l`arc-en-ciel - Sciences Croisées

S ciences- C roisées
Numéro 10 : Varia
Analyse d'une activité d'enseignement :
l'arc-en-ciel
Konstantinos Grivopoulos
Université de P rovence
Doctorant – IUFM
UMR P3-ADEF
[email protected]
Analyse d’une activité d’enseignement :
l’arc-en-ciel
Résumé : Nous tentons de développer une activité d’enseignement, basée sur
l’optique géométrique, à partir d’outils théoriques, issus des recherches en
éducation et en didactique des sciences. Ces outils nous permettent une analyse
critique des situations d’enseignement et d’apprentissage. Nous concluons
qu’établir, en fait, des relations entre les concepts du monde des théories/modèles
et celui des objets/événements favorise la création du sens chez les élèves des
sciences expérimentales.
Mots clés : arc-en-ciel, situation d’enseignement et d’apprentissage, conceptions
d’élèves, modélisation, registres sémiotiques, objectifs-obstacles.
Abstract: We are trying to develop a teaching activity based on geometrical
optics. We are using theoretical tools that come from research on education and
didactic of science. These tools allow us a critical analysis of teaching and
learning situations. We come to the point that practically, development of
relationships between concepts in the worlds of theory/model and that of
objects/events encourages the acquisition of meaning of the experimental sciences
to students.
Keywords: rainbow, teaching activity, students conceptions, modelling, semiotic
registers, objective-obstacles.
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Introduction
La mise en place d’un enseignement structuré en activités, expérimentales ou
non, favorise l’appropriation par l’élève des savoirs enseignés. Nous développons
ici une conception de situation d’enseignement sur l’optique géométrique, en
physique. Dans un premier temps, nous décrivons l’activité proposée aux élèves
d’une terminale scientifique. En second lieu, nous nous rapportons au cadre
théorique issu des recherches en didactique. Suit, enfin, une analyse a priori de la
situation d’enseignement considérée.
1. Présentation de l'activité
1. 1. L’énoncé
« Tu devrais remarquer, parfois après la pluie, l’arc-en-ciel. Au-delà de l’admirer,
comment peut-on expliquer ce phénomène spectaculaire ? Comment obtient-on un
arc-en-ciel à sa portée ?
Décrire et interpréter sur le plan des objets et événements observables, à partir du
modèle théorique de l’optique géométrique. Appliquer et expliquer au plan d’une
atmosphère hydratée, dans ce cas. Prévoir si les ‘martiens’ voient un arc-en-ciel
sur Mars, ou bien les astronautes sur la Lune. Créer un arc artificiel en plain air. »
1. 2. Le contexte
La séquence – divisée en quatre séances d’une heure chacune et une séance
de TP (travaux pratiques) d’une heure et demie – se déroule dans une classe de
terminale de la série scientifique, après l’enseignement de l’optique géométrique
et ondulatoire. Elle s’articule autour de quatre étapes principales :
– détection des conceptions d’élèves (séance 1) ;
– révision de la théorie, modélisation de la situation-problème, hypothèses,
discussion (séance 2) ;
– expérimentation, simulation, vérification d’hypothèses (séance 3, TP) ;
– évaluation (séance 4).
1. 3. Organisation et types d’activités
1. Distribution de l’énoncé, clarification de l’enjeu de l’activité, prospection des
idées d’élèves, typologie des conceptions préalables ;
2. Situation en lien avec la vie quotidienne, cependant des réalisations
expérimentales et/ou animations bien prévues. Reformulation du problème en
termes de physique ;
3. Distribution du texte du modèle (cf. ci-après), situation papier crayon et
recours à des animations1.
4. Travail en petits groupes, langage oral/écrit/gestuel, points
d’accord/controversés, échanges et mise en commun, points d’entente en accord
avec la physique ;
5. Institutionnalisation (point de vue de la physique), place formatrice de
l’erreur, mise en cause des préalables portés par les élèves, généralisation/
décontextualisation (situer l’activité par rapport à la théorie ou au modèle, explorer
le champ de validité du modèle, etc.).
1 Par exemple à propos de la réfraction :
http://physiquecollege.free.fr/_private/lycee/seconde/refraction_loi_descartes_optique_seconde_lycee.htm
Aussi, pour un aspect achevé du phénomène :
http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/optiqueGeo/arc_en_ciel/arc_en_ciel.html
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La feuille « modèle » fournie aux élèves lors de la séance 2 :
L’expérience de Newton :
Newton a constaté qu’en éclairant un prisme avec de la lumière blanche,
celle-ci sortait du prisme en étant déviée - D étant l’angle de déviation d’un rayon
monochromatique - et qu’elle se décomposait en lumières de toutes les couleurs de
l’arc-en-ciel. Il en a déduit que la lumière blanche est composée de toutes ces
couleurs et que le prisme a pour effet de les séparer.
Loi de la réflexion
Tout ou partie de la lumière est susceptible d'être réfléchie lorsqu'elle
rencontre un objet totalement ou partiellement réfléchissant. C'est ce qui se produit
par exemple sur un miroir ou sur des vitres. Le rayon réfléchi est symétrique au
rayon incident par rapport à la normale à la surface réfléchissante. Sur le schéma
ci-contre, cela veut dire que θ1 = θ2.
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Loi de la réfraction
Tout ou partie de la lumière est susceptible d'être transmise et déviée
lorsqu'elle rencontre une séparation entre deux milieux d'indices n1 et n2 différents.
On dit alors que le rayon est réfracté. Lorsqu'un rayon incident, d'angle d'incidence
θ1, est réfracté avec un angle θ2, la relation suivante doit être vérifiée : n1 sinθ1 = n2
sinθ2 (http://fr.wikiversity.org/wiki/Notions_de_base_d'optique_g%C3%A9om
%C3%A9trique/Lois_de_Snell-Descartes )
2. Cadre théorique
Le cadre théorique mis en œuvre dans ce travail est bâti sur l’articulation de
plusieurs approches : tout d’abord, celle qui relève de la théorie des situations,
élaborée par Brousseau 1998, qui tente de modéliser rôles et fonctions dans un
système d’enseignement ; ensuite, l’approche psychologique de représentations, ou
conceptions des élèves, assignées comme modèles explicatifs ; puis, la notion
d’objectifs-obstacles qui, associée à ces débuts de modélisation alternative, incite
de poser comme objectif le dépassement des obstacles à l’apprentissage. Nous nous
appuyons, enfin, sur les notions de transposition didactique et d’organisation
praxéologique, développées par Yves Chevallard au sein de la théorie
anthropologique ‘du’ didactique.
2. 1. Théorie des situations
Une situation didactique réunit l’ensemble d’activités dans lesquelles les
apprenants doivent mobiliser ou construire des savoirs pour atteindre des buts fixés
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par l’enseignant. Au sein de la théorie, une série des phénomènes didactiques sont
identifiés, dont :
•le contrat didactique, qui désigne la relation maître/élèves/savoir dans une
situation et implique la mise en place de systèmes d’attentes mutuelles ;
•la dévolution, l’acte par lequel l’enseignant cède à l’élève la responsabilité de
ses apprentissages ;
•le milieu didactique, qui englobe des éléments matériels, des informations et
des procédures avec lesquels l’élève doit entrer en interaction pour construire les
savoirs.
2. 2. Conceptions naïves et changement conceptuel
Les élèves, lorsqu’ils entrent en classe, ont déjà des savoirs construits hors du
système scolaire ; ce sont les savoirs sociaux – idées, croyances, expériences,
savoirs faire, … sur le monde des objets et phénomènes qui les entoure – qui
deviennent des savoirs préalables aux apprentissages. Ces idées initiales, ou
conceptions naïves, sont caractérisées par une cohérence, une robustesse et une
résistance remarquables. Selon les travaux en psychologie cognitive, l’apprenant
va, dans un premier temps, interpréter la nouvelle information à la base de son
déjà-là conceptuel. Plus l’écart est important, plus la nouvelle acquisition sera
heurtée à ce préalable. De ce fait, une des préoccupations de l’enseignant (et,
notamment, des chercheurs en didactique des sciences) consiste à détecter les
représentations de ses élèves, leur organisation, ainsi que leur rôle dans
l’acquisition des savoirs scientifiques, afin de mettre en œuvre des stratégies
d’enseignement adéquates pour les faire évoluer. Dans cette perspective, le
changement conceptuel désigne la manière dont les conceptions naïves évoluent
vers le modèle canonique. Du point de vue socioconstructiviste, le changement
conceptuel est considéré comme un processus qui modifie la conception existante
et permet à un individu d’en construire une nouvelle. Or, ne plus considérer les
conceptions seulement comme des obstacles, mais aussi comme des points de
passage obligés : ce sont les objectifs-obstacles.
2. 3. Objectifs-obstacles
L’idée d’objectif-obstacle, élaborée par J. L. Martinand 1986, consiste à
coupler deux points de vue, l’un pédagogique (objectifs pédagogiques), l’autre
épistémologique (obstacle épistémologique ou psychologique). D’une part, l’outil
des objectifs pédagogiques est rendu peu opérationnel (complexité des taxonomies,
abondance d’objectifs à notre choix) et, d’une autre part, l’idée d’obstacle a, chez
Bachelard, une connotation plutôt négative : associé aux représentations (qui
s’opposent aux objectifs atteints), l’obstacle est quelque chose de négatif,
d’infranchissable. Or, caractériser l’objectif-obstacle c’est sélectionner un obstacle
franchissable par le truchement d’une transformation intellectuelle dynamique et, à
la fois, se fixer comme objectif son dépassement. Cette conception des obstacles
permet de prendre de décision sur le nœud de difficultés que l’on veut faire
travailler par les élèves pour réussir enfin un progrès identifiable.
Les schémas 2, 3, 4 et 5 qui suivent plus bas et dont la conception générique est
empruntée aux Astolfi & Peterfalvi, 1993, permettent de figurer le caractère
fonctionnel des obstacles en justifiant leur maintien chez l’élève. Ainsi, nous
distinguons :
•l’obstacle qui s’oppose à l’apprentissage ;
•le concept visé qui en est le contrepoint scientifique ;
•ce que l’obstacle empêche de comprendre, c’est-à-dire ce à quoi la
représentation fait vraiment obstacle (empêchement) de point de vue conceptuel ;
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