Etude historique et didactique de l’enseignement de sciences physiques

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Etude historique et didactique de l’enseignement expérimental

L’étude historique et didactique de l’expérimental dans l’enseignement de sciences physiques en secondaire en France montrent des importantes fluctuations dues à l’évolution de la discipline elle-même, à la pratique des chercheurs et à l’évolution de la posture de la noosphère, depuis son détachement de la philosophie pour devenir elle-même une science expérimentale.
L’évolution de l’expérimental et de son statut dans l’histoire de l’enseignement de sciences physiques en France se résume dans le tableau III présenté en annexe.

En effet, à partir du XVIIIe siècle, des reformes successives visant à accentuer le caractère expérimental de l’enseignement de sciences physiques ont été remarquées. Au milieu du XXe siècle, une tendance au respect de l’originalité des caractéristiques épistémologiques des sciences physiques et au rapprochement des activités expérimentales des élèves aux activités des scientifiques émerge. Vers 1996, une réflexion mettant l’accent sur l’intérêt de la situation-problème, un moyen pour atteindre cette « idée nouvelle » a vu le jour.
Pour faire adhérer les enseignants à une telle innovation, il leur faut une formation continue sur les théories d’apprentissage des sciences physiques, notamment l’apprentissage constructiviste et sur le rôle et la fonction de l’expérience dans une démarche expérimentale hypothético- déductive.

Objectifs, typologie et fonctions didactiques des expériences

Peut-on aborder l’expérience sans parler brièvement de ses objectifs, de sa typologie et ses fonctions ?

Les objectifs de l’expérience

Les trois objectifs suivants sont identifiés :
– les objectifs de conceptualisation pour faire évoluer les conceptions éronnées, pour identifier un savoir scientifique et pour familiariser les élèves avec les incertitudes concernant les sciences.
– les objectifs relatifs aux savoir-faire et techniques qui consistent à affermir l’habilité manuelle des élèves, à apprendre à se servir des appareils ou des instruments, à maîtriser une technique et à acquérir l’esprit de rigueur et de précision
– les objectifs relatifs aux démarches et attitudes scientifiques ont pour but de développer l’initiative et la pratique de la démarche expérimentale. Il s’agit de proposer aux apprenants des situations qui les amènent à se poser des questions, à émettre une hypothèse face, à concevoir des moyens de vérification, à discuter et argumenter, et à remettre en question ses conceptions.

Etat des lieux

L’enseignement expérimental vu du coté des apprenants

Malgré l’attrait qu’exercent les activités expérimentales, celles-ci semblent décevoir les apprenants. En effet, malgré leur implication plus ou moins directe pendant les séances de TP, ils y sont obligés à exécuter un protocole qui n’accorde pas de place à leurs questions, le meilleur point de départ pour développer chez eux la faculté d’adopter la démarche scientifique. Et encore, les expériences démonstratives et prototypiques de formules mathématiques les amènent à penser que la physique n’est une collection de formules mathématiques dépourvue de sens physique.

L’enseignement expérimental vu du coté des enseignants

Les enseignants s’attachent aux pratiques classiques car restaurer une innovation est souvent une rupture et une prise de risque voire un bouleversement de leur savoir-faire habituel. Ils peuvent manquer de formation didactique et épistémologique même en ayant de bonnes connaissances scientifiques académiques alors, ce qui leur mettait en difficulté face aux différents problèmes tels que la compréhension de l’existence et l’origine des conceptions erronées chez les élèves, la création de problèmes comme point de départ d’un enseignement expérimental…

Les contraintes institutionnelles

Les raisons suivantes peuvent être évoquées :
– l’instruction officielle qui ouvre un vaste champ à l’enseignement expérimental sans le baliser provoque un grand désarroi chez les enseignants car ils ne disposent pas de connaissances didactiques suffisamment élaborées qui leur permettent de prendre des décisions pertinentes dans leur pratique en séances de TP.
– les enseignants ont tendance à ne pas accorder une grande importance aux activités expérimentales que l’on n’évalue pas.
– contraints par un temps limité, pendant les séances de TP ou les TP-cours, les enseignants anticipent la conclusion. La prise de notes de cette dernière constitue la garantie de l’enseignement et de leur contrat socio-pédagogique.

– contraints par l’inspection pédagogique, certains enseignants ne sont pas libres d’instaurer des innovations comme ils voudraient. S’écarter du programme officiel, engendre chez certains enseignants un sentiment d’insécurité. En outre, l’institution ne contribue pas aux efforts des enseignants innovants en développant des moyens d’accompagnement et surtout des modalités de reconnaissance pour les motiver.
– le manque de matériel nécessaire pour faire manipuler les élèves rend l’enseignement expérimental plutôt frustrant que motivant.
– les enseignants fonctionnaires, rassurés de leur statut se croient ne pas être soumis à aucune obligation d’innover ou d’adopter et de mettre en œuvre des propositions didactiques issues de la recherche.

L’enseignement expérimental vu du coté des futurs enseignants

A la sortie de l’université, si les futurs enseignants n’ont pas suivi de formations suffisantes en didactiques et en épistémologies, provoquant des ruptures épistémologiques chez eux, ils auront du mal à affronter les contraintes du métier.

La synthèse des résultats des travaux de recherche didactique

Les résultats des travaux sur les conceptions didactiques et épistémologiques des enseignants ou des futurs enseignants font ressortir qu’ils ont des tendances divergentes (empiriste, inductiviste, constructiviste, déductiviste …) sur les démarches expérimentales, sur la nature des connaissances scientifiques, sur le fonctionnement de la science et de leur objet.
En ce qui concerne les démarches dans l’enseignement expérimental, un essai de mise en place de démarche orientée sur la résolution de problème révèle que les apprenants peuvent s’adhérer à la démarche des chercheurs malgré quelques écarts lors de la phase d’anticipation et de la reformulation. Et un travail axé sur la résolution de problème et sur la modélisation dans une démarche scientifique de type hypothético-déductive montre que les étudiants peuvent s’y adapter.

En outre, à l’Université, une recherche fait ressortir que la transmission des savoirs conceptuels semble être plus estimée que l’apprentissage méthodologique. Par ailleurs, une mise en place d’un nouveau cursus de TP, visant à réduire les écarts entre les situations d’apprentissage et les pratiques de référence, est menée auprès des étudiants de la filière SM-MP. En effet, ces derniers doivent être formés en des physiciens de profession.
A propos de la formation des futurs enseignants en la matière didactique, des recherches montrent que la participation directe des enseignants et des futurs enseignants dans une recherche susceptible de provoquer chez eux des prises de consciences métacognitives et des réflexions critiques sur leurs pratiques, favorise une évolution de leurs compétences didactiques.

Questions de recherche et les hypothèses

L’éclairage épistémologique et l’histoire de l’évolution de l’enseignement expérimental révèlent toute l’ambiguïté et le manque de consensus autour des réflexions épistémologiques sur la nature de la transposition des démarches scientifiques. Au moment où l’auteur a entrepris son travail, l’appréciation de l’approche expérimentale “ situation-problème ” germait au sein de la noosphère alors que l’instruction officielle relative au programme en vigueur privilégie encore l’option empirico-inductiviste. Face aux innovations didactiques et les recommandations officielles, quelles pratiques adoptent les enseignants et quel statut accordent-ils à l’expérience ?

La question principale qui a orienté ce travail est : « Peut-on tenir compte de l’état actuel de l’enseignement en TP et s’inspirer de l’épistémologie des sciences physiques pour élaborer et mettre en place dans les conditions réelles, des contenus d’enseignement expérimental problématiques, susceptibles de favoriser l’apprentissage des méthodes scientifiques et de développer des attitudes réflexives chez l’enseignant et l’élève tant par rapport à leurs modes de fonctionnement dans le processus d’enseignement apprentissage que par rapport au mode d’élaboration du savoir scientifique
Autrement dit :
– Les propositions didactiques correspondent-elles à des questions que l’enseignant se pose réellement?
– Les enseignants de sciences physiques disposent-ils de structures d’accueil qui leur permettent d’intégrer de façon cohérente les propositions issues de la recherche didactique ? Ressentent-ils par eux-mêmes la nécessité de telles propositions ?
– On a toujours dit que l’apprenant s’approprie un savoir quand celui-ci a du sens pour lui et correspond à des questions qu’il se pose, mais l’enseignant se pose-t-il des questions au sujet de l’enseignement expérimental qu’il dispense et au rôle que peuvent jouer les TP ?

Les hypothèses qui en découlent sont les suivantes :
 Les enseignants ont des conceptions qu’ils ignorent. Tout comme celles des élèves, ces conceptions sont contradictoires et mobilisées en fonction de la situation.
 Ce sont les convictions didactiques et épistémologiques de l’enseignant, plus que les contraintes matérielles et de temps, qui orientent sa pratique en TP.
 Ce sont plus les conceptions des enseignants que les capacités des élèves qui constituent un frein à la mise en place de démarches scientifiques.
 La mise en œuvre par les enseignants de situations innovantes, et réalisables dans les conditions habituelles de classe, est susceptible de leur permettre de prendre conscience des limites de leurs pratiques traditionnelles et de provoquer chez eux des dérangements épistémologiques.

Analyse

Les trois premières hypothèses sont axées sur “ la conception ” et “ la conviction ” des enseignants. Si “ la conception ” est un concept cité par plusieurs ouvrages didactiques et un sujet d’actualité dans le domaine, il n’est pas de même pour “ la conviction ” ne l’est pas.
Selon Martinand (1993), la “ conception ” des étudiants et des élèves sont la représentation des phénomènes, l’appropriation des concepts et les raisonnements privilégiés.
Le dictionnaire Larousse 2006 a qualifié les “ convictions ” comme étant les opinions ou les principes auxquels on croit fermement.

L’auteur a utilisé “ les convictions ” dans la deuxième hypothèse après avoir supposé que les enseignants aient des conceptions didactiques qu’ils ignorent et qui sont mobilisées en fonctions de la situation. Les convictions seraient-elles alors les conceptions qui prédominent ?
A propos des “ structures d’accueil ” mentionnées dans les questions de recherche, la lecture de la thèse-mère nous a élucidé qu’il s’agit de l’ensemble ordonné des connaissances des enseignants en matière de didactique et en matière d’épistémologie, de leur compétence et de leur capacité dans leur métier.

METHODOLOGIE

Nous allons exposer la méthodologie de la recherche-mère ainsi que nos points de vue par des analyses.
Elle se constitue de deux phases. La première est une étape exploratoire et descriptive : l’état des lieux et la deuxième consiste en une mise en œuvre en classe d’une innovation didactique : une séquence de TP axée sur la résolution de problème, en situation réelle.
Pour chaque phase, il a utilisé deux outils complémentaires : des questionnaires et des observations en classe.

Etat des lieux

L’objectif de cette étape est de faire le point sur la nature des démarches habituellement mises en place lors des séances de TP de sciences physiques en classe de 4ème. Ceci permet la caractérisation, s’il y a lieu, du changement de l’attitude de l’enseignant lors de la mise en œuvre de la proposition.
Le questionnaire comporte deux types de questions :
– des questions ouvertes,
– et des questions à choix multiples. Son contenu est focalisé sur :
– l’organisation générale des TP,
– les conceptions didactiques des enseignants,
– les conceptions autour de la démarche expérimentale,
– les fonctions de l’expérience,
– les conceptions autour de la science et des scientifiques,
– la formation de l’enseignant et ses besoins en matière de formation.
Les séances d’observation de TP en situation classique ont été filmées pour pouvoir revenir sur tous les détails nécessaires. A ceci s’ajoute une grille d’analyse conçue pour identifier les points suivants :
– la présentation des TP,
– l’émission d’hypothèse,
– le statut de l’expérience,
– la manipulation,
– l’analyse des résultats,
– l’attitude de l’enseignant et les stratégies des élèves,
Pour cette phase, le résultat du questionnaire est une “ toile de fond ” pour l’observation des séances de TP classiques.
Le questionnaire a été soumis à cent trois (103) enseignants dont dix (10) parmi eux ont été observés.

L’expérimentation

Il s’agit d’engager les élèves dans une démarche expérimentale de type hypothético-déductif lors d’une séquence de TP axés sur la résolution de problème, afin d’étudier sa faisabilité, dans la condition habituelle de la classe. Cette séquence de TP est conçue par l’auteur lui-même.
Les questionnaires se rapportent principalement à cette séquence de TP proposée. Il s’agit respectivement des questions d’évaluation de la proposition avant les séances d’observation et des questions d’évaluation de la séquence après les séances. Le questionnaire préliminaire, à l’endroit des enseignants n’ayant pas expérimenté, appelé enseignants externes, consiste à recueillir leurs réactions vis-à-vis de la proposition didactique. Et les questionnaires après la séquence sont à l’endroit des enseignants expérimentateurs et des élèves participants. Les séances d’observation de la séquence de TP, filmées et décryptées sont l’objet d’un commentaire suivi d’une analyse.
Six (6) enseignants parmi les dix observés en TP classiques, ont participé à cette expérimentation.

Analyse

Le questionnaire ne donne accès qu’aux images ou aux représentations de l’enseignant quant à l’enseignement expérimental, de la manière dont il est réalisé sans pour autant oublier ses intentions. Et l’observation permet de connaître les facteurs qui influencent ou qui déterminent la pratique des enseignants en situation réelle. Alors la confrontation des questionnaires aux observations en situation réelle est un moyen de mettre à jour les pratiques des enseignants, leurs attitudes et leurs conceptions épistémologiques sous-jacentes.
Le questionnaire se rapporte, entre autres, à des questions d’ordre épistémologique relatives aux conceptions des enseignants autour de la démarche expérimentale et autour de la science et des scientifiques. L’épistémologie est une étude critique des sciences, de la formation et des conditions des connaissances scientifiques. C’est une source d’inspiration pour la didactique surtout à la transposition des modes d’élaboration du savoir scientifique dans le fonctionnement de la classe. “Il serait même difficile, pour un didacticien, d’apporter un éclairage pertinent sur l’enseignement d’un contenu ou d’une méthode s’il n’a pas compris leurs tenants et aboutissants à travers leur analyse épistémologique ”, affirme l’auteur. Or, tous les enseignants n’ont pas une ample connaissance épistémologie, malgré son utilité dans leur métier. Alors, nous pensons que parler d’épistémologie, à travers le questionnaire, s’avère délicat si la plupart des concernés n’en ont pas de connaissances suffisantes. A travers les réponses au questionnaire, questions d’ordre épistémologique, nous avons remarqué des pourcentages assez élevés à l’endroit de l’item “ Je ne sais pas ” ou “ JNSP ”. Par exemple, pour la question N15 : “ Au collège, les TP permettent de donner à l’élève l’image de la recherche scientifique ? ”, 22,3% des enseignants ont opté pour l’item JNSP et avec la question N29 (La science enseigne des modèles et non jamais la réalité telle qu’elle est car cette dernière est inaccessible), 22,3% ont choisi ce même item. On pourrait penser que ces enseignants n’avaient compris les questions dans le même sens que celui du concepteur mais il se peut également qu’il soit difficile de répondre aux questions dont on n’a pas une position bien tranchée. L’item JNSP leur est une convenable échappatoire. Alors nous pensons que soumettre le questionnaire aux enseignants n’ayant pas suivi une formation en épistémologie (62 ,2%) pourrait présenter des limites quant à la pertinence et à la fiabilité du résultat.

L’auteur a utilisé deux types de questions, les “ Questions aux choix multiples ” ou “ QCM ”, et les questions ouvertes. A propos des questions ouvertes, il est probable que certaines réponses sont ambiguës et que les questions relatives à l’épistémologie pourraient être comprises par les enseignants dans un sens différent que celui du concepteur. Un exemple à la question, “ Pouvez-vous décrire ce qu’on appelle démarche expérimentale ? ”, l’absence des descriptions et des justifications qui semblent assez vagues ou carrément ambiguës poussent l’auteur à regrouper 35,9 % des réponses dans la catégorie “ non-réponses ”. Un élément de réponse est le suivant : “ Ce sont les étapes qu’il faut suivre pour aboutir à la réalisation d’une expérience ”. Cette réponse, “ assez vague ” et qui manque de précision, pourrait être éclaircie si on procède par le moyen d’un entretien. On pourrait recourir à la reformulation des questions ou étoffer les choix proposés aux QCM mais les difficultés évoquée 19
pourraient encore se manifester. Alors, nous supposons que partir du questionnaire pour terminer par des entretiens sera plus bénéfique pour comprendre certaines réponses obtenues par écrit.
Le nombre de la population testée (103 enseignants) explique le choix de l’auteur sur l’outil de l’enquête. Avoir des entretiens avec une centaine d’enseignants et transcrire les données seraient un travail démesuré.

LA PROPOSITION DIDACTIQUE

Dans cette partie, après avoir expliqué le fondement de la proposition didactique qu’il a conçu, l’auteur relate le principe de la démarche proposée : le principe concernant les élèves et celui concernant les enseignants, Ensuite, il développe le choix du niveau scolaire des élèves, sujets expérimentaux, et le choix du concept-support. Et puis, il expose la manière dont il a construit “ le problème ”, point de départ des TP axés sur la résolution de problème et les prévisions pour le déroulement.

Fondement de la proposition et principe de la démarche proposée

La séquence d’enseignement expérimental proposée par l’auteur est fondée sur le constructivisme. Ce dernier, épistémologiquement, s’oppose à l’empirisme et tient compte des acquis de la psychologie dans la mesure où ces acquis contribuent à la modélisation de l’activité intellectuelle de l’apprenant.
Dans le cadre restreint de cette recherche, le constructivisme s’articule autour des quatre points essentiels suivants :
– c’est en agissant que l’on apprend,
– c’est grâce aux conflits que se construisent les connaissances,
– ce sont les situations-problèmes qui favorisent les conflits et l’apprentissage,
– les conceptions des apprenants sont les points d’appui de l’organisation des séquences d’enseignement.
Principe de la démarche
L’objectif de la recherche est de mettre en place une approche expérimentale de l’enseignement de sciences physiques susceptible d’être renouvelable par les enseignants dans leur pratique quotidienne. Alors l’expérimentation a été menée dans les conditions habituelles de la classe en temps réel2.

Concernant les élèves, ils sont engagés à s’impliquer dans des activités qui pourraient provoquer chez eux une réflexion sur la démarche qu’ils mettent en œuvre. Notamment, l’auteur vise à leur faire prendre conscience que la démarche scientifique ne consiste pas à réaliser des expériences sans se poser d’abord des questions et que l’expérience est un moyen que le scientifique se donne pour valider ses hypothèses.
Par la mise en œuvre de cette proposition, l’enseignant est invité à adopter une approche différente de celle de la pratique habituelle afin de les amener à prendre conscience des possibilités et des conceptions des élèves. L’enseignant doit amener les élèves à se poser des questions face au problème, à émettre des solutions (hypothèses) et à réaliser des expériences pour trouver la bonne solution.

Choix du niveau scolaire et du concept-support

Les sujets expérimentaux choisis par l’auteur sont des élèves de la classe de 4ème. A ce niveau, les apprenants ne sont pas encore habitués aux routines des TP, souvent orientées vers les expériences de vérification ou d’illustration. Ils peuvent être plus créatifs que les autres élèves du niveau supérieur, accoutumés au protocole de manipulation. Alors, ils peuvent s’adapter facilement à la nouvelle situation.
Au sujet du concept support, c’est à dire le thème de la séance de TP proposés, l’auteur a choisi le concept “ courant électrique ”, notamment les “lois des intensités dans un circuit en série ”. Ce choix a été retenu pour des raisons conceptuelles et des raisons méthodologiques.

Table des matières

Introduction générale
1ère PARTIE : PRESENTATION ET ANALYSE DE LA THESE-MERE
I- Cadre théorique
I-1 Quelques repères épistémologiques
I-2 Etude historique et didactique de l’enseignement de sciences physiques
I-3 Objectif, typologie et fonctions didactiques de l’expérience
II- Problématique et hypothèses
II-1 Etat des lieux (les contraintes de l’enseignement de sciences physiques)
II-2 Questions de recherche, objectifs et hypothèses
II-3 Analyse
III.Méthodologie
III-1 Etat de lieux
III-2 L’expérimentation
III- 3 Analyse
IV. La proposition didactique
IV-1 Fondement de la proposition et principe de la démarche proposée
IV-2 Choix du niveau scolaire et du concept-support
IV- 3 Construction du problème et prévision du déroulement
IV-4 Analyse
V. Résultats
V-1 Résultat du questionnaire
V-2 Résultat des séances d’observation des TP classiques
V-3 Résultat des observations des TP proposés
V-4 Analyse
Conclusion partielle
2ème PARTIE : NOTRE SUJET 
I- Cadre théorique
I-1 Constructivisme et socio-constructivisme
I-2 Quelques références théoriques
II- Problématique
II-1 Etat des lieux
II-2 Questions de recherche, objectif de la recherche et hypothèses
III- Méthodologie
III-1 Nos outils
III-2 La phase exploratoire et descriptive : un état des lieux
III-3 La phase d’expérimentation
IV- Notre proposition
IV-1 Principe de la proposition
IV-2 La mise en œuvre
V. Analyse
V-1 Analyse du questionnaire
V-2 Analyse da la séance de TP classiques
V-3 Evaluation de la démarche avant l’expérimentation
V-4 Analyse du déroulement de TP proposés
V-5 Evaluation de la séquence après expérimentation
VI- Conclusion générale
REFERENCE BIBLIOGRAPHIQUE

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