Lecture et compréhension dans différents systèmes sémiotiques en électricité

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1 Lecture et compréhension dans différents systèmes sémiotiques en électricité Raisonner sur des schémas électrocinétiques ou électrotechniques et des montages électriques Christophe Szczygielski, laboratoire LIRDEF ; Cet article cherche à expliquer les difficultés que rencontrent les élèves à assimiler le concept de circuit électrique. Ces difficultés reposent en partie sur le fait qu ils sont capables d accomplir des tâches spécifiques relatives à certaines représentations sémiotiques du circuit électrique mais que le concept même de circuit électrique, n est pas assimilé ou mal maîtrisé. L étude porte sur une population d élèves particulière, des élèves de section professionnelle, préparant un BEP d électrotechnicien. Ces élèves sont rompus à la technique de câblage et confrontés à plusieurs schématisations. Cette recherche montre des spécificités de raisonnement dans chacune de ces schématisations mais aussi sur les montages eux-mêmes. Pendant toute la durée de leur scolarité, les élèves sont amenés, lors des tâches proposées par leurs enseignants de sciences physiques, à manipuler de nombreux concepts sous différentes formes. Il en est ainsi du concept de circuit électrique qui est manipulé sur papier sous une première forme, le schéma, et qui est aussi manipulé physiquement sous une autre forme, le montage. Le circuit électrique est étudié en classe de cinquième, dans la partie Les circuits électriques en courant continu Étude qualitative, le programme précise qu il «se fonde sur l observation et sur la réalisation pratique» mais en revanche «sans mesures». Cette partie du programme «introduit les propriétés élémentaires d un circuit en série ou avec une dérivation». En classe de quatrième, la partie Les lois du courant continu «a pour objet d introduire certaines lois du courant continu à partir de mesures d intensité de courants électriques et de tension électrique réalisées par les élèves eux-mêmes», mais précise que «des exercices calculatoires répétitifs» doivent être évités. Enfin en troisième, le «circuit électrique en alternatif» est étudié. Au lycée, le concept de circuit n est plus étudié pour lui-même, il n est plus que le support d étude de grandeurs physiques aster 161> 186

2 Christophe Szczygielski Ainsi, en classe de BEP de lycée professionnel et en particulier dans la filière Métiers de l électrotechnique, le circuit électrique est utilisé pour traiter des grandeurs électriques, tension ou intensité du courant, mais aussi pour étudier les notions d énergie et de puissance, ainsi que le fonctionnement du transformateur et du disjoncteur. La classe de BEP des Métiers de l électrotechnique présente une particularité intéressante. En effet, l électricité est une matière qui est étudiée deux fois par les élèves durant leur cursus de deux ans. Elle est étudiée avec le professeur de mathématiques-sciences physiques, comme un des chapitres de physique mais aussi avec les professeurs d électrotechnique. Or, il est régulièrement constaté par les enseignants de sciences physiques que les élèves de classes de baccalauréat professionnel, pourtant titulaires d un BEP d électrotechnicien, éprouvent des difficultés sur des montages électriques durant les séances de travaux pratiques. Pourtant, ces élèves ont des compétences reconnues, une expérience en milieu professionnel et sont rompus à la technique de câblage des installations électrotechniques domestiques ou industrielles. Nous avons émis l hypothèse que ces difficultés reposent en partie sur le fait que les élèves sont capables d accomplir des tâches spécifiques, relatives à certaines représentations sémiotiques du circuit électrique, mais que le concept même de circuit électrique, n est pas assimilé ou mal maîtrisé par les élèves. Ces difficultés reposent aussi sur l utilisation de schémas prototypiques inscrits dans leur mémoire à long terme et sur des modes de raisonnement identifiés depuis longtemps par les didacticiens. Si ces deux derniers points ont fait l objet de nombreux travaux, dans notre cas c est le passage interregistre qui nous semble poser le plus de difficultés. Ceci n ayant jamais fait l objet de recherche didactique. 1. Aspects théoriques 1.1. Notion de systèmes et de registres sémiotiques Lorsqu un circuit est hors tension, c est le cas dans les tâches de montage, il n est qu un assemblage de constituants reliés par des nœuds de connexion. Ainsi, le circuit électrique est, en quelque sorte un graphe, où les nœuds sont les sommets et les constituants les arêtes. Le schéma électrique et le montage ne sont alors que des représentations d un même objet mathématique : le circuit électrique. Le circuit électrique présente donc quelques similitudes avec la notion d objet mathématique, et en tant que tel, des résultats de la didactique des mathématiques doivent pouvoir nous aider à analyser et interpréter les difficultés des élèves. Pour Duval, «la distinction entre un objet et sa représentation est donc un point stratégique pour la compréhension des mathématiques. Il définit les représentations 162 aster

3 Lecture et compréhension dans différents systèmes sémiotiques en électricité sémiotiques comme des productions constituées par l emploi de signes appartenant à un système de représentation qui a ses contraintes propres de signifiance et de fonctionnement» (Duval, 1993). Le fonctionnement cognitif de la pensée humaine se révèle inséparable de l existence d une diversité de registres sémiotiques de représentation que Duval définit comme étant tout système sémiotique permettant de remplir trois fonctions cognitives fondamentales liées à la sémiosis (Duval, 1995), l appréhension ou la production d une représentation sémiotique. La première activité cognitive est la «formation d une représentation identifiable» comme une représentation d un registre donné (Duval, 1998). Cette formation doit respecter des règles de conformité, dont la connaissance n implique pas la compétence pour former des représentations, mais seulement celle pour les reconnaître. L exemple du schéma ci-dessous est la représentation d une portion de circuit électrique que le lecteur saura identifier. Le langage, en l occurrence dans le cas de l électricité, est aussi un registre et nous parlerons alors de registre du langage technique. L énonciation de la phrase «la résistance R3 est en parallèle avec R4» est aussi une «représentation identifiable». La deuxième activité cognitive est le traitement d une représentation, c està-dire la transformation de cette représentation dans le registre même où elle a été formée. Le traitement est une transformation interne à un registre. Par exemple, la paraphrase est un traitement dans le cas du langage et l anamorphose est un traitement comme dans le cas d un schéma tel que l exemple ci-dessous aster 163

4 Christophe Szczygielski La troisième activité cognitive est la conversion d une représentation. C està-dire la transformation de cette représentation en une représentation d un autre registre, en conservant la totalité ou une partie seulement du contenu de la représentation initiale. Par exemple, l illustration est la conversion d une représentation linguistique en représentation figurale, en revanche la description est la conversion d une représentation non-verbale en une représentation linguistique. Cette conversion pouvant aussi se faire vers le registre algébrique : Pour une appréhension conceptuelle des objets que Duval appelle noésis, il faut que l objet ne soit pas confondu avec ses représentations possibles, et la coordination de plusieurs registres apparaît alors comme fondamentale. Mais dans le cas du circuit électrique, il existe plusieurs représentations sémiotiques possibles. La première est la schématisation que nous avons appelée schématisation d électrocinétique. La deuxième est la schématisation d électrotechnique. En réalité, il existe de nombreux schémas électrotechniques : architectural, multifilaire, unifilaire, développé, etc. Dans la suite de cette recherche, le schéma d électrotechnique sera assimilé au schéma développé. Remarquons qu il est aussi possible de représenter un schéma électrique selon un grand nombre de schématisations. Le diagramme AVOW (Ampère Volt Ohm Watt ; Cheng, 2002), qui appartient à la famille des LED (Law Encoding Diagramm), est un schéma qui n est pas utilisé dans l enseignement de l électricité. Cette représentation permet d encoder des informations spécifiques, telles 164 aster

5 Lecture et compréhension dans différents systèmes sémiotiques en électricité que la topologie, la géométrie du circuit ; de plus, il y a une correspondance entre la physique et le tracé des cases : les ampères horizontalement, les volts verticalement, la diagonale représente métaphoriquement la résistance et l aire, la puissance. Duval définit la congruence entre deux représentations sémiotiquement différentes donc deux registres sémiotiques différents, lorsqu il y a correspondance sémantique entre leurs unités signifiantes, univocité sémantique terminale et même ordre possible d appréhension de ces unités dans les deux représentations. Lorsque deux représentations sont congruentes, le passage de l une à l autre se fait spontanément, sinon il y a obstacle à la représentation (Duval, 1995) Notion de lecture schématique Les langages schématiques en électricité sont structurés comme un langage, la lecture d un schéma découle de la connaissance d un langage adéquat. Les connaissances seraient structurées en mémoire selon des réseaux hiérarchisés de concepts à l intérieur desquels on postule un niveau de base, c est le niveau optimal de discrimination. Des principes perceptifs de la catégorisation la contraignent sur la base de similitudes de formes ou de corrélats d attributs, électivement au niveau de base. L organisation interne des catégories se fait autour d une forme moyenne ou d un ensemble d attributs corrélés qui constituent un prototype. Ces phénomènes ont été systématisés dans une théorie dite des prototypes à l initiative de Rosch (Weill-Barrais, 1993) et, pour Brandt (Brandt, 1996), «Les sciences cognitives nous ont montré que la catégorisation ne procède pas fondamentalement par des définitions, mais par organisation radiale autour d un prototype». Ainsi, reconnaître des éléments en série ou en parallèle dans un circuit électrocinétique procède de la catégorisation. Dans la lecture de schéma électrocinétique, les élèves procèdent à une heuristique de réduction du circuit étudié à un prototype isomorphe existant dans leur mémoire (Caillot et al., 1984). Un prototype est alors vu comme le meilleur exemple d un concept ou d une catégorie générale. Les élèves ont donc des connaissances prototypiques en ayant en mémoire des schémas prototypiques. Ces schémas prototypiques que l on peut aussi appeler schémas canoniques (Caillot, 1988) sont ceux que l on trouve systématiquement identiques dans les manuels de physiques. Des associations particulières d éléments sont toujours représentées par les mêmes dessins, des schémas canoniques. Dans l enseignement, l apprentissage aster 165

6 Christophe Szczygielski de type procédural est souvent négligé au profit d un apprentissage purement conceptuel qui induit de grosses erreurs de lecture de schémas. Ainsi, les étudiants et élèves ne savent pas décoder des informations graphiques de type topologique des schémas, ils se laissent perturber par des configurations bien connues d éléments associés en série ou en parallèle. Exemple 1 Caillot a montré que les «effets perceptifs priment sur la sémantique de la représentation graphique» (Caillot, 1988). Ainsi, suivant l expertise de l individu, débutant ou expert, la représentation schématique est décodée selon les lois de la perception au détriment des lois de l électricité (Caillot, 1988). La catégorisation en dehors de toute considération topologique s effectue de la façon suivante : la proximité d éléments est équivalente à leur appartenance à une même structure. La continuité d éléments orientés dans le même sens est équivalente à leur appartenance à une structure en série. La présence d éléments de symétrie, par exemple un axe de symétrie, est équivalente à l existence d éléments en dérivation et la clôture par un contour simple joue un rôle prégnant dans la perception d une structure. 1 Électricité, circuits et mesures appareils électromagnétiques-fonctions, 2 de professionnelle et terminale BEP, Nathan technique. 166 aster

7 Lecture et compréhension dans différents systèmes sémiotiques en électricité Les experts, à la différence des novices, font des groupements d unités signifiantes en procédant à un découpage conceptuel ou «conceptual chunking» (Caillot, 1988). Les schémas prototypiques sont présents dans la mémoire à long terme (MLT). Lors du décodage du schéma électrocinétique, la reconnaissance ou la description de ces structures se fait selon un modèle hiérarchique, le tout puis les parties. Hestenes a montré que l apprentissage change la structure de cette hiérarchie (Caillot, 1988). Il a été montré que ce découpage conceptuel est, lui aussi, le résultat d un apprentissage (Cheng et al., 2001). La perception de la topologie d un circuit et notamment la présence des nœuds de connexion est liée à la compréhension des grandeurs physiques qui lui sont attachées. Dans la réalisation des montages, le plus important problème dit de «l éclatement des nœuds» (Johsua, 1982) tient de l apparence différente des nœuds de connexion sur un schéma et dans un montage réel. Ce problème est lié à une méconnaissance de la notion de potentiel par les élèves et un raisonnement en termes de courant Raisonner sur un circuit électrique La recherche en didactique a identifié un certain nombre de raisonnements particuliers sur les circuits électriques. Nous allons en utiliser quelques-uns lors des nos expérimentations : le raisonnement séquentiel, le raisonnement à courant constant et le raisonnement à grandeur électrique constante. Le raisonnement séquentiel est un type de raisonnement particulier (Closset, 1983). Le circuit électrique n est pas vu comme un système et les élèves analysent chaque élément de celui-ci en termes d avant et après. Une information est transmise par le courant électrique. Il y a un début, ou amont, et une fin, ou aval, du circuit. L information transite dans le sens du flux de l amont à l aval, une modification en aval n affectant pas ce qui se passe en amont. Ainsi, il apparaît que le «débit initial est indépendant du circuit». Tout se passe comme si la pile constituait une «réserve de quelque chose de matériel qui soit fournit par elle à débit constant». Dans le raisonnement séquentiel, le raisonnement se fait en termes de courants. Le raisonnement local (Closset, 1983) décrit le fait que les élèves concentrent leur attention sur un point du circuit en ignorant le reste du circuit. Avec le raisonnement à courant constant, appelé aussi raisonnement séquentiel du second degré, le débit est une caractéristique de la pile, il est indépendant du circuit. Changer un élément du circuit n affecte pas les grandeurs liées à celui-ci. Ainsi, changer la valeur de la résistance n affectera pas la valeur de l intensité traversant le générateur. Il faut noter qu une grande habileté dans l utilisation du formalisme mathématique mais déconnectée de ses sources constitue un bon support pour ces raisonnements. En général, le raisonnement se fait en termes de courant et la notion de tension ou de différence de potentiel apparaît comme une grandeur non pertinente (Johsua, 1984). Dans le raisonnement électrostatique (Benseghir, aster 167

8 Christophe Szczygielski 1988), la notion de différence de potentiel est interprétée en termes de charges présentes en certains points du circuit. Liée à un raisonnement séquentiel, une dissymétrie de signes ou de quantité de charges apparaît comme l effet d une usure du courant par les élément du circuit. Dans le raisonnement «U constante n importe où» (Clavel-Marinacce, 1989), la tension entre deux points quelconques du circuit reste inchangée. 2. Problématique 2.1. Les registres sémiotiques en électricité Durant leur formation au BEP d électrotechnicien et en particulier dans les matières scolaires de l électricité, les élèves reçoivent des enseignements avec des représentations schématiques spécifiques, avec des traitements dans des tâches elles aussi spécifiques. Ainsi, l électricité pratique, c est-à-dire l électrotechnique, s enseigne avec des schémas électrotechniques, pour des tâches d exé cution de montage et des travaux de réflexion qui ne concernent pas directement les grandeurs physiques de l électricité. De même, l électricité théorique que l on trouve à la fois dans la partie professionnelle et en sciences physiques s enseigne avec des schémas électrocinétiques, pour des tâches de réflexion qui concernent directement les grandeurs physiques électriques. Ainsi, dans les disciplines de l électricité, et en particulier dans l étude et l utilisation des circuits électriques, les élèves en BEP des Métiers de l électrotechnique sont confrontés à plusieurs registres sémio tiques. Ils sont sensés permettre de remplir les fonctions cognitives de communication, de traitement et d objectivation (Duval, 1996). Le premier est le langage technique. En effet, c est dans ce registre que les élèves sont, entre autres, capables de raisonner sur les grandeurs électriques, et de décrire des montages de circuit électrique. Avec le langage technique, les électriciens disposent d un vocabulaire précis et adapté à leur métier. Le deuxième est le registre du schéma électrocinétique. La schématisation est normalisée dans son ensemble et permet de communiquer entre électriciens. C est dans ce registre que s effectuent principalement des raisonnements et des calculs sur les grandeurs physiques. Les élèves sont capables, dans leur grande majorité, de réaliser des montages élémentaires. En revanche, ils éprouvent des difficultés à comprendre (ou à donner du sens) le rôle d éléments tels que les instruments de mesure. Le troisième est le registre du schéma électrotechnique. La schématisation est normalisée et extrêmement réglementée afin d être un outil de communication pour les électriciens. La fonction d objectivation est centrée exclusivement sur le montage. 168 aster

9 Lecture et compréhension dans différents systèmes sémiotiques en électricité 2.2. Objectifs de la recherche Nous faisons l hypothèse, dans cette recherche, que les élèves éprouvent des difficultés à passer d un registre sémiotique à l autre et que le problème des élèves à bien assimiler la notion de circuit électrique vient de l absence de coordination entre ces registres. Dans le schéma proposé ci-dessous, les trois registres sémiotiques auxquels sont confrontés les élèves sont représentés par les formes ovoïdes et les relations de coordinations entre ceux-ci le sont par des flèches Dispositif et corpus expérimental Les résultats de la didactique de l électricité nous ont permis d élaborer des outils d expérimentation. Pour évaluer la coordination entre les deux registres sémiotiques schémas électrocinétique et électrotechnique, nous avons élaboré des questionnaires basés sur des travaux antérieurs en didactique de l électrocinétique concernant des élèves des sections générales des lycées, mais appliqués cette fois à des élèves de section professionnelle. Les questionnaires comprenaient des problèmes isomorphes dans les deux schématisations, électrocinétique et électrotechnique, sur lesquelles des élèves de section professionnelle en électrotechnique ont l habitude de travailler de manière distincte, soit en sciences physiques, soit en électrotechnique. Pour évaluer la coordination entre les deux registres sémiotiques schémas électrocinétique et langage technique, nous avons procédé à des entretiens individuels, filmés et enregistrés. Ces entretiens ont concerné des tâches de montages et de modification de montages, ainsi que des tâches de réalisation de schémas et de modification de schémas. Le corpus total était de 147 élèves, nous préciserons par la suite, le nombre d élèves interrogés sur les différents questionnaires ou entretiens. Ces élèves étaient issus de différentes classes, de deux lycées de Seine et Marne, en fin de première année ou en terminale BEP des Métiers de l électrotechnique ainsi qu en aster 169

10 Christophe Szczygielski seconde et première de baccalauréat professionnel «dit trois ans» 2 ÉLÉÉC 3 (Électrotechnique énergie équipements communicants). Les données ont été recueillies sous formes de questionnaires à choix multiples comprenant des questions ouvertes, des enregistrements vidéos et des enregistrements audio d entretiens. Les données extraites des QCM ont fait l objet d un traitement informatique avec un système de gestion de bases de données pour une exploitation plus fine. 3. Coordination entre les deux registres sémiotiques schémas électrocinétique et électrotechnique 3.1. Une forme de traitement dans ces registres : le raisonnement Pour analyser la fonction cognitive de traitement dans les deux registres des schématisations, la mise en évidence de raisonnements de sens commun (en particulier le raisonnement séquentiel et le raisonnement à courant constant ; Closset, 1983) nous a semblé plus adéquate. Tout d abord, deux questions correspondant à des problèmes isomorphes ont été posées à 63 élèves, avec pour objectif de savoir si ces élèves adoptent un raisonnement séquentiel dans chacune des deux schématisations. Dans ce problème, un composant inconnu est ajouté au milieu du circuit électrique. Dans un schéma électrocinétique, il s agit de l élément X ; dans un schéma électrotechnique, il s agit de l élément I1. Les lampes 1 et 2 (respectivement H7 et H1) sont strictement identiques. La lampe 1 (respectivement H7) est allumée, qu en est-il de la lampe 2 (respectivement H1)? Un choix multiple est proposé. Les résultats (tableau 1) montrent que les élèves en formation aux métiers de l électrotechnique n adoptent pas le même raisonnement sur les deux schématisations. Ils adoptent majoritairement un raisonnement séquentiel sur le schéma électrotechnique mais pas sur le schéma électrocinétique. Tableau 1 Électrocinétique Électrotechnique Bonne réponse (Proposition : les lampes brillent autant) 63 % 2/3 36/63 34 % 1/3 22/63 Raisonnement séquentiel 33 % 1/3 27/63 64 % 2/3 41/63 2 À partir de la rentrée 2009, le bac pro trois ans se généralise pour remplacer le bac pro deux ans qui se préparait après un BEP. 3 Le bac pro a changé de dénomination, la précédente était EIE (Équipement installation électrique). 170 aster

11 Lecture et compréhension dans différents systèmes sémiotiques en électricité Il faut différencier les résultats obtenus. Sur un schéma électrocinétique, les performances des élèves en BEP électrotechnique sont plutôt meilleures que ceux obtenus par des élèves et étudiants de sections générales. En effet, les travaux antérieurs, réalisés sur des élèves et étudiants de sections générales (Closset, 1983) montrent que la fréquence de bonnes réponses augmente avec le niveau d étude sans devenir largement majoritaire, les étudiants dépassent à peine une fréquence de 50 % de bonne réponse. À la lumière de ce nouveau questionnaire, avec une fréquence de 63 %, on peut imaginer que les élèves en formation aux métiers de l électrotechnique sont moins amenés à raisonner de façon séquentielle. En revanche, sur un schéma électrotechnique, les performances de ces élèves sont très semblables à celles des élèves et étudiants des sections générales sur des schémas électrocinétiques. Pour mettre en évidence la présence d un raisonnement à courant constant, ont été posées, dans chacune des deux schématisations, deux questions correspondant à deux problèmes isomorphes. Un circuit électrique est modifié dans le cas du schéma électrocinétique : une lampe est remplacée par une autre dont la résistance est plus élevée. Dans le cas du schéma électrotechnique, une lampe est ajoutée en série. La question reste la même : cela change-t-il la valeur de l intensité circulant dans le circuit? Pour montrer plus explicitement ce changement, le composant échangé est agrandi exagérément dans le schéma électrocinétique. En ce qui concerne le schéma électrotechnique proposé, il s agit d un des schémas connus des élèves : le permutateur. Mais notons que, dans celui-ci, l élément appelé H4 ajouté en série à des éléments en parallèle est un cas de figure peu fréquent en électrotechnique où les éléments d un circuit sont, la plupart du temps, en parallèle aster 171

12 Christophe Szczygielski Les résultats (tableau 2) montrent que la bonne réponse est minoritaire dans les deux cas mais, comme pour le problème précédent, les élèves n adoptent pas le même raisonnement sur les deux schématisations. En effet, le raisonnement à courant constant n est présent que pour un élève sur cinq sur la schématisation électrocinétique contre un sur deux sur la schématisation électrotechnique. Les élèves et étudiants des filières générales ont l habitude de travailler sur des schémas électrocinétiques représentés sous forme de boucle, alors que les élèves électrotechniciens travaillent sur des représentations où neutre et phase sont tracés en parallèle. Il y a, à l évidence, un effet inducteur sur le raisonnement de la différence des représentations. Tableau 2 Électrocinétique Électrotechnique Bonne réponse 42 % 2/5 27/63 19 % 1/5 12/63 Raisonnement à courant constant (Proposition : le courant est identique) 21 % 1/5 14/63 47 % 1/2 30/ Une conséquence : la différenciation des grandeurs physiques selon la schématisation Bien que les problèmes proposés aux élèves soient différents, il est possible de faire des rapprochements significatifs des modes de raisonnement sur les différentes schématisations. Nous cherchons à savoir si les élèves distinguent les deux concepts : intensité du courant et tension. Lorsque l on compare l ensemble des réponses des élèves (tableau 3), proposition par proposition, sur les différents problèmes posés avec des schémas électrotechniques, nous constatons des résultats très proches. En effet, la 172 aster

13 Lecture et compréhension dans différents systèmes sémiotiques en électricité proposition Elle est identique dans les deux schémas, est très largement majoritaire sur les deux schématisations, chacune des autres propositions étant du même ordre de grandeurs. Tableau 3 Question 4 : lorsque les lampes sont allumées que peut-on dire de la tension aux bornes des lampes H1, H2 et H3? Question 3 : lorsque les lampes sont allumées que peut-on dire du courant traversant la lampe H4? Propositions BEP Propositions BEP Elle est nulle. 11 % Il est nul. 10 % Elle est identique dans les deux schémas. 60 % Il est identique dans les deux schémas. 47 % Elle est plus élevée dans le premier schéma. 11 % Il est plus élevé que dans le premier schéma. 19 % Elle est moins élevée dans le premier schéma. 14 % Il est moins élevé que dans le premier schéma. 19 % On ne peut pas savoir. 4 % On ne peut pas savoir. 5 % Il semble donc que le traitement par les élèves électrotechniciens de ces deux concepts sur un schéma électrotechnique soit voisin, et correspond aux résultats obtenus par Johsua (1984) : le concept est vu comme ayant les mêmes propriétés que le concept d intensité. La proposition Elle est identique dans les deux schémas arrive majoritairement en tête des propositions, les élèves raisonnent à grandeurs électriques constantes, confirmant un raisonnement à «U constante n importe où» (Clavel-Marinacce, 1997) avec une tension inchangée entre deux points quelconques du circuit. En revanche, sur des problèmes isomorphes posés sur des schémas électrocinétiques nous constatons que, proposition par proposition, les réponses retenues par les élèves sont clairement différentes (tableau 4). Tableau 4 Question 9 : lorsque les lampes 2 et 3 sont allumées que peut-on dire de la tension aux bornes de l autre lampe? Question 8 : lorsque les lampes 1 et 2 sont allumées que peut-on dire du courant traversant l autre lampe? Propositions BEP Propositions BEP Elle est nulle. 13 % Il est nul. 5 % Elle est plus élevée que dans le premier schéma. 17 % Il est plus élevé que dans le premier schéma. 21 % Elle est moins élevée que dans le premier schéma. 10 % Il est moins élevé que dans le premier schéma. 43 % On ne peut pas savoir. 7 % On ne peut pas savoir. 8 % Elle est identique dans les deux schémas. 53 % Il est identique dans les deux schémas. 23 % aster 173

14 Christophe Szczygielski Il semble donc que l approche par les élèves des concepts de tension et d intensité du courant soit différente sur un schéma électrocinétique. Les élèves ne différencient les concepts d intensité du courant et de tension que lorsqu ils raisonnent sur des schémas électrocinétiques alors que ce n est pas le cas sur un schéma électrotechnique Identification de schémas de base Ceci correspond à la «formation d une représentation identifiable» selon Duval (Duval, 1993). Le référentiel du BEP des métiers de l électrotechnique prévoit l étude d un certain nombre de schémas électrotechniques de base. Le va-et-vient est l un de ces schémas. Le référentiel prévoit que les élèves doivent les reconnaître sans toutefois obligatoirement les connaître et savoir les redessiner (BEP, 2002). Une expérimentation a été proposée à 61 élèves de fin de première et de deuxième année de BEP, issus d un lycée professionnel de Seine et Marne. Dans ce problème, quatre schémas électrotechniques sont projetés sur un écran pendant quelques secondes (90s). Il s agit du schéma de câblage d une cuisine. Le schéma D1 est un système d éclairage constitué d un simple allumage et d un va-et-vient. Les schémas D2 à D4 sont des schémas de prises électriques respectivement de 4 prises, 1 prise, et 1 prise. Une question demande aux élèves de redessiner de mémoire le premier schéma et une autre demande d en préciser le rôle. Près des trois quarts des élèves (71 %) sont capables de redessiner un schéma de va-et-vient et une grande majorité (67 %) en connaît le rôle. Toutefois, une faible majorité des élèves (57 %) est à la fois capable de redessiner de mémoire le schéma du va-et-vient et d en connaître le rôle et notons que près d un tiers des élèves (31 %) est capable de redessiner de mémoire le schéma du va-et-vient sans en connaître le rôle. Tableau 5 Bonnes réponses le schéma D1 est redessiné 71 % le rôle du schéma D1 est compris 67 % 174 aster

15 Lecture et compréhension dans différents systèmes sémiotiques en électricité Croisement des données schéma D1 redessiné et rôle D1 compris 57 % schéma D1 redessiné mais rôle D1 mal compris 31 % schéma D1 mal redessiné mais rôle D1 compris 4 % schéma D1 mal redessiné et rôle D1 mal compris 8 % Lorsqu ils sont faux, ces schémas ont par exemple les aspects suivants : Ceci montre que les élèves soumis à une tâche de reconnaissance sont davantage sensibles aux aspects figuratifs du schéma qu aux aspects fonctionnels La conversion La conversion est la troisième des fonctions cognitives définies par Duval. Le va-et-vient étant un schéma connu dans le domaine électrotechnique, nous proposons un problème à 79 élèves de première et deuxième année de BEP des Métiers de l électrotechnique. Il s agit de retrouver son équivalent parmi un choix de quatre schémas dans des représentations électrocinétiques. Notons que dans sa représentation électrotechnique, le nom du schéma n est pas précisé. Les schémas a et c sont des propositions dans lesquelles l élève doit être amené à raisonner en terme de logique mathématique selon la position des interrupteurs. Le schéma d est graphiquement proche du schéma électrotechnique en raison de la présence d un rectangle mais il ne s agit pas d un va-et-vient. Le schéma a est la bonne réponse aster 175

16 Christophe Szczygielski Bien que près de la moitié des élèves ait trouvé la bonne réponse (42 % seulement ont retenu la proposition a), près de trois quarts des élèves (72 %) ont tenté de trouver une solution au problème en termes de connexions, c està-dire sans tenir compte des aspects graphiques. Un peu plus d un quart des élèves ont choisi la proposition d qui ressemble, d un point de vue graphique, au schéma électrotechnique puisqu on y retrouve le rectangle. Propositions Schéma a 42 % Schéma b 22 % Schéma c 8 % Schéma d 28 % 3.5. Interprétation Pendant tout le temps que dure leur formation au BEP d électrotechnicien, les élèves reçoivent un double enseignement de l électricité. Le concept de circuit électrique se décompose alors en une étude de l électricité théorique et une étude de l électricité pratique. L étude de ce que nous pourrions appeler l électricité théorique s enseigne avec l électrocinétique 4 à la fois en classe d enseignement professionnel mais aussi en classe de sciences physiques. C est lors de l étude de l électrocinétique, que les élèves sont amenés à réfléchir sur les grandeurs physiques, en particulier dans le cadre d exercices car l électrocinétique est essentiellement évaluée à l écrit mais aussi dans le cadre de travaux pratiques. Elle s enseigne avec la schématisation électrocinétique qui lui est propre et n est pas entièrement normalisée. 4 Savoirs notés S0 du référentiel du diplôme du BEP des Métiers de l électrotechnique (2002) pour la partie professionnelle et chapitre Energie et puissance électriques de l enseignement de sciences physiques pour la partie enseignement général. 176 aster

17 Lecture et compréhension dans différents systèmes sémiotiques en électricité L étude de l électricité pratique se fait en classe d enseignement professionnel 5. En particulier, en câblage électrotechnique, les élèves ne réalisent que des tâches de montage à partir des schémas électrotechniques et ils ne sont jamais amenés à raisonner sur les grandeurs électriques, mais seulement sur des problèmes qui consistent à choisir les éléments adéquats correspondant à un cahier des charges, à une norme ou des règles de sécurité. Parfois, la tâche consiste à rechercher une panne élémentaire qui correspond, la plupart du temps, à un fil déconnecté. L étude d un certain nombre de schémas types d électrotechnique, que les élèves doivent reconnaître, est prévue par le référentiel du BEP des Métiers de l électrotechnique. Le programme prévoit, par ailleurs, que les élèves doivent reconnaître mais pas obligatoirement connaître ces schémas, et ainsi, ils ne sont pas obligés de savoir les redessiner. Ces schémas types sont ceux que Caillot appelle des prototypes (Caillot & Cauzinille-Marmèche, 1984) et leur lecture découle donc de la reconnaissance, comme pour un langage, d un prototype isomorphe existant dans leur mémoire. Pendant la formation au BEP d électrotechnicien, le concept de circuit électrique est donc représenté de deux façons différentes, électrocinétique et électro technique, proches mais tout à fait homologues. Chacune de ces schématisations, électrocinétique ou électrotechnique, est une représentation sémiotique dans la définition qu en a donnée Duval : ce sont «des productions constituées par l emploi de signes appartenant à un système de représentation qui a ses contraintes propres de signifiance et de fonctionnement» (Duval, 1992). Duval précise, par ailleurs, que pour comprendre les objets eux-mêmes (il s agit en fait d objets mathématiques dans les travaux d origine), et pas seulement leur représentation, les élèves doivent non seulement maîtriser plusieurs registres de représentation sémiotique, mais également qu il y ait congruence, c est-à-dire que les élèves doivent être capables de saisir qu il s agit du même objet présenté sous deux registres, et donc de passer d un registre à l autre. C est cette congruence qui va donner du sens aux objets. Or, chacune de ces représentations est utilisée dans un traitement spécifique et l absence de coordination de l ensemble des représentations ne permet pas aux élèves de donner du sens au concept de circuit électrique. C est pourquoi la plupart des élèves réussissent dans les tâches familières de montage avec des schémas électrotechniques et de raisonnement avec des schémas électrocinétiques mais échouent dans des tâches inusuelles, comme de raisonner sur des schémas électrotechniques. 5 Savoirs codés S1 à S6 du référentiel du diplôme du BEP des Métiers de l électrotechnique (2002) aster 177

18 Christophe Szczygielski 4. Coordination entre deux registres sémiotiques : schéma électrocinétique et langage technique De manière complémentaire, six entretiens ont été réalisés avec des élèves d une classe de première année de BEP des Métiers de l électrotechnique, considérés comme de bons élèves dans les disciplines professionnelles mais aussi en mathématiques et en sciences physiques, en fin d année scolaire et hors temps scolaire. Trois de ces entretiens ont fait l objet d une étude et d une analyse approfondies. L objectif était de chercher à savoir si les élèves adoptent le même raisonnement sur le schéma et le montage d un même circuit électrique. Cette série d entretiens a permis de comprendre la méthode de réalisation des montages électriques et la méthode de réalisation des schémas électriques. Cela a permis de déterminer si elles sont accompagnées de raisonnement et de sens. Dans plusieurs séries d entretiens, il a été demandé à des élèves soit de réaliser un schéma électrocinétique à partir d un montage électrocinétique, soit de réaliser un montage électrocinétique à partir d un schéma De la lecture de montage à sa représentation sous forme de schéma La tâche de réalisation du schéma à partir d un montage a été filmée puis les élèves ont été immédiatement interrogés alors qu ils visualisaient le film de leur montage. Cette tâche s est décomposée en deux parties. Dans la première partie, l élève a travaillé seul, sa tâche étant de représenter le réel (un montage) sous la forme d un schéma de son choix. Cette tâche a été filmée. La deuxième partie de la tâche s est faite avec l expérimentateur qui lui a demandé d expliciter sa démarche en visualisant le film. Cette deuxième partie a été enregistrée. Notons que la plupart des élèves auraient pu choisir la représentation à laquelle ils sont le plus souvent confrontés, c est-à-dire une schématisation électrotechnique, mais tous, sans exceptions, ont représenté un schéma électrocinétique à partir du montage. Cette tâche, d apparence simple, a été assez bien réussie par la plupart des élèves, toutefois, certains ont éprouvé des difficultés récurrentes, révélant la structure d un problème didactique. Ainsi, Asad a décrit correctement le montage. Il a vu les caractéristiques principales du montage : des lampes (dans certains entretiens, il s agissait de résistances, comme dans le schéma ci-dessous) en parallèle avec des bobines. La description par l élève du montage est conforme à la réalité : «[ ] la lampe, qui est branchée en dérivation avec une bobine». Il a parfaitement analysé le montage, en particulier les types de connexion des voltmètres : «[ ] ils sont branchés [les voltmètres] en dérivation avec la lampe». 178 aster

19 Lecture et compréhension dans différents systèmes sémiotiques en électricité Alors que le schéma attendu était le suivant : Asad propose le schéma suivant : Ainsi, il a représenté les bobines en série avec les lampes. Remarquons que l un des voltmètres est placé en dérivation, comme il l a décrit dans son propos, mais dans une configuration non canonique : le dessin du voltmètre n est pas placé parallèlement à l ensemble lampe-bobine. En revanche, l autre voltmètre est représenté avec trois bornes. Finalement, cet élève est capable de donner une description orale tout à fait juste d un montage, mais la transcription sous forme de schéma électrique est fausse Une lecture correcte d un schéma n est pas obligatoirement accompagnée de sens La tâche de montage à partir d un schéma électrocinétique a, elle aussi, été filmée. L entretien à partir du film a, entre autres objectifs, permis de comprendre leur méthode de lecture de schéma. L entretien de l élève Mark a montré qu il ne maîtrisait visiblement pas la notion de circuit parallèle. En effet, il considère que le voltmètre est en parallèle par rapport à la bobine et le condensateur «j ai mis le voltmètre en série du condensateur et du truc», avant de se reprendre suite à l intervention de l expérimentateur. Il considère, de même, que la résistance est en parallèle avec le générateur aster 179

20 Christophe Szczygielski C est une erreur de lecture typique, mise en évidence par Caillot (Caillot, 1988). Cet élève ne sait pas décoder un schéma, les «effets perceptifs priment sur la sémantique de la représentation graphique» (ibid.). L analyse de sa technique de câblage révèle que, dans le montage réalisé, une des bornes du voltmètre a été connectée à la bobine, l autre au générateur. Une bonne compréhension du montage aurait conduit à connecter le voltmètre aux bornes du générateur ou éventuellement aux bornes des éléments du circuit, c est-à-dire à une borne de la bobine et l autre au nœud de connexion résistance et haut-parleur. Le questionnement s est orienté vers le rôle que cet élève attribue au voltmètre. Ses réponses montrent qu il ne semble pas connaître les propriétés physiques liées au fonctionnement et au rôle de l instrument. En effet, à la question «En gros tu mesures la tension aux bornes de quoi?», la réponse de l élève a été : «Le courant, il rentre». Il semble penser qu un courant traverse le voltmètre. Et pour ce qui est de la justification des connexions du voltmètre, il semble raisonner en termes de circulation de courant, car à la question «[ ] pourquoi tu ne la [la connexion] mets pas au générateur?», il a répondu : «C est pour le retour du courant». Cet élève semble penser qu un courant traverse le voltmètre. Cet élève a donc parfaitement réussi sa tâche de montage sans, semble-t-il, comprendre les phénomènes physiques liés au montage ou au fonctionnement de l appareil de mesure. D une manière générale, les élèves en classe de BEP des Métiers de l électrotechnique réussissent les tâches de montage lorsque ces derniers ne présentent pas de difficultés. En effet, la présence de nombreuses boucles et la multiplication d appareils de mesure peut entraîner quelques erreurs. Mais, si un montage est réalisé sans erreur, il est fréquent que le sens ou le rôle du circuit électrique et des grandeurs électriques n est pas compris. Une tâche de montage peut être réussie sans nécessairement donner du sens aux actions réalisées. Cette tâche est donc toujours réalisée convenablement. Toutefois, la justification des actions menées montre que les élèves ne comprennent pas ce qu ils font Raisonner dans le registre du langage naturel, à partir du schéma et à partir du montage Chaque entretien s est poursuivi par un questionnement sur les différents schémas électrocinétiques ainsi que sur le montage, tous fournis par l expérimentateur. Au cours de l entretien, il a été demandé aux élèves de placer un ampèremètre permettant de mesurer l intensité du courant traversant certains éléments du circuit : les résistances. Dans un premier temps, ils ont dû expliciter oralement leur méthode, puis modifier le schéma fourni par l expérimentateur et enfin le montage correspondant. 180 aster

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