Texte intégral
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A. Khayati & al., RadismaNuméro 4, 15 décembre 2009, http://www.radisma.infodocument.php?id=851 Modélisation de composants électriques par de futurs professeurs de Sciences physique Abderrahim Khayati Ecole Normale Supérieure de Casa- Maroc [email protected] Ahmida Chikhaoui Ecole Normale Supérieure de Fès- Maroc [email protected] Khalid Khattabi Ecole Normale Supérieure de Fès- Maroc [email protected] Résumé: Pour analyser des circuits électriques (ou électroniques) il est commode de modéliser le comportement de certains composants afin de faciliter l’étude et d’être plus proche de la réalité physique. Il est donc nécessaire de maîtriser cette habileté qui ne pourrait que conduire vers des prévisions plus sûres et compatibles avec les résultats empiriques. Malheureusement, les participants à notre recherche (les futurs professeurs de sciences physiques du premier cycle de l’enseignement secondaire), dans leur majorité, n’y font pas recours et même si quelques uns le font ils n’arrivent pas à l’investir correctement. Ils font souvent appel aux relations mathématiques pour expliquer ou prévoir des phénomènes physiques. Face à une situation-problème, ils ne raisonnent plus en tenant compte des propriétés physiques, ils ne font que résoudre, avec succès dans la plupart des cas, des équations mathématiques mais sans ni compréhension des phénomènes physiques, ni pouvoir donner une explication compatible avec les résultats empiriques qui contredisaient leurs prévisions. Mots clés : Modélisation, résolution de problèmes, situation-problème, électricité Abstract: In order to analyse the electric circuits, it is convenient to model the behaviour of certain components in order to facilitate the study and to be near to the physical reality. Then, it is necessary to master this skill which can lead to previsions more sure and compatible with the empirical results. Unfortunately, the participants to our research (the future teachers of physics sciences in first cycle of secondary education) in their majority don’t make appeal to the modelling, and even if someone makes appeal, they are unable to invest it correctly. They often call upon to the mathematical relations in order to explain or to envisage the physical phenomenon. In front of a situation-problem, they don’t reason any more by holding account of the physical properties, they only solve successfully in the majority of the cases, the mathematical equations but without neither comprehension of the physical phenomenon nor to be able to give an explanation compatible with the empirical results which contradicted their previsions. I. Introduction Le système éducatif, voire la société moderne dans son ensemble, a besoin d’enseignants, formés à un double contenu constitué des savoirs à enseigner et des savoirs pour enseigner, compétents d’une part à la transmission d’informations, d’autre part à aider leurs élèves à apprendre. Les établissements de formation des enseignants seraient alors appelés à envisager une formation initiale, pour les futurs enseignants, adéquate à ces fins. Ceci est d’autant plus pertinent pour notre pays que la nouvelle réforme traduite par la Charte Nationale de l’enseignement et A. Khayati & al., RadismaNuméro 4, 15 décembre 2009, http://www.radisma.infodocument.php?id=851 de formation insiste, dans l’article 134, sur l’importance d’une solide formation initiale des enseignants avant la prise de fonction, et stipule que : • • les objectifs, les durées, les contenus et les régimes de formation sont réaménagés constamment en fonction du contexte éducatif et des résultats de l’évolution pédagogique ; la recherche pédagogique doit être renforcée dans tous les niveaux pour qu’elle réponde aux impératifs d’amélioration de la qualité de l’éducation et de la formation, quant aux objectifs, aux contenus et aux moyens didactiques, à tous les niveaux. Nous prenons, dans cet article, comme exemple de ces établissements de formation les Centres Pédagogiques Régionaux dits « CPR », où nous étudions plus particulièrement la modélisation par des futurs enseignants de sciences physiques de composants électriques. II. Problématique Nombreuses sont les recherches en didactique de la physique, qui ont porté sur le thème « électricité ». La plupart d’entre elles ont mis l’accent sur l’exploration des conceptions des apprenants de différents âges. Notre travail s’en distingue, il traite un volet peu abordé à savoir « le rôle de la modélisation du comportement de composants électriques (ou électroniques) dans la résolution de problèmes d’électricité ». Dans ce cadre, nous nous plaçons d’une part de coté de Robardet et Guillaud (p. 123) qui soulignent qu'il faut « percevoir les sciences physiques comme sciences de la modélisation (et non pas de la découverte de la réalité) », d’autre part du côté de Kevin Carlton (1999) pour qui : enseigner l'électricité à un élève consiste à le guider et à l'aider à développer des modèles mentaux de plus en plus sophistiqués. Cette approche est, semble-t-il, plus profitable que l'habileté à se souvenir de formules sans intérioriser les concepts. La modélisation reste donc une activité fondamentale dans les sciences en général, et particulièrement en physique. Elle met en relation deux mondes : le monde des théories et modèles (modèles physiques et modèles numériques) et le monde des choses (mesures, objets, évènements). La modélisation est une activité à laquelle on a souvent recours lors de l’analyse des circuits électriques (et/ou électroniques). Face à une situation problème, il est commode de modéliser le comportement de certains composants afin de faciliter l’étude et d’être plus proche de la réalité physique. Il parait donc nécessaire de maîtriser ce savoir-faire qui ne peut que conduire à des prévisions sûres et compatibles avec les résultats empiriques. De telle maîtrise concerne aussi bien les apprenants que leurs enseignants. Vu l’enjeu, nous avons mené la présente recherche auprès des futurs enseignants marocains de sciences physiques du premier cycle de l’enseignement secondaire dans le but d’étudier leurs aptitudes de : • • modéliser le comportement de composants électriques (ou électroniques) ; reproduire cette modélisation (c’est-à-dire faire fonctionner ces modèles) pour étudier correctement les circuits proposés. Nous avons alors proposé quelques montages simples dont l’analyse fait appel à la modélisation du comportement de certains composants. Ceci dans le but de sensibiliser les futurs professeurs au rôle important que joue celle modélisation lors de la résolution de problèmes d’électricité, d’une part, et d’étudier leur aptitude à faire et reproduire cette modélisation pour étudier correctement les A. Khayati & al., RadismaNuméro 4, 15 décembre 2009, http://www.radisma.infodocument.php?id=851 circuits qui leur seront proposés, d’autre part. Nous nous posons en particulier, à ce propos, les questions suivantes : • • • dans quelle mesure la modélisation du comportement physique de composants électriques pourrait-elle aider à résoudre correctement un problème d’électricité ? Les futurs professeurs sont-ils capables de modéliser correctement le comportement physique de certains composants électriques lors de la résolution de problèmes d’électricité ? Les futurs professeurs sont-ils capables de faire fonctionner un modèle dans des situations diverses soit pour résoudre un problème, soit pour interpréter un phénomène ? III. Objectifs méthodologiques de recherche A. La population visée - L’échantillon retenu A.1. La population visée Notre expérimentation s’est déroulée avec des futurs professeurs, de sciences physiques du premier cycle de l’enseignement secondaire, inscrits au cycle pédagogique des Centres Pédagogiques Régionaux (CPR) marocains. A.2. L’échantillon retenu La formation des enseignants de sciences physiques du premier cycle de l’enseignement secondaire est assurée par quatre centres pédagogiques régionaux (CPR). Au cours de l’année universitaire de la présente recherche, ces quatre CPR comptaient 256 élèves-professeurs. Parmi ces derniers, nous avons retenu 103, ce qui représente environ 40% de la population totale des formés au Maroc. Cet échantillon retenu est diversifié de différents points de vue : sexe, âge, faculté d’origine et niveau universitaire : ces élèves professeurs ont au moins un Certificat des Etudes Universitaires Scientifiques CUES (bac+2) et au plus une licence. B. Objectifs Dans cette recherche, nous nous sommes fixé les trois principaux objectifs suivants : Premier objectif Mettre en évidence le rôle de la modélisation du comportement des composants électriques (ou électroniques) dans la résolution de problèmes d’électricité. Deuxième objectif Étudier la capacité des participants à cette recherche à modéliser le comportement des composants qui leur seront proposés. Troisième objectif Étudier la capacité de ces participants à produire cette modélisation pour étudier correctement les circuits proposés. C. Procédure et moyens pour atteindre nos objectifs Notre recherche consiste non seulement à explorer les conceptions qu’ont ces futurs professeurs mais aussi à dégager leurs raisonnements lors de la résolution d’un problème. Nous avons envisagé deux alors deux instruments de collecte de données, à savoir, le questionnaire anonyme et les interviews avec quelques-uns (des volontaires) de nos sujets d’étude. A. Khayati & al., RadismaNuméro 4, 15 décembre 2009, http://www.radisma.infodocument.php?id=851 Deux types d’interviews ont été prévus : l’interview individuelle et l’interview avec des binômes d’élèves-professeurs. Par ce deuxième type, nous avons souhaité la confrontation des propres conceptions de l’un avec celles de l’autre. Dans ce cas, notre rôle s’est limité à poser la question et d’animer la discussion, qui se déroulait essentiellement entre les deux sujets, au cours de laquelle chacun d’eux avançait son point de vue et essayait de convaincre l’autre. Ces interviews étaient une occasion pour les sujets volontaires de s’exprimer librement et expliciter leurs points de vue. Leurs réponses et déclarations élucidaient nettement les raisonnements qu’ils font lors de l’analyse des circuits électriques. Ceci a complété et enrichi les résultats du questionnaire dans la mesure où il nous a permis de réduire au minimum la subjectivité, lors de l’interprétation des résultats recueillis par le biais du questionnaire, et de donner plus de validité à nos interprétations. D. Outils d’analyse des résultats Pour le questionnaire : avant de nous engager dans l’analyse des résultas, nous avons commencé, tout d’abord, par le codage des réponses fournies. Pour le codage des réponses aux questions ouvertes, nous l’avons effectué après avoir dressé une liste des diverses réponses fournies pour chaque situation. Pour les interviews : pour l’analyse des résultats des interviews, nous nous sommes intéressé davantage aux justifications des réponses, avancées par nos sujets, aux questions posées (que ces réponses soient justes ou fausses). Nous avons aussi accordé une attention particulière aux concepts et termes utilisés, par nos sujets, en répondant à chaque question. Pour faciliter cette analyse, nous nous sommes servi d’une grille d’analyse dans laquelle nous avons regroupé tous les résultats. IV. Résultats et discussions Comme nous l’avons déjà précité, nous souhaitons étudier la capacité des futurs professeurs de sciences physiques de modéliser le comportement physique de quelques composants électriques (ou électroniques). Les exemples choisis sont : la modélisation du comportement de la diode idéale, celle du comportement du condensateur en régime continu et enfin celle du comportement du générateur de tension continue. A. Modélisation du comportement de la diode idéale Nous nous sommes contenté, ici, de la modélisation du comportement de la diode idéale lorsqu’elle est passante. Nous avons alors proposé les situations suivantes où la pile utilisée a une tension de 4,5V et les lampes L1, L2 et L3 sont identiques et ayant une tension nominale de 3,8V : A. Khayati & al., RadismaNuméro 4, 15 décembre 2009, http://www.radisma.infodocument.php?id=851 Sachant que la pile a une f. e. m de 6V et de résistance interne nulle, les trois lampes sont identiques et ayant une tension nominale de 6V et la diode est idéale. Mettez le signe (+) pour la lampe qui s'allume normalement, le signe (-) pour celle qui s'allume faiblement et le signe (0) pour celle qui ne s'allume pas. L1 L2 L3 Montage 1 Montage 2 Montage 3 Les résultats obtenus pour le montage 3 sont les suivants : Effectifs Pour cent Valide L1 normale, L2 25 24,3 normale L1 normale, L2 49 47,6 faible L1 normale, L2 ne 5 4,9 brille pas L1 faible, L2 3 2,9 normale L1 faible, L2 faible 6 5,8 L1 ne brille pas, L2 1 1,0 normale L1 ne brille pas, L2 1 1,0 faible L1 ne brille pas, L2 2 1,9 ne brille pas Total 92 89,3 Manquante Pas de réponse 11 10,7 Total 103 100,0 Tableau 1 Uniquement 4,9% de participants ont estimé que la lampe L2 ne brillera pas tandis que la majorité de sujets, 82,5% ((25+49+3+6+1+1)/103), considère que la lampe L2 brillera sans accorder la moindre attention à la présence de la diode idéale qui est, dans la situation proposée, passante et se comporte donc comme un court-circuit. De ce fait la lampe L2 est court-circuitée et par conséquent elle ne devrait pas briller. Ce résultat pourrait traduire soit l’incapacité de nos sujets à modéliser le comportement d’une diode idéale passante, soit, si nous les supposons capables d’une telle modélisation, leur incapacité à faire appel à cette modélisation lors de l’analyse d’un circuit électrique. Parmi les argumentations avancées, par certains sujets, pour justifier que la lampe L2 brillera, nous présenterons les suivantes : A. Khayati & al., RadismaNuméro 4, 15 décembre 2009, http://www.radisma.infodocument.php?id=851 « Le courant électrique, provenant du pôle positif de la pile, parcourt tout d’abord la lampe L1 puis il se divise lorsqu’il arrive au nœud, une partie de ce courant traversera la lampe L2 et l’autre partie passera dans la diode puisque celle-ci est passante. Le courant qui parcourt L1 est alors plus intense que celui qui parcourt L2, c’est pourquoi L1 brillera plus fort que L2 ». « Les deux lampes L1 et L2 brilleront, toutes deux, normalement et ce pour deux raisons, d’abord par ce que leur tension nominale est adéquate avec la tension de la pile, d’autre part par ce qu’elles sont montées en parallèles » La première citation montre que certains sujets sont capables d’identifier le sens passant de la diode mais sont incapables de modéliser son comportement. Ces sujets font un raisonnement séquentiel, en suivant le sens conventionnel du courant électrique, ce qui les empêche de faire attention au fait que la lampe L2 est court-circuitée. Tandis que la deuxième citation met en évidence l’incapacité d’autres sujets à faire la distinction entre un montage en série et un autre en parallèle. Si le comportement de la diode était correctement modélisé, il serait facile de constater que la lampe L2 est court-circuitée. Dans ce cas le circuit proposé pourrait être remplacé par son équivalent, et ce en suivant les deux étapes suivantes : Première étape Deuxième étape Le fait de remplacer le circuit par son équivalent ne laisse aucun lieu ni pour faire un raisonnement séquentiel, ni pour discuter la façon (en série ou en parallèle) dont les lampes L1 et L2 sont montées. Dans le montage 1, analogue au montage 3, nous avons interchangé la place de la diode et celle de la lampe L2 en les gardant montées en parallèle. Ceci dans le but d’étudier l’influence de l’architecture du circuit électrique sur le raisonnement des futurs professeurs. Les résultats obtenus pour le montage 1 sont les suivants : Effectif Pour cent L1 normale, L2 normale 16 15,5 L1 normale, L2 faible 38 36,9 L1 normale, L2 ne brille pas 8 7,8 L1 faible, L2 normale 10 9,7 Valide L1 faible, L2 faible 7 6,8 L1 ne brille pas, L2 normale 3 2,9 L1 ne brille pas, L2 faible 2 1,9 L1 ne brille pas, L2 ne brille 6 5,8 pas Total 90 87,4 Manquante pas de réponse 13 12,6 Total 103 100,0 Tableau 2 Nous remarquons que le taux de réponses justes a augmenté légèrement pour atteindre 7,8% alors que la majorité de sujets, 73,8% (16+38+10+7+3+2/103), A. Khayati & al., RadismaNuméro 4, 15 décembre 2009, http://www.radisma.infodocument.php?id=851 considère que la lampe L2 brillera. Quand aux arguments avancés pour justifier les réponses, ils sont analogues à ceux avancés précédemment pour le montage 3. Dans ce cas l’architecture du circuit n’avait pas une grande influence sur le raisonnement des futurs professeurs. Le tableau croisé 3 ci-dessous regroupe les différentes réponses fournies pour les montages 1 et 3. Nous remarquons que parmi ceux qui ont répondu correctement dans un cas étaient incapables de le faire dans l’autre. Un seul participant a pu fournir la réponse juste dans les deux cas. L1 L1 L1 L1 L1 faible, L1 ne L1 ne L1 ne Total normal norma normale faible, L2 faible brille brille brille e, L2le, L2 , L2 ne L2 pas, pas, L2 pas, L2 normal faible brille normale L2 faible ne e pas norma brille le pas L1 normale, 8 8 3 2 2 2 25 L2 normale L1 normale, 5 29 4 3 1 2 3 47 L2 faible L1 normale, 1 1 2 1 5 L2 ne brille pas L1 faible, L2 1 1 1 3 normale L1 faible, L2 1 3 2 6 faible L1 ne brille 1 1 pas, L2 normale L1 ne brille 1 1 pas, L2 faible L1 ne brille 2 2 pas, L2 ne brille pas Total 16 38 8 10 7 3 2 6 90 Tableau 3 Pour approfondir l’étude, nous avons proposé le montage 2 dans lequel nous avons ajouté une lampe L3 en parallèle avec la lampe L2 court-circuitée par la diode supposée idéale. Le tableau 4 regroupe les résultats obtenus. Ce qui nous importe, dans ce cas, c’est l’état de brillance des lampes L2 et L3 toutes deux courtcircuitées. L2 brille, L3 brille L2 brille, L3 ne brille pas Valide L2 ne brille pas, L3 brille L2 ne brille pas, L3 ne brille pas Total Manquante pas de réponse Effectif 73 9 4 3 89 14 Pour cent 70,9 8,7 3,9 2,9 86,4 13,6 A. Khayati & al., RadismaNuméro 4, 15 décembre 2009, http://www.radisma.infodocument.php?id=851 Total 103 100,0 Tableau 4 Le même raisonnement amène les participants aux pires des résultats. Presque la totalité de réponses valides 96,62 % ((73+9+4)/103) estiment que les deux lampes brillent à la fois soit l’une des deux brille. Uniquement 3% d’entre eux ont fait attention au fait que la diode idéale court-circuite les deux lampes L2 et L3 montées en parallèle. Le tableau croisé 5 ci-dessous, regroupant les réponses fournies dans les cas des montages 1 et 3, montre qu’uniquement un seul élèveprofesseur a échappé au raisonnement dominant chez collègues et a pu modéliser correctement le comportement physique de la diode idéale quand elle est passante, d’une part, et remarquer que les lampes L2 et L3 sont toutes deux courtcircuitées. L2 brille, L2 brille, L2 ne brille L2 ne brille Total L3 brille L3 ne pas, L3 brille pas, L3 ne brille pas brille pas L1 normale, L223 1 24 normale L1 normale, L238 6 3 2 49 faible L1 normale, L21 2 1 1 5 ne brille pas L1 faible, L21 1 normale L1 faible, L26 6 faible L1 ne brille pas, 1 1 L2 normale L1 ne brille pas, 1 1 L2 faible L1 ne brille pas, 1 1 L2 ne brille pas Total 72 9 4 3 88 Tableau 5 B. Modélisation du comportement du condensateur en régime continu Dans le cas du condensateur, entre la différence de potentiel V(t) et l’intensité du courant électrique I(t), toutes deux fonctions du temps « t », existe la relation : I(t) = C.dV(t)/dt. Si la différence de potentiel est constante, l’intensité du courant électrique est nulle. Le condensateur s’oppose ainsi au passage du courant continu, ce qui permet la réalisation des filtres : pour un courant alternatif, le condensateur a une impédance Z = V/I = 1/2pjCƒ où ƒ est la fréquence pour une tension continue (fréquence nulle), cette impédance est équivalente à un circuit ouvert alors que pour une tension alternative de fréquence très élevée, cette impédance est équivalente à un court-circuit. Cette particularité permet dans un même circuit, par des condensateurs de découplage, d’assurer des chemins différents pour le courant continu et pour le courant alternatif. A. Khayati & al., RadismaNuméro 4, 15 décembre 2009, http://www.radisma.infodocument.php?id=851 Dans le cas de notre expérimentation, nous nous sommes contenté de la modélisation du comportement du condensateur en régime continu. Pour voir si nos sujets sont capables de faire de telle modélisation, nous leur avons proposé les situations suivantes où le générateur de tension continue a une tension de 6V, les deux lampes L1 et L2 ont une tension nominale de 6V et la capacité du condensateur est C= 450F : Rappelons que dans ce type de situations, il faut distinguer entre le régime transitoire, qui dure un temps très court (juste le temps pour que le condensateur se charge ce temps dépend des paramètres du circuit), et le régime permanent, c’est ce qui nous intéresse, une fois le condensateur chargé. Nous faisons, ici, la remarque que dans cette situation, nous n’avons pas mis l’interrupteur pour ne laisser aucun lieu pour la discussion du régime transitoire juste après sa fermeture. Le régime permanent est donc supposé établi. Les résultats recueillis pour le montage 2 sont les suivants : Effectif Pour cent L1 normale, L2 normale 8 7,8 L1 normale, L2 faible 31 30,1 L1 normale, L2 ne brille pas 30 29,1 L1 faible, L2 normale 13 12,6 Valide L1 faible, L2 faible 5 4,9 L1 faible, L2 ne brille pas 1 1,0 L1 ne brille pas, L2 normale 1 1,0 L1 ne brille pas, L2 faible 5 4,9 L1 ne brille pas, L2 ne brille pas 2 1,9 Total 96 93,2 Manquante pas de réponse 7 6,8 Total 103 100,0 Tableau 6 Lors de notre analyse, nous avons réparti les réponses fournies en deux catégories : d’une part les réponses selon lesquelles l’une ou les deux lampes brillent, indépendamment de la manière dont elles le font (normale ou faible), d’autre part la réponse selon laquelle les deux lampes, toutes deux, ne brillent pas. Nous remarquons que 97,91 % ((8+31+30+13+5+1+1+5)/96) de réponses valides sont A. Khayati & al., RadismaNuméro 4, 15 décembre 2009, http://www.radisma.infodocument.php?id=851 fausses. La quasi-totalité de sujets estiment que les deux lampes L1 et L2 brillent à la fois soit l’une d’elles brille alors que l’autre ne brille pas, tandis qu’environ 2 % (2/103) de sujets estiment qu’aucune des deux lampes ne brille. Ces résultats illustrent nettement l’incapacité de la majorité de sujets notre échantillon à modéliser correctement le comportement du condensateur en régime continu. Lors des entretiens, les réponses ont été justifiées comme suit : - La réponse « L1 brille normalement, et L2 brille faiblement » a été justifiée par le fait que le courant électrique, provenant du pôle positif du générateur de tension continue, parcourt, tout d’abord, la lampe L1, celle-ci brille normalement, une fois le courant arrivé au condensateur ce dernier se chargera, une partie du courant sera consommée, le courant qui arrivera à L2 sera alors moins intense c’est pourquoi L2 brillera mois fort que L1. - Pour la réponse «L1 brille faiblement et L2 brille normalement », deux différentes justifications ont été fournies. La première stipule que les électrons provenant du pôle négatif du générateur passent d’abord par L2, cette dernière brille alors normalement lorsque ces électrons arrivent au condensateur ce dernier emmagasine quelques-uns. Le nombre d’électrons arrivant à la lampe L1 sera réduit c’est pourquoi cette dernière brillera moins fort que L2. La deuxième justification (dans ce cas la réponse fournie stipule que L2 brille plus fort que L1) fait appel au courant électrique selon certains sujets, le courant électrique parcourt en premier lieu la lampe L1. Cette dernière brillera. Une fois le courant électrique arrivé au condensateur ce dernier se chargera en consommant une partie du courant. Le courant parcourant la lampe L2 sera plus intense, que celui parcourant L1, car il représente la somme de deux courants : le courant résiduel ajouté au courant provenant de la décharge du condensateur. Par suite la lampe L2 brillera plus fort que L1. Le plus frappant était les réactions des futurs professeurs, lors de la séance de travaux pratiques, face au résultat obtenu expérimentalement, qui contredisait bien sûr leurs prévisions, après la réalisation du montage proposé dans cette situation. Les sujets étaient étonnés, ils n’ont pas accepté ce résultat malgré le fait qu’il soit empirique. Pour s’en sortir ils ont affirmé que soit les générateurs utilisés soit les lampes ne sont pas en bon état. Après avoir vérifié que tous ces éléments fonctionnent bien, ils n’avaient qu’à supposer que les condensateurs, à leur tour, étaient détériorés. Au moment où tous les sujets étaient bloqués, un parmi eux a repris, par hasard, le montage après avoir remplacé le générateur de tension continue par un générateur de tension alternative, le résultat était stupéfiant : les deux lampes L1 et L2 ont brillé. Ce résultat surprenant et inattendu était une preuve que les condensateurs n’étaient pas détériorés comme cela était supposé. Les interrogations se posaient alors davantage. Nous avons remarqué que quelques étudiants continuaient à faire tout leur possible pour défendre leurs prévisions, malgré le fait qu’elles étaient incompatibles avec la réalité physique, mais sans faire le moindre effort de penser à la modélisation du comportement du condensateur en régime continu, alors que d’autres se contentaient d’exprimer explicitement leur incapacité à fournir une explication. Nous citerons, à titre d’exemple, quelques-unes de leurs affirmations : « C’est impossible, quelque chose ne va pas dans ce montage » « Théoriquement, on ne doit pas aboutir à ce résultat, les deux lampes devraient briller, …c’est tout à fait contradictoire avec la théorie » « C’est bizarre comme résultat,… je ne sais pas comment expliquer ceci » A. Khayati & al., RadismaNuméro 4, 15 décembre 2009, http://www.radisma.infodocument.php?id=851 « Ce qui me surprend plus c’est que les deux lampes ne brillent pas quand on utilise le générateur de tension continue, alors qu’elles brillent toutes les deux en appliquant une tension alternative » Ces réponses font preuve que ces sujets font toujours recours au raisonnement séquentiel qui leur fait perde tout contact avec la réalité physique. Ce raisonnement a conduit 35,92 % de sujets aux pires des prévisions en considérant que l’une des lampes brille alors que l’autre ne brille pas bien qu’elles soient montées en série. Comme dans le cas de la diode idéale, nous avons changé la place du condensateur tout en gardant les éléments du circuit montés en série. Ceci dans le but d’étudier l’influence de l’architecture du circuit sur le raisonnement des futurs professeurs. Les tableaux 7 et 8 ci-dessous regroupent les résultats recueillis pour le montage 3 etl e montage 1 respectivement : Effectif Pour cent L1 normale, L2 normale 45 43,7 L1 normale, L2 faible 24 23,3 L1 normale, L2 ne brille pas 3 2,9 L1 faible, L2 normale 5 4,9 Valide L1 faible, L2 faible 9 8,7 L1 faible, L2 ne brille pas 2 1,9 L1 ne brille pas, L2 ne brille pas 9 8,7 Total 97 94,2 Manquante pas de réponse 6 5,8 Total 103 100,0 Tableau7 Effectif L1 normale, L2 normale 16 L1 normale, L2 faible 18 L1 normale, L2 ne brille pas 2 L1 faible, L2 normale 2 Valide L1 faible, L2 faible 21 L1 faible, L2 ne brille pas 7 L1 ne brille pas, L2 faible 1 L1 ne brille pas, L2 ne brille 28 pas Total 95 Manquante pas de réponse 8 Total 103 Pour cent 15,5 17,5 1,9 1,9 20,4 6,8 1,0 27,2 92,2 7,8 100,0 Tableau 8 Il est clair, dans ce cas que l’architecture du circuit influence le raisonnement des futurs professeurs. Nous remarquons que le taux de réponses justes passe de 1,9 % pour le montage 1 à 8,7 % pour le montage 2 pour atteindre 27,2% pour le montage 3. Les tableaux croisés 9 et 10 ci-dessous montrent qu’un seul participant a pu fournir une correcte réponse, pour les montages 1et à la fois. De même pour les montages 1 et 3. L1 L1 L1 normale, normale, normale, L2 L2 faible L2 ne normale brille pas L1 L1 L1 faible, faible, faible, L2 L2 faible L2 ne normale brille L1 ne brille pas, L2 L1 ne brille pas, L1 ne brille pas, Total A. Khayati & al., RadismaNuméro 4, 15 décembre 2009, http://www.radisma.infodocument.php?id=851 pas L1 normale, L2 normale L1 3 normale, L2 faible 1 L1 normale, L2 ne brille pas L1 1 faible, L2 normale L1 2 faible, L2 faible L1 faible, L2 ne brille pas L1 ne brille pas, L2 faible L1 ne brille pas, L2 ne brille pas Total 7 Tableau 9 4 1 7 3 3 5 normale L2 faible 3 1 1 L2 ne brille pas 1 16 2 18 1 2 1 14 2 4 3 5 21 31 30 2 1 2 21 7 1 13 5 1 1 5 1 1 1 28 2 95 A. Khayati & al., RadismaNuméro 4, 15 décembre 2009, http://www.radisma.infodocument.php?id=851 L1 normale, L2 normale L1 normale, L2 2 normale L1 normale, L2 4 faible L1 normale, L2 ne brille pas L1 faible, L2 1 normale L1 faible, L2 16 faible L1 faible, L2 ne 6 brille pas L1 ne brille pas, L2 faible L1 ne brille 15 pas, L2 ne brille pas Total 44 2 Tableau 10 L1 L1 faible, L1 faible, L1 faible, L1 ne brille Total normale, L2 L2 faible L2 ne pas, L2 ne L2 ne brille normale brille pas brille pas pas 1 1 4 6 16 9 1 L1 normale, L2 faible 1 2 1 1 18 1 2 1 2 2 1 2 1 21 7 1 8 1 23 3 3 5 9 2 1 1 28 9 95 Nous retenons alors que nos sujets sont incapables de modéliser le comportement du condensateur en régime continu bien qu’ils aient le bagage physique et les outils mathématiques qui leur permettent de procéder à une telle modélisation. C. Modélisation du comportement du générateur de tension continue Le générateur de tension est un élément commun pour les circuits électriques. Vu sa forte utilisation, nous lui accorderons une attention particulière. Nous commencerons, d’abord par l’analyse de la capacité des futurs enseignants à modéliser son comportement. Nous leur avons, alors, proposé la situation suivante : Quand l’interrupteur K est ouvert, le voltmètre indique 4,5 V et quand K est fermé, le voltmètre indique une valeur U inférieure à 4,5 V. Pouvez-vous expliquer pourquoi ? …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… Pour faciliter l’analyse des résultats de cette question ouverte, nous avons commencé par catégoriser les réponses fournies. Nous avons abouti à trois catégories comme l’illustre le tableau 11 : Effectif Pour cent Valide U= E- r. I 4 3,9 La pile a une résistance 1 1,0 interne Autre réponse 60 58,25 A. Khayati & al., RadismaNuméro 4, 15 décembre 2009, http://www.radisma.infodocument.php?id=851 Manquante Total Pas de réponse 38 103 36,9 100,0 Tableau 11 Nous remarquons qu’uniquement 1% de sujets attribuent la chute de tension du générateur (dans ce cas la pile), en circuit fermé, au fait que le générateur admet une résistance interne. Ces sujets semblent pouvoir modéliser correctement le comportement de ce composant (la pile). Cependant 3,9 % de sujets répondent à la question en faisant recours à une relation mathématique « U= E – r. I ». La majorité d’eux utilisent cette relation en la connaissant par cœur sans savoir sa signification physique : il y en a ceux qui considèrent la résistance « r » comme étant la résistance interne du voltmètre, d’autres la considèrent comme étant la résistance des fils et de la lampe alors que d’autres la considèrent comme étant la résistance du circuit tout entier. Les autres sujets, qui représentent la majorité 58,25 %, ont fourni des réponses diverses. Vu cette diversité nous avons regroupé ces dernières dans la quatrième ligne du tableau 11 sous le nom « autre réponse », et dont nous citons quelques-unes : « La tension du générateur est égale à celle aux bornes de la lampe, elle s’écrit U= R.I. L’ajout du voltmètre entraîne une perte du courant (une partie du courant, débité par la pile, parcourra le voltmètre), ceci fait diminuer la valeur de l’intensité du courant I parcourant la lampe et par suite celle de U» « A cause de l’énergie dissipée par effet Joule » « On sait que l’énergie électrique E est donnée par la relation E = U.I.t. Quand l’interrupteur K est fermé, un courant électrique circulera, il y aura alors consommation de l’énergie. La valeur de « E » va donc diminuer et par suite la valeur de la tension va forcément diminuer » « Lorsqu’on ferme l’interrupteur K, la lampe s’allume c’est à dire qu’il y a une perte de charges électriques provenant de la pile, d’où la tension diminue » « La pile se décharge » D’une part, ces explications précitées mettent en évidence l’incapacité de ces sujets à faire appel à la modélisation pour expliquer la chute de tension de la pile en circuit fermé, d’autre part, elles illustrent quelques conceptions de ces derniers à propos de la pile. Dans leurs explications de la chute de tension de la pile en circuit fermé, les sujets ont fait appel aux notions de charges et d’énergie. Ceci nous a poussé à nous interroger davantage sur les propriétés que ces sujets attribuent à la pile. La pile est-elle un stock d’électrons ? Pour répondre à cette question, nous avons proposé l’item suivant : Les piles sont un stock d'électrons : Oui Peuvent l'être dans quelques cas Non Autre :………………………………… Le tableau 12 regroupe les résultats obtenus : Effectif Pour cent Valide oui 84 81,6 non 7 6,8 peuvent l'être dans quelques cas 5 4,9 autre 2 1,9 Total 98 95,1 A. Khayati & al., RadismaNuméro 4, 15 décembre 2009, http://www.radisma.infodocument.php?id=851 Manquante Total pas de réponse 5 103 4,9 100,0 Tableau 12 Nous remarquons que 92,85 des réponses valides sont fausses. La majorité de sujets 81,6% considère, de manière définitive, que la pile est un stock d’électrons, tandis que d’autres considèrent qu’elle peut l’être uniquement dans quelques cas qu’ils n’ont pas explicités. Voici quelques citations de certains sujets : « Dans un circuit fermé, les électrons libres des fils se repoussent avec la charge négative du pôle négatif de la pile du fait qu’ils ont des charges électriques de même signe, alors que ces électrons s’attirent vers le pôle positif, de la pile, chargé positivement » « La pile est comme un condensateur, sur son pôle négatif il y a excès d’électrons, et sur son pôle positif il y a manque d’électrons » « L’électricité sur le pôle négatif est différente de celle sur le pôle positif… sur le pôle négatif il y a une charge électrique négative et sur le pôle positif il y a une charge électrique positive » Ces sujets semblent faire une analogie entre la pile et les machines électrostatiques qui se chargent par frottement et se déchargent une fois que leurs extrémités chargées sont reliées par un conducteur, tout en ignorant que de telles décharges ont un caractère instantané à l’encontre du courant électrique. Ce modèle rejoint celui qu’attribuaient les physiciens du début de 19ème siècle à la pile : ils l’assimilaient à une bouteille de Leyde qui emmagasine les charges électriques, et qui se décharge en circuit fermé (voir travail de Benseghir (1987)). V. Conclusion Les situations proposées dans cette expérimentation mettent en évidence le rôle important que joue la modélisation du comportement de certains composants lors de la résolution d’un problème de l’électricité. La grande majorité des sujets participants à cette expérimentation n’a pas recours à cette modélisation. L’absence d’un tel recours les empêche d’aboutir à des résultats conformes à ceux obtenus empiriquement. Il se peut que quelques participants sachent modéliser le comportement de certains composants, comme c’est le cas pour la diode idéale par exemple, mais ils sont incapables de reproduire cette modélisation lors de l’analyse des circuits. Á propos de la modélisation du comportement du condensateur en régime continu, nous pouvons affirmer avec certitude qu’elle pose problème pour ces participants. Notons à ce propos que l’architecture du circuit influence le raisonnement des futurs professeurs. Quant à la pile, pour modéliser son comportement, certains sujets se servent de la formule U = E - r. I, qu’ils connaissent par cœur, mais sans savoir la signification physique du terme « r ». La pile est souvent considérée comme un condensateur chargé qui se décharge à travers le circuit fermé. Une telle décharge conduit alors, toujours selon ces sujets, à l’usure de la pile. Notre étude ne se limite pas à ce niveau, d’autres questions s’imposent : • • ces difficultés rencontrées sont-elles résultat de conceptions erronées qu’ont ces étudiants ou bien sont-elles résultat d’une transposition didactique inadéquate ? Au cours de cette expérimentation nous avons remarqué que les seuls registres sémiotiques (systèmes de représentations sémiotiques) auxquels font souvent recours les participants à cette recherche sont les écritures symboliques (des formules traduisant des relations fonctionnelles entre grandeurs) qu’ils connaissent par cœur mais sans pouvoir les utiliser correctement ni pour interpréter des phénomènes physiques ni pour prévoir des résultats. Nous nous demandons à ce propos : dans quelle A. Khayati & al., RadismaNuméro 4, 15 décembre 2009, http://www.radisma.infodocument.php?id=851 mesure ces étudiants sont-ils capables d’exprimer ces écritures symboliques à travers d’autres registres symboliques (comme par exemple : les graphiques, les schémas, le langage naturel) ? Autrement dit, dans quelle mesure ces étudiants sont-ils capables de faire des transformations de registres sémiotiques ? Ces questions ainsi que d’autres feront l’objet de la suite de cette recherche. Brielle M. et al. (1996) : Modélisation et fléchage. B.U.P n° 782, pp. 491-511. Benseghir A. (1987) : Formation des concepts d’électrocinétique, un point de vue historique. B.U.P n°713, pp. 451-464. Carlton K. (1999) : Teaching electric current and electric potential, Physics Education, vol. 34, no 6, pp. 341-355. Closset J. –L. (1989) : Les obstacles à l’apprentissage de l’électrocinétique. B.U.P n° 716, pp. 913-949. Elkhattabi K. (2003) : Étude exploratoire des conceptions des futurs professeurs de sciences physiques du premier cycle de l’enseignement secondaire relatives à l’électrocinétique, Thèse pour l’obtention du DESA en didactique des sciences. Mujawamariya, D : De la nature du savoir scientifique à l'enseignement des sciences : l'urgence d'une approche constructiviste dans la formation des enseignants de sciences. Document accessible à l’URL : http://www.acelf.ca/ revue/ XXVIII-2/articles/08 - Mujawamariya.html#h-3.1. Robardet G. et Guillaud J.-C. (1997) : Éléments de didactique des sciences physiques.
