LES ÉLÈVES AU LABORATOIRE : STYLES PRÉFÉRENTIELS D'APPRENTISSAGE, REPRÉSENTATIONS, DÉMARCHES ET PERFORMANCES.

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1 LES ÉLÈVES AU LABORATOIRE : STYLES PRÉFÉRENTIELS D'APPRENTISSAGE, REPRÉSENTATIONS, DÉMARCHES ET PERFORMANCES. Synthèse de la recherche en pédagogie n 240/97 sous la direction des Professeurs Jean THERER et René CAHAY 17

2 Tél. : 04/ Fax : 04/ Laboratoire d'enseignement Multimédia Université de Liège Sart Tilman - Bât. B Liège 18

3 Introduction Cet article s adresse aux enseignants de physique et de biologie de l enseignement secondaire et de l enseignement supérieur pédagogique. Il présente les résultats d une recherche visant à optimiser l enseignement des sciences en fonction du style d apprentissage préférentiel des élèves. Le concept de style d apprentissage préférentiel a fait l objet d un précédent article (1). La recherche en physique Objectifs Les objectifs de la recherche en physique visaient à : a) mettre au point des démarches et des supports didactiques adaptés aux différents styles d'apprentissage des élèves. b) vérifier l'existence d'une relation entre l'appartenance cognitive des élèves et leur préférence pour certains types de démarche; leur performance habituelle en physique. Positionnement de la recherche Un dossier, destiné aux enseignants, sur le thème de l électricité et plus particulièrement sur l électrostatique et les notions de tension, champ électrique, résistance et intensité, a été réalisé. Ce dossier porte sur la matière de physique (3 périodes par semaine ) en 5 ème année de l'enseignement général. Il a été élaboré en collaboration avec Madame l Inspectrice DAMBREMEZ. Certaines expériences et démarches didactiques construites de manière à répondre au mieux aux styles d apprentissage préférentiels des élèves, ont été testées dans quelques classes par des enseignants volontaires. 19

4 Résultats Les résultats sont exposés dans les trois parties qui suivent. Première partie : présentation du dossier-enseignant. Deuxième partie : compte-rendu d une expérience conduite en janvier 1998 dans des classes du secondaire supérieur et du supérieur pédagogique. Troisième partie : mise en relation, pour le secondaire supérieur, des résultats aux examens de Noël 1997 avec le style d apprentissage préférentiel des élèves. 1 ère partie : présentation du dossier-enseignant Dans ce dossier, différents supports sont proposés à l enseignant : articles, simulations, exercices mais également et surtout une série d expériences à réaliser en laboratoire reprises sous forme de fiches et dans un vidéogramme. Différents modes d utilisation sont également présentés. Ce dossier comporte donc cinq parties : 1. Expériences, 2. Vidéogramme, 3. Simulations sur ordinateur, 4. Articles, 5. Exercices. Pourquoi une telle variété d outils? Nous pensons qu en diversifiant les activités, les supports et leurs modes d utilisation, il doit être possible de rencontrer les différents styles d apprentissage et ainsi, d intéresser davantage les élèves à la matière étudiée. Expériences La partie «Expériences» consiste en un ensemble de quatre types de fiches : 1. les fiches d expériences 2. les fiches méthodologiques 3. les fiches dites «pratiques» 4. une fiche dite «théorique» En principe, ces fiches ne sont pas destinées aux élèves. 1. Les fiches d expériences Vingt cinq fiches d expériences présentent différentes manipulations. Ces fiches sont toutes structurées de la manière suivante : illustration schématique, matériel, montage, fonctionnement et explication. 20

5 2. Les fiches méthodologiques Les fiches méthodologiques décrivent différentes démarches et manières d exploiter les expériences. Les démarches correspondent chacune à un style d apprentissage différent. 3. Les fiches pratiques Les trois fiches pratiques décrivent les étapes de la réalisation de montages spéciaux utilisés lors de certaines expériences. 4. La fiche théorique La fiche théorique est un complément d information sur un phénomène physique particulier utilisé dans l interprétation des observations : le mécanisme des décharges électriques dans les gaz à basse pression. Vidéogramme Une brève explication «Où, quand, comment utiliser la vidéo?» permettra à l enseignant d exploiter au mieux le vidéogramme. Celui-ci présente 17 expériences parmi les 25 décrites dans la partie «Expériences». Ce vidéogramme a pour premier objectif de stimuler l enseignant à faire manipuler ses élèves mais il peut également être utilisé pour présenter des expériences délicates, faire observer et réfléchir les élèves et poser des questions d évaluation. Simulations sur ordinateur Dix fichiers (Mac ou Windows) permettent de simuler des situations illustrant des notions d électrostatique et de visualiser leurs implications mécaniques. Chaque fichier est accompagné d une fiche d utilisation. Pour pouvoir ouvrir ces fichiers, il est nécessaire d installer le programme «Interactive Physics 3.0». Articles Cette partie regroupe 10 articles : des articles de presse relatant des faits divers mettant en jeu des champs électriques, de l électricité statique..; des articles de vulgarisation scientifique 21

6 Exercices Cinquante sept exercices d origine diverses ont été regroupés. Ces exercices peuvent servir de base pour des travaux pratiques, de support de réflexion ou de créativité, d aide à l identification des représentations et de questions d évaluation. Les expériences, la vidéo et les articles sont accompagnés de suggestions méthodologiques. 2 ème partie : expérimentation en classe Étant donné que la matière (l électricité) avait déjà été étudiée au premier trimestre, l expérimentation a été présentée comme une «remédiation». Elle s est déroulée dans cinq classes de l enseignement secondaire supérieur (58 élèves) et dans six classes de l enseignement supérieur pédagogique (40 élèves). Les étapes principales de l expérimentation ont été de : soumettre les élèves au questionnaire ISALEM-97 (Inventaire des Styles d Apprentissage) (1); les faire répondre à deux questions de mise en évidence des préconceptions ; présenter une expérience déterminée issue du dossier-enseignant. Les enseignants ont donné cette séquence selon la démarche qu ils ont choisie parmi les quatre proposées en fonction des styles d apprentissage préférentiels.. De plus, les enseignants du supérieur pédagogique ont livré les autres démarches à la critique de leurs élèves de 3 ème année. faire remplir le questionnaire d évaluation de la séquence par les élèves ; faire répondre les élèves à deux questions d évaluation - matière sur la notion de champ électrique et basées sur une expérience présentée «à blanc» par l enseignant ; demander aux enseignants de répondre au questionnaire d évaluation - enseignant. Les résultats obtenus pour l enseignement secondaire supérieur et pour l enseignement supérieur pédagogique ont été traités séparément. Avant de poursuivre plus avant l exposé de cette recherche, il convient de signaler que les conditions d expérimentation n ont pas toujours été optimales. Ainsi, par exemple, dans une classe, le matériel n a été que partiellement distribué tandis que dans une autre, il s agissait d une activité du mercredi après-midi pour les élèves volontaires. 22

7 Enseignement secondaire supérieur Perception de notions d électrostatique par les élèves Les principales représentations qui émergent des réponses des élèves aux questions de mise en évidence des préconceptions et de leur compte-rendu de l expérience proposée, sont retranscrites telles quelles ci-dessous : on agite les électrons en frottant (il n y a pas de transfert d électrons); le champ électrique : relie des corps chargés d électricité de signes contraires. Généralement, le champ électrique nécessite 2 pôles (+ et -); zone où se déplacent les électrons; les électrons se déplacent (transparent - air - néon = circuit). Le tube néon est chargé de signe contraire au transparent; quand le tube est tangentiel à la sphère, il ne s allume pas parce que : le champ électrique ne peut pas entrer; les électrons, entrant par chacune des extrémités, s affrontent; la puissance n est pas assez élevée; il n y a pas assez de place pour que les charges se déplacent; les forces ne peuvent pas entrer dans le néon; la chaleur produite par les électrons se transforme en lumière; le tube s allume du côté où l énergie potentielle est la plus élevée. On retiendra également : une mauvaise compréhension de certaines notions : isolant - conducteur («les électrons peuvent se déplacer facilement dans le transparent parce que c est un conducteur») la raison pour laquelle on utilise un isolant («pour servir de prise de terre..») prise de terre travail ions, atomes, électrons, protons un amalgame de notions et de situations expérimentales : champ = travail de charges divisé par distance au carré champs électrique, magnétique, de gravité, électromagnétique champ = force agissant sur un atome dans le périmètre de ce champ champ = endroit où les particules (semoule) se trouvent en plus grande quantité forces chargées charge = le fait que le tube s allume 23

8 Réponses au questionnaire d évaluation - matière sur la notion de champ électrique Sur 34 élèves, 4 seulement donnent une mauvaise réponse (Tableau 1). En ce qui concerne les explications données dans le cas de réponses correctes, 1/3 sont basées sur l existence ou l absence d une différence de potentiel aux bornes du tube mais sans autres explications. Lorsque les réponses étaient incorrectes, les explications données n ont pas été prises en compte. Tableau 1 : Réponses et explications données aux questions d évaluation Réponses Explications Correctes Incorrectes 4 20 Alors que les réponses aux questions sont justes, les explications sont généralement fausses. De plus, elles sont peu explicites («C est trop loin pour capter», nous dit un élève. Qu est-ce qui est trop loin? et pour capter quoi? ). Les explications peuvent simplement faire référence aux situations rencontrées lors de la manipulation précédente sans donner d autre explication («c est comme...»). décrire la position du tube par rapport aux lignes de force du champ sans donner d explication («parce que c est parallèle au champ»). faire appel aux mêmes notions que celles utilisées dans les questions de préconception (travail, déplacement d électrons,..) Certains élèves éprouvent des difficultés à différencier observations et interprétations, les observations tenant lieu d interprétations. Que pensent les élèves de l activité à laquelle ils ont participé? Globalement, les points positifs sont plus nombreux que les négatifs. Pour les élèves, le point positif dominant de cette expérience est qu elle a permis une véritable découverte de ce qu était l OBSERVATION, l interprétation 1 et la for- 1 Il faut toutefois garder en mémoire que certains élèves utilisent leurs observations comme interprétations. 24

9 mulation orale ou écrite de conclusions. On touche ici des étapes importantes de la démarche scientifique. Plusieurs élèves ont pris conscience qu il était difficile d observer. Mais cette prise de conscience s étend bien au-delà. Ils se sont ainsi aperçus : qu observer et analyser permettaient de mieux comprendre; qu il existait d autres manières d être enseigné; et pour certains qu ils avaient eu plus de facilité avec la méthode utilisée qu avec celle employée habituellement par le professeur. Le reproche principal formulé est que la matière («L électricité») a déjà été vue et, donc pour certains, la séquence a présenté moins d intérêt. Par contre, pour d autres, cela a servi de rappel ou encore mieux, l expérience leur a permis de découvrir certains aspects de l électricité qui leur avaient échappé. Autre critique négative, l expérience présentée n est pas utilisable dans la vie de tous les jours. Les élèves voudraient plus d expériences durant les cours ou des expériences se déroulant autrement qu elles ne se déroulent habituellement. Les caractéristiques de la démarche «rêvée» par les élèves peuvent se résumer comme suit : Faire les expériences soi-même (pour la majorité) ou observer des expériences faites par l enseignant. Avoir le temps d observer Avoir le temps de se poser des questions Avoir le temps d analyser les observations et d en tirer les conclusions Avoir le temps de comprendre!!... Avant de prendre note de la synthèse! C est pratiquement ce qu a résumé un(e) élève dans le texte reproduit ci-dessous : 25

10 Style d apprentissage et intérêt pour une séquence Les dimensions restreintes de notre échantillon et surtout les conditions biaisées (matière déjà vue, matériel partiellement non distribué, activité du mercredi aprèsmidi,..) dans lesquelles s est déroulée l expérimentation dans les classes ne nous ont malheureusement pas permis de tirer de conclusion quant à l existence d une relation biunivoque entre l appartenance cognitive des élèves et leur préférence pour certains types de démarche. Cette constatation est également valable pour l enseignement supérieur pédagogique. Enseignement supérieur pédagogique Perception des notions de physique par les étudiants Les représentations ont été répertoriées par année d étude. 1 ère année Champ électrique = Champ d attraction ou de répulsion exercé par les électrons d un courant électrique sur certains autres. Passage d un courant dans un fil électrique enroulé autour d une bobine (il faut un mouvement du fil). Circulation d électrons dans un circuit. Région de l espace où existe une onde électrique vibratoire. 26

11 Ensemble de charges électriques. Amas d électrons dans une certaine surface. Zone d influence du courant électrique. Région possédant des charges électriques. 2 ème année Champ électrique dû aux forces électriques existant entre particules chargées Une particule chargée dans un champ électrique suit une trajectoire appelée équipotentielle. 3 ème année Champ électrique = force électrique exercée par une charge électrique. Le champ électrique apparaît lorsque le fil électrique est parcouru par un courant. 27

12 Les réponses obtenues aux questions sont plus souvent correctes que dans l enseignement secondaire. En comparaison avec les élèves du secondaire, il semblerait que les élèves du supérieur préfèrent s abstenir plutôt que de risquer une explication fausse. Remarquons qu en 2 éme régendat en option mathématique, les élèves (3 sur 3) pensent que le champ électrique n est qu un concept théorique de la physique sans application pratique. Que pensent les étudiants de l activité à laquelle ils ont participé? Les critiques émises par les 13 étudiants de 3 ème régendat sur la démarche suivant laquelle ils ont été enseignés, ont été classées en deux catégories : les critiques positives et les négatives. Ces critiques concernent principalement la participation des élèves, la dimension des groupes, le matériel et le rôle de l enseignant. On peut, pour chacune des séquences comparer le pourcentage des observations positives et des négatives. La figure 1 nous indique ainsi clairement que la séquence IP (intuitif pragmatique) récolte le plus de points négatifs (77,4 %) et la séquence MR (méthodique réflexif) le plus de points positifs (70,0 %). N.B.: Ces pourcentages n ont qu une valeur indicative compte tenu de la faiblesse de l effectif. Les séquences IR et MP suscitent pratiquement autant de mentions positives que négatives. 28

13 S t y l e d e s s é q u e n c e s Pourcentages des points positifs et négatifs pour chaque séquence IP MR MP IR 22,6 30,0 45,9 46,9 53,1 54,1 70,0 77,4 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 Pourcentage Figure 1 Points Négatifs Positifs 29

14 Quelle démarche a la préférence de ces futurs enseignants? Sept élèves sur neuf ont donné leur préférence pour l une ou l autre démarche. Le tableau 2 nous montre clairement que les démarches «méthodique réflexif» et «méthodique pragmatique» remportent haut la main les premières places du classement. Tableau 2 : Démarches didactiques préférées par les étudiants de 3 ème régendat N bre d élèves préférant la démarche IR MR MP IP 1 er choix nd choix ème partie : Mise en relation du style d apprentissage des élèves et de leurs résultats aux examens de décembre Pour ce faire, les enseignants nous ont communiqué leurs questions d examen de décembre concernant l électricité, le nom des élèves et leurs résultats par question. De l étude de ces données, il résulte que : 35,7 % des élèves sont en échec (cotes < 50 %) pour la partie électricité de l examen de décembre. (Nombre d élèves considéré = 56) Des élèves peuvent complètement rater les questions de restitution et parfaitement réussir les questions d application. La situation inverse, plus classique, s observe également. La proportion d élèves en échec est fort variable selon le style d apprentissage préférentiel (Tableau 3). 30

15 Tableau 3 : Proportion des élèves en échec en fonction de leur style Style d apprentissage Nombre total d élèves Nombre d élèves ayant réussi Nombre d élèves en échec IP IR MP MR IP - IR MP - MR MR - IR TOTAL Le nombre d élèves possédant une double préférence cognitive est donné à titre indicatif. Les résultats ne peuvent pas être interprétés, le nombre d élèves concerné étant beaucoup trop faible. On constate que c est parmi les élèves intuitifs réflexifs que l on trouve le plus haut taux d échec (4 élèves sur 5). Les méthodiques réflexifs ont le taux d échec le plus faible (2 élèves sur 18). Ces observations sont corroborées par d autres recherches sur les styles d apprentissage notamment celle de G. Simon (2 2 ) et références y indiquées. Types de question d examen Sur 31 questions d examen, on trouve : Principalement : des questions ouvertes : ce sont toujours des questions de restitution explication définition énoncé des problèmes abstraits: construction de lignes de champ, de forces calcul de charges circuits électriques Exceptionnellement : une question de raisonnement une conception d expérience un «vrai ou faux» Nous pensons que ce type de question (restitution et problème abstraits) convient davantage aux méthodiques réflexifs. 31

16 Conclusion Le dossier-enseignant, dossier qui répond au premier objectif de notre recherche, a été testé en partie dans l enseignement secondaire supérieur et en partie dans l enseignement supérieur pédagogique. L expérimentation en classe s est déroulée dans des conditions non optimales (matière déjà vue, matériel partiellement non distribué, activité du mercredi aprèsmidi,..). Toutefois, elle a permis de mettre en évidence un manque d activités - en tout cas une situation perçue comme telle par les élèves - activités au cours desquelles les élèves auraient le loisir de manipuler, d observer, de s interroger, d analyser leurs observations avant d en tirer des conclusions. Ce sont les étapes d une démarche scientifique dont il s agit ici. Il est interpellant de voir que les élèves se sentent rarement confrontés à ces situations, qui sont pourtant des activités essentielles dans une formation scientifique. Ces observations confortent l idée de la nécessité des travaux pratiques dans l enseignement secondaire. Plus marquante (ou navrante) encore cette remarque de plusieurs élèves : «Avoir le temps de comprendre!!! Avant de prendre note de la synthèse!». Peut-être devrait-on se poser la question de l intérêt d avoir un programme aussi étoffé si la plupart des matières abordées ne sont pas comprises! De surcroît, des réponses aux questions d évaluation et de mise en évidence des représentations révèlent que des notions de base de la physique ne sont pas assimilées. Relevons encore que : certains élèves ont quelques difficultés à distinguer observations et interprétations, les premières tenant souvent lieu des secondes ; les explications données pour argumenter une réponse, par ailleurs correcte, sont le plus souvent erronées. Cela pourrait indiquer que les élèves n ont pas compris et que leurs réponses sont purement «intuitives» et non le résultat d une démarche «logique» mettant en œ uvre les acquis. Les élèves ont été confrontés à des situations-problèmes qui ont été conçues en vue d atteindre un objectif précis mais sans connaître précisément les représentations de ces élèves sur le sujet. En effet, les questions de mise en évidence des représentations ont été posées juste au début de l expérimentation de ces situations-problèmes dans les classes. Est-ce la raison de la médiocrité des résultats obtenus? Ceci est une hypothèse qui reste à vérifier. 32

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18 Notre second objectif consistait à vérifier l existence d une relation entre l appartenance cognitive des élèves et : (1) leur préférence pour certains types de démarche; (2) leur performance habituelle en physique (basée sur les résultats de l examen de décembre). Les dimensions restreintes de notre échantillon et les conditions biaisées dans lesquelles s est déroulée l expérimentation dans les classes ne nous permettent pas de tirer de conclusion quant au premier alinéa de l objectif énoncé ci-dessus. En ce qui concerne la relation entre les résultats aux examens de décembre 1997 et le style d apprentissage préférentiel des élèves, les faits sont édifiants. La proportion d élèves du style d apprentissage préférentiel «méthodique réflexif» qui réussissent aux examens de décembre 1997, est plus importante que dans tous les autres groupes. Cette situation reflète la «culture d entreprise» de l enseignement qui privilégie, dans les faits, ce style d apprentissage. Cette recherche, que nous qualifierons d exploratoire et qualitative, a permis de mettre en évidence des problèmes qu il faudra bien prendre en compte si l on veut renouveler l intérêt des élèves pour les carrières scientifiques. La recherche en biologie Objectif À la demande de Monsieur l'inspecteur Mathot, l objectif de la recherche était d optimiser le module de biologie élaboré au cours de l année précédente (1). Ce module, intitulé «l'organisme humain : approche systémique. Interactions entre les systèmes digestif, respiratoire et circulatoire», est une leçon de synthèse ayant pour public-cible des élèves de 3 ème année de l'enseignement général et de l enseignement technique de transition. Il s agissait d y ajouter une séquence basée: sur la mesure de paramètres de la physiologie humaine à l aide de capteurs spécifiques couplés à un ordinateur, et sur l exploitation de tels paramètres. Positionnement de la recherche Pour des raisons indépendantes de notre volonté, il ne nous a pas été possible de réaliser une séquence basée sur l expérimentation assistée par ordinateur. Toutefois, nous avons organisé, en collaboration avec la société Jeulin, une démonstration de ce type de matériel dans une classe de 3 ème secondaire. 34

19 Résultats Nous ne reprendrons, ici, que les faits principaux. Avantages et inconvénients de ce matériel Points forts : Il est possible de visualiser directement l évolution du paramètre étudié ( rythme cardiaque,..) en fonction du comportement de la personne se prêtant au test. Il est possible de rédiger et d imprimer directement un compte rendu de l expérience réalisée ( mise en page partiellement prédéfinie, possibilité d adjoindre des graphiques,..). Points faibles : Chaque paramètre est mesuré et traité par un logiciel différent. Il n est donc pas possible d étudier simultanément l évolution de plusieurs paramètres, par exemple, au cours d une activité physique. Cette organisation ne permet donc pas d aborder l interaction entre les différents systèmes de l organisme. Les schémas des animations sont élémentaires. Vu son mode de fonctionnement, il faut 3 à 4 minutes à la sonde à oxygène pour mesurer correctement la teneur en oxygène de l air expiré (il faut souffler dans la sonde pendant tout ce temps). La version Collège est un peu légère au point de vue du contenu scientifique et technique (par exemple, il n est pas possible de modifier l échelle des axes d un graphique). La version Lycée est plus complète mais bien évidemment parfois trop compliquée pour des élèves de 3 ème année. Qu apporte ce type de matériel par rapport aux méthodes d investigation habituelle? La possibilité de faire des mesures difficiles voire impossibles à réaliser sans ce matériel. La visualisation immédiate des variations du paramètre étudié. Les variations peuvent se voir à partir des valeurs mesurées ou sur la représentation graphique. La découverte de l origine de certaines mesures qu on présente généralement sur papier aux élèves. L utilisation de ce matériel permet un gain de temps important. Sur une période de laboratoire, l élève peut ainsi, soit effectuer différents types de mesure, soit vérifier plusieurs fois celle qu il a réalisée. L utilisation de ce matériel est amusante. C est une activité qui sort des démarches couramment utilisées dans l enseignement des sciences. 35

20 Qu apporte aux élèves l utilisation de ce type de matériel informatique au laboratoire? Pour certains, l initiation à l utilisation d un ordinateur. La découverte et l utilisation de l ordinateur sous un aspect peu ou pas connu. En effet, l ordinateur est ici un outil qui permet dans un premier temps, de réaliser des mesures, et dans un deuxième temps, d aider à les analyser (graphique). La confrontation aux limites de ce type de matériel. Conclusion L ordinateur est jusqu à ce jour très peu utilisé dans les classes de sciences. Cela est peut-être lié à un problème de mentalité mais c est surtout un problème d organisation. En effet, l ordinateur est rarement présent dans les laboratoires, obligeant ainsi l enseignant qui veut y avoir recours, à partir en expédition vers les classes d informatique. L activité devient alors une distraction faisant perdre tout crédit à l utilisation de l ordinateur. Si la démonstration à laquelle nous avons participé a mis en évidence des imperfections tant au niveau de certains capteurs qu au niveau des logiciels (problème de la sonde à oxygène, logiciel non adapté au système d enseignement de la Communauté française,..), il n en reste pas moins vrai que ce type de matériel ouvre une nouvelle voie dans l expérimentation en laboratoire. L accès à toute une série de mesures jusqu ici impossible à réaliser facilement et la visualisation simultanée des résultats sont deux créneaux qui valent la peine d être exploités. Les potentialités de ce type de matériel sont grandes, il serait dommage de continuer à les ignorer. 1 2 Équipe du LEM Styles d enseignement, styles d apprentissage et pédagogie différenciée en sciences, Informations pédagogiques, N 40, mars 1998, P Simons G., L apprentissage expérientiel de D. Kolb et la didactique des langues germaniques, Tome I et II, Thèse présentée en vue de l obtention du grade de Docteur en Philosophie et lettres, ULg,