SITUATIONS-PROBLEMES ET ENSEIGNEMENT DE SCIENCES PHYSIQUES

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Les fondements épistémologiques et didactiques de la situation-problème

Deux courants épistémologiques : l’instrumentalisme et le socio-constructivisme

Le fondement épistémologique renvoie à l’instrumentalisme, doctrine qui considère le savoir et les théories comme des outils nécessaires pour résoudre des problèmes. Selon Piaget, la construction de l’intelligence ne se fait par un simple enregistrement passif d’information, mais grâce à des instruments d’assimilation permettant de classer et de structurer le monde qui nous entoure, des schèmes plus efficaces qui se construisent dans l’interaction avec l’environnement. (Merieu, 1987)
Le socio-constructivisme de Vygotsky et de Bruner, un autre fondement, insiste sur le caractère social de tout apprentissage à condition que l’aide de l’enseignant soit stimulante et amplificatrice mais pas substitutive à l’activité propre de l’élève pour la construction de son savoir (Astolfi, 1993). Le savoir, un produit social que l’on ne construit pas soi-même mais avec les autres et pour les autres, ne se donne pas, chacun doit le construire. Par ailleurs, il se construit dans l’action Il ne s’agit pas de simples manipulations mais d’actions mentales et d’opérations intellectuelles.

Les concepts didactiques

• La représentation
Avant l’apprentissage, les élèves ont généralement une représentation mentale, souvent erronée, du concept ou de la notion qu’ils vont étudier. Cette représentation s’est forgée au cours des années soit à partir de situations scolaires, soit à partir de situations de la vie courante. Au cours de l’apprentissage, les nouveaux savoirs interagissent avec les préconceptions anciennes, l’élève décode l’information reçue par l’intermédiaire de son système de représentations et de connaissances. « La construction du savoir constitue donc en faite une évolution des représentations antérieures vers un système objectivement et scientifiquement acceptable. » (Robardet, 2006)
• L’obstacle
Du point de vue épistémologique, la situation-problème repose sur l’importance de l’obstacle dans l’évolution de la science, énoncé dans les travaux de Bachelard mais aussi de Piaget et Wallon (Astolfi et Develay, 1989). C’est en confrontant et surmontant des obstacles épistémologiques que les scientifiques ont connus des progrès.

Dans le domaine scolaire, l’obstacle auquel on se réfère est celui dans le sens épistémologique, de l’ordre du manque de concepts et de connaissances théoriques ou procédurales, voire de compétences comme le souligne Astolfi (1993)
Dans une situation-problème, on ne peut réussir sans conceptualiser, sans comprendre et sans apprendre. Le franchissement de l’obstacle est indispensable et assure l’acquisition ou le réinvestissement d’une notion.
Il faut donc cibler un obstacle, puis « construire rationnellement une situation didactique, (…) diversifier la manière dont les séquences sont commandées, alors qu’elles sont souvent des mises en texte du savoir qui sont sinon linéarisées » (Astolfi et Develay, 1989).
• L’objectif-obstacle
Si l’objectif premier visé dans un enseignement s’appuyant sur une situation-problème est le dépassement d’un obstacle (épistémologique), le choix de cet obstacle amène à parler d’objectif-obstacle comme le propose Martinant (Boilevin, 2005). Le principe est de rechercher les obstacles dont le dépassement est à la fois possible et enrichissant, puis de définir les conditions didactiques permettant de le franchir. Ils pourront constituer des points forts de la démarche d’apprentissage.

Face aux résistances des représentations erronées ou inadéquates, les didacticiens ont donc proposé de créer des situations d’apprentissage autour de ces « objectifs-obstacles ». Ces situations doivent permettre de construire un espace de réflexion autour d’un problème à résoudre et permettre à l’élève d’enrichir ses connaissances de nouvelles représentations en écartant celles qui faisaient obstacle.
• Le conflit socio-cognitif
Le conflit socio-cognitif est l’interaction cognitive entre des sujets ayant des points de vue différents (Merieu, 1997). Chaque élève prend en compte les points de vue des autres pour qu’il y ait réellement interaction. Dalongeville et Huber (2000) décrit la dynamique de la situation problème comme suit : les représentations initiales d’un apprenant sont mises en crise (conflit cognitif) par la confrontation à une situation-problème, puis avec les interprétations et les propositions de résolution du problème des autres apprenants voire du formateur (conflit socio-cognitif). Cette mise en travail des représentations initiales produira de nouvelles représentations plus riches, plus complexes, en lien plus pertinent avec la réalité.

Critères et caractéristiques d’une situation-problème

Selon De Vecchi et Carmona-Magnaldi (2002), les critères qui définissent une véritable situation-problème sont :
– avoir du sens (interpeller, concerner l’apprenant qui ne se contente pas d’obéir, d’exécuter),
– être lié à un obstacle repéré, défini, considéré comme dépassable et dont les apprenants doivent prendre conscience à travers l’émergence de leurs conceptions (représentations mentales),
– faire naître un questionnement chez les élèves (qui ne répondent plus aux seules questions),
– créer une ou des ruptures, qui remettent en cause ce qu’ils pensent,
– correspondre à une situation complexe, si possible liée au réel, pouvant ouvrir sur différentes réponses acceptables et différentes stratégies utilisables ;
– déboucher sur un savoir général (notion, concept, loi, règle, compétence, savoir-être, savoir- devenir…),
– faire l’objet d’un ou plusieurs moments de métacognition (analyse a posteriori de la manière
dont les activités ont été vécues et du savoir qui a pu être intégré).
En outre, la situation comparable à celle d’un chercheur et la présence d’une véritable rupture (pour déconstruire les obstacles) caractérisent les situations-problèmes. Placés face à un problème, les élèves sont obligés à adopter une démarche personnelle pour aboutir à la construction d’un nouveau savoir.

Dans le même esprit, Astolfi (1993) caractérise une situation –problème comme suivantes:
– Elle est organisée autour du franchissement d’un obstacle par la classe, obstacle préalablement bien identifié.
– Le travail s’organise autour d’une situation à caractère concret, qui permet effectivement à l’élève de formuler hypothèses et conjectures4.
– Les élèves perçoivent la situation qui leur est proposée comme une véritable énigme à résoudre, en lien avec sa réalité, dans laquelle ils sont en mesure de s’investir.
– Les élèves ne disposent pas, au départ, des moyens de la solution recherchée, en raison de l’existence de l’obstacle qu’il doit franchir pour y parvenir. C’est le besoin de résoudre qui conduit l’élève à élaborer ou à s’approprier collectivement les instruments intellectuels qui seront nécessaires à la construction d’une solution.
– La situation doit offrir une résistance suffisante, amenant l’élève à y investir ses connaissances antérieures disponibles ainsi que ses représentations, de façon à ce qu’elle conduise à leur remise en cause et à l’élaboration de nouvelles idées.
– Pour autant, la solution ne doit pourtant pas être perçue comme hors d’atteinte pour les élèves, la situation-problème n’étant pas une situation à caractère problématique.
– L’anticipation des résultats et son expression collective précèdent la recherche effective de la solution, le « risque » pris par chacun faisant partie du « jeu ».
– Le travail de la situation-problème fonctionne ainsi sur le mode du débat scientifique à l’intérieur de la classe, stimulant les conflits socio-cognitifs.
– La validation de la solution et sa sanction n’est pas apportée de façon externe par l’enseignant, mais résulte du mode de structuration de la situation elle-même.
– Le réexamen collectif du cheminement parcouru est l’occasion d’un retour réflexif, à caractère métacognitif ; il aide les élèves à conscientiser les stratégies qu’ils ont mises en œuvre de façon heuristique5, et à les stabiliser en procédures disponibles pour de nouvelles situations-problèmes.
Concernant la tâche rattachée à une situation-problème, Dalongeville et Huber (2000)
expliquent que :
– Elle contient des données initiales qui précisent le contexte de la situation et qui sont utiles pour résoudre le problème.
– Il y a un but à atteindre (différent de l’objectif d’enseignement) qui donne un sens à la mobilisation et à l’organisation des connaissances.
– Il y a des contraintes ou des obstacles à surmonter qui exigent une réorganisation des connaissances antérieures et qui amènent l’élève à trouver d’autres moyens, donc à faire des apprentissages.
– La démarche et la solution ne sont pas évidentes; la personne doit faire une recherche cognitive active pour savoir comment procéder.
En outre, ce qui caractérise surtout les situations-problèmes, soulignent De Vecchi et Carmona-Magnaldi (2002), c’est la présence d’une véritable rupture (pour déconstruire les obstacles), et la situation comparable à celle d’un chercheur, placé face à un problème qui l’oblige à adopter une démarche personnelle pour aboutir à la construction d’un nouveau savoir.

Rôles des acteurs

La dimension sociale a un rôle important dans la construction de savoir car « on apprend avec les autres et par les autres » (De Vecchi et Carmona-Magnaldi 2002). Alors, il est indispensable de préciser ce qui sera à la charge des élèves et ce qui sera de la responsabilité du professeur dans les interactions didactiques (Boilevin, 2005) avant de mettre en place une situation-problème.

Rôle de l’enseignant

Le professeur doit avoir la capacité d’expliciter et d’ajuster le contrat didactique. Perrenoud (1997) propose que l’enseignant doit encourager et de guider le tâtonnement. Il doit accepter des erreurs comme sources essentielles de régulation et de progrès, à condition d’être analysées et comprises. Il est là pour soutenir la coopération entre élèves dans des tâches complexes, et entendre les résistances des conceptions des élèves et en tenir compte. Son implication personnelle dans le travail ne doit pas le placer constamment « dans la position de l’arbitre ou de l’évaluateur, sans pour autant devenir un égal ».

Le rôle de l’enseignant dans ce processus, développent De Vecchi et Carmona-Magnaldi (2002), n’est seulement de proposer aux élèves une situation à laquelle ils s’adhèrent. Il peut intervenir au moment propice, sans jamais guider les élèves à la solution, sont indispensables,
il est « un absent….très présent ! ».
Alors, l’enseignant doit :
– être continuellement à l’écoute des élèves,
– savoir attendre, tout en observant,
– bien gérer la phase d’approbation du problème,
– entrer dans la démarche des élèves sans imposer la sienne,
– faire expliciter ou formuler quand ce n’est pas clair ou quand il y a une anomalie dans le raisonnement,
– favoriser les échanges,
– veiller aux bonnes relations sans jamais porter de jugement négatif, au contraire,
– s’assurer que tous suivent et progressent, que ce n’est pas seulement la démarche d’un ou deux élèves,
– proposer des aides au bon moment,
– pointer une remarque passée inaperçue mais que l’on juge intéressante,
– relever les contradictions,
– parfois donner directement des éléments de réponse aux questions qu’ils se posent si on juge que celles-ci n’ont qu’un intérêt limité,
– apporter des contre-exemples que le groupe est sur la mauvaise voie,
– mettre en évidence le point important,
– si besoin, renvoyer à la situation de départ et rappeler le but à atteindre,
– faire formuler des synthèses partielles,
– permettre la validation au bon moment,
– avoir un certain degré d’exigence sur les productions en expliquant pourquoi,
– faire s’exprimer les élèves sur leur démarche.

Rôle de l’élève

Comme la situation problème permet aux élèves de faire de réels apprentissages en les plaçant au cœur du processus d’apprentissage et sollicite l’engagement de l’élève (Merieu, 1987), l’élève identifie les problèmes, participe au débat en soumettant ses idées et collabore à l’élaboration d’une ou des représentations de la classe. Il émet ensuite ses propres hypothèses et travaille sur leur validation. A la fin de la séquence, il est intéressant que l’élève prenne conscience du chemin qu’ils ont parcouru, par un retour sur leurs conceptions initiales, les présupposés, que l’on compare à la production finale. Autrement dit, il devrait prendre conscience de l’évolution de ses représentations. Il s’agit en fait d’un travail de métacognition qui est une démarche d’auto-évaluation pertinente.

« Dans une pédagogie de situations-problèmes, le rôle de l’élève est de s’impliquer, de participer à un effort collectif pour réaliser un projet, par la même occasion, de nouvelles compétences. Il est invité à faire part de ses doutes, à expliciter ses raisonnements, à prendre conscience de ses façons de comprendre, de mémoriser, de communiquer. On lui demande en quelque sorte, dans le cadre de son métier d’élève, de devenir un praticien réflexif. » (Perrenoud, 1997).
De Vecchi et Carmona-Magnaldi (2002) précisent que les activités proposées permettent l’entrée progressive des élèves dans les situations-problèmes : au niveau des savoir-faire et au niveau des savoir-être.
Au niveau des savoir-faire, l’élève apprend à :
– identifier une tâche,
– comprendre ce qu’est un problème,
– analyser un énoncé, une consigne,
– savoir qu’il peut y avoir différentes réponses à un problème,
– anticiper, émettre une hypothèse,
– travailler sur les hypothèses que l’on doit éprouver, tester,
– raisonner sue des petits problèmes, traiter certaines informations,
– mobiliser ses savoirs (utiliser ce que l’on sait déjà),
– entrer dans des petites situations-problèmes individuelles et aborder la méthodologie générale d’une activité de résolution de problème.
Au niveau des savoir-être, l’élève doit être capable et accepter de :
– rentrer dans une démarche de prise d’autonomie dans le travail,
– vivre l’école comme un lieu de participation et d’action,
– ne pas subir le groupe mais apprendre à travailler en son sein,
– vivre les provocations, les ruptures,
– se centrer sur un sujet,
– chercher et prendre conscience qu’on peut être capable de trouver seul,
– construire,
– être mis en lumière,
– reconnaître les opinions différentes, critiquer les autres et bien vivre la critique,
– vivre l’erreur en positif (au moins pendant les moments d’apprentissage),
– dire tout ce que l’on veut, ce que l’on pense et non pas répondre seulement aux questions que pose l’enseignant,
– se parler directement d’apprenant à apprenant, et non en passant toujours pas l’enseignant,
– écouter, être écouté, respecter la parole et les idées des autres,
– être curieux, laisser émerger son appétit de savoir.

Conception et mise en œuvre

Les apports de Fabre

Dans le cadre didactique, une analyse épistémologique du savoir à enseigner est nécessaire pour repérer les concepts clés puis identifier les problèmes auxquels ces concepts apportent la solution. Il s’agit de déterminer le contenu du savoir en jeu, les grandes opérations mentales liées à son acquisition, les classes de problèmes à gérer, les obstacles à dépasser et les situations critiques qui lui contredisent. Cela permet alors de concevoir une situation-problème véritablement organisé autour d’un objectif-obstacle : il est possible d’interpréter les représentations initiales des élèves en termes d’obstacle. La situation doit être alors formulée de façon à entrer en contradiction avec les représentations et à développer des conflits cognitifs ou socio-cognitifs : l’élève se confronte à un problème qu’il ne peut pas résoudre ou à des points de vue qu’il ne partage pas, ce qui ébranle ses conceptions et le met en situation de déséquilibre (Fabre, 2002).

Les apports de Merieu

La situation-problème est conçue de manière à réaliser une situation qui suit une certaine logique :
Il est proposé aux apprenants de poursuivre une tâche qui ne peut être menée à bien que si l’on surmonte un obstacle. Ce dernier constitue le véritable objectif d’acquisition de l’enseignant.
Grâce à un système de contraintes l’apprenant ne peut mener à bien le projet sans affronter l’obstacle qu’il peut surmonter à l’aide d’un système de ressources.

Dans le « guide méthodologique pour l’élaboration d’une situation problème », en annexe de son ouvrage : Apprendre oui …mais comment ? (1987), Merieu propose quatre grandes questions que l’enseignant doit s’interroger avant l’élaboration d’une situation-problème.
1. Quel est mon objectif ? Qu’est-ce que je veux faire acquérir à l’apprenant qui constitue pour lui de progression importante dans son développement cognitif ?
2. Quelle tâche puis-je proposer qui requière, pour être menée à bien, l’accès à cet objectif (communication, reconstitution, énigme, réparation, résolution, etc…) ?
3. Quel dispositif dois-je mettre en place pour que l’activité mentale permette, en réalisant la tâche, l’accès à l’objectif ?
 Quel matériau, documents, outils dois-je réunir ?
 Quelle consigne-but dois-je donner pour que les apprenants traitent les matériaux pour accomplir la tâche ?
 Quelles contraintes faut-il introduire pour empêcher les sujets de contourner l’apprentissage ?
4. Quelles activités puis-je proposer qui permettent de négocier le dispositif selon diverses stratégies? Comment varier les outils, démarches, degrés de guidage, modalités de regroupement?

En outre, la mise en œuvre d’une situation- problème doit être régulée par un ensemble de dispositifs d’évaluation. Une évaluation diagnostique qui a été effectuée, pour déterminer les compétences et capacité des sujets, déterminer la nature des apprentissages à réaliser. Une évaluation en cours de formation qui est formative si elle contribue à identifier des procédures efficaces de travail et à une formalisation suffisante de celles-ci pour en faciliter la réalisation. Et une évaluation sommative, c’est-à-dire, l’évaluation de l’acquisition elle-même, et son appropriation requiert une « décontextualisation » ; celle-ci pourra s’effectuer grâce à des exercices différents.

Les apports d’Astolfi

Dans l’article « Apprenons pour enseigner », Astolfi propose des points de repère essentiels pour la construction didactique d’une séquence d’apprentissage :
– choisir le contenu d’enseignement qui va faire l’objet de l’apprentissage et déterminer les notions clés et les logiques entre elles.
– caractériser les objectifs-obstacles que l’on se propose de franchir en considérant les représentations initiales du groupe d’élèves par rapport à ce contenu
– construire un dispositif cohérent avec l’objectif-obstacle choisi, c’est-à-dire, mettre au point une situation qui oblige l’élève à confronter à l’obstacle en anticipant sur la formulation des consignes, l’utilisation des outils d’apprentissage (parole, écrits, matériaux…), choisir des modes de travail (travail individuel, par groupe ou collectif) et les styles d’intervention de l’enseignant.

– prévoir, en même temps, une différenciation des activités pour tenir compte de la diversité des styles d’apprentissage.
– penser à des procédures de rémédiation possibles : dispositifs de différenciation et procédures d’évaluation formative
– donner des critères d’évaluation de la séquence pour vérifier l’atteinte de l’objectif, c’est-à-dire du dépassement de l’obstacle, jugé franchissable.

Les apports de De Vecchi et Carmona-Magnaldi

Il est essentiel de « faire vivre » les situations- problèmes pour permettre « des véritables savoirs à s’installer » (De Vecchi et Carmona-Magnaldi, 2002). Or, instaurer la situation-problème semble en rupture avec les pratiques habituelles. Il faudrait alors « changer d’état d’esprit pour changer de pratique, et changer de pratique pour faire intégrer aux apprenants un autre état d’esprit ». Autrement dit, créer un nouvel élan chez l’enseignant, une dynamique qui modifie en profondeur l’état d’esprit du travail de la classe

Pour créer une situation-problème, le plus simple, c’est de renvoyer aux élèves leurs propres conceptions contradictoires. C’est-à-dire, leur faire prendre conscience de leur ignorance ou leur incompétence face à un savoir qu’ils devraient ou qu’ils pensaient vraiment maîtriser. De Vecchi et Carmona-Magnaldi propose un ensemble d’indicateurs dont les étapes successives ne se dérouleraient pas d’une manière linéaire mais plutôt une approche globale, pour mener une situation-problème :
– Détermination des obstacles et définition des objectifs
– Présentation de la situation-problème
– Émergence des conceptions
– Recherche tâtonnante
– Élaboration d’une production
– Validation
– Passage du cas particulier à un savoir d’ordre général
– Évaluation (analyse de la démarche suivie, comparaison des démarches des différents groupes)
– Métacognition (évaluation du chemin parcouru (prise de conscience de ce qui a été appris par comparaison avec les conceptions initiales).

Les apports de Dalongeville A. et Huber M.

Pour Dalongeville et Huber (2000), les étapes clés pour construire des situations-problèmes sont :
– Cerner l’objectif cognitif de l’activité en fonction des notions ou concepts qu’on veut aborder.
– Repérer les représentations majoritaires chez les élèves.
– Formuler la situation-problème de façon à prendre le contre-pied de ces représentations majoritaires et à susciter des conflits cognitifs, moteur de la motivation. Ne pas hésiter à être provocateur si c’est nécessaire. La formulation de la situation-problème doit être ambiguë, insolite, déstabilisante.
– Réunir des documents servant de point d’appui à la démarche de questionnement et adapté à la démarche prévue.

Comment conduire une situation-problème ?

Dans la pratique traditionnelle, il existe deux phases essentielles, la phase d’acquisition du contenu par un mode transmissif et la phase d’acquisition pendant laquelle les élèves font des exercices d’application en utilisant leurs connaissances. Il est tout à fait autrement dans les conditions mettant en œuvre une situation-problème car « Réfléchir en termes d’obstacles, c’est inventer une situation qui crée le besoin d’apprendre. Il suffit donc d’orienter autrement sa manière habituelle. » (Dalongeville et Huber ,2000)
Plusieurs éléments sont nécessaires au bon déroulement d’une séquence :
– Partir des représentations initiales : les faire formuler individuellement
– Accompagner la situation-problème d’une tâche à réaliser seul ou en groupe qui débouche sur une production concrète : idée de mission à remplir
– Fixer le temps pour remplir cette mission
– Construire la séquence autour d’objectifs notionnels ou conceptuels
– Anticiper : imaginer à l’avance un certain nombre de scénarios
– Faire formuler individuellement les nouvelles représentations et les comparer aux précédentes.

Table des matières

INTRODUCTION
I LA SITUATION-PROBLEME
I-1 Définition du concept situation-problème
I-2 Les fondements épistémologiques et didactiques des situations-problèmes
I-3 Critères et caractéristiques d’une situation-problème
I-4 Rôles des acteurs
I-5 Conception et mise en œuvre
II SITUATIONS-PROBLEMES ET ENSEIGNEMENT DE SCIENCES PHYSIQUES
II-1 Les instructions officielles
II-2 Les démarches expérimentales
II-3 Les attributs d’une situation-problème en sciences physiques
II-4 Conduite de l’enseignement de sciences physiques par situation-problème
III UN ENSEIGNEMENT DE LA MECANIQUE AU LYCEE, CONCU PAR ROBARDET
III-1 Objectif
III-2 Déroulement de la séquence
III-3 Evaluations .
IV CONCLUSION ET PERSPECTIVE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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