Historique : de la méthode expérimentale à de la démarche d’investigation 

Choix d’une séquence commune pour l’expérimentation

Nous avions des contraintes de programmation spiralaire dans nos écoles respectives et l’ambition de choisir une séquence très adaptée pour visualiser toutes les étapes de la démarche d’investigation avec nos élèves de CE2. Nous avons choisi de traiter des « mélanges et solutions ». Ce choix a plusieurs raisons. Les nombreuses conceptions que les élèves peuvent avoir en la matière seront un terreau à l’émission d’hypothèses, la conception des expériences sera à la portée des élèves de CE2, la facilité des manipulations ne parasitera pas la réalisation des étapes de la démarche. Le choix de cette séquence a donc été fait pour une utilisation simple de cette démarche : se questionner, émettre des hypothèses, expérimenter, analyser les résultats. La séquence est exactement la même dans la classe A et dans la classe B, ce choix est explicité plus loin, lorsque nous évoquons les raisons d’utiliser un protocole croisé. La séquence est décrite dans son intégralité en annexe 2.

Choix des outils

La séquence ne sert que de support à l’expérimentation étudiée dans cet écrit réflexif, afin de la mettre à profit nous avons mis au point un outil spécifique permettant d’inclure, de la façon la plus transparente possible, une forme d’évaluation formative dans la démarche d’investigation.

Tableau du déroulement de la démarche d’investigation

Cette séquence, telle que nous l’abordons dans nos classes, repose sur un déroulé de la démarche d’investigation établie par l’équipe pédagogique de la circonscription d’Annecy Ouest à partir des travaux d’E. Blanquet. Ce déroulé reprend l’ensemble des moments clés de la démarche d’investigation tels qu’ils ont été décrits dans la première partie de cet écrit réflexif et il s’appuie sur cinq étapes bien identifiées. Cette présentation en tableau présente un avantage pour nos élèves de CE2, en effet les différentes étapes successives sont présentées conjointement avec leur description succincte (des phrases simples et claires pour ne pas ajouter de confusions sur la nature des démarches à observer) et avec un pictogramme évoquant le contenu de l’étape correspondante. Ainsi les élèves ont plusieurs biais pour se souvenir du protocole. Le tableau d’étapes de la démarche d’investigation tel que nous l’utilisons et auquel nous ferons référence dans toute la suite est le suivant :
Pour la suite de cet écrit réflexif les pictogrammes, ainsi que les étapes correspondantes, seront désignés ainsi : de 1 à 5 en partant du haut du tableau afin de respecter le sens de progression de la démarche d’investigation. Nous utilisons un livret de séquence, c’est-à-dire que nous avons relié nos séances (au lieu de les ranger dans un grand classeur en fin de séance et de ne pas faire de lien entre elles) pour créer un document unique contenant uniquement les éléments liés à la séquence. Nous appellerons ce livret « mon cahier des sciences ». La couverture de ce cahier de sciences reprend le tableau exposé juste avant, c’est un rappel des étapes de la démarche d’investigation agrémentées des pictogrammes repères. Puis nous glissons au fur et à mesure les séances. Le but est que les élèves gardent la totalité de leurs recherches tout au long de notre séquence : déroulés des expérimentations, résultats des expérimentations, principes sous-jacents mais également leurs hypothèses de départ. Pour la mise en place des séances nous utilisons les mêmes outils et substances dans les deux classes. Pots en verre, cuillères, sucre, sable, huile… Le matériel est passé d’une classe à l’autre pour être certain qu’il n’y ait aucune altérité dans les expériences. C’est pour cette raison que les expériences sont faites avec une semaine de décalage entre la classe A et la classe B, afin de vérifier le matériel et ensuite de l’échanger.

Pourquoi un protocole croisé ?

Afin d’aider les élèves à faire un lien entre leurs hypothèses initiales, les manipulations et les principes généraux à retenir, nous avons décidé de faire un feedback après la phase de manipulation, entre les étapes 4 et 5. Nous avons choisi d’intercaler notre feedback formatif à ce moment-là de la démarche d’investigation, telle que décrite précédemment, car c’est le moment où les élèves doivent remettre en perspective ce qui a été observé pendant la manipulation par rapport aux questions et hypothèses qui nous ont conduit à faire cette manipulation. Nous faisons l’hypothèse que ce temps supplémentaire, l’étape 4 bis que nous nommons « ce que je pense maintenant », serait propice à intégrer ou corriger les résultats de leurs expérimentations comme un nouveau savoir. Cette nouvelle étape est donc notre processus d’évaluation formative. Il est mis en place pour permettre à l’élève de se situer dans la progression de la démarche d’investigation et pour l’aider à donner du sens à ce qu’il a fait et ce qu’il a observé.
Le pictogramme de cette nouvelle étape 4bis est le même que celui de l’étape 2 afin de rappeler que c’est à nouveau une étape de réflexion. Afin de vérifier si ce dispositif apporte quelque chose aux élèves, sa mise en place va différer entre la classe A et la classe B. Cette différence va nous permettre de voir si les résultats des élèves changent significativement lorsque les élèves passent par l’étape 4bis en plus du reste de la démarche t raditionnelle. Ainsi la classe A commencera la séquence en utilisant la démarche à 5 étapes pour la première séance et n’utilisera la démarche à 6 étapes (étapes 1 à 5 plus étape 4bis) qu’à partir de la deuxième séance. La classe B commencera utilisera la démarche à 6 étapes (étapes 1 à 5 plus étape 4bis) dès la première séance et la réutilisera également lors de la deuxième. La pertinence des réponses et les résultats à l’évaluation finale dans les classes A et B seront croisés entre eux. Déployer le dispositif sur une seule classe, ou de façon identique dans les deux classes, nous paraissait insuffisant pour vérifier l’impact du protocole.

Mise en place des séances dans nos classes

Nous avons mené nos observations sur les deux premières séances de la séquence fournie en annexe 2. Même si les séances ont lieu avec un décalage d’une semaine entre la classe A et la classe B en raison du matériel, elles restent dans le même ordre. Nous allons maintenant décrire le déroulement de ces séances.

Séance sur les notions solubles et non soluble

Comportement : Premières manipulations donc très motivés. Un peu d’excitation. Les élèves suivent bien les indications et le protocole. Les élèves sont par groupes de 4 et ils ont 4 mélanges à faire donc tous manipulent. Matériel : Utilisation de petits pots en verre (plus stable que le plastique ou moins fragile que les tubes à essai). Utilisation de cuillères, sable, farine, sucre et sel (aucun danger à manipuler). Utilisation du cahier des sciences avec des étapes repérées et des schémas prédessinés.
Limites : Pour la classe A, le cahier des sciences comporte plusieurs feuilles et comme les groupes ne font pas les mélanges dans le même ordre ils sont désorientés. (Ils ne peuvent pas suivre l’ordre du cahier). Ce problème ne se pose pas pour la classe B qui utilise une feuille A3 plutôt que des feuilles A4. Toujours pour la classe A les étapes de la démarche d’investigation étaient repérées par des pictogrammes mais le lien entre hypothèse de départ et institutionnalisation des résultats ne semble pas être fait. Ce problème ne se pose pas pour la classe B qui a déjà intégré une nouvelle étape dans la démarche a été créée : une étape avec le même pictogramme « ce que je pense » (mes hypothèses de départ) a été ajouté aprè s les manipulations « ce que je pense maintenant » (ce qui a changé dans ma vision). Les nouvelles questions sur la concentration et la saturation arrivent mais elles sont différées dans le temps ; on les note au dos du cahier des sciences. Une page est réservée « aux nouvelles questions que je me pose : » Mais la disponibilité des substances et du matériel, ainsi que la configuration de la classe, pourraient être propices à faire ces manipulations à la suite. Nous gardons un exemplaire de chaque pot pour voir l’évolution du phénomène lors de l’évaporation.

Séance sur les notions de miscible et non miscible

Lors de cette séance, dans les deux classes, la démarche d’investigation tient sur une seule page A3. Les deux classes ont l’étape de feedback, celle que l’on a nommé 4bis, après les manipulations. Comportement : Les élèves sont par groupe de 4 et ils ont 4 mélanges à faire donc tous manipulent. Tous très motivés. Un peu d’excitation. Les élèves suivent bien les indications et le protocole. Matériel : Utilisation de petits pots en verre (plus stable que le plastique ou moins fragile que les tubes à essai). Utilisation de cuillères, huile, vinaigre, miel, sirop de menthe (aucun danger à manipuler). Utilisation du cahier des sciences avec des étapes repérées et des schémas pré dessinés.
Limites : Les schémas pré-dessinés brides les résultats des élèves, en effet nous n’avions pré dessiné qu’un verre par mélange alors que les élèves remarquent plusieurs étapes mais ne redessinent pas un autre verre. Les élèves ne peuvent donc que choisir entre par exemple dessiner les bulles que l’on voit lors de l’émulsion (eau + huile) ou dessiner le résultat séparation des 2 liquides. Nous n’avions pas défini d’un ordre de mélange pouvant ainsi modifier le premier stade avant émulsion (ex : eau + sirop). Nous gardons un exemplaire de chaque pot pour voir l’évolution du phénomène lors de l’évaporation mais des odeurs fortes apparaissent dans la classe.

Évaluation finale des séances

Après les séances 1 et 2 décrites précédemment, nous faisons passer une évaluation commune dans les classes A et B afin de vérifier ce qu’ils ont retenu des principes scientifiques et des expérimentations.

Discussion

Re-contextualisation

Nous avons choisi de faire une étude sur l’intégration et la compréhension de la démarche d’investigation pour des élèves de CE2. Notre hypothèse porte sur l’absence de lien pour ces jeunes élèves entre leurs manipulations et l’apprentissage des résultats de ces dernières. Nous avons essayé d’intégrer une évaluation formative afin d’améliorer cette connexion. Nous avons choisi un protocole croisé entre deux classes de CE2 pour différentes raisons. Ainsi, nous augmentons la taille de notre échantillon et nous pouvons tenir compte de la difficulté des séances (étant très difficile d’avoir deux séances en sciences d’une difficulté identique qui permettraient de mener cette observation sans études croisées).
La classe B a utilisé l’évaluation formative pour les deux séances, elle a servi de classe témoin sur la difficulté des séances. Alors que la classe A a utilisé l’évaluation formative à partir de la deuxième séance. Nous avons émis l’hypothèse que si les séances ont une difficulté constante alors les résultats pour la classe A seront en amélioration grâce à cette nouvelle étape.

Interprétation des résultats

Comparaison raisonnable de nos deux classes

Une évaluation commune sur une séquence précédente, nous a permis de vérifier la légitimité de comparer nos deux classes. En effet nous avions déjà interprété les résultats de « Tableau et graphique : volcan », en amont dans notre écrit.
Lors de nos séances « mélanges et solutions » nous pouvons constater (cf tableau N°5 classe A et classe B) que -le nombre d’élève à avoir une note ≥ 13/20 est de 16 pour classe B et 19 pour classe A.
-le nombre d’élève à avoir une note ≤8/20 est de 1 pour les deux classes.
-le nombre d’élève qui reste constant entre les deux séances est de 5 dans les deux classes.
Globalement les résultats semblent proches mais je dois faire un focus pour les vérifier. Alors je compare les moyennes des deux classes sur ces deux séances (cf. Tableau N°6 moyennes des classes), Je remarque que les moyennes sont très proches les unes des autres comprises entre 7/10 et 7.62/10. Mais ces résultats ne me permettent pas de conclure que ces deux groupes ont des niveaux identiques. En vérifiant les écarts types, (cf. Tableau N°7 écarts types des classes) je mesure la disparité des notes vis-à-vis de la moyenne et je constate que les deux classes ont sensiblement les mêmes écarts types et représentent donc des groupes ayant une homogénéité très proche. Ces résultats cumulés, me confortent dans la légitimité de comparer nos deux classes.

Comparaison de la difficulté des séances

Je dois, dans un premier temps, estimer la difficulté des séances l’une par rapport à l’autre afin d’en tenir compte lorsque je mesurerai les effets de notre évaluation formative au sein de la classe A.
La classe B utilise l’évaluation formative pour ses deux séances, en analysant ses résultats je pourrai dégager cette estimation.
Je remarque (cf. tableau N°4 classe B) que 11 élèves ont une note inférieure () en deuxième séance (contre 5 qui ont une note constante () et 8 une note supérieure ()). Donc je remarque une certaine régression alors que les élèves, moins novice face à ce travail, auraient dû être constants ou en amélioration. Je conclus que la séance N°2 semble être plus difficile que la séance N°1. Ici je mesure juste le nombre d’élève à avoir progressé ou régressé, et non le résultat des notes.
Si j’exploite ce résultat pour la classe B je remarque (cf. tableau N°4 classe B) que le nombre d’élève à avoir une note ≤13 et de 7 pour les deux séances (idem pour les notes≥13). Mais attention ce ne sont pas forcément les mêmes élèves.
De même si je regarde le nombre de points cumulés de toute la classe B nous obtenons un résultat de 183 points pour les deux séances, alors même si plus d’élèves ont régressé, ceux qui ont progressé ont compensé cette diminution.
Cette « constance » n’invalide pas ma conclusion « la séance N°2 semble légèrement plus difficile que la séance N°1 » puisque les élèves ayant été dans une deuxième démarche auraient dû être, face à des protocoles quasi-identiques (mélanges, matériel…) plus performant.

Comparaison des résultats pour la classe A

Afin de valider notre hypothèse je dois décrypter les résultats de la classe A afin de vérifier l’utilité de notre étape d’évaluation formative placer après les manipulations. Dans le tableau N°2 classe A : Je remarque que 7 élèves ont une note inférieure () en deuxième séance, contre 5 qui ont une note constante () et 12 une note supérieure (). Pour cette classe le nombre d’élève à avoir progressé et plus grand. De même entre les deux séances le nombre d’élève à avoir une note ≥13 a augmenté, (il est passé de 15 à 18 élèves), et le nombre d’élève à avoir une note ≤ 8 a diminué (4 puis 2 élèves).
Sur le graphique N°1 classe A nous pouvons visualiser cette progression. En rouge la séance N°2, en bleu la séance N°1, nous observons que les bâtons rouges sont plus petits que les bleus pour les notes ≤13.

Table des matières
1.Introduction 
2. État de l’art 
2.1. La démarche d’investigation
2.1.1.Les spécificités d’une démarche
2.1.2.Historique : de la méthode expérimentale à de la démarche d’investigation
2.1.3.Principe de la démarche d’investigation
2.1.4.Guider pour accompagner l’apprenant dans la démarche d’investigation
2.1.5.Synthèse de la démarche expérimentale
2.2.L’évaluation formative
2.2.1.Quelle forme d’évaluation ? Dans quel but ?
2.2.2.Les mécanismes de l’évaluation formative
2.2.3.Synthèse sur l’évaluation formative
2.3.Formulation de la problématique
3.Méthodologie 
3.1.Présentation de nos classes
3.1.1.Effectif des classes et environnement social
3.1.2.Niveau des classes en sciences
3.2.Choix d’une séquence commune pour l’expérimentation
3.3.Choix des outils
3.3.1.Tableau du déroulement de la démarche d’investigation
3.3.2.Pourquoi un protocole croisé ?
3.4.1.Séance sur les notions solubles et non soluble
3.4.2.Séance sur les notions de miscible et non miscible
3.4.3.Évaluation finale des séances
4.Résultats 
4.1.Résultats de la classe A
4.1.1.Tableau de notes de la classe A
4.1.2.Répartition des élèves de la classe A selon leur note
4.2.Résultats de la classe B
4.2.1.Tableau de notes de la classe B
4.2.2.Répartition des élèves de la classe B selon leur note
4.3.Statistiques tirées des résultats obtenus à l’évaluation finale
4.3.1.Comparaison des totaux des deux classes lors des deux séances
4.3.2.Calcul de l’écart type
4.3.3.Tableaux récapitulatifs de la moyenne et de l’écart type
5.Discussion 
5.1.Re-contextualisation
5.2.Interprétation des résultats
5.2.1.Comparaison raisonnable de nos deux classes
5.2.2.Comparaison de la difficulté des séances
5.2.3.Comparaison des résultats pour la classe A
5.3.Limites et perspectives
5.3.1.Critiques
6.Conclusion 
ANNEXE N°1 Evaluation témoin : volcans et séismes
ANNEXE N°2 Séquence « mélanges et solutions »
Bibliographie

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