Université d'été « Enseigner les sciences à l'école primaire »

Matière

Animateurs : Isabelle Caublot-Lacroix, IUFM de Marseille et Muriel Guedj, IUFM de Montpellier
Rapporteur : Ludovic Klein, École des Mines de Nantes

Au terme de chaque phase vous pouvez en suivre l'application sur le sujet qui vous intéresse en cliquant sur les liens proposés comme ci dessous :

Déroulement de l'atelier

L'atelier "matière" est centré sur l'un des aspects du travail du chercheur : l'élaboration d'un protocole expérimental. En effet, la notion de protocole, en contraignant le chercheur à définir clairement et collectivement les objectifs préalablement au déroulement de l'expérience, permet d'éviter de commettre des erreurs expérimentales qui compromettraient l'analyse des résultats ou rendraient impossible toute conclusion valable.

L'objectif de cet atelier réside donc dans la prise en compte des diverses données nécessaires à l'établissement d'un protocole. Ce travail proposé au niveau de l'adulte donnera lieu ensuite à une réflexion concernant les possibilités de transposition pour la classe. Il s'agira en effet de s'interroger sur l'intérêt du protocole expérimental tel qu'il peut être proposé ainsi que sur les modalités de son établissement.

Le déroulement de l'atelier se décline selon les trois phases suivantes :

Phase 1 : mise en situation et mise en œuvre d'activités expérimentales par les participants

  1. Présentation des travaux expérimentaux et définition d'un protocole expérimental.
  2. Travail par groupe (4 groupes de 3 ou 4 personnes) successivement sur deux des sujets décrits ci-dessous (1 heure par sujet). Chaque groupe, avec l'aide de textes explicatifs donnés pour chaque sujet, devra définir et proposer par écrit un protocole expérimental et le suivre pour réaliser les expériences proposées :
    • La congélation de l'eau
    • Les mélanges
    • La dissolution du sel dans l'eau
    • La purification de l'eau
  3. Travail par groupe (les 4 groupes précédemment constitués) sur un des sujets non traités durant le créneau précédent à partir des écrits réalisés par les autres groupes. Cette étape permet de mettre en évidence l'intérêt du protocole expérimental et sa qualité de rédaction puisque chaque groupe, après avoir conçu des protocoles, va devoir tester celui d'un autre groupe et vérifier ce qui est proposé dans un temps plus court.

Phase 2 : prise de recul par rapport à la démarche vécue

On propose de faire le bilan et la conclusion collective sur les résultats de l'expérience :

  • Identification d'éléments de démarche à travers les activités réalisées durant la phase 1 (rédaction et réalisation d'un protocole expérimental)
  • Analyse des difficultés de manipulation rencontrées
  • Apport d'éventuelles connaissances scientifiques propres aux thèmes étudiés
  • Réponses aux questions des participants en lien avec les expériences
  • Statut et place de l'écrit dans la démarche expérimentale.

Phase 3 : élaboration collective de propositions de séquences pour la classe

  1. Par groupe, les participants réfléchissent à la mise en œuvre d'activités expérimentales pour la classe sur le thème de " la matière " et proposent une progression générale de séquences avec l'aide des animateurs et des outils mis à leur disposition (cédéroms, documents pédagogiques, etc.).
  2. Mise en commun des propositions et synthèse d'une progression.

Par souci de lisibilité, l'analyse de l'atelier est menée chronologiquement. De plus, l'atelier étant répété une fois, il a semblé intéressant de traiter simultanément les données issues de ces deux étapes de travail.

On s'attachera, pour chacune des trois phases constituant l'atelier, à identifier les types d'activités proposées, les stratégies des stagiaires, les démarches des animateurs ainsi que la nature des échanges (échanges de type stagiaire-stagiaire et de type stagiaire(s)- animateur).

Phase 1 - Mise en situation et mise en œuvre d'activités expérimentales par les participants

La mise en situation : "Qu'est ce qu'un protocole expérimental ? "

La mise en situation proposée par les animateurs débute par un entretien oral et collectif visant à recueillir à priori des éléments permettant de définir la notion de protocole. Les réponses des stagiaires associent protocole et expérience : " Le protocole, c'est la mise en œuvre d'expériences par rapport à un système. " ou à la chronologie de l'expérience : " ... c'est le descriptif des différentes étapes à respecter au cours des expériences. ". Afin de préciser cette dernière remarque, la définition suivante est donnée par les animateurs : un protocole est la description précise des conditions et du déroulement d'une expérience qui permet d'aboutir à des résultats exploitables. Il est alors demandé aux stagiaires d'identifier les principaux éléments devant figurer dans un protocole :

  • Définir les objectifs des expériences
  • Dresser la liste du matériel et préciser les conditions de son utilisation
  • Préciser la succession des étapes de l'expérience
  • Indiquer les conditions optimales des relevé de mesures.

Les quatre sujets expérimentaux sur lesquels les stagiaires vont travailler sont présentés sur un document commun à tous les groupes.
Ainsi, après un rappel concernant l'importance du protocole et les objectifs visés dans les diverses expériences à réaliser, le document présente un questionnement spécifique à chaque sujet permettant de guider les participants dans leur approche expérimentale. Selon les sujets, cette aide prend des formes différentes :

  • Le questionnement guide la démarche en permettant d'isoler un paramètre important : " La quantité de sel ajoutée à de la glace influe-t-elle la température du mélange ? ". Le questionnement aide à la mise en évidence de propriétés : " Vérifiez que lorsqu'on dissout du sel dans de l'eau, la masse du mélange est bien égale à la somme des masses des constituants ".
  • Le questionnement tient lieu de situation problème : " Comment obtenir de l'eau " propre " à partir du thé ? ".
  • Le questionnement souligne l'intérêt de la méthode à mettre en œuvre avant même de réaliser l'expérience.

En plus du document écrit, les stagiaires prennent connaissance du matériel prévu pour les expériences qui doivent être réalisées. La lecture du document entraîne un certain nombre de questions scientifiques qui ne constituent pas un obstacle à la poursuite de l'atelier. Elles seront traitées ultérieurement lors d'une phase collective. En revanche, pour des mises au point notionnelles, ponctuelles mais nécessaires, les animateurs interviennent au sein du groupe concerné. Il convient de souligner que les ateliers ne nécessitent volontairement aucun savoir particulier.

Pour une tentative d'analyse plus fine des différentes stratégies, il a semblé utile de traiter indépendamment les quatre ateliers proposés. Cette analyse s'appuie notamment sur les protocoles réalisés par les différents groupes dont quelques-uns sont rassemblés.

Phase 2 - Prise de recul par rapport à la démarche vécue

Pour cette phase, un rapporteur rend compte du travail réalisé au sein du groupe. Les principaux points soulignés témoignent des difficultés rencontrées.

Majoritairement, ces difficultés résultent de lacunes scientifiques et la première étape de mise en commun consiste à apporter des précisions sur les différentes notions abordées au cours de ces ateliers. Les animateurs répondent aux différentes questions.

Une autre difficulté résulte de la stratégie elle-même ; par exemple, l'obtention d'un dispositif efficace lors de la purification de l'eau nécessite de chauffer le thé et de refroidir simultanément la surface délimitée par le film plastique, ce qui pose alors la question de la limite du modèle expérimental. L'amélioration des différents systèmes proposés s'effectue pas à pas en modifiant l'importance accordée à un paramètre ou en en prenant en compte de nouveaux (Quelle quantité de sel ajouter pour faire un encadrement précis permettant de déterminer la valeur de la saturation, tout en tenant compte de la faisabilité de l'expérience ? Combien de temps faut-il attendre avant de procéder à des conclusions relativement aux mélanges réalisés ? Comment tenir compte de la surface d'évaporation pour améliorer le phénomène d'évaporation ? ). Les participants soulignent que le fait de disposer du matériel constitue une aide précieuse dans la détermination de ces paramètres.

Tous les participants s'accordent sur le fait que l'élaboration du protocole résulte d'un travail d'équipe (en cas de désaccord plusieurs expériences ont été réalisées, les plus performantes étant retenues lors de la rédaction du protocole) ; ce travail d'échange est jugé très productif. Les stratégies mises en œuvre diffèrent selon le thème abordé. Ainsi, pour l'atelier sur la purification de l'eau, le tâtonnement expérimental précède la rédaction du protocole qui intervient comme la dernière étape du travail ; c'est le contraire pour l'atelier relatif aux mélanges qui nécessite préalablement de définir précisément la méthode de travail. Les autres ateliers se positionnent dans des situations intermédiaires pour lesquelles un protocole succinct est élaboré avant toute action expérimentale ; une dernière étape étant consacrée à la rédaction finale du protocole.

Pour tous, la place de l'écrit est centrale dans l'établissement du protocole. Les groupes qui ont procédé à des tests témoignent de l'importance des précisions apportées, précisions relatives au savoir et au savoir-faire (Quelle quantité faut-il ajouter ? Quel intervalle de temps doit-on choisir ? Placer la sonde au milieu du mélange pour éviter les effets de bords, etc.). Il apparaît que cette rigueur ne doit toutefois pas être synonyme de complexité ; à cet égard, la présentation du protocole doit permettre de dissocier les différentes rubriques (matériel, objectif, étapes chronologiques). Plus particulièrement, la rédaction de la succession des étapes expérimentales doit être concise mais précise. Il est singulier que l'utilisation du schéma soit quasiment absente des protocoles, notamment dans le cas des ateliers mettant en œuvre des compétences méthodologiques. C'est le cas de l'atelier sur les mélanges dont les protocoles rédigés sont jugés trop complexes. Finalement, seul l'atelier " purification de l'eau " s'appuie sur ce type d'écrit qui apparaît alors indispensable, étant donnée la complexité du montage à réaliser.

Outre la nécessité de rédiger des supports précis et simples, les tests effectués sur les protocoles constituent un apport essentiel pour la phase expérimentale. En effet, ils permettent de dégager l'intérêt d'une ou de plusieurs variable(s) pertinente(s) (atelier La purification de l'eau), donnent un ordre de grandeur de ces variables (atelier La congélation de l'eau) permettant ainsi au groupe qui teste d'affiner les résultats, ou constituent une trame de référence suffisante pour réaliser parfaitement les expériences (atelier La congélation de l'eau), sans que la rédaction d'un nouveau document ne s'avère nécessaire.

Les animateurs proposent alors un document aux participants sur lequel figurent, pour chaque sujet, des suggestions de protocoles ainsi qu'un complément d'informations scientifiques.

Phase 3 - Elaboration collective de propositions de séquences pour la classe

Par groupe, les participants réfléchissent à des situations de classe en relation avec les thèmes précédemment abordés. Il convient de noter que le temps imparti à cette phase est d'une heure environ (la première étape du travail a en effet été plus longue que ce qui était initialement prévu) et que les propositions recueillies ne sont que des pistes de travail. Les animateurs guident cette phase du travail en intervenant auprès des groupes qui le souhaitent. Majoritairement, les participants envisagent de transposer à la classe le travail effectué sur la notion de protocole. Pour des élèves de cycle 2, ils s'interrogent sur l'intérêt d'utiliser un protocole expérimental et sur la forme que doit revêtir ce dernier (alternance de textes et de schémas...). Pour le cycle 3, les participants centrent davantage leur réflexion sur la rédaction même du protocole par les élèves : comment fixer ses propres objectifs et ceux pour la classe ? Quelle situation de départ peut-on choisir ? Comment formuler les consignes ?

Conclusion

Les travaux effectués dans les différents groupes ont permis de dégager les étapes principales nécessaires à l'élaboration d'un protocole. Ces étapes s'organisent chronologiquement comme suit :

  • Fixer les objectifs ;
  • Décrire le plus précisément possible l'action telle qu'elle est supposée se dérouler (émettre des hypothèses, déterminer les paramètres pertinents, concevoir des expériences...) ;
  • Expérimenter, interpréter les résultats expérimentaux, tenter d'améliorer les dispositifs expérimentaux (paramètres nouveaux, matériel différent...) ;
  • Remédier au texte initial en tenant compte des résultats obtenus lors de la phase expérimentale ;
  • Rédiger le protocole définitif ;
  • Tester et éventuellement améliorer le protocole qui constitue alors un support scientifique de référence.

Finalement, et c'est un intérêt majeur de cet atelier, si la notion de protocole apparaît comme une activité centrale dans le travail du chercheur, il s'avère que cette notion peut également constituer un support pertinent pour la classe.

En effet, les différentes étapes constitutives du protocole permettent d'aborder des compétences à développer en classe :

  • Le travail de groupe : il faut savoir faire des compromis, échanger ;
  • Il est nécessaire de confronter ses préjugés aux résultats de l'expérience ;
  • Il est nécessaire d'élaborer une trace écrite exploitable ;
  • La validation de la trace écrite est donnée par un tiers.

Bien que le temps imparti à cet atelier n'ait pas permis d'appréhender de façon plus précise les propositions de séquences pour la classe, les interrogations formulées par les stagiaires, en relation avec l'expérience vécue de l'atelier, constituent des pistes de travail auxquelles chacun peut se référer.

Actes de l'université d'été - Enseigner les sciences à l'école primaire

Mis à jour le 12 mai 2011
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