Apprendre à manipuler les outils du laboratoire

Revue de la littérature Boud

Dunn et Hegarty-Hazel (1986) proposent, dans leur ouvrage « teaching in laboratories », un guide exhaustif pour mettre sur pied un programme de travaux pratiques. Dans ce cadre, ils s’intéressent aux objectifs qu’un tel programme devrait viser. Pour les auteurs, l’objectif principal devrait être l’acquisition par les élèves de compétences en « scientific enquiry », soit l’apprentissage de la méthode scientifique. On entendra ici par méthode scientifique le processus itératif qui consiste à formuler des prédictions sur la base d’un cadre théorique, à concevoir des expériences destinées à tester la validité de ces prédictions, à observer et interpréter les résultats de ces expériences pour confirmer ou infirmer le cadre théorique. Selon Boud et al., le laboratoire est l’endroit idéal, voire l’unique endroit possible, pour permettre aux étudiants de s’approprier cette méthode. Leur argument principal pour le choix de cet apprentissage en tant qu’objectif central d’un curriculum de travaux pratiques est qu’il s’agit pour eux de la compétence indispensable à toute forme de travail en laboratoire dans la vie réelle, en dehors du cadre scolaire : « If one takes the view that laboratories are important places where knowledge is generated and validated in the experimental sciences, and if students are to gain an appreciation of these processes and to develop the abilities required to contribute to them, then scientific inquiry could be regarded as the raison d’être of laboratory-based learning. » Ce but est également repris par Black et Ogborn (1979), qui proposent trois groupes d’objectifs pour les séances de travaux pratiques en laboratoire : « – Training in techninques – Learning the ideas of the subject – Learning how to carry out experimental inquiries »

Quatre objectifs essentiels

Parmi tous les objectifs mentionnés, l’apprentissage de la méthode scientifique, la compréhension de la théorie et la maîtrise de techniques de manipulation semblent incontournables chez les auteurs qui s’intéressent au sujet. Bien que ces études s’intéressent généralement à l’enseignement de la chimie au niveau universitaire, il nous semble pertinent de focaliser notre étude sur ces objectifs, qui sont également applicables au niveau du secondaire II. Nous avons choisi d’y ajouter un quatrième objectif, celui de l’intérêt ou de la motivation des élèves pour l’étude de la branche. Parmi les auteurs consultés, un seul mentionne cet objectif. Il nous paraissait cependant intéressant de l’étudier pour trois raisons. Premièrement, une étude sur les raisons qui ont poussé des étudiants de chimie à effectuer des études dans cette branche a montré que l’intérêt pour les travaux pratiques était la deuxième raison la plus souvent citée (George & Wystrach, 1985). Le rôle du laboratoire dans ce choix est donc important. Deuxièmement, il existe un lien fort entre la motivation d’un apprenant et ses résultats (Deci, Vallerand, Pelletier & Ryan, 1991), ainsi qu’entre la motivation des élèves et leur comportement en classe (Archambault & Chouinard, 2009). Agir sur cette motivation est donc un bon moyen de faciliter l’apprentissage Enfin, à un niveau plus personnel, il nous semble qu’une partie de la satisfaction liée à l’exercice de notre métier découle de l’intérêt que nous parvenons à susciter chez nos élèves. Pour toutes ces raisons, nous avons choisi d’inclure cet objectif dans notre étude, malgré qu’il ne soit pas régulièrement cité dans la littérature.

Les pistes de la littérature

Bien que cet objectif soit un des plus répandus dans la littérature, et qu’il semble intuitivement faire partie des buts évidents d’une séance de travaux pratiques, il semble que cette forme d’enseignement soit une méthode peu efficace pour l’apprentissage de faits et de concepts (Boud et al., 1986, p. 134). Deux problèmes sont souvent mentionnés dans la littérature pour expliquer ce phénomène : le côté « recette de cuisine » souvent utilisé dans les protocoles fournis aux élèves et la quantité élevée d’informations que ceux-ci contiennent. La forme la plus courante des protocoles de travaux pratiques fournis aux élèves est celle d’une suite d’instructions plus ou moins complètes que l’élève doit suivre pour effectuer l’expérience. Cette forme a pour principal risque que les étudiants se concentrent sur l’application de cette recette, et sur l’obtention du « bon » résultat prévu par l’expérience, plutôt que sur la compréhension de la science qu’ils sont en train d’étudier (Domin, 1999a, 1999b ; DeKorver & Towns, 2015).

Il est souvent peu aisé pour l’élève de comprendre la raison de certaines manipulations, et bien souvent cette compréhension n’est de toute façon pas nécessaire pour compléter la tâche requise : la simple application de la recette suffit. Il est d’ailleurs frappant que, dans ce type de laboratoire, les étudiants se souviennent souvent mieux des étapes effectuées que de la conclusion à laquelle ils sont arrivés (DeKorver & Towns). Par peur de l’échec, par frustration ou simplement par confort, bon nombre d’élèves choisissent donc de ne pas s’engager dans une réflexion poussée, mais plutôt de jouer leur rôle d’exécutant (Galloway et al., 2016). Hors, l’apprentissage demande une certaine activité mentale (Driver, 1988), l’élève ne peut pas apprendre en suivant simplement une procédure. Suivre ces protocoles minutieusement détaillés peut d’ailleurs généralement se faire sans s’engager dans des niveaux de réflexion élevés (Domin, 1999a). Une étude sur le niveau taxonomique selon Bloom des tâches requises des élèves dans une dizaine de manuels d’expériences de TP a montré une très nette prédominance de tâches correspondant aux trois niveaux taxonomiques les plus bas (Domin).

Shiland (1999) propose un certain nombre de solutions à ce problème, axées sur une implication plus élevée de l’étudiant dans la conception de l’expérience : on peut par exemple lui laisser le choix des variables à étudier, de la procédure à utiliser, ou de la méthode de présentation des résultats, et lui demander des suggestions pour diminuer les erreurs après les avoir identifiées. Il est possible d’aller encore au-delà, en proposant uniquement à l’élève une question ou un problème à résoudre, voire simplement une problématique à explorer. Cette philosophie de travaux pratiques ouverts, axés sur une certaine liberté offerte à l’élève pour traiter une question ou un problème, trouve de nombreux échos dans la littérature. Ces approches sont regroupées sous le terme « inquiry based laboratory » (travaux pratiques basés sur l’investigation). Smith (2012a), par exemple, propose le même type de solutions, et a ainsi conçu dix expériences axées sur ce principe susceptibles d’être implémentées dans un cours de niveau secondaire II (Smith, 2012b).

Ce type de travaux pratiques trouve un bon écho auprès des étudiants, qui rapportent une meilleure compréhension de la matière comparé aux travaux pratiques traditionnels, notamment parce qu’ils sont plus engagés dans la compréhension et ne se contentent pas de suivre la procédure (Deters, 2005). Il semble exister, selon la littérature, une réticence des maîtres de chimie à mettre sur pied ce type d’exercices, notamment en raison d’une complexité perçue accrue de la conception et de l’encadrement de ce type de travaux pratiques (Cheung, 2011). Les travaux pratiques utilisant un protocole détaillé distribué aux élèves ont évidemment l’avantage de simplifier considérablement la logistique et l’organisation des séances. Heureusement, la littérature propose également des ressources et des outils pour aider à l’implantation de ce genre de travaux pratiques (Smith, 2012b ; CollegeBoard, 2013). L’ordinateur peut également être un outil logistique intéressant, par exemple en simplifiant les phases de collecte ou d’analyse des données à travers un programme ou un script dédié (Domin 1999a).

Les pistes de la littérature

Pour atteindre cet objectif, il existe un très large consensus dans la littérature pour éviter les manipulations de type « recette », déjà considérées comme peu efficaces pour aider les élèves dans la compréhension de la théorie. La nature fermée de ces procédures, avec une réponse « juste » à trouver ou un résultat « juste » à obtenir, validé non pas par les vérifications de l’élève mais par l’autorité extérieure du maître, est trop éloignée de la perspective ouverte de la recherche scientifique. De plus, comme nous l’avons vu plus haut, ce type de travaux pratiques se caractérise généralement par l’utilisation de niveaux taxonomiques bas (Domin, 1999a), alors que le concept même de méthode scientifique est au contraire une activité de niveau taxonomique élevé. Une meilleure approche pour travailler cet objectif est d’inviter les élèves à concevoir une procédure pour résoudre un problème ou étudier une problématique qui leur est fournie, donc utiliser une approche par investigation (Domin, 1999b ; Green & Elliott, 2004). Il est important que ce type d’activité se fasse sur un sujet que les élèves maîtrisent déjà au niveau théorique. En effet, pour être capable d’appliquer des stratégies de résolution de problèmes, d’étudier de manière critique des résultats et de formuler une conclusion logique, voire de décider soi-même de la problématique à traiter, il est indispensable de maîtriser les aspects théoriques du problème de manière satisfaisante. La maîtrise de la méthode scientifique est difficile à mesurer, mais Gupta, Burke, Mehta et Greenbowe (2015) ont montré que le type d’approche décrit plus haut permettait aux étudiants d’accroître de manière significative leur sens critique, un composant essentiel de la méthode scientifique. Ils ont également montré que la méthode procédurale d’enseignement des travaux pratiques ne permettait pas un apprentissage sur ce plan là.

L’avis des enseignants

Parmi les facteurs jugés comme ayant une influence positive sur l’apprentissage de la démarche scientifique par les élèves, on trouve, en accord avec la littérature, le fait que les élèves doivent établir eux-mêmes la marche à suivre (+ 0.88). L’importance accordée à ce facteur est cependant étonnamment basse. Parmi les autres facteurs jugés importants, on trouve le fait que l’élève doive commenter la procédure utilisée (+ 0.82) et les résultats obtenus (+ 1.29), mais également le fait que l’expérience soit en lien avec le cours (+ 1.24) et la vie quotidienne (+ 0.88). De plus, le facteur jugé comme le plus important est que l’enseignant s’assure que les élèves réalisent correctement les manipulations (+ 1.29). Les pistes données ici semblent par conséquent ne suivre que partiellement celles données dans la littérature. Le haut score des facteurs “lien avec le cours“ et “lien avec la vie quotidienne“ s’explique peut-être par un souci de motiver les élèves à l’étude du problème (voir aussi chapitre 7.2). Un commentaire d’un enseignant est particulièrement intéressant à ce sujet : « L’élève doit avoir un but motivant qui nécessite l’usage de la méthode scientifique. Ce but n’est pas forcément la méthode scientifique en soi. »

Cette piste, qui n’est pas forcément mise en avant dans la littérature, nous semble intéressante pour son utilité pratique dans la conception de travaux pratiques qui viseraient cet objectif. L’importance accordée par les enseignants au guidage de l’élève lors des manipulations s’explique peut-être par le temps limité disponible pour une séance de travaux pratiques dans le cadre du secondaire II. Il peut en effet sembler peu constructif de laisser l’élève utiliser du temps à recommencer une manipulation qu’il aurait échouée lorsque le but du travail est de provoquer une réflexion générale sur la manière d’agencer des manipulations pour arriver au résultat voulu. De plus, l’impact de l’échec et de la répétition des manipulations sur la motivation de l’élève est probablement négatif. Il peut donc sembler raisonnable de sacrifier la possibilité d’échouer, et donc la nécessité de comprendre ses échecs pour les corriger, même si ces évènements font partie intégrante du processus scientifique. Les pistes développées par les enseignants semblent donc viser principalement à créer de la motivation chez les élèves pour l’étude d’un phénomène. Cette motivation pourrait être nécessaire pour amener les élèves à fournir l’investissement requis pour ce type de travail pratique, plus élevé que lorsqu’il s’agit simplement de suivre une procédure (Galloway et al., 2016).

Table des matières

1 Introduction
1.1 Contexte de l’étude
1.2 Définition de la question de recherche
2 Méthodologie
2.1 Questionnaire
2.2 Entretiens
3 Les objectifs d’un bon travail pratique
3.1 Revue de la littérature
3.2 Quatre objectifs essentiels
3.3 L’avis des enseignants
4 Améliorer la compréhension de la théorie
4.1 Les pistes de la littérature
4.2 L’avis des enseignants
5 Favoriser l’apprentissage de la méthode scientifique
5.1 Les pistes de la littérature
5.2 L’avis des enseignants
6 Apprendre à manipuler les outils du laboratoire
6.1 Les pistes de la littérature
6.2 L’avis des enseignants
7 Augmenter la motivation des élèves
7.1 Les pistes de la littérature
7.2 L’avis des enseignants
8 Conclusion
9 Références
10 Annexes
10.1 Copie du questionnaire

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