Obstacles à l’apprentissage de la physique

Obstacles à l’apprentissage de la physique

Avant de parler des concepts quotidiens et scientifiques, je souhaite aborder succinctement quelques obstacles que rencontrent les élèves dans l’apprentissage de la physique.
Parmi tous les obstacles, il y en a deux qui ressortent assez clairement : Le premier obstacle concerne l’utilisation des outils mathématiques. Il est clair que les élèves ont beaucoup de difficultés à transposer dans les cours de physique ce qu’ils ont appris dans les cours de mathématiques. L’obstacle des mathématiques, que les enseignants de physique aiment bien mettre en avant car ils ont l’impression que la responsabilité en incombe surtout aux élèves et aux enseignants de mathématiques, peut être encore subdivisé en deux parties : Un problème de transposition pure.
Les élèves ne savent plus, par exemple, résoudre une équation du premier degré. En mathématiques, ils trouvent facilement l’inconnue « x » à partir de l’équation a .x =b  tandis qu’ils ont plus de difficultés en physique à extraire l’inconnue « a » de l’équation F=m. a .
En effet, en mathématiques l’inconnue est très clairement identifiée. Elle s’écrit souvent « x » et les autres termes de l’équation sont soit des nombres soit les lettres a, b et c. En physique les choses ne sont pas toujours aussi claires. En effet, selon les données à disposition, l’inconnue de l’équation F=m. a  peut être aussi bien F que m ou a. L’élève ne doit donc pas simplement résoudre une équation à une inconnue mais surtout se poser la question : quelle est la grandeur physique que je dois trouver ? Un problème de sens. En mathématiques les équations mettent simplement en relation des termes y =a .x avec y, x deux inconnues et a une constante. Les termes de cette équation n’ont aucun sens physique, économique, …
En physique, chacun des termes qui entre dans une équation est une grandeur physique ou une constante physique. Une équation est donc une description du monde qui nous entoure et doit donc se « traduire ». Par exemple, pour l’équation F=m. a , un mathématicien dira que c’est une fonction linéaire. Un physicien par contre y lira que tout objet de masse m soumis à une force résultante F aura une accélération a. cette accélération est proportionnelle à la force résultante et inversement proportionnelle à la masse de l’objet. L’équation mathématique et l’équation physique utilisent les même outils (addition, soustraction, multiplication, division, …) cependant elles ne se lisent pas de la même manière. Seule la seconde nous permet de dire que plus la force résultante exercée sur un objet est grande, plus l’accélération de cet objet est importante.

Conception du questionnaire

Le premier élément important lors de la conception du questionnaire est de s’assurer que les questions sont formulées de manière à pouvoir mettre en évidence uniquement les préconceptions des élèves en matière de physique. Une manière simple d’atteindre cet objectif est de poser des questions de sorte à ce qu’aucun outil mathématique ne soit nécessaire. C’est également ce qu’on retrouve dans les différents articles consultés.
Le choix des questions a également sont importance. Il a été décidé ici de ne poser que trois questions qui sont en lien direct avec les trois lois de Newton. Ces questions sont des exercices classiques de la physique newtonienne. La particularité, ici, est que nous demandons aux élèves d’expliquer ce qui se passe et non pas de calculer la valeur de telle ou telle grandeur physique. Toutes les questions sont donc des questions ouvertes.
La formulation des questions doit être le plus neutre possible. Elle ne doit pas donner des pistes de réponse à l’élève ni l’induire en erreur. Nous verrons plus loin que la question 3 ne remplit pas ce critère. Idéalement, pour identifier les préconceptions des élèves, il faudrait pouvoir s’entretenir avec eux, écouter leurs explications et leur poser des questions. Malheureusement cela prend beaucoup de temps et n’a pas pu être fait dans le cadre de ce travail. Les élèves ont donc reçu un questionnaire dans lequel ils expliquent comment ils ont procédé pour arriver à la réponse.
Nous avons ainsi obtenu une partie du raisonnement des élèves que nous avons ensuite pu analyser. Cette méthode n’est clairement pas idéale car il est très difficile pour un élève d’expliquer en quelques lignes un raisonnement complexe.

Choix des questions

Les préconceptions dans le domaine de la physique de Newton sont étudiées depuis longtemps et on peut remarquer que bien que McDermott (1997-1998) ait fait une synthèse relativement exhaustive d’articles publiés sur ce sujet entre 1980 et 1996, il parait encore régulièrement des articles sur ce sujet. Ces préconceptions dans le domaine de la mécanique sont donc bien documentées et peuvent être classées dans trois groupes qui sont en lien direct avec les trois lois de Newton. Le questionnaire qui a été soumis aux élèves contient donc trois questions, une pour chacune des lois de Newton . Préconception n°1 : Un objet immobile :Plusieurs auteurs montrent que la « simple » description d’un objet immobile, permet de lever le voile sur beaucoup de concepts erronés (Minstrell, 1982 ; Rivera-Juarez & Madrigal.Melchor & Enciso-Muñoz & López-Chávez, 2010). Cela va de la croyance qu’aucune force ne s’exerce sur un objet immobile au fait que c’est la pression atmosphérique qui immobilise un objet en le plaquant au sol ou sur une table.
Ce que dit Newton (première loi) : Si la résultante des forces qui s’exercent sur un corps est nulle, la vitesse de ce corps ne peut pas varier ; par conséquent, son accélération est nulle. Les élèves ne « voient » généralement pas que le livre est immobile parce que la force de pesanteur qui s’applique sur celui-ci est compensée par la force de réaction de la table sur le livre. C’est bien parce que la résultante de ces deux forces est nulle que le livre est immobile.
Préconception n°2 : Un objet à vitesse constante (Viard, 1990-91). Chaque élève sait par expérience que pour faire avancer sa bicyclette à une vitesse constante, même à plat, il doit appuyer sur les pédales pendant toute la durée du trajet. Il est donc légitime de penser que la vitesse de la bicyclette est proportionnelle à la force appliquée sur les pédales. Ou plus généralement que la vitesse d’un objet en mouvement est proportionnelle à la force appliquée à cet objet. Ce que dit Newton (seconde loi) : L’accélération (a) d’un corps est égale à la force résultante (F) exercée sur ce corps divisée par la masse (m) du corps a=F/m.
En clair cela signifie que si la force résultante exercée sur un objet est différente de zéro la vitesse de l’objet augmente ou diminue.
Dans le cas de notre bicyclette, la force résultante est la somme de la force exercée par le cycliste et de la force exercée par les frottements (frottement de l’air sur le cycliste, frottements mécaniques–chaînes sur les plateaux, roues sur la chaussée, …). Cette résultante est nulle c’est pourquoi le cycliste avance à vitesse constante bien qu’il appuie sur les pédales.
Préconception n°3 : Interaction entre deux objets de masse différente (Carla Hernandez & Ricardo Buzzo & Rodrigo Rivera, 2008). Les élèves pensent généralement que si un camion roulant à 100 km/h percute une Smart à l’arrêt, la force que le camion exerce sur la Smart est beaucoup plus grande que la force que la Smart exerce sur le camion. En effet, les conséquences du choc sont beaucoup plus grande pour la Smart que pour le camion.
Ce que dit Newton (troisième loi) : Lorsque deux corps interagissent, les forces qu’ils exercent l’un sur l’autre sont toujours égales en module, mais opposées en direction. La force exercée par le camion sur la Smart est donc égale à la force exercée par la Smart sur le camion. Toutefois, la variation de vitesse de chaque véhicule étant inversement proportionnelle à leur masse (seconde loi), le camion qui est très lourd va continuer sa route sans être trop perturbé tandis que la smart qui est légère va être violemment accélérée par le choc. C’est pourquoi l’effet de la collision est plus faible sur le camion (masse importante) que sur la Smart (masse faible).

Population étudiée

Les questionnaires ont été distribués en début d’année scolaire 2014/15 à trois classes du gymnase de Chamblandes. Deux classes suivent les cours de physique en discipline fondamentale en première et en deuxième année de maturité tandis que la troisième classe est en première année d’Ecole de culture générale. Tous les élèves ont disposé de 15 minutes pendant les cours pour répondre aux questions. Il était important qu’ils ne consultent aucun support de cours et ne discutent pas entre eux afin de pouvoir mettre en évidence les conceptions initiales de chaque élève.
Les connaissances des élèves en physique sont relativement variables. Les élèves de 2M ont suivi un cours sur les lois de Newton en première année. On peut supposer que certains élèves de 1M ont suivi l’option mathématique et physique au secondaire 1 et connaissent donc un peu les lois de Newton. Les élèves de 1E, quand à eux, ne connaissent de la physique que ce qu’ils en ont vu en cours de sciences. Ils n’ont donc probablement jamais étudié les lois de Newton.

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Table des matières

Introduction 
Motivations
Obstacles à l’apprentissage de la physique
Les concepts quotidiens dans l’apprentissage
Question de recherche
Conception du questionnaire
Choix des questions
Traitement des résultats
Population étudiée
Dépouillement des questionnaires
Analyse de la question 1
Analyse de la question 2
Analyse de la question 3
Conclusions

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