Idées et matériaux pour des tâches, des exercices et des exemples à donner aux élèves.
○ Exemples de phénomènes se prêtant à la construction de modèles en classe (en lien avec thèmes abordés au secondaire II):
■ la décharge d’un condensateur;
■ des machines simples (statique en mécanique);
■ le fonctionnement d’un piston;
■ le fonctionnement d’un réfrigérateur;
■ la position perçue d’un objet au fond de la piscine, par exemple le modèle du biathlon course-nage;
■ le moteur thermique.
Exemple de tâche avec le moteur thermique :
● Qu’est-ce que c’est qu’un moteur thermique ?
● Construire un modèle schématique E/S des flux d’énergie.
● Commenter un modèle simple, p.ex. un modèle comprenant deux chambres identiques reliées permet de faire comprendre l’existence d’un rendement théorique maximum selon Carnot, et la relation du moteur thermique avec le réfrigérateur…
○ Exemples d’ébauches de modèles sur STELLA® à “finir“ soi-même.
■ Un pendule – lien: pendule mi-fini;
■ Un objet lâché en chute libre comparé à un objet lancé horizontalement – lien: balistique mi-fini .
○ Exemples de situations-problèmes partant de questions ambiguës, avec une démarche d’investigation (matériel à disposition des élèves) et/ou une démarche visant l’argumentation des élèves (cf. scénario de la partie 3).
Ces tâches permettent notamment de travailler des concepts, et constituent pour les élèves des activités d’introduction aux concepts si la démarche pédagogique les guide au cours de la modélisation du phénomène, ou d’approfondissement des concepts s’ils sont laissés plus autonomes. En effet, travailler à des situations-problèmes pour lesquelles la modélisation n’a pas été effectuée par l’enseignant (ou la consigne) constitue une excellente opportunité pour les élèves de mettre leur compréhension des concepts à l’épreuve des situations nouvelles. Cela peut être une opportunité pour les élèves de prendre conscience de limites dans leur maîtrise des concepts, lorsque cette maîtrise n’est acquise que pour des tâches très structurées.
Pour ces diverses raisons, nous présentons ci-dessous des idées de tâches en partant du ou des concepts visés:
■ Inertie : comparer la chute d’un objet lâché avec la course d’un objet lancé, en modélisant les forces, les accélérations et vitesses des objets, et en discutant des trajectoires. On peut aussi travailler au lancement de la fusée en introduisant la diminution progressive des forces gravitationnelles pour complexifier la situation-problème.
■ Inertie : imaginer une variété de tâches autour de la question “Un objet exerce-t-il son poids sur son support?”. Par exemple:
● mesurer la force exercée sur un pèse-personne dans un ascenseur, pendant la montée, la descente et à l’arrêt;
● schématiser (schéma de forces) ce qui se passe lorsqu’une chaise se brise sous mon poids ;
● schématiser (schéma de forces) ce que ressent le passager (assis sur un siège horizontal) au départ d’un funiculaire (à la descente).
■ Cinématique : mimer un mouvement à partir du graphe de son horaire, puis retraduire ce mime en graphe de la vitesse en fonction du temps.
■ Optimisation : le biathlète court le long de la rive puis se jette à l’eau pour nager vers l’arrivée, sur l’île : où se jette-t-il à l’eau ?
■ Électrostatique : que prédit la loi de Coulomb pour l’interaction entre un objet chargé et un objet neutre ?
■ Onde : comparer la vitesse des électrons dans un fil électrique et la vitesse du signal électrique, en modélisant la matière et le courant électrique. Une variante plus simple consiste à questionner le déplacement d’un bouchon abandonné sur le lac de Neuchâtel à Yverdon : le bouchon se déplace-t-il jusqu’à Neuchâtel ? On constate la même chose à plusieurs reprise : le bouchon a tendance à toujours aller en direction de Neuchâtel. On pose ensuite la question : comment se fait-il que malgré les vagues, il y ait encore de l’eau à Yverdon ?
■ Température et chaleur :
● toucher deux objets (supposés… ?) à même température, l’un en métal et l’autre en bois. (c’est une amorce parmi d’autres ; son développement peut conduire au problème du thermomètre au soleil, proposé dans la partie 5 Évaluation).
■ Le raisonnement analogique :
● les vases communicants en lien avec le Karlsruhe Physikkurs (KPK). Il s’agit d’une approche transversale basée sur la formulation de la puissance transmise à (ou par) un système comme le produit d’une grandeur intensive (par ex. la tension électrique) par le flux d’une grandeur extensive (par ex. le courant électrique).
○ Exemples de défis sémiotiques : une ressource pour penser les enjeux et surmonter les défis de communication auxquels est confronté l’enseignant de physique.
Que faut-il dire, ne pas dire… et surtout comment le dire ?
● Modélisation ou idéalisation extrême : « Soit un éléphant infiniment glissant et de masse négligeable. »
● Cas limite pour tester une “formule“ : « Que se passe-t-il si on met la cuillère dans “pas de bouillon“ ? »
Cette partie vous présente une analyse descriptive – et humoristique – de quelques enjeux de la communication et de la mise en mot – ou de la mise en schéma, en graphe, etc.. On y trouve des exemples de malentendus, des implicites à questionner, des manières de faire multiples et variées, des pièges à éviter et, peut-être, quelques bonnes idées à reprendre pour communiquer avec vos élèves. Ce que vous proposent les documents ci-dessous, c’est une plongée – accompagnée ! – dans le monde sémiotique de la physique que l’enseignant construit avec sa classe.
■ “L’essentiel est invisible pour les yeux.”1 – lien.
La démarche de modélisation est souvent une démarche de pensée implicite dans les activités de didactique des sciences. Ce document s’interroge sur ces implicites et invite à expliciter la démarche qui consiste à modéliser pour penser le monde (physique). Voici quelques extraits de ce que l’on y trouve :
● Qu’est-ce qu’un mouvement ? Qu’est-ce qu’un horaire ?
● Qui a déjà vu un point matériel ?
● Plus il y a de fromage plus il y a de trous… et plus il y a de trous, moins il y a de fromage. Donc…
● … appliquons maintenant cette loi de la gravitation universelle à un objet de masse m posé à la surface de la Terre…
● … et maintenant que nous avons le calcul (formule…) de la température finale de la cuillère plongée dans le bouillon : que se passe-t-il si on plonge la cuillère dans pas de bouillon ?
● Pourquoi, lorsqu’on lâche deux boules du pendule de Newton, deux autres boules partent-elles et pas une seule deux fois plus vite ?
Ce document présente une analyse de tâches et pratiques d’enseignement où la modélisation est implicite et/ou effectuée par l’enseignant. Nous mettons ces tâches et pratiques en contraste avec des exemples où la modélisation est expliquée comme une démarche de pensée et déléguée aux élèves.
■ “Une flèche peut en cacher une autre.” – lien.
Un modèle peut représenter une situation statique ou dynamique : quels sont les schémas, signes et symboles utilisés dans un cas et dans l’autre ? Sont-ils les mêmes ? Y aurait-il là source à d’éventuels malentendus ? Enquête à partir d’une diversité de manuels de physique plus ou moins anciens…
Dans cette partie nous montrerons diverses représentations de situations statiques et de situations dynamiques à partir d’une diversité de manuel ou matériel scolaire. Nous montrerons aussi des situations dynamiques représentées comme si elles étaient statiques… pour nourrir une discussion sur les caractéristiques sémiotiques des représentations de situations dynamiques limitant les malentendus.
■ “La normale n’est normale que pour la perpendiculaire.” – lien.
Des conventions d’écriture aux usages sémiotiques courants, en passant par quelques bizarreries traditionnelles qui ne le sont plus quand on a l’habitude…
Cette partie comprend notamment des exemples suivants portant sur :
● le graphe d’une fonction mathématique ;
● le “dessin des forces” ;
● le “schéma électrique”.
Pour chacun des exemples ci-dessus, nous tenterons de porter un regard de novice sur des outils sémiotiques d’expert, de manière à mettre en perspective des manières de faire souvent issues d’une longue tradition disciplinaire dont les tenants et aboutissants n’échappent pas seulement au profane…
Nous décrirons quelques risques de malentendus sous la forme d’histoires drôles, et proposerons au moins une piste pour éviter ces écueils : la coordination des registres sémiotiques (Duval, 1995).
[1] de Saint-Exupéry, A. (1946). Le Petit Prince. Paris: Gallimard.
