Mise en place effective de la séquence et analyse comparative entre les deux classes

L’utilisation de la modélisation dans l’enseignement

Présentation du phénomène de modélisation par lecture d’articles

Qu’est-ce que le modèle ?

En sciences, le terme « modèle » est employé de manières diverses ; il peut être associé à la théorie ou encore à une conception de la démarche scientifique comme construction de l’esprit. Ainsi, de très nombreux travaux d’épistémologie portent sur la question de la modélisation en sciences afin d’éclairer les lecteurs sur l’intérêt de son utilisation. De même, plusieurs articles de recherche traitent de la modélisation en sciences.
Tout d’abord, il semble nécessaire de distinguer modèle et modélisation ; cette dernière est davantage décrite dans de nombreux articles comme une démarche de construction d’un modèle ou encore comme l’appropriation d’un modèle préalablement construit : c’est l’ensemble des démarches consistant à s’approprier le modèle au sens de substitut à un phénomène réel. La modélisation est donc l’ensemble des étapes qui conduisent au modèle.
La modélisation est un processus et le modèle le produit fini de ce processus.
Quant à la méthode des modèles, elle est davantage centrée sur les diverses fonctions que le modèle lui-même peut remplir : c’est une démarche scientifique utilisant le modèle « comme la méthode expérimentale utilise l’expérimentation ». En sciences, la modélisation fait aussi bien référence aux images, schémas et représentations en 3D (maquette, modèle réduit) qu’à la théorisation et à la mathématisation.
Il est indispensable de savoir à quel moment utiliser les modèles en tant qu’objets concrets (maquettes, modèles réduits) ou abstraits. La question est de savoir si le modèle est l’utilisation de représentations (images, schémas) ou s’il constitue ces représentations.
Dans ce dernier cas, le modèle serait « un objet pour penser avec », un objet visuel qui aiderait à construire la pensée de chaque individu. Pour cela les chercheurs se sont questionnés sur le lien entre ces modèles et les phénomènes qu’ils représentent.
Pour d’autres auteurs se pose la question du statut du modèle comme analogie : est-ce un moyen d’investigation aidant à la recherche ou a-t-il une fonction de communication dans la vulgarisation d’un fait scientifique ?
Lega a d’ailleurs distingué les « modèles de mécanisme » (qui sont les plus répandus), les « modèles de décision et de prévision » ainsi que les « modèles d’hypothèse ».

L’utilisation du modèle dans la démarche d’investigation

A l’école primaire, les élèves doivent utiliser la démarche d’investigation (afin d’expliquer les différents phénomènes) qui est construite de la manière suivante : mise en place d’un problème, émission des hypothèses, réalisation d’un protocole (investigation en vue de résoudre le problème), validation ou non des hypothèses, résultats et structuration du savoir établi. Les protocoles utilisés sont au choix : l’expérimentation (mise en place d’un dispositif en ne faisant varier qu’un facteur à la fois), le tâtonnement expérimental (comparer les résultats de divers essais), l’observation, la recherche / analyse documentaire (par la lecture de divers documents) ou encore la modélisation.
Dans cette démarche scientifique, le modèle peut avoir plusieurs fonctions : expliquer, prévoir et chercher. Dans le premier cas, l’explication peut passer par l’analogie, c’est-à dire par la ressemblance entre deux réalités (dont la plus simple, c’est-à-dire le modèle, aide à comprendre l’autre plus complexe). Le modèle peut permettre également de prévoir en rendant compte de processus évolutifs, de transformation (simulation) sans avoir besoin d’observer la réalité elle-même : le modèle a alors une fonction prédictive (à confronter avec les observations).

Modéliser à l’école élémentaire

En dehors de l’aspect théorique, d’autres chercheurs se sont penchés sur l’utilisation du modèle comme outil didactique en sciences à l’école élémentaire ; en effet il semble pouvoir catégoriser savoir savant, savoir enseigné et fonctionnement de l’élève face à ces savoirs. On parle alors d’apprentissage par la modélisation dans l’enseignement des sciences où le maitre enseigne et fait apprendre aux élèves en se servant d’objets (réels ou virtuels). Cependant, cet enseignement semble beaucoup discuté par les professionnels et être source de débat. Bodur et Guichard ont étudié la modélisation sur des élèves de 8-10 ans et ont comparé les modélisations et simulations les plus favorables à leur compréhension d’un phénomène scientifique (sur la flexion et l’extension du bras). La modélisation chez les plus jeunes élèves ne faisant pas l’unanimité et ayant été débattue, ils ont montré que la modélisation utilisée correctement était bénéfique à la compréhension et aux apprentissages des faits scientifiques par les élèves. Pour d’autres, les activités scientifiques pour ces jeunes ne devraient se cantonner qu’à de la simple classification, description et manipulation d’objets. Des études ont d’ailleurs appuyé ces propos en montrant qu’avant l’adolescence, les enfants distinguaient avec difficulté preuve expérimentale et théorie. Malgré tous ces débats, l’usage de la modélisation se multiplie dans l’enseignement des sciences : « l’exercice de la modélisation du réel est sans doute la démarche la plus importante et aussi la plus difficile dans la démarche scientifique » : les modèles sont donc des instruments permettant de décrire, expliquer, prévoir, prendre une décision, fonctionnant comme « pont » entre monde réel et monde scientifique. Ils permettent de modéliser des phénomènes complexes (en les simplifiant) et donc de ne pas rester muet devant eux, d’accéder à des représentations visuelles de divers phénomènes, notamment les phénomènes non observables. L’objectif pédagogique principal de l’enseignement par la modélisation et la simulation est que les élèves construisent des savoirs en modélisant des phénomènes scientifiques

Interprétation des relevés obtenus de la séance n°4 Cf séance – annexes 9, 10, 11

Les représentations des élèves au début de la séance (cf annexe n°18)

Au début de la séance, les élèves ont répondu à la question suivante : « Y a-t-il des jours plus longs dans l’année ? Si oui, quand ? ». Ici, ces représentations n’apportent pas d’informations sur la modélisation puisqu’il s’agit de savoir quelles connaissances les élèves possèdent, sans devoir expliquer le phénomène. Les représentations ont été classées en fonction des catégories suivantes : réponse attendue (= jours plus longs en été et/ou jours plus courts en hiver), réponse incomplète (= oui il y a des jours plus longs / les jours sont plus longs en été / les jours sont plus courts en hiver).
Le recueil des représentations des élèves m’a permis de savoir s’ils devaient travailler sur la variation des jours dans l’année. Il est apparu que seuls 10% des élèves de la classe test et 17,5% des élèves de la classe témoin savent à quelle période se situent le jour le plus long et le jour le plus court de l’année. De plus, aucun élève n’a abordé la diminution ou l’augmentation de la durée des jours en automne ou en mars. Ainsi, la répartition des représentations des élèves m’a fait modifier la première étape qui était prévue pour cette séance : le travail initialement plus court a été remplacé par un travail plus important durant lequel les deux classes ont construit un graphique de la variation des jours durant l’année. (cf annexe n°13)
Le travail sur la durée des jours durant l’année a été réussi pas l’ensemble des groupes des deux classes. Ainsi, tous ont trouvé que la journée la plus longue était en été alors que la journée la plus courte était en hiver et ont pu observer l’évolution de la durée des jours en fonction des différents mois de l’année (travail sur les tableaux et graphiques faits en mathématiques lors de la période précédente).

Observations lors de la séance 4 avec la classe témoin

Après la construction du graphique, les élèves ont travaillé sur le document n°3 afin de comprendre que la variation de la durée des journées dans l’année est due à l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre.

Analyse comparative entre les deux classes

L’utilisation du modèle en tant qu’outil de recherche est difficile à utiliser pour les élèves : en effet, ils doivent essayer de trouver eux-mêmes des solutions alors qu’ils ont plutôt l’habitude de chercher les réponses au problème donné dans des documents. Ici, trois des cinq groupes de la classe test se sont rapidement découragés après quelques minutes de recherche, dont un qui s’est mis à jouer avec le matériel. Cependant, la motivation et la satisfaction n’en ont été que plus grandes pour les groupes proposant des débuts de réponses et même LA solution. En revanche, presque tous les groupes de la classe témoin ont réussi à trouver une solution avec la recherche documentaire.
Globalement, j’ai pu remarquer que l’utilisation d’objets pour modéliser un phénomène motive davantage les élèves (plus attractif que la recherche documentaire). Concernant les élèves les plus en difficulté, il semble que l’utilisation du modèle lors de la mise en commun soit bénéfique et facilite leur compréhension du phénomène (même s’ils n’ont pas réussi à trouver de solution avec le modèle utilisé en tant qu’outil) car ils peuvent le visualiser. En revanche, il m’a semblé plus difficile d’expliquer le phénomène (sans aucun matériel) aux élèves de la classe témoin qui n’avaient pas compris.
D’ailleurs, même en faisant un dessin au tableau, je reste sceptique sur la compréhension du phénomène pour certains élèves. En effet, la compréhension par le dessin nécessite un effort important d’abstraction qui est difficile pour des élèves de 8-9ans.

Le mouvement de la Terre autour du soleil, un phénomène qui requiert l’utilisation de la modélisation

En sciences les élèves doivent mettre en place une démarche d’investigation logique afin de construire leurs connaissances. Observations et expériences sont donc indispensables, mais lorsque les élèves se retrouvent devant un phénomène ne permettant pas l’expérimentation, tel que l’étude du mouvement de la Terre autour du Soleil, la modélisation peut être un substitut au réel afin que les élèves puissent expérimenter et comprendre les conséquences d’un tel phénomène.

La structure du système solaire

L’ensemble du système solaire est né il y a environ 4,6 milliards d’années d’un même nuage de poussière. Notre système solaire est composé d’une étoile, le Soleil, et de l’ensemble des corps célestes qui tournent autour du Soleil, subissant sa gravitation. Parmi ces corps célestes, on trouve : les huit planètes, la ceinture d’astéroïdes entre Mars et Jupiter, les satellites des planètes ainsi que la ceinture de Kuiper, la ceinture d’astéroïdes à la périphérie du système solaire

Interprétation des relevés obtenus de la séance n°5 Cf séance – annexes 14, 15, 16

Les représentations des élèves en début de séance (cf annexe n°19)

Pour débuter la séance, les élèves ont dû répondre à la question suivante : « Pourquoi fait-il plus chaud en été qu’en hiver ? ». Les représentations des élèves ont été classées. Ici, j’ai distingué trois types de représentations « logiques » : en effet, dans les trois cas, les enfants ont cherché des liens de cause à effet en essayant de réinvestir les connaissances acquises précédemment. Les premiers types de représentations « logiques » sont en rapport avec le Soleil, c’est-à-dire que les élèves ont pris en compte le Soleil pour répondre à la question (car ils ont compris lors de la séance précédente que le Soleil permet, d’une certaine façon, d’avoir des saisons) : dans le premier cas, le Soleil garde les même caractéristiques (pas de changement d’intensité ou de taille), dans le second cas, les caractéristiques du Soleil sont modifiées.
Commentaires pour la question 1 : Dans la classe témoin, 95% des élèves ont retrouvé que « le soleil se lève vers l’est et se couche vers l’ouest ». Cependant, comme lors de la séance n°1, ils n’ont pas tous pensé à modifier la hauteur du Soleil dans le ciel en fonction des différents moments de la journée ; seuls 58% des élèves ont fait attention aux deux variables.
En regardant le graphique des résultats obtenus, on peut voir que le pourcentage de réussite des élèves est similaire pour les questions 1, 2, 4 et 7. Ces questions n’ont pas nécessité l’utilisation du modèle : la deuxième question est une question déjà étudiée dans la séquence « ombres et lumières » alors que les réponses aux questions 1,2 et 7 ne nécessitent pas spécifiquement la compréhension des phénomènes.
En revanche, on peut remarquer des disparités pour les questions 3, 5 et 6.
Ces questions demandent l’explication d’un phénomène particulier étudié pour la classe test avec l’aide du modèle. Presque 1/3 de plus des élèves de la classe test ont répondu à la question impliquant la rotation de la Terre pour expliquer le phénomène des jours et des nuits et presque deux fois plus d’élèves ont su justifier que l’axe de rotation incliné de la Terre permettait d’avoir des jours ou des nuits plus longues. On peut supposer, à la vue des résultats des évaluations, que les élèves de la classe test ont mieux compris le phénomène grâce à l’utilisation du modèle et l’ont retenu plus facilement.
Cependant, on peut voir que les élèves de la classe test n’ont pas tous su choisir la bonne représentation (presque 50% ont modifié l’inclinaison de l’axe de la Terre en fonction des saisons). On pourrait penser que l’explication serait également liée à l’utilisation non rigoureuse du modèle lors de la séance n°5 : si les groupes ont « manipulé la Terre » lors de la séance sans faire attention à l’inclinaison de l’axe, ils sont restés sur cette représentation mentale et ne l’ont pas rectifiée lors de la modélisation collective (ou n’y ont pas prêté attention). Il aurait fallu que je fasse davantage attention à l’utilisation du modèle dans les différents groupes lors de la séance ou encore insister davantage sur ce point lors de la modélisation en collectif.
Concernant la question n°8, seuls les élèves de la classe test y ont répondu correctement (environ 30%). Cette question, traitée uniquement dans la séance n°5 et sans aucune référence dans la trace écrite, faisait appel uniquement à la mémoire des élèves.
Ainsi, on peut supposer que les élèves ayant mémorisé ce point sont ceux qui ont compris le phénomène lors de la séance. Il semble donc que pour cette explication plutôt complexe, l’utilisation du modèle soit bénéfique.
Cependant, il ne faut pas négliger la possibilité que les élèves se soient simplement souvenus de la manipulation avec la laine et aient su répondre à la question sans en comprendre réellement sa portée.

Remédiation par la modélisation dans la classe témoin

Après l’évaluation, j’ai proposé à la classe une séance de remédiation avec les élèves utilisant le modèle. Lorsque j’ai donné le matériel afin qu’ils puissent simuler les mouvements de la Terre autour du Soleil, j’ai remarqué que les élèves avaient quelques difficultés à modéliser le phénomène. Après avoir travaillé avec le modèle, nous avons construit une maquette afin de fixer les idées des élèves.
Cette séance utilisant le modèle (avec les mêmes matériaux que dans la classe témoin) a abouti à une maquette (cf annexe n°25).
Après cette remédiation, j’ai voulu voir si certains points avaient été mieux compris par les élèves. Je leur ai donc proposé de reprendre l’évaluation faite précédemment (en laissant passer une semaine) et d’apporter les corrections qu’ils voulaient en vert (copies où je n’avais apporté aucune correction ni aucun commentaire) ; ainsi, les élèves n’avaient aucune indication pour savoir quelle(s) question(s) ils devaient reprendre.
Après cette évaluation, j’ai décidé de reporter les réponses données par les élèves avant et après l’utilisation du modèle afin de voir s’ils avaient modifié leurs réponses.

Les améliorations à apporter à la séquence

Lors des différents travaux de groupes (que ce soit lors de la recherche documentaire ou de la modélisation), j’ai mis en place des groupes hétérogènes afin que de pallier les carences de certains élèves (par exemple, en lecture-compréhension lors de la recherche documentaire). Il est vrai que certains élèves du groupe étaient moins actifs que d’autres : si je devais remettre en place la séquence, je ferais en sorte que les élèves « les plus en difficulté » aient un rôle plus important, tel que rapporteur ou scripteur, afin de les obliger à comprendre et à plus s’investir dans la démarche de recherche du groupe.
Côté matériel, je pense qu’il faudrait faire une mise au point en début de séquence afin d’expliquer aux élèves comment se servir d’un modèle dans les phases de recherche (exemple : ne pas se contenter de ne vérifier qu’une seule hypothèse) ; de même, il faudrait que je fasse davantage attention à l’orientation des objets lors de la modélisation (notamment pour l’orientation de l’axe de la Terre, ou encore si la trajectoire de la Terre est représentée de manière circulaire ou ovale). De même il est vrai que l’utilisation d’une lampe de poche (qui éclaire dans une seule direction) réduit les possibilités des élèves lors de l’utilisation du modèle comme outil de recherche : l’utilisation d’une ampoule pourrait être une solution lors de la présentation du matériel. Les élèves ne pourraient pas travailler directement avec l’ampoule mais l’aurait toujours sous les yeux pour se remémorer les différentes possibilités, c’est-à-dire que le Soleil envoie des rayons lumineux dans toutes les directions qui lui sont offertes.
Quant à l’utilisation même du modèle, je pense que je l’utiliserai encore en tant qu’outil de recherche sur un temps de travail réduit, mais avec plus de documents à l’appui pour les groupes ne trouvant pas de solution : ils pourraient ainsi vérifier les réponses apportées par les documents avec le modèle, ce qui éviterait de les démotiver tout en manipulant.
Pour la séance n°5, la notion d’inclinaison des rayons du Soleil est difficile à comprendre pour les élèves en début de cycle 3. Je pense que je traiterai ce point en CM avec la modification suivante: j’utiliserai l’outil informatique pour que les élèves puissent voir l’inclinaison des rayons du Soleil.

CONCLUSION

Nous avons pu voir, tout au long de ce mémoire, qu’il était difficile de construire le savoir scientifique des phénomènes astronomiques.
Les résultats de cette recherche semblent convaincants. En effet, si l’on se base sur la comparaison des résultats obtenus dans les deux classes, on peut dire que l’utilisation du modèle en classe, en comparaison à la seule recherche documentaire, permet un abandon plus conséquent des représentations naïves au sein des séances (constaté pendant mais également à la fin de la séquence). De plus, la modélisation, associée à la recherche documentaire, permet une meilleure compréhension des phénomènes scientifiques puisqu’elle favorise les représentations mentales des élèves et permet de les corriger / d’y remédier plus facilement (cf classe test). Autre point non négligeable, elle apporte une motivation supplémentaire aux élèves du fait de son aspect ludique (manipulation d’objets, réalisation d’une maquette).
Toutefois, l’utilisation du modèle en tant qu’outil de recherche semble plus difficile à utiliser pour les élèves de 8-9ans.
Ainsi, d’après les résultats obtenus, l’alternance et les retours fréquents entre recherche documentaire et modèle semblent être le meilleur parti pris pour faire évoluer les représentations erronées des élèves et leur faire construire un savoir.
Cependant, j’ai bien conscience des limites de mon travail de recherche. En effet, mon étude s’est portée sur un échantillon d’élèves relativement limité (une quarantaine d’élèves) et spécifique à un milieu urbain et relativement défavorisé (peut-être les résultats auraient été tout autres pour des classes d’un environnement plus rural ou plus aisé). Afin de vérifier les résultats de cette recherche, il faudrait l’expérimenter à plus grande échelle, sur un échantillon d’élèves plus varié.
Ainsi, la seule conclusion possible de ce travail de recherche que je pourrais émettre est la suivante : les phénomènes astronomiques abordés à l’école élémentaire peuvent être intégrés dans une démarche scientifique afin de donner du sens aux élèves.
Quant à la phase d’investigation, il est possible d’utiliser différentes méthodes dont la modélisation et la recherche documentaire (dans le cas de phénomènes non directement observables tel que l’astronomie). Cependant, l’utilisation des deux méthodes en complémentarité semble être le meilleur compromis à faire pour un enseignant afin de prendre en compte la diversité des élèves et leurs différents profils cognitifs.

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Table des matières
INTRODUCTION
Partie 1 : L’utilisation de la modélisation dans l’enseignement
I) Présentation du phénomène de modélisation par lecture d’articles
• Qu’est-ce que le modèle ?
• L’utilisation du modèle dans la démarche d’investigation
• Modéliser à l’école élémentaire
• Quelques obstacles à son utilisation
I) Le mouvement de la Terre autour du Soleil, un phénomène qui requiert l’utilisation de la modélisation
A) La structure du système solaire
1) Les planètes du système solaire
2) Les étoiles et la galaxie
A) La relation Terre / Soleil
1) Le mouvement apparent du Soleil au cours d’une journée
2) La rotation de la Terre sur elle-même et ses conséquences
3) Le mouvement de la Terre autour du Soleil
Partie 2 : Problématique et élaboration de la méthodologie de la recherche
I) La problématique
II) Méthodologie
• Mise en place du protocole expérimental
• Elaboration de la séquence dans le cadre de la recherche
• L’intérêt des activités dans le cadre de la recherche (pour les élèves) et méthodologie de recueil des données
Partie 3 : Mise en place effective de la séquence et analyse comparative entre les deux classes
I) Représentations initiales des élèves lors de la première séance
• Les différents types de raisonnements
• Les résultats obtenus
• Interprétation des résultats
• Mise en place du protocole expérimental
I) Interprétation des relevés obtenus lors de la séance n°2
• Avec la recherche documentaire (classe témoin)
• Avec la modélisation (classe test)
• Analyse comparative entre les deux classes
I) Interprétation des relevés obtenus lors de la séance n°3
• Les représentations des élèves au début de la séance
• Observations dans la classe témoin
• Observations dans la classe test
• Analyse comparative entre les deux classes
I) Interprétation des relevés obtenus lors de la séance n°4
• Les représentations des élèves au début de la séance
• Observations dans la classe témoin
• Observations dans la classe test
• Analyse comparative entre les deux classes
I) Interprétation des relevés obtenus lors de la séance n°5
• Les représentations des élèves au début de la séance
• Observations dans la classe témoin
• Observations dans la classe test
• Analyse comparative entre les deux classes
I) Evaluation sommative et remédiation dans la classe témoin
• Résultats et analyses des évaluations
• Remédiation dans la classe témoin par la modélisation
• Comparaison entre les deux classes après l’utilisation du modèle
I) Les améliorations à apporter à la séquence
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE

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