Enseignement des sciences

Enseignement des sciences

Méthode traditionnelle en enseignement des sciences

La méthode traditionnelle d’enseignement, souvent utilisée en enseignement des sciences, est caractérisée par la transmission des connaissances comme l’indique Gunstone (1990) : « What the teacher says is what the learner hears and therefore knows. » Une telle approche, selon Mc Robbie et Tobin (1997), entraine un apprentissage basé sur la mémorisation des connaissances, le rappel des concepts et des applications directes des formules avec une compréhension très limitée.
Les leçons typiques au niveau préuniversitaire s’apparentent à une récitation inefficace : c’est le cas des cours magistraux, des exercices d’application et des problèmes typiques, des diplômes délivrés après des examens ou des tests standards d’évaluation basés sur la restitution des faits et sur la résolution des problèmes quantitatifs similaires à ceux déjà étudiés (European Physics Education Network, 2000; Howes, 2001). Habituellement, l’enseignant présente son cours par un exposé oral en l’associant éventuellement à d’autres outils d’enseignement (projection d’un transparent ou acétate et commentaires associés, etc.). L’enseignement magistral demeure l’une des stratégies d’enseignement les plus utilisées par le personnel enseignant. Ce personnel recourt à l’exposé magistral non seulement pour traiter les notions abstraites, mais aussi pour expliquer des phénomènes physiques dans le cas où le matériel expérimental n’est pas disponible.
Bien que l’enseignement magistral puisse être efficace, particulièrement pour enseigner à des classes où le nombre d’étudiants est élevé, il faut reconnaître que son utilisation régulière se traduit trop fréquemment par de longs exposés qui rendent inactifs, démobilisent et démotivent un nombre important d’étudiants (Giordan et Girault, 1994). L’enseignement magistral ne laisse que peu de place à la réflexion. Ce type d’enseignement n’offre pas aux apprenants l’occasion de manipuler les concepts théoriques (abstraits). C’est le cas par exemple des concepts de lumière ou de photon du fait que ces concepts représentent des outils d’analyse à la fois du fonctionnement de la physique enseignée et de l’activité cognitive des apprenants par le biais de leurs verbalisations. Ainsi, les résultats d’une recherche conduite par Mazur (1997) de l’Université de Harvard montrent que les étudiants, après avoir complété des cours traditionnels en physique, répondent correctement à des questions traditionnelles d’un test sans comprendre les concepts de base ou apprendre les approches de résolution des problèmes.

L’enseignement de l’effet photoélectrique

 Aperçu sur l’effet photoélectrique
En 1905, Albert Einstein publia dans un des trois articles révolutionnaires une explication inattendue de l’effet photoélectrique en attribuant à la lumière une double nature : ondulatoire et corpusculaire. Ceci lui a valu par la suite le prix Nobel.
Jusqu’à la fin du 19e siècle, l’observation des phénomènes d’interférence, de diffraction et de polarisation avait clairement mis en évidence le caractère ondulatoire de la lumière. De plus, il était généralement accepté que les échanges d’énergie entre la matière et le rayonnement électromagnétique se fassent de manière continue. Éclairée par une lumière bleue, une plaque de métal éjecte des électrons, minuscules grains d’électricité : c’est l’effet photoélectrique. Avec une lumière rouge, on n’obtient aucun effet, même en concentrant beaucoup de lumière en un point ! Difficile à comprendre si l’on admet que la lumière n’est qu’une simple vibration, une onde transportant une énergie électromagnétique, tel que l’assumait le modèle courant à la fin du XIXe siècle. Pour l’expliquer, Einstein a émis l’hypothèse que la lumière est « quanta », onde et corpuscule à la fois. C’est ainsi que tout un chapitre de la physique s’ouvrît.
L’effet photoélectrique est parmi les phénomènes majeurs qui permettent de mettre en évidence la nature corpusculaire de la lumière : la lumière est composée de grains d’énergie localisés.
L’effet photoélectrique est l’émission d’électrons par un matériau, généralement métallique, lorsque celui-ci est exposé à la lumière ou un rayonnement électromagnétique nde fréquence suffisamment élevée; cette fréquence dépend du matériau, alors que le nombre d’électrons émis, qui détermine l’intensité du courant, est proportionnel à l’intensité de la source lumineuse. Ce phénomène a été découvert en 1887 par le physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz.
De nombreux scientifiques ont répété les expériences d’Hertz avec des appareils semblables. Non seulement leurs résultats appuyaient l’hypothèse d’Einstein, mais ils fournissaient aussi les fondements de l’analyse sur l’effet photoélectrique. La figure 1 montre le montage utilisé par Lenard (1902) pour étudier le phénomène de l’effet photoélectrique. Voici quelques-uns des plus importants résultats de la recherche :
 l’émission des électrons n’est possible que si la fréquence de la lumière incidente est au-dessus d’une certaine fréquence, appelé fréquence seuil. Au-dessus de la fréquence seuil, plus grande est l’intensité de la lumière, plus grand est le courant électrique généré par les électrons émis.
 l’intensité de la lumière n’a aucun effet sur la fréquence seuil. Quelle que soit l’intensité de la lumière incidente, si elle se trouve sous la fréquence seuil, aucun électron n’est émis.
 la fréquence seuil à laquelle l’émission photoélectrique se produit d’abord est différente pour les différentes surfaces. Par exemple, la lumière produisant une émission photoélectrique à partir d’une cathode de Césium n’a aucun effet sur une cathode de cuivre.
 à mesure que le potentiel de freinage appliqué à l’anode est augmenté, le courant photoélectrique faiblit, sans égard à l’intensité de la lumière. Les électrons sont alors émis avec différentes énergies cinétiques. Une valeur du potentiel de freinage est finalement atteinte, suffisamment pour réduire le courant électrique à zéro. Même les électrons les plus rapides ne peuvent parvenir à l’anode et sont retournés par le potentiel de freinage.
 si différentes fréquences de lumière, toutes au-dessus de la fréquence seuil, sont dirigées sur la même surface photoélectrique, le potentiel d’arrêt varie pour chacune. Il apparait que plus la fréquence de la lumière est élevée, plus le potentiel d’arrêt est élevé.
 durant la photoémission, la libération de l’électron est immédiate, sans temps d’attente notable entre l’illumination et l’émission de l’électron, même avec une lumière extrêmement faible. Il semble que l’électron absorbe l’énergie lumineuse immédiatement : aucun temps n’est requis pour l’accumulation d’énergie suffisante à libérer les électrons.
Parmi tous ces résultats de recherche, seul le premier pouvait être expliqué par la théorie électromagnétique classique de la lumière. Plus particulièrement, selon la théorie ondulatoire classique, il n’existe aucune raison pour laquelle un faisceau intense de lumière à basse fréquence ne puisse produire un courant photoélectrique, ni que l’intensité de la lumière ne puisse affecter l’énergie cinétique maximale des électrons libérés. La théorie ondulatoire classique de la lumière ne pouvait vraiment pas expliquer l’effet photoélectrique.
Einstein était bien au fait de ces nouvelles expériences et de l’hypothèse du corps noir de Planck. Il connaissait aussi la théorie atomique de la lumière de Newton, dont il a retenu certains aspects pour avancer une hypothèse audacieuse : l’énergie du rayonnement électromagnétique, y compris celle de la lumière visible, n’est pas transmise de façon continue; elle se concentre plutôt en lots d’énergie appelés photons. Il a utilisé sa théorie sur les photons pour expliquer certains résultats d’expériences portant sur l’effet photoélectrique, tout en prévoyant de nouveaux effets.
L’effet photoélectrique joue non seulement un rôle théorique majeur en introduisant la nature quantique de la lumière, mais aussi un rôle très important en technologie. Il possède de nombreuses applications, particulièrement dans les semi-conducteurs connus sous le nom de photodiodes. Ces photodiodes sont les pièces majeures de nombreux dispositifs antivol, de portes de garage et les dispositifs de fermeture de portes automatiques. Plusieurs autres dispositifs utilisent l’effet photoélectrique comme les télécommandes de certaines télévisions et de magnétoscopes, les détecteurs de fumée etc. L’une des applications les plus importantes de l’effet photoélectrique est le dispositif à transfert de charge (DTC); un réseau de ces dispositifs est utilisé dans les appareils photonumériques pour capter les images électroniquement, d’une manière plus précise.

Importance de l’enseignement de l’effet photoélectrique

L’expérience de l’effet photoélectrique est présentement enseignée au niveau collégial, dans le cadre du programme « 200. B0. Sciences de la nature » dans le cours de physique : « Optique et physique moderne ». Ce programme actuel a vu le jour en 1998 dans le but de préparer les étudiants pour l’université. Il s’étale sur une période de quatre sessions et s’échelonne sur deux ans.Le programme « Sciences de la nature » au collégial a pour objet de donner à l’étudiant ou à l’étudiante une formation équilibrée, intégrant les composantes de base d’une formation scientifique et d’une formation générale rigoureuse, les rendant aptes à poursuivre des études universitaires en sciences pures, en sciences appliquées ou en sciences de la santé (MELS, 2007)
Les cours offerts se subdivisent en deux blocs, soit, d’une part, la formation générale commune et complémentaire de 45 crédits, et, d’autre part, la formation spécifique de 60 crédits. Parmi les objectifs du programme, on mentionne que l’étudiant ou l’étudiante doit être capable de réaliser les différentes étapes d’une démarche scientifique de type expérimental (MELS, 2007).
La formation spécifique inclut des cours de biologie, de chimie, de physique et de mathématiques. La présente recherche entre dans le cadre d’un cours de physique, intitulé « Ondes, optique et physique moderne, 203-NYC-05 ». Le cours se déroule sur une session de 15 semaines pour un total de 75 heures, dont 45 heures sont consacrées à la théorie et 30 heures aux expériences de laboratoire. Ce cours est le dernier des trois cours de physique pour les étudiants inscrits au Diplôme d’études collégiales en Sciences de la nature. Il est suivi habituellement lors de la quatrième et dernière session de leur cheminement.
Selon le ministère de l’Éducation de Québec (1998), un des 10 buts de la formation spécifique du programme Science de la nature du collégial consiste à rendre l’étudiant capable d’analyser différentes situations ou des phénomènes physiques reliés aux ondes, à l’optique et à la physique moderne à partir de principes fondamentaux. L’annexe I indique les objectifs et standards concernant ce but. L’effet photoélectrique présente une opportunité importante pour acquérir cette compétence.
Cette expérience est traitée dans le but de montrer la nature quantique de la lumière et par la suite d’introduire à la physique quantique ou moderne. Elle constitue donc un bon exemple d’analyse de situation à partir de notions de la physique moderne en faisant appel aux standards nécessaires pour aboutir au but général mentionné ci-dessous (voir Annexe I). Une activité basée sur cette expérience présente également une opportunité pour les étudiants d’appliquer une démarche scientifique en faisant appel aux concepts, aux lois et aux principes de la physique. Enseigner aux étudiants que la lumière, une saturation apparemment infinie de rayonnement électromagnétique, est aussi de nature quantique offre une occasion de préparer les étudiants aux concepts qu’ils rencontreront à l’université. En utilisant le dispositif de l’expérience conduite par Philip Lenard (1902), la mise à l’épreuve de plusieurs situations, par les étudiants, leur permet de développer habituellement des méthodes de raisonnement qu’ils utiliseront constamment durant leurs études postérieures. L’enseignement de l’effet photoélectrique peut ainsi impliquer l’appropriation de deux modes de raisonnement : inductif, les étudiants tentent de construire un modèle pour expliquer les résultats de l’expérience, et déductif, en appliquant le modèle pour la vérification. De plus, le traitement de cette expérience peut mener les étudiants à une redécouverte guidée, à l’amélioration de leur compétence d’analyser les graphiques et à une meilleure communication scientifique.

Table des matières

RÉSUMÉ
BSTRACT
TABLE DES MATIÈRES
REMERCIEMENTS
INTRODUCTION
CHAPITRE 1. PROBLÉMATIQUE
1. Enseignement des sciences : enjeux et limites
2. Apprentissage des sciences et conceptions initiales
3. Méthode traditionnelle en enseignement des sciences
4. L’enseignement de l’effet photoélectrique
4.1. Aperçu sur l’effet photoélectrique.
4.2. Importance de l’enseignement de l’effet photoélectrique
4.3. Difficultés en enseignement de l’effet photoélectrique
5. Nouvelles technologies de l’information et des communications
6. Apprentissage collaboratif
7. Technologies mobiles
8. Objectif de la recherche
CHAPITRE 2. CADRE THÉORIQUE
1. Vision socioconstructiviste de l’apprentissage des sciences
1.1. Constructivisme de Piaget
0 1.2. Constructivisme et apprentissage des sciences
1.3. Socioconstructivisme de Vygotsky
1.4. Socioconstructiviste et apprentissage des science
1.5. Récapitulation
2. Apprentissage collaboratif
2.1. Définition
2.2. Composantes
2.3. Étapes du processus de l’approche collaborative
2.4. Limites de l’apprentissage collaboratif
2.5. Les interactions dans une situation de collaboration
2.6. Sommaire des principes de l’apprentissage collaboratif
3. Changement conceptuel
3.1. Prise en compte des conceptions initiales
3.2. Changement conceptuel
3.3. Revue sur les principaux modèles de changement conceptuel
3.4. Récapitulation
3.5. Conception des environnements d’apprentissage
4. Conceptions des étudiants au sujet du phénomène photoélectrique et de concepts connexes
4.1. Conceptions et principaux modèles de la lumière
4.2. Conceptions des étudiants au sujet de l’effet photoélectrique .
5. Principales approches d’enseignement du phénomène photoélectrique et de concepts connexes.
5.1. Approche traditionnelle
5.2. Approche historique
5.3. Approche par analogie
5.4. Approche par rupture
5.5. Approche par juxtaposition
5.6. Approche par ordinateur
5.7. Récapitulation
6. Technologie de l’information et des communications et apprentissage des sciences
6.1. Nouvelles technologies et enseignement des sciences
6.2. Simulations
7. Apprentissage mobile
7.1. Définition de l’apprentissage mobile
7.2. Technologies mobiles : potentialités et limites
7.3. Apprentissage mobile et théories d’apprentissage
7.4. Apprentissage mobile : problématiques et défis
7.5. Apprentissage collaboratif et dispositifs mobiles
7.6. Cadre théorique de l’apprentissage mobile
7.7. Récapitulation
8. Conclusion
CHAPITRE 3. QUESTIONS DE RECHERCHE
1. Introduction
2. Objectif de la recherche
3. Questions de recherche
CHAPITRE 4. MÉTHODOLOGIE
1. Introduction
2. Démarche d’ensemble et modes d’investigation
3. Laboratoire élaboré pour le projet de recherche (MobileSIM)
3. 1. Description de la simulation
3.2. Conception d’une activité MCSCL (Mobile Computer Supported Collaborative Learning)
3.3. Élaboration d’un scénario d’apprentissage
4. Collecte d’information
4.1. Prétest et post-test
4.2. Entrevues semi-structurées
4.3. Questionnaire sur la collaboration, l’apprentissage mobile et les simulations
4.4. Enregistrements vidéos
4.5. Traces des sujets
5. Traitement des données
5.1. Étude quantitative des résultats des prétest et post-test
5.2. Étude qualitative des entrevues
5.3. Traitement des enregistrement vidéos
5.4. Traces : logs, papiers
CHAPITRE 5. RÉSULTATS ET DISCUSSION
1. Effet d’enseignement de l’effet photoélectrique
1.1. Résultats au prétest
1.2. Résultats au post-test
1.3. Comparaison des résultats des deux groupes
1.4. Gain normalisé (facteur de Hake)
1.5. Récapitulation
2. Impact sur l’apprentissage et l’évolution conceptuelle
2.1. Conceptions des étudiants au sujet de la lumière
2.2. Conceptions des étudiants au sujet de l’effet photoélectrique et concepts annexes
2.3. Récapitulation
3. Processus d’apprentissage
3.1. Observation du contexte et déroulement de l’expérimentation
3.2. Rôle du simulateur sur PDA
3.3. Rôle de la collaboration
3.4. Effet de la mobilité
CHAPITRE 6. CONCLUSIONS
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES

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