoires mais réalise des lignes plus ou moins épaisses avec de la peinture
fluide ou avec de l’encre de manière autonome sur le support.
Dans le cas d’un montage de circuit sur la brosse vibrante nous disposons dans la classe
d’un pistolet à colle thermique, et d’un tournevis pour visser les éléments entre eux. La PE
s’occupe de fournir à la classe une pince à dénuder, une pince coupante et une pince plate.
Le reste du matériel est acheté à l’aide de la coopérative scolaire. En ce qui concerne les
piles R6, il s’agit de produit consommable que les élèves pourront apporter de manière
individuelle.
Le prix de chaque objet est de 2,39 euros, soit pour 26 objets, il faut compter 70,13 euros
avec les frais de port.
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Les normes de sécurité à respecter sont les suivantes : le pistolet thermique n’est utilisé
que par l’enseignante. Le circuit électrique est réalisé par les élèves sans risque,
puisqu’aucun composant n’est dangereux. De plus, la fabrication de cet objet vient clôturer
une séquence d’électricité au cours de laquelle ont été vu les principales notions
d’électricité et ses dangers.
La forme de l’objet est circulaire, la brosse est en bois, le circuit est électrique.
Le circuit se monte de la manière suivante (voir photo). La fiche de montage peut tout à fait
être fournie aux élèves car elle possède des illustrations très claires. De plus les élèves
sont guidés pas à pas par l’enseignant. Certaines étapes délicates seront effectuées par
l’enseignant. Par ailleurs nous ne brasons pas en classe, torsader les fils est suffisant pour
les maintenir, d’autant plus que le circuit sera ensuite collé au pistolet à colle sur le support.
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L’avant-projet :
Le choix de la brosse s’est fait d’après le besoin en art visuel. Un prototype a été réalisé en
amont afin de régler le contre poids de l’objet sur le moteur vibrant, ce qui permettra la
stabilité (non retournement de l’objet) ainsi qu’une rotation permettant de produire de belles
arabesques. A l’issu de ce test, nous avons réalisé le collage définitif du circuit électrique
sur la brosse.
Essais expérimentaux et manipulations des variables :
Nous avons ensuite effectué plusieurs essais en faisant varier les conditions
expérimentales. En effet, dans l’avant-projet nous avons pu mettre en marche la brosse et
observer son bon fonctionnement sur une table, sans lui avoir mis de matière pour tracer
les traits. L’objectif est à présent de réunir les meilleures conditions d’utilisation de l’objet
dans le cadre de notre besoin qui est la réalisation de lignes courbes en boucles.
Essai n°1 : peinture et papier à dessin gros grain.
La brosse s’est embourbée dans la peinture ne pouvant plus progresser sur le papier.
Essai n°2 : peinture diluée et papier à dessin gros grain.
La brosse avance difficilement, elle réalise presque du sur place en tournant.
Essai n°3 : peinture diluée et papier lisse type paper board
La brosse tournoie et avance de manière fluide. Le résultat est satisfaisant.
Essai n°4 : encre et paper board
La brosse met quelques secondes à progresser puis réalise de jolies boucles régulières.
Elle trace des suites de boucles jusqu’à donner une impression de profondeur, elle produit
une sorte de tube.
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Essai n°5 : le contre poids de la brosse est dévissé afin de générer des traces moins
régulières.
La brosse progresse de manière beaucoup plus rectiligne. Les cercles ne sont plus
produits. Le contre poids est revissé.
En conclusion, les conditions expérimentales de l’essai n°4 permettent de répondre au
besoin initial. Les élèves ont réalisé cet objet avec beaucoup de soin et d’enthousiasme. Il a
permis d’ancrer les savoirs dans la durée grâce à la manipulation et l’expérimentation de
cet objet et de ses composants pour obtenir l’effet voulu. Il servira à la réalisation d’une
fresque commune. Chaque élève pourra mettre en œuvre son projet graphique en le
matérialisant avec une couleur qui lui sera propre.
Résultat graphique produit selon les conditions expérimentales décrites dans l’essai n°4.
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Trace écrite :
Nous proposons un exemple de trace écrite pour les élèves de la classe. Cette trace écrite
est présentée sous forme de situations problème, elle est à élaborer en classe de manière
collective :
Qu’est-ce qui produit le mouvement (vibration) de notre brosse vibrante ? L’énergie
électrique de la pile alimente le moteur qui produit des vibrations.
Qu’est-ce qui permet à la brosse de faire des rotations ? Le contrepoids. Lorsque l’on retire
la vis du contrepoids, la brosse vibrante réalise moins de rotations.
Nous avons remarqué que le support doit être lisse pour que notre objet fonctionne
correctement.
Nous ne devons pas surcharger la brosse de matière (peinture épaisse) car cela l’empêche
de se déplacer, elle adhère au support.
Vocabulaire : circuit électrique, interrupteur, conducteur, piles, bornes, moteur, fils, contact.
Pour clôturer la trace écrite, les élèves devront réaliser un schéma légendé de la brosse
vibrante (savoir nommer chaque composant).
Evaluation :
Nous proposons l’évaluation suivante qui est effectué tout au long du processus
d’élaboration et de fabrication, elle concerne le fonctionnement du produit et la conformité
du cahier des charges :
- travail en équipe, collaboration
- essais de l’objet par démarche scientifique
- validation par rapport au cahier des charges
- réajustement de la fiche de fabrication
Nous noterons qu’une évaluation concernant les circuits électriques et ses différents
composants a été réalisée à la fin de la séquence d’électricité proposée en amont de ce
travail.
