Difficultés rencontrées avec le concept de masse volumique

Modélisation, formation scientifique et masse volumique

Dans cette optique, il existe certaines embûches liées à l’enseignement de la modélisation en sciences; le questionnement porte sur les possibilités offertes par la démarche de modélisation pour faciliter l’articulation du concret et de l’ abstrait dans l’enseignement des sciences. La nécessité de fournir aux élèves (futurs citoyens) des outils pour comprendre les savoirs scientifiques et pour mesurer la portée des avancées technologiques, soulignée par la Comité-conseil sur les programmes d’études (1998), devient primordiale pour une population présentant un déficit de la culture scientifique, technologique et mathématique (Hasni et Potvin, 2013). Dans le même sens, Trudel, Parent et Métioui (2010) soulignent l’ importance d’une formation scientifique de base pour comprendre nombre de phénomènes naturels auxquels ils sont confrontés quotidiennement. Ces trois chercheurs précisent également que « [ … ] nos futurs citoyens pourront effectuer des choix éclairés de consommation, utiliser en toute sécurité les nombreux appareils de la vie courante basés sur des principes scientifiques ou techniques, comprendre l’information à caractère scientifique ou technique véhiculée dans les médias, [ … ] » (p.150)

Richard et Bader (2010) abondent dans le même sens lorsqu’ il précise que certaines recherches en enseignement des sciences suggèrent de développer la culture scientifique « [ … ] par le renforcement des capacités des élèves à développer des positions éclairées dans les débats sur les questions sociales soulevées par la technoscience contemporaine, [ . .. ] » (p.744). De même Dionne (2014) traitant de la réorganisation du curriculum aux Pays-Bas, précise que les nouvelles « [ … ] unités d’apprentissage (sur la nature de science) visent à outiller les élèves pour qu’ ils deviennent des citoyens responsables et critiques, pouvant contribuer ultimement à prendre des décisions dans le domaine des sciences et de la technologie, pour le bien-être et le futur de la société (Henze, Van Driel et Verloop, 2007) » (p. 5) Cette recherche nous semble pertinente, puisque le concept de masse volumique trouve écho dans de nombreuses situations de la vie de tous les jours (exemples … ). L’enfant de la maternelle aura un jour ou l’autre expérimenté la flottabilité de certains corps dans une expérience de type Flotte/Coule alors que l’adolescent pourra comparer la densité de certains objets présentés au laboratoire tout en mesurant leurs masses volumiques respectives.

Préconceptions

Un autre problème largement étudié en didactique des sciences est celui des préconceptions (également nommées: conceptions erronées, présuppositions ou théories naïves) en lien avec les changements conceptuels ou la restructuration des connaissances (Posner, Strike, Hewson et Gertzog, 1982; Duit et Treagust, 2003; Eastes et Pellaud, 2004; Bêty, 2010; Zhou, 2010). Les travaux sur la théorie du développement cognitif de Piaget et ceux sur la philosophie des sciences de Kuhn ont jeté les bases de la terminologie employée pour décrire et étudier les changements conceptuels (diSessa, 1982; Zhou, 2010). Ces travaux sont directement associés aux notions pédagogiques qui permettent la mise en place les changements conceptuels. Les préconceptions sont largement influencées par les conflits cognitifs (plus largement discuté au chapitre 2) pouvant émerger à la suite des expériences, des démonstrations dans des musées, des centres des sciences ou dans tout autre milieu d’apprentissage non formel (Eastes et Pellaud, 2004) (plus largement discuté à la section 1.2.1). La notion de préconceptions est intimement liée à la compréhension des concepts scientifiques incluant le concept de masse volumique. Des recherches tendent vers l’ utilisation de ces préconceptions pour faire évoluer les élèves vers les concepts scientifiques actuels (Posner et al. , 1982; Roth, Anderson et Smith, 1986).

Par exemple, la masse volumique, trop souvent confondue avec le principe de flottabilité expliqué par Archimède, peut être considérée, pour certains élèves, comme une barrière à la compréhension de ce concept scientifique de base (Herrington et Scott, 20 Il). Concernant le concept de masse volumique, plusieurs auteurs (Smith, Maclin, Grosslight et Davis, 1997; Benedis-Grad, 2006; Stavridou et Grammenos, 2009) soulignent que c’est l’un des concepts les plus difficiles à maîtriser par des élèves du secondaire. De même, d’ autres auteurs (Hitt, 2005 ; Hardy, Jonen, Moller et Stem, 2006; Daw:kins, Dickerson, McKinney et Butler, 2008) précisent que la masse volumique est complexe de par sa nature indirecte, puisqu’elle est l’expression d’un rapport et non une mesure directe de cette propriété caractéristique. Selon Samson (2004), la « mathématisation » des sciences (à partir d’une formule, d’une loi, d’une théorie pour résoudre un problème d’ électricité, par exemple) cause plusieurs ennuis à nombre d’ élèves. Dans le cas qui nous préoccupe ici, la masse volumique ou Rhô (p) est le rapport de la masse d’un solide, d’un liquide ou d’un gaz sur son volume. L’utilisation de multiples variables demande que ces dernières soient éventuellement isolées. Le recours à une simple règle de trois (règle de proportionnalité) pour retrouver la masse d’un objet, lorsque son volume et sa masse volumique sont connus, augmente encore le niveau de difficulté pour nombre de nos élèves. Dans certains cas, lorsque le volume est irrégulier, son évaluation ou sa mesure devient problématique (le volume d’un caillou par déplacement d’eau, par exemple).

Difficultés rencontrées avec le concept de masse volumique

Nos observations comme enseignant nous ont également permis de constater qu’une majorité d’élèves québécois est confrontée, et ce dès la maternelle, à des conflits cognitifs (voir chapitre 2), notamment avec le concept de masse volumique. Une expérience classique, souvent intitulée « Flotte/Coule? », durant laquelle l’enfant est appelé à déposer des objets (pâte à modeler, trombone, morceau de bois, etc.) dans un aquarium, permet d’en observer le résultat. (Thouin, 2006; Herrington et Scott, 2011) Or, lorsqu’ il dépose un cent, il constate que ce dernier coule … « C’est normal, s’exclamet- il, c’est du fer! ». Pourtant, quelques jours auparavant, son enseignant avait fait une lecture concernant un navire flottant sur les eaux du St-Laurent. C’est ici que certains enseignants interpellent les enfants en leur demandant de reprendre l’expérience en donnant une forme allongée et recourbée à la pâte à modeler (qui, lorsque sous forme de boule, coule dans le contenant d’eau) pour voir le « résultat » flotter (Thouin, 1999; Potvin, 2011). Cette situation peut déstabiliser certains apprenants qui chercheront à connaître le truc ou l’ astuce.

Conflit cognitif

Dans le but de réorganiser les préconceptions et de faire naître le conflit cognitif, certaines recherches tendent vers l’ utilisation de démonstrations ou d’expériences contreintuitives. Eastes et Pellaud (2004) définissent l’expérience contre-intuitive comme « [ … ] une expérience qui produit un résultat inverse ou très différent de celui auquel on s’ attend, intuitivement, avant qu’ elle ne soit mise en action, ou dont l’interprétation va à l’ encontre de l’évidence ou du sens commun. » (p. 1198). Pour Bêty (2010), « La stratégie du conflit cognitif est un moyen recommandé par Giordan pour la confrontation et la perturbation. » (p. 10). La confrontation et la perturbation sont liées à l’idée de déconstruction des préconceptions et l’expérience contre-intuitive permet cette réorganisation. Posner et al. (1982) préconise la mise en place d’une insatisfaction face aux préconceptions pour créer le conflit cognitif.

En ce sens, une partie des conférences-démonstrations du CDES recoure quelques fois à la contre-intuitivité pour favoriser le conflit cognitif. Sur le plan de la pratique et du curriculum scolaire, l’importance relative du concept de masse volumique peut s’évaluer par la place qu’ il occupe dans le Programme de formation de l’école québécoise (PFEQ) du ministère de l’Éducation, du Loisir et du Sport (MELS, 2006a). La masse volumique est intrinsèquement liée aux concepts prescrits aux second et troisième cycles du primaire (densité, flottabilité) et est directement abordée au premier cycle du secondaire. Cet intérêt pour les deux derniers cycles du primaire se justifie ici, puisque c’est à ces niveaux scolaires que sont abordées ces questions, mais également parce que nous constatons des différences dans la « préparation scientifique » chez les élèves que nous accueillons au premier cycle du secondaire.

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Table des matières

INTRODUCTION
PREMIER CHAPITRE: LA PROBLÉMATIQUE
1.1 THÈME DE RECHERCHE
1.1.1 Modélisation, formation scientifique et masse volumique
1.1.2 Préconceptions
1.1.3 Difficultés rencontrées avec le concept de masse volumique
1.1.4 Conflit cognitif
1.2 PROBLÈME DE RECHERCHE
1.2.1 Milieu non formel
1.2.2 Concepts erronés
1.2.3 Centres d’intérêt et implication professionnelle
1.3 QUESTIONS DE RECHERCHE
CHAPITRE 2 : CADRE CONCEPTUEL
2.1 ÉDUCATION FORMELLE ET NON FORMELLE
2.2 COMPRÉHENSION DE CONCEPTS EN SCIENCES
2.3 CONFLIT COGNITIF ET CONTRE-INTUITIVITÉ
2.4 CONCEPT SCIENTIFIQUE ÉTUDIÉ: LA MASSE VOLUMIQUE
CHAPITRE 3 : MÉTHODOLOGIE
3.1 PARTICIPANTS
3.2 INSTRUMENTS ET OUTILS DE RECHERCHE
3.3 PRÉSENTATION DES RÉSULTATS
3.4 PERTINENCE SOCIALE ET SCIENTIFIQUE
CHAPITRE 4 : RÉSULTATS, ANAL YSE, INTERPRÉTATION ET DISCUSSION.
4.1 RÉSULTATS DES PRÉTESTS ET POST-TESTS
4.1.1 Définitions: questions 1 et 2
4.1.2 Connaissances: question 3
4.1.3 Compréhension: questions 4 à 8
4.1.4 Application: questions 9 et 10
4.2 RÉSULTATS DES ATELIERS FLOTTE/COULE
4.3 RÉSULTATS DU GROUPE DE DISCUSSION
4.3.1 Discussion en lien avec l’immersion de la boule de quilles
4.3.2 Discussion en lien avec les ateliers Flotte/Coule
4.3.3 Discussion en lien avec la masse volumique
CONCLUSION
RÉFÉRENCES
APPENDICES
Appendice 1 : Certificat d’éthique
Appendice 2 : Questionnaire prétest (et post-test)
Appendice 3 : Trois Ateliers Flotte/Coule inspiré de PRESr®
Appendice 4 : Questionnaire semi-dirigé pour la discussion de groupe
Appendice 5 : Différents modèles atomiques