Soutenance mémoire
Au Québec, comme dans plusieurs pays, les disciplines scientifiques, incluant la mathématique? connaissent des réaménagements importants dans leurs finalités, leurs contenus et leurs méthodes d’enseignement. Si les orientations actuelles témoignent d’une certaine préoccupation au regard d’une éducation pour tous, elles soulèvent de grands défis pour l’enseignement et pour la formation à l’enseignement (Martinand, 2011). Un défi pour l’enseignant est l’enseignement de concepts abstraits, l’un des processus cognitifs les plus élémentaires utilisés. Pourtant, quand il s’agit de mathématique, science et technologie (M, S&T), les concepts abstraits deviennent très difficiles à comprendre, d’une part, et à enseigner d’autre part (Radford, Demers et Miranda, 2009). C’est ce qu’on voit, jour après jour, dans les salles de classe. Ainsi, l’insatisfaction ressentie par les élèves face à un enseignement dogmatique, où les modèles sont présentés comme des évidences non questionnées et non rattachées à des problèmes (Martinand, 2010), incite à réfléchir sur la manière dont on pourrait enseigner des concepts abstraits, souvent associés aux M, S&T. D’ailleurs, Martinand (2010) rappelle, à juste titre, que les défis sont nombreux pour soutenir l’enseignant dans une démarche de modélisation pour faire passer des concepts de M, S&T de l’abstrait au concret.
Par exemple, les concepts de géométrie semblent souvent très abstraits pour les élèvesµ (Zhang, Ding et Mo, 2012). Lorsque l’enseignant travaille les figures semblables avec les élèves au premier cycle du secondaire par exemple, plusieurs ont de la difficulté à les visualiser. Plus les élèves progressent dans leur cheminement académique, plus on ajoute des dimensions. Les élèves moins performants se perdent ainsi dans leurs apprentissages, puisqu’ils sont incapables de se représenter les nouveaux concepts (Zhang et al., 2012) .
La représentation de concepts complexes peut être facilitée par les technologies de l’information et de la communication (TIC) qui sont maintenant présentes dans l’ensemble des domaines d’études (El Mhouti, Erradi et Nasseh, 2013) et dans de nombreuses écoles. En effet, en 2011 , le ministre Jean Charest a annoncé l’implantation d’un tableau blanc interactif (TBI) ou d’un tableau numérique interactif (TNI) 3 dans chaque classe québécoise. En 2011, le plan d’action de l’École 2.0 : La classe branchée prévoyait que, d’ici cinq ans, toutes les classes de l’éducation préscolaire, ainsi que de l’enseignement primaire et secondaire des écoles publiques québécoises seraient dotées de TNI. D’ailleurs, une recherche, financée par le ministère de l’Éducation, du Loisir et du Sport (MELS) a été réalisée par Samson et Lefebvre (2012-2015) afin d’évaluer l’apport d’un tel outil sur la bonification des pratiques enseignantes.
Pratique enseignante dans le domaine de la M, S&T
Au Québec, les élèves sont tous amenés à suivre un même programme de mathématique et, de science et technologie jusqu’à la fin de la première année du deuxième cycle (MELS, 2007). C’est en fonction de leur rendement dans ces disciplines qu’ils sont par la suite classés dans des programmes de M, S&T de différents niveaux, à partir de la deuxième année du deuxième cycle. En effet, le programme d’ études secondaires du MELS (2007) prévoit trois séquences en mathématique, soit Culture, société et technique, Technico-sciences et Sciences naturelles. En science et technologie, les élèves ont également trois options : le cours de Science et technologie, Applications technologiques et scientifiques ou Science et technologie de l’environnement qui les amènera vers la chimie et la physique de cinquième secondaire.
Plusieurs facteurs peuvent expliquer le rendement scolaire des élèves dans ces différentes séquences, notamment les caractéristiques propres aux élèves, l’environnement scolaire et les pratiques des enseignants (Lessard, Chouinard et Bergeron, 2009). Ces dernières ont été en principe modifiées par les nouvelles orientations mondiales et québécoises en M, S &T, puisque le renouveau pédagogique amorcé au début des années 2000 souligne l’importance d’avoir recours à des pratiques plus ouvertes, dont des approches permettant un enseignement contextualisé et intégratif (Samson, Hasni et Ducharme-Rivard, 2012). L’une des approches retenues pour ce travail est l’enseignement des M, S&T à partir d’une situation-problème, laquelle doit être ouverte, complexe et signifiante pour l’ élève.
L’apprentissage par une situation-problème s’inscrit dans la pratique ayant « l’action » comme constituant fondamental. Ainsi, l’ enseignant met en pratique des dispositifs au sein desquels l’ apprenant mobilise plusieurs fonctions qui, à terme, stabiliseront le savoir transmis. Cette action doit être structurée dans un cadre de signification (Sarremejane et Lémonie, 2011) : il faut que cela fasse un sens pour l’élève. La résolution des situations-problèmes suppose une coordination d’activités sémiologiques et culturelles : construire la signification de la situation et des données, abstraire des nombres et des opérations de cette situation, faire des opérations sur ces nombres et dégager des conclusions (Lave, 1996). Cependant, les manuels scolaires utilisés dans plusieurs classes du Québec proposent, pour plusieurs, une approche similaire à la méthode traditionnelle basée sur l’exposition de la théorie et sur les exercices répétés (Sarremejane et Lémonie, 2011). Ces derniers poursuivent en considérant que les pratiques enseignantes doivent être ajustées afin d’aider les élèves dans leurs apprentissages.
Ajustements de pratiques
Les changements de plus en plus complexes et rapides dans le monde de l’éducation obligent le personnel scolaire à effectuer des transformations dans leur enseignement (Savoie-Zajc, 2009). Par contre, au fil des ans, le portrait de l’enseignement de la mathématique et de la science et technologie à l’école semble n’avoir guère évolué (Couture, Dionne, Savoie-Zajc et Aurousseau, 2012). Les pratiques d’enseignement en M, S&T sont encore trop déductives et les enseignants négligent l’investigation des élèves (Coquidé, Fortin et Rumelhard, 2009; Couture et al., 2012).
En effet, lorsque des aménagements surviennent aux programmes éducatifs, la plupart des enseignants incorporent progressivement du nouveau matériel à leur enseignement (Dionne et Batobo, 2011) en procédant à de légers ajustements de pratiques, mais sans plus. Une étude effectuée en 2005 par Carr aux États-Unis révèle que si les enseignants sont laissés à eux-mêmes, peu d’entre eux apporteront des modifications à leur répertoire de pratiques. Pour soutenir les enseignants dans l’ajustement de leurs pratiques en fonction des révisions de leur programme, certains auteurs optent pour la création d’une communauté d’apprentissage (Dionne et Batobo, 2011). Sans être une panacée, ce mode de développement professionnel facilite l’adoption d’une posture réflexive, l’engagement mutuel des praticiens dans leur perfectionnement et la mise en place de pratiques enseignantes durables (Savoie-Zajc, 2009). La communauté d’apprentissage satisferait certains besoins chez l’enseignant et faciliterait le développement de compétences.
Par ailleurs, une étude récente indique que 51 % des enseignants manquent de compétences en TIC pour être en mesure d’utiliser adéquatement le TNI (Somyürek, Atasoy et Ozdemir, 2009) et que 49 % d’entre eux ne savent pas comment l’exploiter de façon pédagogique. Parmi les facteurs susceptibles d’influencer l’utilisation du TNI, nous trouvoI).s l’attitude des enseignants et leur manque d’expertise (Moore et Mottet, 2010; Samson et Lefebvre, 2012).
Or, l’enseignant a besoin d’être soutenu pour développer des approches qui suggèrent une participation active des élèves (Samson et al., 2012), mais il a également besoin d’outils efficaces et d’expertise. Des outils incontournables dans les domaines scientifiques sont la modélisation et la simulation. Notre recherche ne vise toutefois pas à exploiter la modélisation au sens propre du terme.
Modélisation et simulation en M, S&T
La modélisation, la simulation et la didactique représentent un vaste champ pour les recherches relatives à l’enseignement des M, S&T depuis des décennies (Giordan et Martinand, 1987; Gaidioz et Tiberghien, 2003; Coquidé et Le Maréchal, 2006; Le Maréchal et Robinault, 2006). Les modèles constituent un outil privilégié pour véhiculer les idées scientifiques, permettant entre les enseignants et les élèves, de rendre compte, d’interpréter et de prévoir des phénomènes (Le Maréchal et Robinault, 2006). L’objectif pédagogique principal de l’utilisation des modèles est que l’élève construit ses savoirs en modélisant des phénomènes scientifiques. Plusieurs auteurs veulent mieux connaître les façons dont on peut recourir à la modélisation et la simulation pour enseigner et faire apprendre en concevant, construisant, manipulant et en adaptant des objets réels ou virtuels (Giordan et Martinand, 1987; Linn, 2003 ; Coquidé et Le Maréchal, 2006).
Passage de l ‘abstrait au concret
À l’école, l’élève est souvent dans une situation où il a tout le matériel et le potentiel pour construire son savoir. Pourtant et trop fréquemment, il n’y arrive pas (Barth, 2013). Pour ceux que préoccupe l’éducation scientifique des jeunes, la question des rapports entre la relation d’une certaine réalité et les théories scientifiques apparaît dès lors complexe (Martinand, 2011). Plusieurs concepts abstraits (température, rayons lumineux, champs magnétiques, ondes radio et champs électromagnétiques, onde sonore .. . ) sont des apprentissages visés dans le programme de formation de l’école québécoise (MELS, 2007). L’insatisfaction des élèves est souvent ressentie face à un enseignement qui présente les différentes notions comme des évidences non questionnées, non rattachées à des situations de la vie courante (Martinand, 20 Il). Par exemple, si l’enseignant veut décrire l’électricité statique, il soulignera que l’électricité s’accumule régulièrement lorsque nous portons des vêtements conçus à partir de matière synthétique ou que nous nous promenons sur un tapis. Ainsi, en frottant ces matières, des électrons appartenant aux vêtements ou au tapis sont dirigés vers la semelle et notre corps devient plus riche en électrons, ainsi on se charge négativement. Pendant ce temps, le tapis ou le vêtement se charge positivement.
Le corps se charge électriquement jusqu’au moment où il trouve l’occasion de se décharger et, on ressent un choc en touchant à un autre milieu. Pour l’élève, dont l’expérience se réduit à recevoir une décharge électrique, le travail pour se représenter, comprendre et expliquer la notion de l’électricité statique se révèle complexe. Il est donc important de se questionner afin de construire, d’adapter et utiliser des modèles pour faciliter les apprentissages des élèves.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1
LA SITUATION PROBLÉMATIQUE
1.1 Problème de recherche
1.1.1 Pratique enseignante dans le domaine de la M, S&T
1.1.2 Ajustements de pratiques
1.1.3 Modélisation et simulation en M, S&T
1.1.4 Tableau numérique interactif (TNI)
1.1.5 Passage de l’abstrait au concret
1.1.6 Visualisation des concepts nécessitant le passage de l’abstrait au concret
1.1.7 Visualisation des concepts et TNI
1.1.8 Questions de recherche
CHAPITRE II
LE CADRE CONCEPTUEL
2.1 Pratiques enseignantes
2.2 Ajustements de pratiques
2.3 Modélisation et simulation en M, S&T
2.4 Abstraction, abstrait et concret
2.5 Visualisation
2.6 TNI et la visualisation
2.7 Visualisation du passage de l’abstrait au concret à partir du TNI
2.8 Objectifs de recherche
2.8.1 Objectif général
2.8.2 Objectifs spécifiques
2.8.3 Schéma de concepts
CHAPITRE Ill
LA MÉTHODOLOGIE
3.1 Approche méthodologique
3.2 Population à l’étude
3.3 Échantillon et critères d’inclusion et d’ exclusion
3.4 Méthodes de collecte des données
3.4.1 Canevas d’entretien
3.4.2 Entretiens semi-dirigés
3.5 Transcriptions, analyse des données et des verbatim
CHAPITRE IV
LA PRÉSENTATION DES RÉSUTATS, ANALYSE ET DISCUSSION
4.1 Portrait de Colette
4.1.1 Contribution potentielle du TNI dans les classes de science et technologie
4.1.2 Contribution potentielle du TNI dans une situation-problème en S&T
4.2 Portrait de Paul
4.2.1 Contribution potentielle du TNI dans les classes de science et technologie
4.2.2 Contribution potentielle du TNI dans une situation-problème en S&T
4.3 Portrait de Manon
4.3.1 Contribution potentielle du TNI dans les classes de science et technologie
4.3.2 Contribution potentielle du TNI dans une situation-problème en S&T
4.4 Portrait de Patrice
4.4.1 Contribution potentielle du TNI dans les classes de science et technologie
4.4.2 Contribution potentielle du TNI dans une situation-problème en S&T
4.5 Portrait de Gaétan
4.5.1 Contribution potentielle du TNI dans les classes de mathématique
4.5.2 Contribution potentielle du TNI dans une situation-problème en mathématique
4.6 Portrait de Monique
4.6.l Contribution potentielle du TNI dans les classes de mathématique
4.6.2 Contribution potentielle du TNI dans une situation-problème en mathématique
4.7 Portrait d’ Annick
4.7.1 Contribution potentielle du TNI dans les classes de mathématique
4.7.2 Contribution potentielle du TNI dans une situation-problème en mathématique
4.8 Portrait de Joanne
4.8.1 Contribution potentielle du TNI dans les classes de mathématique
4.8.2 Contribution potentielle du TNI dans une situation-problème en mathématique
4.9 Analyse et discussion sur les principaux résultats
4.9.1 Analyse de l’utilisation du TNI dans les classes de M, S&T
4.9.2 Analyse de l’utilisation du TNI dans une situation-problème abstraite
4.9.3 Analyse des contraintes du TNI dans une situation-problème abstraite
CHAPITRE V
LA SYNTHÈSE ET CONCLUSION
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