Etude didactique d'une activité de conception de protocole expérimental en chimie, supportée par un - Page 1 - test Tous nos livres sont imprimés dans les règles environnementales les plus strictes Il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement la présente publication sans autorisation du Centre Français d’exploitation du droit de Copie (CFC) – 20 rue des GrandsAugustins – 75006 PARIS – Tél. : 01 44 07 47 70 / Fax : 01 46 34 67 19. © Éditions Edilivre – Collection Universitaire – 2008 ISBN : 978-2-8121-0027-7 Dépôt légal : Septembre 2008 Tous droits de reproduction, d’adaptation et de traduction, intégrale ou partielle réservés pour tous pays. UNIVERSITE JOSEPH FOURIER - GRENOBLE 1 U. F. R. INFORMATIQUE ET MATHEMATIQUES APPLIQUEES THESE pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITE GRENOBLE 1 (arrêtés ministériels du 5 juillet 1984 et du 30 mars 1992) Discipline : Environnement Informatique d’Apprentissage Humain et Didactique Spécialité : Didactique de la Chimie Présentée et soutenue publiquement par Mustafa ERGUN Le 6 Juin 2006 Etude didactique d’une activité de conception de protocole expérimental en chimie, supportée par un environnement informatique dédié Etude de cas d’Educ@ffix.net Composition du jury : BETTEGA Herminia, Maître de Conférences Université de Grenoble 1, Directrice DUFAYARD Jean, Professeur IUFM de Grenoble, Examinateur DUMON Alain, Professeur Université de Bordeaux, Rapporteur GIRAULT Isabelle, Maître de Conférences Université de Grenoble 1, Directrice LE MARECHAL Jean-François, Maître de Conférences ENS de Lyon, Rapporteur LEPRETRE Jean-Claude, Professeur de l’Université Grenoble 1, Président du jury Thèse préparée au sein de l’équipe Sciences Expérimentales, EIAH et Didactique (SEED), Laboratoire LEIBNIZ-IMAG Bu tezi anneme, babama ve biricik o÷lum Berke’ye adÕyorum. A mes parents et à mon fils BERKE SOMMAIRE INTRODUCTION.................................................................................................................... 3 CHAPITRE 1. CARTE CONCEPTUELLE.......................................................................... 9 1.1. Qu’est-ce qu’une carte conceptuelle ? ............................................................................ 9 1.2. A quoi servent les cartes conceptuelles ? ...................................................................... 10 1.3. Carte conceptuelle élaborée pour répondre à un problème spécifique.......................... 11 1.4. Définition des connaissances théoriques et procédurales dans la littérature................. 13 1.5. Définition des connaissances théoriques et procédurales dans notre étude .................. 15 1.6. Quels sont les connaissances choisies pour notre étude? .............................................. 16 1.6.1. Connaissances théoriques....................................................................................... 16 1.6.2. Connaissances procédurales................................................................................... 17 CHAPITRE 2. ASPECTS THEORIQUES DES CONCEPTS EN JEU ........................... 19 2.1. Absorption de lumière................................................................................................... 19 2.2. Loi de Beer-Lambert ..................................................................................................... 20 2.3. Additivité de la loi de Beer-Lambert............................................................................. 23 2.4. Dosages par spectrophotométrie ................................................................................... 24 CHAPITRE 3. ANALYSE DES CONTENUS..................................................................... 28 3.1. Analyse des programmes officiels ................................................................................ 28 3.1.1. Connaissances de chimie........................................................................................ 28 3.1.2. Compétences expérimentales ................................................................................. 32 3.2. Analyse des manuels ..................................................................................................... 32 3.2.1. Seconde .................................................................................................................. 33 3.2.2. Terminale ............................................................................................................... 34 CHAPITRE 4. Educ@ffix.net ............................................................................................... 37 4.1. Qu’est-ce qu’Educ@ffix.net ? ....................................................................................... 37 4.2. Quel type de travail implanté dans Educ@ffix.net ? ..................................................... 37 4.3. Quelles sont les contraintes liées au système Educ@ffix.net ? ..................................... 38 4.4. Comment construit-on le protocole expérimental dans Educ@ffix.net ?...................... 40 4.5. Le tuteur artificiel dans Educ@ffix.net.......................................................................... 41 4.6. Interface du logiciel Educ@ffix.net............................................................................... 42 CHAPITRE 5. PROBLEMATIQUE : QUESTIONS, HYPOTHESES, CADRE THEORIQUE ......................................................................................................................... 49 5.1. Contexte dans lequel se situe ce travail......................................................................... 49 5.2. Particularité de notre recherche..................................................................................... 50 5.3. Qu’est-ce qu’une activité expérimentale ? .................................................................... 52 5.3.1. Quels sont les objectifs d’apprentissage dans les travaux pratiques ? ................... 54 5.3.2. Quel type de TP ? ................................................................................................... 56 5.4. Démarche expérimentale............................................................................................... 60 5.5. La construction d’un protocole expérimental................................................................ 63 5.6. L’utilisation d’EIAH dans l’enseignement expérimental en chimie............................. 66 5.6.1. Qu’est-ce qu’un EIAH ?......................................................................................... 66 5.6.2. Différents types d’EIAH ........................................................................................ 69 5.6.3. Quand et comment peut-on évaluer un EIAH ? ..................................................... 71 5.7. Contrat didactique ......................................................................................................... 74 5.8. Conceptions................................................................................................................... 76 CHAPITRE 6. METHODOLOGIE ..................................................................................... 83 6.1. Organisation de l’expérimentation ................................................................................ 83 6.1.1. Les différentes phases de l’expérimentation .......................................................... 84 6.1.2. Le choix des méthodes de recueil de données........................................................ 84 6.2. Enquête auprès des élèves ............................................................................................. 85 6.2.1. Nature de l’échantillon ........................................................................................... 85 6.2.2. Caractéristique du pré-test et post-test ................................................................... 85 6.2.3. Condition de passation du questionnaire................................................................ 86 6.3. Expérimentation avec le logiciel ................................................................................... 87 6.4. Enquête auprès des enseignants .................................................................................... 88 6.5. Analyse des données ..................................................................................................... 89 CHAPITRE 7. ANALYSE A PRIORI .................................................................................. 91 7.1. Analyse a priori du questionnaire................................................................................. 91 7.1.1. Connaissances théoriques....................................................................................... 91 7.1.2. Connaissances procédurales................................................................................... 97 7.2. Analyse a priori de l’entretien .................................................................................... 103 7.3. Analyse a priori de l’expérimentation ........................................................................ 104 7.3.1. Les difficultés à rencontrer................................................................................... 105 7.3.2. Les stratégies à suivre .......................................................................................... 112 7.3.3. Le rôle à attribuer au tuteur .................................................................................. 113 7.3.4. Analyse a priori de la construction des connaissances procédurales ................... 114 CHAPITRE 8. RESULTATS SUR LES DIFFICULTES RENCONTREES ................. 123 8.1. Quelles sont les difficultés rencontrées par les élèves lors de la construction du protocole expérimental ? .................................................................................................... 124 8.1.1. Difficultés liées à la notion du rinçage................................................................. 124 8.1.2. Difficultés liées à la notion d’homogénéisation................................................... 135 8.1.3. Difficultés liées à la spectrophotométrie.............................................................. 138 8.1.4. Difficulté liée à la façon de diluer la solution mère ............................................. 146 8.1.5. Difficulté liée à la sécurité en chimie................................................................... 148 8.1.6. Difficultés liées à l’ergonomie de l’interface....................................................... 149 Conclusion.......................................................................................................................... 153 8.2. Quelles sont les stratégies suivies par les élèves lors de la construction du protocole expérimental ? .................................................................................................................... 155 8.2.1. Les choix opérés liés à la préparation des solutions de la gamme étalon ............ 155 8.2.2. Les choix opérés liés à la mesure des absorbances des solutions préparées ........ 156 8.3. Quelle utilisation du tuteur est faite par les élèves lors de la construction du protocole expérimental ? .................................................................................................................... 158 8.3.1. Comment les élèves utilisent-ils le bouton « évaluer » dans leur travail ? .......... 158 8.3.2. Que font les élèves après l’intervention du tuteur ? ............................................. 161 CHAPITRE 9. RESULTATS SUR L’APPRENTISSAGE .............................................. 164 9.1. Quelles sont les connaissances théoriques des élèves sur les notions en jeu et leurs évolutions ? ........................................................................................................................ 164 I. Résultat Global................................................................................................................ 164 II. Résultats Détaillés ......................................................................................................... 167 9.1.1. Résultats détaillées sur la connaissance théorique T1.......................................... 167 9.1.2. Résultats détaillées sur la connaissance théorique T2.......................................... 168 9.1.3. Résultats détaillées sur la connaissance théorique T3.......................................... 171 9.1.4. Résultats détaillées sur la connaissance théorique T4.......................................... 172 9.1.5. Résultats détaillées sur la connaissance théorique T5.......................................... 174 9.1.6. Résultats détaillées sur la connaissance théorique T6.......................................... 177 9.1.7. Résultats détaillées sur la connaissance théorique T7.......................................... 178 III. Conclusion.................................................................................................................... 180 9.2. Quelles sont les connaissances procédurales des élèves sur les notions en jeu, leurs évolutions et leurs constructions ? ..................................................................................... 180 I. Résultat Global............................................................................................................ 181 II. Résultats Détaillés ..................................................................................................... 184 9.2.1. Résultats détaillés sur la connaissance procédurale P1........................................ 184 9.2.2. Résultats détaillés sur la connaissance procédurale P2........................................ 190 9.2.3. Résultats détaillés sur la connaissance procédurale P3........................................ 192 9.2.4. Résultats détaillés sur la connaissance procédurale P4........................................ 201 9.2.5. Résultats détaillés sur la connaissance procédurale P5........................................ 203 9.2.6. Résultats détaillés sur la connaissance procédurale P6........................................ 209 III. Conclusion................................................................................................................ 218 CHAPITRE 10. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES................................................. 223 Bibliographie......................................................................................................................... 229 Annexe A. Questionnaire (pré et post-test)........................................................................ 244 Annexe B. Consigne de l’expérimentation dans le logiciel Educ@ffix.net ..................... 257 Annexe C. Le cours dans le logiciel Educ@ffix.net........................................................... 259 Annexe D. Interface du logiciel Edu@ffix.net ................................................................... 281 Annexe E. Protocole construit par un expert afin de répondre à la question posée dans le logiciel.................................................................................................................................... 283 Annexe F. Manuel de Terminale S (édition HATIER) ..................................................... 284 Liste des figures Figure 1 : Carte conceptuelle élaboré par d’Ham et al. (2004) ........................................................................... 11 Figure 2 : Domaines et caractéristiques des ondes électromagnétiques .............................................................. 19 Figure 3 : Intensité I et flux lumineux ............................................................................................................... 21 Figure 4 : Une longueur d’onde qui traverse une solution colorée ................................................................... 21 Figure 5 : L’absorbance de la lumière par un matériau homogène ..................................................................... 22 Figure 6 : Domaine de validité de la loi de Beer-Lambert ................................................................................... 23 Figure 7 : Schéma du principe d’un spectrophotomètre mono-faisceau .............................................................. 24 Figure 8 : Spectre d’un produit chimique entre 200 et 700 nm ............................................................................ 25 Figure 9 : Courbe étalon l’absorbance en fonction de la concentration .............................................................. 26 Figure 10 : Différentes présentations des courbes étalons dans le manuel .......................................................... 34 Figure 11 : Représentations schématiques de l’additivité des absorbances dans le manuel................................ 35 Figure 12 : Le déroulement du TP dans le système Educ@ffix.net....................................................................... 38 Figure 13 : Le spectrophotomètre et le robot diluteur dans le système Educ@ffix.net ........................................ 39 Figure 14 : Les aiguilles du robot......................................................................................................................... 39 Figure 15 : Trois niveaux de rétroaction donnés par le tuteur artificiel .............................................................. 42 Figure 16 : Interface du logiciel Educ@ffix.net pour construire le protocole expérimental................................ 43 Figure 17 : Boîtes de dialogue utilisées pour définir les actions « Préparer une solution par dilution » et « Réaliser un spectre ».......................................................................................................................................... 44 Figure 18 : La fenêtre dans l’onglet paillasse du logiciel .................................................................................... 45 Figure 19 : Les étapes principales de la démarche expérimentale dans le cadre de la construction de savoir ... 63 Figure 20 : Les taux de réussite de l’utilisation d’une connaissance procédurale par l’élève lors de notre expérimentation................................................................................................................................................... 114 Figure 21 : Copie de brouillons des élèves qui ont pris en compte le domaine de validité de la loi de BeerLambert............................................................................................................................................................... 140 Figure 22 : Les images employées dans Educ@ffix.net pour deux actions ........................................................ 151 Figure 23 : Graphiques employés pour caractériser l’évolution des connaissances théoriques........................ 165 Figure 24 : Quelques types de graphiques rencontrés lors de l’analyse de l’évolution de connaissances procédurales ....................................................................................................................................................... 182 Liste des tableaux Tableau 1: Extrait du programme officiel de Seconde.......................................................................................... 29 Tableau 2 : Extrait du programme officiel de Terminale S................................................................................... 31 Tableau 3 : Actions à choisir et paramètres à spécifier pour construire un protocole dans Educ@ffix.net ........ 40 Tableau 4 : Plan du cours accessible dans Educ@ffix.net ................................................................................... 44 Tableau 5 : Classification des objectifs d’apprentissage dans les TP (Tiberghien et al. 2001) ........................... 55 Tableau 6 : Description des modèles employés au laboratoire dans l’enseignement de la chimie (Domin, 1999) .............................................................................................................................................................................. 57 Tableau 7 : Catégorisation des systèmes pour l’enseignement expérimental à distance (Trgalová, 2003).......... 70 Tableau 8 : Fiche d’observation utilisée pour l’expérimentation avec Educ@ffix.net......................................... 87 Tableau 9 : Questions, réponses attendues pour l’entretien auprès des enseignants ......................................... 104 Tableau 10 : Les sous-tâches du problème posé avec ses pondérations dans le protocole élaboré ................... 105 Tableau 11 : Conceptions attendues liées aux concepts mis en jeu avec ses indicateurs ................................... 108 Tableau 12 : Difficultés attendues liées au contrat didactique avec ses indicateurs .......................................... 109 Tableau 13 : Difficultés attendues liées au fait qu’il y ait déportation de l’expérimentation avec ses indicateurs ............................................................................................................................................................................ 111 Tableau 14 : Difficultés attendues liées à l’ergonomie de l’interface avec ses indicateurs................................ 111 Tableau 15 : Stratégies attendues liées à la préparation des solutions avec ses corpus .................................... 113 Tableau 16 : Stratégies attendues liées à la mesure des absorbances avec ses corpus ...................................... 113 Tableau 17 : Indicateurs de réussite de P1 dans chaque étape de l’expérimentation ........................................ 115 Tableau 18 : Indicateurs de réussite de P3 dans chaque étape de l’expérimentation ........................................ 117 Tableau 19 : Indicateurs de réussite de P4 dans chaque étape de l’expérimentation ........................................ 117 Tableau 20 : Indicateurs de réussite de P5 dans chaque étape de l’expérimentation ........................................ 118 Tableau 21 : Indicateurs de réussite de P6 dans chaque étape de l’expérimentation ........................................ 119 Tableau 22 : Indicateurs de la verbalisation de la construction des connaissances procédurales .................... 120 Tableau 23 : Résultats de réussite pour chaque étape du TP réalisée par des élèves dans le système Educ@ffix.net (B1 à B5 correspondent à 5 binômes ayant 5types de profils différents) ................................... 123 Tableau 24 : Exemple d’un binôme qui utilise le bouton « évaluer » très fréquemment .................................... 159 Tableau 25 : Utilisation du bouton « évaluer » par les élèves............................................................................ 160 Tableau 26 : Opérations effectuées par les élèves lors de l’utilisation du logiciel Educ@ffix.net ..................... 161 Tableau 27 : Opérations effectuées par les élèves après l’intervention du tuteur dans le logiciel Educ@ffix.net ............................................................................................................................................................................ 162 Tableau 28 : Réponses correctes des élèves aux questions QT1, QT2a, QT3, QT4b, QT5b, QT6, QT7 au pré-test et post-test ........................................................................................................................................................... 164 Tableau 29 : Evolution de chaque connaissance théorique entre les pré et post-tests ....................................... 166 Tableau 30 : Réponses des élèves à la question sur la concentration molaire (QT1) au pré et post-test........... 167 Tableau 31 : Catégorisation des réponses à la question QT2 ............................................................................ 169 Tableau 32 : Réponses des élèves à la question sur l’homogénéité (QT2) au pré et post-test............................ 169 Tableau 33 : Réponses des élèves à la question sur l’homogénéisation (QP1) au pré et post-test..................... 170 Tableau 34 : Réponses des élèves à la question sur la longueur d’onde (QT3) au pré et post-test .................... 171 Tableau 35 : Réponses des élèves à la question sur le spectre d’absorbance (QT4a) au pré et post-test .......... 172 Tableau 36 : Réponses des élèves à la question sur le spectre d’absorbance (QT4b) au pré et post-test .......... 173 Tableau 37 : Réponses des élèves à la question sur la loi de Beer-Lambert (QT5a) au pré et post-test ............ 175 Tableau 38 : Réponses des élèves à la question sur la loi de Beer-Lambert (QT5b) au pré et post-test ............ 176 Tableau 39 : Réponses des élèves à la question sur la loi de Beer-Lambert (QT5c) au pré-test........................ 176 Tableau 40 : Réponses des élèves à la question sur l’additivité des absorbances (QT6) au pré et post-test...... 178 Tableau 41 : Réponses des élèves à la question sur l’absorbance (QT7) au pré et post-test ............................. 179 Tableau 42 : Evolution de connaissances procédurales selon les résultats du questionnaire (comparaison C1) ............................................................................................................................................................................ 181 Tableau 43 : Evolution des connaissances procédurales chez les élèves (49 élèves au total) selon le graphique suivi..................................................................................................................................................................... 183 Tableau 44 : Réponses des élèves à la question sur homogénéisation (QP1) au pré et post-test ....................... 184 Tableau 45 : Nombre et pourcentage d’élèves ayant utilisé correctement la connaissance procédurale P1 (homogénéisation) à la fois entre les pré et post-tests et lors de l’expérimentation avec le logiciel. ................. 185 Tableau 46 : Réponses des élèves à la question sur la dilution (QP2a) au pré et post-test................................ 191 Tableau 47 : Nombre et pourcentage d’élèves ayant utilisé correctement la connaissance procédurale P2 (dilution) à la fois lors de l’expérimentation avec le logiciel et entre les pré et post-tests ................................. 191 Tableau 48 : Réponses des élèves à la question sur le rinçage (QP3) au pré et post-test .................................. 192 Tableau 49 : Réponses des élèves à la question sur le rinçage (QP3) au pré et post-test .................................. 193 Tableau 50 : Nombre et pourcentage d’élèves ayant utilisé correctement la connaissance procédurale P3 (rinçage) à la fois entre les pré et post-tests et lors de l’expérimentation avec le logiciel ................................. 193 Tableau 51 : Réponses des élèves à la question sur le domaine de concentration (QP4) au pré et post-test..... 201 Tableau 52 : Nombre et pourcentage d’élèves ayant utilisé correctement la connaissance procédurale P4 (domaine de concentration) à la fois lors de l’expérimentation avec le logiciel et entre les pré et post-tests.... 202 Tableau 53 : Réponses des élèves à la question sur la solution de référence (QP5) au pré et post-test............. 203 Tableau 54 : Nombre et pourcentage d’élèves ayant utilisé correctement la connaissance procédurale P5 (solution de référence) à la fois entre les pré et post-tests et lors de l’expérimentation avec le logiciel........... 204 Tableau 55 : Réponses des élèves à la question Q6a pour la lettre X au pré et post-test ................................... 210 Tableau 56 : Réponses des élèves à la question Q6a pour la lettre Y au pré et post-test ................................... 210 Tableau 57 : Réponses des élèves à la question sur le choix de la longueur d’onde de mesure (Q6b) au post-test pour le produit 2 ................................................................................................................................................. 211 Tableau 58 : Nombre et pourcentage d’élèves ayant utilisé correctement la connaissance procédurale P6 (choisir longueur d’onde) à la fois entre les pré et post-tests (QP6a) et lors de l’expérimentation avec le logiciel. ............................................................................................................................................................................ 212
Etude didactique d'une activité de conception de protocole expérimental en chimie, supportée par un - Page 1
Etude didactique d'une activité de conception de protocole expérimental en chimie, supportée par un - Page 2
wobook
edilivre.com