Les conceptions initiales des élèves : de potentiels obstacles à la construction d’un savoir scientifique

La phase d’institutionnalisation : la transformation d’une connaissance contextualisée en un savoir décontextualisé

Même si la démarche d’investigation permet une appropriation solide des connaissances de part la progression logique de ses différentes parties, c’est la phase d’institutionnalisation qui va réellement permettre l’acquisition d’un savoir scientifique.
La formalisation des connaissances, même partielle car complexe pour des élèves d’école primaire, est essentielle pour donner du sens aux investigations réalisées par les élèves. Il s’agit de mettre en évidence des principes observés permettant d’expliquer différents phénomènes, motivant les élèves à comprendre le monde qui les entoure. Il ne faut en aucun cas se contenter d’accumuler des observations n’amenant à aucune connaissance fixée, au risque de faire passer les sciences pour “une impasse permanente (on cherche, mais on ne trouve rien…)” (IGEN, sept 2000/janv 2001, p.7).
Le processus d’institutionnalisation est défini de la sorte par Guy Brousseau en 1998 :
“C’est une situation qui se dénoue par le passage d’une connaissance de son rôle de moyen de résolution d’une situation d’action, de formulation ou de preuve, à un nouveau rôle, celui de référence pour des utilisations futures, personnelles ou collectives.” L ’institutionnalisation “permet au professeur et à l’élève de reconnaître et de légitimer « l’objet de l’enseignement »”. (Brousseau, 1998, p.4-5). En phase d’institutionnalisation, la connaissance qui était le moyen de résolution dans une situation donnée, change de statut et devient une référence qui pourra être réutilisée dans de nouvelles situations.
Selon G. Brousseau, cette phase est donc primordiale et donne à la connaissance “le statut culturel indispensable de “savoirs”” (Brousseau, 1997, p. 9). Le schéma suivant reprend ce concept (Laparra & Margolinas, 2010, p.146).
M. Laparra et C. Margolinas expliquent ainsi que l’enseignement débute avec une contextualisation, où l’élève rencontre, dans une situation donnée, une connaissance. “Le processus qui fait changer de statut la connaissance en la faisant évoluer graduellement vers un régime de savoir est le processus d’institutionnalisation, qui passe par des formulations, des validations, une décontextualisation, une mémorisation, etc.” (ibid.).
Brousseau affirme lui aussi que “les connaissances privées et même publiques restent contextualisées et vont disparaître dans le flot des souvenirs quotidiens si elles ne sont pas replacées dans un répertoire spécial dont la culture et la société affirment l’importance et l’usage” (Brousseau, 1997, p. 9), c’est-à-dire si ces connaissances ne sont pas officialisées comme des savoirs reconnus et réutilisables pour de nouvelles situations. Cécille Allard rejoint cette idée en décrivant trois phases : le processus de contextualisation, de décontextualisation et de recontextualisation (Allard, 2016).
L ’institutionnalisation d’un savoir serait donc un processus qui se joue en trois temps pour permettre son assimilation. Lors de la contextualisation, l’élève découvre une notion dans un contexte précis. La décontextualisation a pour rôle d’extraire la connaissance du contexte dans lequel elle était étudiée, et de lui attribuer le statut officiel de “savoir”, réutilisable dans d’autres situations. Enfin, au cours de la recontextualisation, les élèves utilisent le savoir acquis dans un nouveau contexte.
Le transmission d’un savoir à l’élève repose sur le contrat didactique que décrit G. Brousseau, établi implicitement entre apprenant et enseignant. Le savoir que communique le professeur est édifié dans une institution de référence et n’est pas inventé par l’enseignant. De plus, il a pour but d’aider l’élève à objectiver, en oubliant le contexte d’apprentissage, afin de n’en tirer que le savoir et ses conditions d’utilisation. Enfin, l’assujettissement subi par l’apprenant prend fin quand ce dernier est capable, en connaissance de cause, de prendre ses propres décisions (Brousseau, 1997).
L ’institutionnalisation, phase de structuration, pourrait donc se résumer en la transformation d’une connaissance contextualisée en un savoir décontextualisé, qui nécessite d’être mis par écrit.

La trace écrite : résultat de la phase d’institutionnalisation

Les fonctions de la trace écrite d’institutionnalisation

La structuration du savoir établi à l’issue de la démarche d’investigation nécessite une trace écrite. Qu’elle soit distribuée aux élèves, réalisée de façon individuelle ou collective, elle constitue une mise à l’écrit d’un savoir élaboré en classe afin de lui accorder une place et un rôle officiels dans le processus d’apprentissage (IEN Soissons 2, 2010-2011). La trace écrite d’institutionnalisation référence les savoirs que les élèves devront connaître. Elle reprend les principales notions vues au cours d’une ou plusieurs séances, et présente un vocabulaire spécifique. Elle est souvent réalisée après la mise en commun des résultats des élèves, et avant la phase d’application ou de réinvestissement.
Cinq fonctions de la trace écrite sont distinguées par les pédagogues. Elle représente d’abord un outil de conceptualisation. En effet, elle met en mots ce qui a été appris afin d’instituer un savoir . L ’élève passe de ce qu’il a vécu à ce qu’il est capable d’en dire et procède ainsi à des opérations mentales comme la formulation, le classement, l’organisation ou la hiérarchisation. La trace écrite est également une aide à la mémorisation ; elle permet à l’élève de retenir un savoir , d’aller le retrouver . Il est donc important de veiller à sa lisibilité et à son organisation. Ensuite, elle constitue un outil de réinvestissement. Comme un savoir se construit progressivement, par enrichissements successifs, la trace écrite donne la possibilité de le réactiver pour le préciser, l’enrichir en revenant dessus. Elle est aussi support des apprentissages langagiers, car sa production entraîne les élèves à produire des écrits informatifs ou explicatifs, à veiller à leur mise en forme, à utiliser un vocabulaire spécifique et précis, tout en veillant au respect des règles orthographiques et syntaxiques. Enfin, la trace écrite aide à la métacognition. En sélectionnant les informations, en structurant un écrit reprenant ce qu’il a découvert, l’élève prend conscience de ses apprentissages et rend son savoir transmissible (IEN Soissons 2, 2010-2011)

La place de l’élève dans la démarche d’investigation

Un enseignement qui s’appuie surune méthode socioconstructiviste

Depuis plusieurs années, les pédagogues prennent conscience de l’importance de rendre l’élève acteur de ses apprentissages. “Les didacticiens tendent actuellement à privilégier une démarche constructiviste, dans laquelle les connaissances se construisent dans l’action au cours d’une démarche guidée par le maître.” (IGEN, sept 2000/janv 2001, p. 6). En sciences notamment, les hypothèses émises par les élèves reposent sur leurs connaissances et leurs représentations antérieures. À travers la recherche ou l’expérimentation, ils construisent de nouveaux savoirs, qui seront utilisés pour expliquer d’autres situations, et ainsi commencer à comprendre le monde qui les entoure.
La vision constructiviste a été petit à petit complétée par d’autres paradigmes. G. Charpak soulignait l’importance des interactions entre pairs et des interactions entre l’adulte et les enfants pour construire un savoir (Charpak, 1996). Cette vision de l’apprentissage, non sans rappeler l’approche socioconstructiviste de L. V ygotski, attribue aux interactions sociales avec l’environnement un rôle prépondérant dans l’acquisition des connaissances. Les activités des élèves réalisées en groupe sont à l’origine de conflits sociocognitifs lorsqu’il y a émergence de points de vue divergents, et confrontation des hypothèses de chacun.
L’enseignant est chargé d’agencer chaque phase de la démarche, en commençant par la mise en place d’une situation-problème à l’origine d’un questionnement des élèves. Comme le décrivait Jerome Bruner, un “étayage” de l’élève par l’adulte se met en place : l’adulte soutient et guide l’élève dans son apprentissage, tout en maintenant son attention et en lui évitant la frustration (Bruner , 1996). De plus, lors de la phase d’institutionnalisation, l’enseignant essaie d’orienter l’enfant dans la décontextualisation des notions abordées.
L ’ensemble de ces interactions stimulent les apprentissages des élèves. Ainsi, même si la démarche scientifique cherche à rendre les élèves acteurs de leurs apprentissages et autonomes, elle ne peut être efficace sans l’accompagnement du professeur .

Le rôle essentiel de l’enseignant dans la démarche d’investigation

G. Bachelard aimait à dire qu’il est impossible d’apprendre les sciences de façon “naturelle”, c’est à-dire par simple observation. Il était d’avis qu’« il n’est guère à penser qu’on puisse trouver un matérialiste de génie qui refasse la chimie loin des livres, avec des pierres et de la poudre » (Bachelard, 1953, p.65). L ’apprentissage des sciences implique selon lui un “dogmatisme légitime” (ibid., p.45). L ’élève ne peut construire seul un concept scientifique après s’être confronté à une expérience ; l’intervention du maître est nécessaire pour apporter l’« encadrement rationnel adéquat » (ibid., p.42).
À l’école primaire, les élèves sont encore très jeunes, et il est difficile pour eux de construire spontanément une connaissance scientifique, à la suite d’une expérimentation menée en classe. Le rôle du maître est primordial pour les guider vers la confrontation avec le savoir constitué (IGEN, sept 2000/janv 2001) et la structuration de la connaissance scientifique.

La place de l’élève dans la conception de la trace écrite : méthode transmissive versus méthode constructiviste

Différentes approches sont possibles pour ce qui est de la trace écrite. La méthode mise en œuvre influe sur le degré d’implication et de métacognition des élèves, ainsi que sur la forme et le statut de la trace obtenue.
T.Philippot et D. Nicot mettent en évidence des “dilemmes professionnels” intervenant lors de sa conception. D’abord, “l’enseignant est alors amené à un compromis entre sa culture disciplinaire et ce que « les élèves peuvent comprendre »” (Philippot & Niclot, 2011). Il est en effet nécessaire de rédiger “un discours intelligible par les élèves” (ibid.) et bien souvent, l’enseignant doit adapter le vocabulaire scientifique pour le rendre accessible. Un autre problème soulevé est l’équilibre à apporter entre le développement de savoirs disciplinaires et de savoirs transversaux. Les enseignants se demandent quelle acquisition privilégier, et si insister sur les compétences transversales ne feraient pas passer les disciplines scolaires pour de simples prétextes pour travailler les compétences telles que la rédaction, la formulation, la structuration etc. Le passage des “phases de travail oral à leur mise en mémoire écrite” est également complexe, puisque l’enseignant doit juger ce qui est à retenir et ce qui est moins utile. Enfin, la question du temps disponible est mise en avant : “Comment dans le temps souvent jugé insuffisant réussir à faire tout ce que l’enseignant associe la « trace écrite »” (ibid.).
Bien souvent, la trace écrite est donc rédigée par l’enseignant et donnée directement aux élèves. Cette démarche transmissive est souvent mise en place par soucis de temps pour terminer la séance, mais aussi et surtout de précision et de complétude de la leçon. Il n’est pas aisé pour des enfants de construire un bilan organisé, rassemblant les différents savoirs acquis ; il n’est pas non plus facile pour eux de discerner les savoirs à tirer des différentes expérimentations ou recherches mises en œuvre. Deux difficultés majeures sont mises en avant dans le Dictionnaire des concepts fondamentaux des didactiques : “la difficulté à décontextualiser les connaissances engagées en situation”, ainsi que “les représentations qu’ont les élèves de l’activité scolaire en situation” (Reuter et al., 2013). En effet, si un élève parvient à résoudre un problème, il est rare qu’il s’interroge sur les connaissances mises en œuvre, jugeant la résolution suffisante.
L ’ensemble des obstacles énoncés rend l’élaboration de la trace écrite par les élèves complexe, et de nombreux enseignants en reviennent donc à “imposer aux élèves une “trace écrite” toute faite, mais alors qu’en est-il de leurs possibilités d’apprentissages ?” (Philippot & Niclot, 2011). Cette approche transmissive réduit en effet la sollicitation de l’élève, à un moment pourtant crucial permettant de clôturer la séance. La trace écrite élaborée par les élèves, collectivement voire individuellement, dans le cadre d’une démarche plus constructiviste, semblerait donc à privilégier, rendant les élèves plus investis dans leur apprentissage. L ’enseignant doit mettre l’élève dans une posture réflexive, pour construire les savoirs en jeu, tout en l’accompagnant.
Il est vrai que l’enseignant a des choses à transmettre à l’élève, et qu’il doit donc s’assurer que ce dernier n’oublie rien lors de la conception de la trace écrite ; cela rejoint le paradoxe du principe de dévolution. Le rôle du maître reste essentiel lors de la phase d’institutionnalisation ; il doit veiller au contenu et à la forme de la trace écrite, même si l’élève prend pleinement part à ce processus. C’est lui qui décide des formulations à conserver (Brousseau, 1997). L ’enseignant est garant de la pertinence du produit fini. Se pose donc la question de la part personnelle de l’élève à accorder à cet écrit. L ’élève ne peut pas réellement en choisir le contenu, il peut davantage en choisir la forme. Il peut être intéressant que l’élève personnalise la trace écrite afin de se l’approprier ; cependant le statut de la trace en sera plus ou moins modifié (IEN Soissons 2, 2010-2011), selon le degré de liberté accordé à l’enfant pour sa réalisation.
Il existe également des façons intermédiaires de concevoir la trace écrite, comme la distribution par l’enseignant d’une synthèse à trous à compléter individuellement, suivie d’une correction collective, ou encore la rédaction d’un bilan par les élèves suivie d’une mise en commun où le professeur donne sa propre version de la leçon. Il est donc difficile de choisir quelle est la meilleure façon de faire, car nombreuses sont les contraintes concernant la réalisation de la trace écrite.
Notons également que la trace écrite joue un rôle de communication de l’activité pour les personnes extérieures à la salle de classe, comme les familles mais aussi le corps d’inspection : “elle constitue la preuve matérielle que quelque chose a eu lieu” (Promonet, 2017, p. 2).

Les supports de la trace écrite d’institutionnalisation

Le support utilisé pour la trace écrite peut être individuel et/ou collectif. Les élèves possèdent généralement un cahier ou un classeur organisé, où sont rangés les documents de cours et les leçons. Ces outils individuels sont éventuellement complétés par des affichages didactiques en classe, qui peuvent être évolutifs au cours de l’année scolaire. T ous ces outils doivent être accessibles à l’ensemble des élèves, c’est pourquoi il faut veiller à leur lisibilité et à la mise en évidence des informations importantes.
Le “cahier d’expérience” dont parle G. Charpak dans son ouvrage La main à la pâte.
Les sciences à l’école primaire (1996), est un outil propre à l’élève, où il peut recueillir ses représentations, ses hypothèses, garder une trace des expériences réalisées et des résultats obtenus. Les écrits peuvent prendre plusieurs formes : phrases, dessins, schémas, graphiques etc. Son but est de retracer le cheminement de l’élève tout au long de la démarche d’investigation. C’est dans ce cahier que peut se ranger la trace écrite, concluant les différentes séances de sciences. T . Philippot et D. Niclot comparent ce support à une “mémoire morte” que l’élève pourra relire et réutiliser , servant de “référent commun” pour la classe. La trace écrite peut quant à elle être perçue comme une “mémoire vive” activant chez les élèves des processus intellectuels, rendant possibles de nouveaux apprentissages (Philippot et Niclot, 2011).

Cadre méthodologique – partie scientifique

Méthode

Participants et contexte

L ’expérimentation a été réalisée sur une classe de 19 CE2 d’une école élémentaire publique située dans le centre ville de Chambéry , appartenant à la circonscription de Chambéry 1. Cet établissement rassemble des élèves de milieux sociaux très divers et possède un dispositif ULIS.
La classe comprend dix filles et neuf garçons, âgés de huit à neuf ans. Elle comporte une élève arrivée d’un pays non francophone deux années auparavant, étant parfois en difficulté du fait de son manque de familiarité avec la langue française. Un élève présente un trouble de l’attention avec hyperactivité, et est accompagné d’une AESH sur le temps scolaire. Une élève est diagnostiquée dyslexique et dysorthographique. Trois élèves disposent d’un suivi orthophoniste et orthoptiste hebdomadaire. Enfin, trois élèves, pour qui ont été mis en place des Projets Personnalisés de Réussite Éducative (PPRE), ont des difficultés scolaires avérées dans différents domaines.
L ’expérimentation a eu lieu entre janvier 2021 (test initial) et mars 2021 (post test de mémorisation). La séquence a été mise en place en période 3 à raison de 2 séances par semaine. Celle-ci s’est donc déroulée dans un contexte sanitaire particulier lié à l’épidémie mondiale de la Covid-19. De ce fait, il était assez fréquent que des élèves soient absents pour certaines séances, ne pouvant se rendre à l’école en étant “cas-contact”. Un des élèves ayant été absent lors de quatre des huit séances, ainsi que lors du test initial et de l’évaluation finale,n’a pas été pris en compte dans l’étude. L ’analyse porte donc sur 18 élèves.

Matériel utilisé

Le matériel d’électricité utilisé pour la séquence m’a été généreusement prêté par mon encadrant de mémoire M. Rigaut. Il comporte des piles 4,5 V (type 1203), des ampoules, des douilles pour les ampoules, des diodes électroluminescentes, des interrupteurs, des buzzers, des moteurs, des fils électriques à pinces crocodiles et de la paille de fer . Les quantités ont été calculées en amont afin que chaque groupe d’élèves puisse réaliser les manipulations.

Discussion et conclusion

Cette étude a été menée afin d’analyser l’influence de la réalisation de la trace écrite par des élèves de cycle 2 sur l’acquisition et la mémorisation des savoirs scientifiques. À l’issue de cette expérimentation, nous pouvons affirmer que les résultats obtenus sont favorables à l’hypothèse selon laquelle l’élaboration de la trace écrite par les élèves aide à l’acquisition des savoirs scientifiques. Six expériences sur sept mettent en évidence l’impact positif de la conception de la leçon en classe, les élèves concepteurs de trace écrite ayant obtenu en moyenne de meilleures notes que les élèves receveurs, à la suite de la séquence.
A propos de la mémorisation, les résultats sont plus complexes à interpréter .
Globalement, les élèves qui ont construit la trace écrite ont perdu davantage de points que les autres élèves, entre le post-test acquisition et le post-test mémorisation, réalisé sept semaines après la fin de la séquence. Cependant, les moyennes obtenues par les concepteurs de leçons restent supérieures dans plus de la moitié des séances. L ’écart de mémorisation entre les groupes étant moins prononcé que l’écart d’acquisition, nous ne pouvons pas conclure quant à un réel impact, positif ou négatif, de la réalisation de la trace écrite par les élèves sur la mémorisation des savoirs scientifiques.
Nous pouvons également noter qu’il n’y a eu qu’un seul retour à la conception unipolaire, toutes les autres conceptions erronées ayant disparu des copies des élèves lors du post-test mémorisation. La séquence a donc été bien menée globalement.
Toutefois, certains éléments nous amènent à nuancer les résultats de cette étude, qu’ils aillent ou non dans le sens des hypothèses initiales. T out d’abord, l’expérimentation a été réalisée sur un petit échantillon, rendant les résultats moins significatifs que si l’étude avait porté sur un plus grand nombre d’élèves. Ensuite, les effectifs des groupes ont varié lors de certaines séances, notamment en raison de la crise sanitaire de la COVID-19, réduisant encore l’échantillon testé, et ne permettant pas à tous les élèves de suivre l’intégralité de la séquence.
D’un point de vu pratique, l’agencement de la classe était peu adéquat pour travailler avec deux groupes distincts, qui n’étaient guère isolés l’un de l’autre ; certains élèves, au lieu d’être occupés à leur propre tâche pendant que l’enseignant construisait la leçon avec l’autre groupe, avaient tendance à suivre de loin ce qui était fait au tableau. Il était impossible de laisser ungroupe sans surveillance dans une autre salle, sans la présence d’un adulte supplémentaire.
Aussi, il est important de préciser que des élèves de CE2 sont encore jeunes, et éprouvent de grandes difficultés à participer à la phase d’institutionnalisation, car leur vocabulaire est encore assez pauvre pour s’exprimer sur des notions scientifiques, et il n’est pas facile pour eux d’extraire les savoirs à retenir après avoir vécu une situation d’apprentissage. Notons également que la deuxième moitié de la séquence présentait des notions bien plus complexes que la première moitié, comme la polarisation des récepteurs, ou encore le branchement en dérivation, expliquant en partie la difficulté des élèves à concevoir la trace écrite lors des séances 7 et 8 en particulier .
Cette expérience fut très enrichissante d’un point de vue professionnel. Mener cette expérimentation m’a conduit à m’informer en lisant la littérature scientifique, me permettant de prendre appui sur des recherches antérieures pour mettre en œuvre une séquence d’apprentissage dans ma classe. Je compte utiliser mes résultats et poursuivre mes recherches afin d’améliorer ma pratique professionnelle future, et offrir à mes élèves les conditions optimales pour leurs apprentissages. J’ai notamment découvert que mener l’institutionnalisation en demi-groupe classe me permet de mieux accompagner les élèves dans ce moment clé de la séance du fait de leur effectif réduit, en étant plus attentive à ce qu’ils ont retenu ou ce qu’ils ont mal compris.

Table des matières
Introduction générale 
1. Cadre théorique – état de l’art 
1.1. L ’enseignement des sciences à l’école primaire
1.1.1. Description de la démarche d’investigation
1.1.2. La place de l’écrit dans l’enseignement des sciences
1.2. Une nécessaire structuration de la connaissance scientifique
1.2.1. Les conceptions initiales des élèves : de potentiels obstacles à la construction d’un savoir scientifique
1.2.2. Des exemples de conceptions erronées en électricité
1.2.3. La phase d’institutionnalisation : la transformation d’une connaissance contextualisée en un savoir décontextualisé
1.2.4. La trace écrite : résultat de la phase d’institutionnalisation
1.2.4.1. Les fonctions de la trace écrite d’institutionnalisation
1.2.4.2. Les supports de la trace écrite d’institutionnalisation
1.3. La place de l’élève dans la démarche d’investigation
1.3.1. Un enseignement qui s’appuie sur une méthode socioconstructiviste
1.3.2. Le rôle essentiel de l’enseignant dans la démarche d’investigation
1.3.3. La place de l’élève dans la conception de la trace écrite : méthode transmissive versus méthode constructiviste
1.4. Problématique et hypothèses de recherche
2. Cadre méthodologique – partie scientifique 
2.1. Méthode
2.1.1. Participants et contexte
2.1.2. Matériel utilisé
2.1.3. Procédure
2.1.3.1. Le test initial en amont de la séquence
2.1.3.2. L ’élaboration des deux groupes
2.1.3.3. Quelques conceptions initiales des élèves
2.1.3.4. Le protocole mis en place pendant les séances
2.1.4. La séquence “Comment fonctionne un circuit électrique”
2.2. Analyse des données par séance et résultats
2.2.1. Séance 1 : Quels sont les sources et les effets des objets électriques ?
2.2.2. Séance 2 : Est-il possible de faire briller une ampoule avec une pile uniquement?
2.2.3. Séance 3 : Comment faire briller l’ampoule loin de la pile de manière autonome?
2.2.4. Séance 4 : Comment allumer et éteindre l’ampoule sans débranchement ?
2.2.5. Séance 5 : Comment faire fonctionner un moteur et un buzzer ?
2.2.6. Séance 6 : Peut-on remplacer un fil par un objet quelconque?L ’eau conduit-elle l’électricité ?
2.2.7. Séance 7 : Comment faire briller deux ampoules en même temps avec une seule
pile?
2.3. Résultats globaux en acquisition
2.4. Résultats globaux en mémorisation
3. Discussion et conclusion 
Bibliographie 
Table des annexes

Lire le rapport complet