Universités d'été « La pluridisciplinarité dans les enseignements scientifiques : Tome 2 »

Atelier n°2 : La mise en œuvre de l'expérience dans les travaux personnels encadrés

Animatrice : Marie-Françoise Karatchentzeff, professeure de physique-chimie au lycée Marie Curie à Sceaux.

Intervenants : Marie-Christine Baurrier, professeure de physique-chimie, et Jacqueline Gentils, professeure de biologie, au lycée Pothiers à Orléans ; Hélène Combel, professeure de physique-chimie, et Dominique Meyer, professeure de mathématiques, au lycée Jean Zay à Orléans ; Bernard Lacage, professeur de sciences industrielles au lycée Marie Curie à Nogent-sur-Oise.

Dans cet atelier interviennent 5 professeurs : un professeur de classe préparatoire en sciences industrielles (SI) membre du groupe d'experts de SI et deux binômes ayant pratiqué dans leurs classes de 1ère S des TPE interdisciplinaires à fort caractère expérimental, depuis plus de deux ans, en sciences physiques et mathématiques pour l'un, en sciences physiques et biologie pour l'autre.

Parmi les 30 participants, d'horizons assez divers, quatre seulement ont pratiqué les TPE dans leurs classes. Les autres se sont inscrits à l'atelier pour s'informer sur cette nouvelle forme d'enseignement :

  • soit parce qu'ils pratiquent des activités analogues dans leurs classes, sous forme de projets pluridisciplinaires (3 professeurs de collège et 1 professeur de Sti) ou qu'ils se destinent à encadrer des TPE dans les prochaines années (professeurs de lycée) ;
  • soit parce qu'ils sont impliqués dans la formation des maîtres (4 formateurs en IUFM) ou dans l'accompagnement des enseignants et des élèves (1 professeur de biologie attaché à la Cité des sciences et de l'industrie et Brigitte Zana, directrice de l'Explor@dome) ;
  • soit enfin parce que cette nouvelle forme d'enseignement est susceptible de modifier le profil de leurs futurs étudiants (2 enseignants de l'université de Cergy-Pontoise).

L'objet de l'atelier est d'une part de montrer que la mise en œuvre d'expériences en TPE entre bien dans le champ pluridisciplinaire de cette nouvelle forme d'enseignement et d'autre part d'envisager l'intérêt qu'il y a pour les élèves à mener une expérimentation en TPE. Les textes figurant aux paragraphes I et II ont été distribués aux stagiaires et ont servi de base à la discussion.

Les TPE en filière S, option SVT

Les textes officiels

Tous les textes officiels sont consultables dans la rubrique lycée, TPE, textes de référence ou dans la rubrique TPE.

Quel intérêt à ce que les élèves expérimentent en TPE ?

De manière générale, quel sens donnons-nous au mot expérimenter ?

  • Différence entre manipulation et expérimentation
  • Différence de signification selon les disciplines
  • Différence avec un exposé

De manière générale, expérimenter correspond à ce que le groupe réalise par lui-même (expérience, raisonnement à partir de données scientifiques, conjecture et démonstration mathématique, compréhension du fonctionnement d'un logiciel, utilisation à bon escient, etc.

Dans le contexte des TPE, quel intérêt y a-t-il à mener une expérimentation ?

Garantie d'un travail personnel, d'une appropriation, d'une créativité
  • Facilite la possibilité de contrôler le caractère personnel du travail des élèves.
Garantie d'un contenu scientifique
  • Beaucoup d'élèves en restent aux phases n°1 et n°2 du travail à faire, c'est-à-dire les phases de recherche documentaire et de mise en ordre de cette recherche ; il manque la phase d'étude.
  • Dans de nombreux cas, le travail présenté se limite à une simple énumération sans véritable contenu.
  • La question s'est donc posée d'identifier l'absence de démarche, notamment scientifique, dans le travail des élèves. Des marqueurs de cette absence seraient :
    • l'absence d'expérience (au sens d'expérience de physique ou de chimie ! ) ;
    • l'absence de références à des lois ou des théories de la physique ou de la chimie ;
    • l'absence de la formulation claire d'une problématique.

L'absence de contenu s'accompagne généralement d'une dérive encyclopédique : le dossier prend alors de l'épaisseur et tombe dans la vulgarisation avec l'utilisation d'un vocabulaire non maîtrisé.

Face à ces dérives, une manière efficace d'obtenir un contenu scientifique est de réaliser une expérience simple. L'identification des paramètres de l'expérience et l'action sur un seul de ces paramètres constituent une limite bien satisfaisante au-delà de laquelle il n'est pas souhaitable d'aller. La manipulation étant réalisée au lycée, elle possède de plus un caractère authentique : il ne peut pas s'agir de copier-coller, même si son descriptif se trouve dans les manuels, et encore moins d'une réalisation extérieure.

Critère de motivation pour les élèves
Interdisciplinarité dans l'expérimentation

Le sens que l'on donne à l'expérimentation, les consignes que l'on donne aux élèves sont-elles les mêmes dans les 3 disciplines scientifiques ?

Exemples :

  • En mathématiques, logiciels sur la perspective. S'agit-il d'une expérience ?
  • Construction avec des bandes de papier pour illusions d'optique.
  • En SVT/Sciences physiques : conservation des aliments.

Quel guidage pour les manipulations ?

Où chercher sa manipulation ?

  • Dans la tête : cela est possible chez certains élèves, surtout s'ils sont très guidés par le professeur. Il reste difficile de concevoir des manipulations pour l'élève lambda.
  • Les élèves se servent donc souvent dans des livres scolaires. Est-ce un mal ? Comment font les professeurs pour mettre en place de nouveaux TP ?
  • Quel degré d'invention y a-t-il vraiment dans un protocole ?
  • Le problème du choix de la manipulation se pose de manière cruciale quand elle porte sur un domaine inconnu pour eux (ex : spectrophotométrie).

Problème de l'autonomie

  • On laisse souvent les élèves " galérer " parce qu'on est pris par les autres groupes.
  • Cela est bien, car les élèves apprennent à s'en sortir seuls, ils mémorisent mieux les erreurs qu'ils ont faites et qui ne sont plus à faire (dosage du lait).
  • Cela risque cependant de les décourager à cause des échecs successifs, de leur incapacité à rebondir, ou de celle du professeur à résoudre leur problème, faute de connaissances, de matériels...
  • Mais cela est un bon indicateur de l'adaptabilité des élèves aux conditions de travail (vit C et réactif bleu).

Les contraintes pratiques

Choix des élèves

Il ne s'agit pas que tous les élèves réalisent un travail comportant une partie manipulatoire (cela nous semble impossible à réaliser et ne concorderait sûrement pas avec les aspirations des élèves). Il faut simplement pouvoir offrir à ceux qui le souhaitent la possibilité de mener une activité expérimentale modeste et adaptée à leurs capacités.

Personnel de laboratoire

Préparation des manipulations : instaurer un dialogue entre les élèves demandeurs de manipulations et le personnel de laboratoire semble être un bon moyen de communiquer. Les uns prennent conscience des disponibilités du laboratoire, les autres sont impliqués dans le travail des élèves et donc plus motivés.

Rôle du personnel pendant les séances de manipulations : ils peuvent ne pas être seulement pourvoyeurs de matériel.

Contraintes de locaux

Il faudrait avoir à la disposition des groupes de TPE une salle de travaux pratiques adaptée aux manipulations que demandent les élèves.

Les séances de chimie, de physique ou de SVT ne " tombent " pas toujours bien pour les élèves qui n'ont pas assez progressé pour manipuler, ou qui au contraire doivent attendre pour pouvoir réaliser leur expérience.

Contraintes de matériel

Il est d'abord indispensable que les professeurs et les aides de laboratoire aient une bonne connaissance de ce qui est disponible dans les laboratoires.

Les élèves sont ensuite limités dans leurs recherches par le matériel qui est disponible (en quantité et en qualité), leurs demandes étant très diverses et non axées sur un programme officiel relativement strict comme cela était le cas jusqu'à présent.

Il faudrait donc d'abord établir une liste précise du matériel et des produits disponibles dans les laboratoires, afin d'envisager ensuite des achats spécifiques.

Quelle place les manipulations ont-elles dans le calendrier des TPE ?

Les élèves exploitent les documents qui ont été recueillis aux séances précédentes et font éventuellement des expériences en relation avec leur sujet.

La mise en place de manipulations arrive donc après la définition du sujet, de la problématique, d'une première recherche documentaire, à moins que le TPE ne soit centré sur l'étude d'une expérience historique. Elle constitue alors presque à elle seule le sujet du TPE.

Quelle évaluation faire de ces manipulations ?

Maîtrise expérimentale

A - Sur le fond

  • Choix des expériences en accord avec le sujet
  • Choix d'expériences réalistes et réalisables
  • Protocole expérimental
  • Validité de l'exploitation
  • Compréhension du phénomène physique étudié
  • Exploitation de l'expérimentation dans le dossier

B - Dans la mise en œuvre

  • Choix du matériel (pertinence, adéquation et réalisme avec le protocole)
  • Habilité et respect des consignes de sécurité

L'expérimentation du point de vue des élèves

Du point de vue pratique

Quelle trace des manipulations dans le carnet de bord ?

Le carnet de bord aide l'élève à organiser son travail :

  • Description des itinéraires choisis / écartés ;
  • Mémorisation des étapes franchies ;
  • Analyse des erreurs faites et des difficultés rencontrées ;
  • Projection dans les étapes futures ;
  • Répartition du travail dans le groupe ;
  • Description de la documentation collectée ;
  • Gestion du temps imparti.
    • Il lui facilite le travail de production finale :
      • Pour la synthèse écrite brève ;
      • Pour la présentation orale.
    • Il permet aux professeurs de suivre le travail des élèves.

Ainsi, le professeur peut suivre l'évolution du projet. Le compte rendu est beaucoup plus personnalisé que lors d'un TP normal, mieux approprié. Les élèves ne cherchent pas " la réponse du professeur ", mais une solution à leur propre problème.

Exigences pratiques vis-à-vis des élèves

Lorsque les élèves souhaitent enrichir leur travail de manipulations, ils doivent :

  • fournir à l'avance la liste de matériel nécessaire et le protocole au professeur ;
  • discuter au préalable avec le professeur sur la faisabilité de l'expérience ;
  • éviter de laisser des manipulations " en attente " au laboratoire de manière à ne pas encombrer, monopoliser le matériel...

Il faut exiger avant la séance de manipulation une liste de matériel nécessaire et un protocole expérimental. Dans l'absolu, il faudrait que ce dernier soit fourni suffisamment à l'avance pour que le professeur en discute avec les élèves, car sur ce point les propositions délirantes sont assez fréquentes. Il faut donc être très modeste : il est plus important de laisser les élèves réaliser eux-mêmes une expérience simple qu'ils ont imaginée que de les aider à réussir une expérience plus spectaculaire qui leur aura été indiquée.

Du point de vue de la démarche intellectuelle

Quelle exploitation de la démarche expérimentale espère-t-on retrouver dans la production finale ?

  • Une critique de la manipulation ou du raisonnement ;
  • Une demande de modification, d'évolution de la manipulation ;
  • Une réponse à la problématique de départ...

Conclusion

Il ne s'agit pas que tous les élèves réalisent un travail comportant une partie manipulatoire, mais il faut simplement pouvoir offrir à ceux qui le souhaitent la possibilité de mener une activité manipulatoire modeste adaptée à leurs capacités. En revanche, il faut que tous mènent un raisonnement scientifique.

Contenu scientifique

  • Ouverture scientifique de la problématique
  • Référence à une loi ou à une expérience de sciences
  • éléments de réponse scientifiques
  • Exactitude du contenu scientifique
  • Clarté du raisonnement

Les TPE en filière S, option SI

Les textes officiels

Extrait du nouveau programme de S, option SI, se rapportant à l'expérimentation (document du groupe d'experts sur les programmes scolaires de sciences et technologies industrielles).

Ce texte a pour objectif :

  • d'informer les collègues des autres disciplines participant à cet atelier sur la réforme en cours ;
  • de préciser la spécificité des expérimentations en SI ;
  • de témoigner des questions qu'il est naturel de se poser sur l'expérimentation en TPE.

Sciences de l'ingénieur

L'élaboration par l'homme de produits réalisant des fonctions matérielles ou virtuelles exige, pour les concevoir, les fabriquer et en obtenir les performances attendues, des compétences scientifiques et pluritechniques alliées à une compréhension approfondie des principes qui les gouvernent.

Partant de problèmes concrets, les "Sciences de l'Ingénieur", sciences de la conception et de la réalisation des systèmes inventés par l'homme, concernent aussi bien l'élaboration d'objets, d'équipements et de processus, que l'organisation qui accompagne ces créations.

Par leur implication dans l'ensemble de l'activité humaine, les "Sciences de l'Ingénieur" sont en interdépendance avec les sciences de la nature, les sciences économiques et les sciences humaines, dont elles exploitent les lois et les méthodes tout en contribuant à leur développement.

Objectifs généraux

L'enseignement des Sciences de l'Ingénieur dans la voie S aborde les grands domaines techniques de la mécanique, l'automatique, l'électrotechnique, l'électronique, le traitement et la communication de l'information.

La formation vise à donner au bachelier des connaissances de base dans les domaines concernés ainsi que la capacité à conduire en autonomie des activités pratiques. Elle s'appuie sur l'étude de la conception et la mise en œuvre de tout ou partie de produits pluritechniques. Elle fait largement appel aux outils informatiques pour représenter des solutions constructives existantes ou imaginées, pour calculer des paramètres déterminants, et pour simuler des comportements à partir des lois physiques.

Compétences terminales visées

Le titulaire du baccalauréat S [option SI] doit être capable :

  • d'identifier l'organisation fonctionnelle et structurelle d'un produit ou d'un système pluritechnique, ainsi que les flux d'énergie et d'information par lesquels il s'anime et communique ;
  • de le mettre en œuvre, d'analyser son fonctionnement et d'y associer des modèles de comportement ;
  • d'en déterminer expérimentalement les principales performances.

Complémentarité des approches d'un sujet de TPE en mathématiques, sciences physiques et sciences de l'ingénieur

Les sujets choisis et développés en TPE sont pluridisciplinaires : Mathématiques/SI et Physique/SI, car l'encadrement dans la filière S option SI s'articule sur ces trois disciplines scientifiques. La spécificité des sciences de l'ingénieur dans les TPE est de se référer à des produits ou à des systèmes.

Exemples de démarches de choix d'un sujet de TPE Physique/SI :
Démarche partant du choix d'un phénomène physique pour parvenir à l'étude d'un produit

Les connaissances scientifiques (physique et SI) du phénomène et de ses modèles aux programmes des classes de première et de terminale filière S/SI permettent de s'approprier les connaissances complémentaires tirées des publications pour le grand public et/ou le spécialiste. Les connaissances de physique et de SI sont ainsi mobilisées pour concourir à réaliser un produit répondant à un besoin exprimé. Le produit est alors choisi parmi d'autres car permettant de mieux concrétiser le phénomène étudié.

Démarche partant du choix d'un produit pour parvenir à l'étude d'un phénomène physique

Le produit conçu et réalisé répond à un besoin exprimé. Il est accessible, ce qui justifie qu'il soit retenu pour ce TPE. Il met en œuvre des chaînes fonctionnelles qui sont le lieu de phénomènes physiques importants. Les fonctions réalisées par le produit, les fonctions techniques internes au produit sont des sources de développement mettant en œuvre des connaissances scientifiques (physique et SI). Parmi les phénomènes physiques mis en œuvre, le plus significatif abordable est retenu.

Expérimentation donnant lieu à des manipulations ou pas :
  • Une expérimentation ne se justifie-t-elle que si elle permet de résoudre un véritable problème posé ?
  • Est-il vraiment raisonnable de reconstruire une expérimentation publiée dans des livres ?
  • Expérimenter pour un élève est-ce assister à une expérimentation dans un laboratoire et exploiter les résultats ?

En SI, expérimenter un produit revient pour partie à vérifier que le produit est capable de fournir les performances attendues. Il est donc nécessaire de disposer du produit et d'effectuer des contrôles sur ce produit. L'instrumentation (capteur) devient nécessaire et cette situation est rapidement lourde à gérer même par une équipe motivée. L'autonomie trouve ainsi ces limites. Les TPE s'appuyant sur des partenaires extérieurs à l'établissement (entreprise, association, laboratoire de recherche...) peuvent ainsi aboutir !

Organisation de l'enseignement

Les Travaux Personnels Encadrés (TPE), organisés en équipe avec un professeur de mathématiques ou de sciences physiques ou un autre professeur enseignant dans la classe, sont l'occasion de mettre en œuvre la pluridisciplinarité, de faire le lien entre les concepts spécifiques aux différentes disciplines et ainsi d'enrichir mutuellement les diverses approches.

En classe de terminale les TPE prendront la forme d'un Projet Pluritechnique Encadré, sur des sujets se référant au programme de la classe avec une large ouverture thématique.

Projet pluritechnique encadré et articulation avec les TPE

Une partie des activités de la classe de terminale est réservée à la réalisation d'un projet pluritechnique encadré (Ppe) qui exerce la créativité des élèves, met en œuvre et complète les savoirs et les savoir-faire visés par la formation et développe les capacités de réflexion autonome et de travail en groupe organisé des élèves.

Réalisée dans le cadre horaire affecté au TPE en terminale et structurée en démarche de projet, cette réalisation peut débuter par la recherche d'une documentation relative au sujet abordé, se poursuivre par la définition d'une architecture et aboutir à la création, la modification, la validation, la configuration, la mise en œuvre et le test de solutions constructives ou de processus.

Associée à un mini dossier témoignant de la démarche conduite, la production pourra prendre diverses formes : fichiers, maquette de simulation, prototype de pièce, dispositif de mesure d'une performance du produit ou du système en réponse au Cdcf, etc.

L'ensemble des ressources documentaires et des moyens disponibles dans le laboratoire pourra être mobilisé pour mener à bien les activités de projet. L'éventualité d'un travail conduit en collaboration avec d'autres sections de l'établissement peut également présenter un intérêt pour la découverte de divers procédés et pour l'illustration concrète de la démarche d'ingénierie.

Conclusion

L'activité expérimentale conduisant à des manipulations rendues nécessaires par le sujet traité doit être possible pour les élèves motivés. Cette activité doit restée modeste, en relation avec la capacité des élèves et les moyens disponibles dans l'établissement. L'utilisation de résultats d'expérimentations réalisées dans un cadre extérieur à l'établissement peut compléter ou remplacer les expérimentations réalisées dans les établissements. Le raisonnement scientifique doit être rigoureux pour tous les sujets traités.

Contenu scientifique

  • Ouverture scientifique de la problématique et/ou analyse fonctionnelle externe d'un produit (expression du besoin)
  • Référence à une loi ou à une expérience de sciences et/ou modélisation de tout ou partie du produit
  • éléments de réponse scientifiques et/ou traitement des modèles (outils de simulation)
  • Vérification des performances attendues : distance entre le modèle et le comportement réel
  • Exactitude du contenu scientifique en relation avec les programmes scientifiques des classes de S-SI
  • Critères de choix de la démarche d'étude. Qualité de synthèse du rapport de TPE

Les travaux de l'atelier

Quelques points importants ont particulièrement été discutés.

Qu'est-ce qu'expérimenter ?

Le mot revêt différentes significations selon les disciplines et les participants :

  • faire une manipulation démonstrative ;
  • modéliser (utiliser une maquette ou un modèle mathématique) ;
  • mettre en œuvre un procédé, lire et interpréter une documentation technique, faire des mesures, analyser un système industriel complexe ;
  • exploiter des résultats de manipulations réalisées dans des laboratoires de recherche.
  • Cependant, tous s'accordent à définir une expérimentation comme un travail de création dont les élèves sont les acteurs. L'expérimentation a donc une définition plus large que la manipulation et ne peut se limiter en aucun cas à celle-ci. Elle inclut en particulier l'exploitation de la manipulation, domaine où les mathématiques trouvent toute leur place avec la modélisation. Elle ne nécessite pas forcément une manipulation.

Pourquoi mener une expérimentation en TPE ?

  • Le premier intérêt, pour l'enseignant, est évidemment d'éviter que les TPE ne se réduisent à une compilation de documents mais soient bien au contraire un travail original du groupe d'élèves sur le sujet qu'ils ont choisi.
  • Les élèves n'acquièrent pas beaucoup de connaissances nouvelles, mais cela leur permet de mieux se les approprier, en particulier de mieux prendre conscience de leurs lacunes et de la nécessité d'y remédier pour pouvoir poursuivre leur travail.
  • Utiliser les connaissances acquises dans le tronc commun pour résoudre un problème concret est très motivant pour eux.
  • Cela les oblige à être rigoureux dans leur démarche scientifique.
  • Les TPE et, plus spécifiquement l'expérimentation dans les TPE, modifient leur rapport au savoir : les élèves deviennent autonomes par rapport à certains éléments du savoir.
  • L'expérimentation modifie aussi le travail des enseignants : elle nécessite un réel travail en équipe des professeurs encadrant les TPE ; elle oblige à harmoniser le vocabulaire et les méthodes dans les différentes matières (exemples : physique-sciences de l'ingénieur ou chimie-biologie).

Quelle autonomie laisser aux élèves pour les manipulations ?

En dehors de l'obligation de présence d'un enseignant lors des séances avec manipulations, on doit se poser la question de l'autonomie des élèves dans le choix et la conduite de la manipulation.

  • On attend des élèves qu'ils soient capables de critiquer leur manipulation, de savoir éventuellement la modifier ou la faire évoluer, afin que leur travail expérimental soit en accord avec leur problématique.
  • Le rôle de l'enseignant est de les aider à choisir des expériences réalistes et réalisables avec les moyens du laboratoire.
  • L'élève découvre qu'une manipulation se prépare et ne " marche " pas toujours.
  • En TPE, il a le temps de se tromper et de refaire le travail. Le rôle de l'enseignant est ici important et différent selon la personnalité des élèves : il est bien qu'ils apprennent à surmonter seuls les difficultés, mais tous n'ont pas la même capacité à rebondir. Il faut donc décider du moment, qui n'est pas le même pour tous, où l'aide de l'enseignant devient nécessaire pour éviter le découragement.

En conclusion, lorsque cela est possible, et compte tenu des contraintes de matériel et de locaux propres à chaque établissement, il paraît particulièrement important d'inciter les élèves à choisir un sujet de TPE permettant une expérimentation. Le caractère pluridisciplinaire du TPE ne peut que s'en trouver renforcé.

Actes de l'université d'été - La pluridisciplinarité dans les enseignements scientifiques - La place de l'expérience

Mis à jour le 16 avril 2011
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