Écrire les langages de la physique

«Moi, je n’ai jamais rien compris en physique», voilà ce que j’entends de la bouche de 80 % des gens lorsque je dis que j’enseigne les sciences physiques, ce que me confirment mes collègues enseignants de sciences physiques. Autant d’élèves sortent donc du système scolaire en n’ayant rien compris en physique?

J’ai alors cherché dans les travaux des élèves pourquoi faire de la physique était difficile pour eux. Et si les sciences physiques étaient comme une langue étrangère, voire plusieurs[1]https://bit.ly/3XaO1lw (voir Doc. 1)?

Doc 1

Comment sonder l’abstraction, les défauts de compréhension du cours? Comment favoriser la construction d’un savoir utilisable dans une situation nouvelle?

« Un outil permettant aux élèves d’extraire, construire et rendre opérationnels les savoirs en sciences physiques. »

Ce fut le point de départ d’une réflexion qui m’a conduit à faire des savoirs à enseigner uniquement des mots déclinés dans plusieurs langages. Les savoirs, ce sont les concepts, les lois mathématiques, les formules chimiques, et ceux-ci restent trop souvent abstraits et déconnectés aux yeux des élèves[2]M.-Fr. Legendre, « Problématique de l’apprentissage et de l’enseignement des sciences au secondaire : un état de la question. » Revue des sciences de l’éducation 204, 1994..

Cet article présente la Fiche des langages (FdL), un outil permettant aux élèves d’extraire, de construire et de rendre opérationnels les savoirs en sciences physiques.

Doc 2

Cette fiche, un écrit évolutif d’élève qui remplace le cours, va s’avérer être un outil précieux de diagnostic, de correction d’erreur, puis d’approfondissement et de rigueur, en rendant concret différents processus d’apprentissage (conceptualisation, généralisation, procéduralisation…)[3]M. Musial, F. Pradère, A. Tricot, Comment concevoir un enseignement ?, De Boeck, 2012.. Elle est donc à la fois un outil d’apprentissage, d’enseignement et de dialogue entre l’élève, l’enseignant, le groupe classe et le savoir. Un savoir situé qui se construit au fur et à mesure de la séquence, des erreurs et des échanges.

D’où vient cette fiche?

J’ai commencé à chercher chez mes élèves les difficultés fondamentales et générales qui pouvaient conduire à un blocage. J’ai alors identifié plusieurs causes. Premièrement, les concepts scientifiques introduits dans les cours restaient souvent très abstraits. Atome et molécule sont par exemple confondus pendant des années. Dissolution reste un geste expérimental sans être associé à une réalité microscopique concrète. Ou encore solution et concentrée ont des significations bien différentes dans le langage courant.

Ensuite, les relations mathématiques modélisant certaines définitions (vitesse : v = d/t) ou certaines lois (voir doc 1) restent de formules apprises par cœur. Les erreurs sont de différentes natures : les élèves ont du mal à les appliquer correctement, ils font souvent des erreurs d’unité, ils ne savent pas laquelle choisir… Il en est de même pour les symboliques chimiques, modèles moléculaires et formules chimiques, qui se complexifient tout au long de la scolarité. Et lorsque les élèves représentent correctement les molécules, ils ne se représentent pas pour autant correctement la matière à l’échelle macroscopique (Doc 3).

Doc 3

Se représenter justement, comment sonder cela chez les élèves? Par les schémas. Les schémas des situations étudiées montrent la représentation partielle que les élèves s’en font, pourvu qu’ils en maitrisent les codes.

Et qu’attend-on de nos élèves? Qu’ils réalisent des tâches complexes et produisent des écrits associant des mots scientifiques dans des phrases bien construites, des schémas, des calculs, des formules chimiques. Il n’est pas rare de retrouver dans les copies ces éléments disséminés sans liens logiques. À l’évaluateur d’y retrouver le fil directeur.

Autant d’erreurs qui nous amènent à un seul constat : les élèves ont du mal à maitriser les langages de la physique, à les connecter entre eux, à la connecter à une réalité. Enseigner la physique, c’est enseigner la nature, le réel, le concret, mais paradoxalement cette discipline reste abstraite pour la majorité des élèves.

Ma problématique d’enseignement est donc devenu de faire en sorte que les élèves puissent parler de chaque concept clé du cours dans chacun des langages que nous avons à notre disposition, et de les connecter.

L’outil fiche des langages est développé dans le but de répondre à cette problématique.

Qu’est cette fiche des langages?

Connaitre son cours n’est donc plus l’objectif, je le remplace par connaitre les mots4.

Exit donc le cours linéaire logique et didactique de l’enseignant expert virevoltant d’un langage à l’autre sans forcément réaliser la gymnastique intellectuelle imposée aux élèves.

Chaque cours est donc une liste des mots clés à maitriser, et ce dans chaque langage. Le cours est alors un tableau en 4 colonnes (voir doc 2). Les mots ne semblent pas connectés, sans lien logique, les langages non plus. C’est pourtant tout l’inverse qui se produit.

Pour se construire une image concrète du mot, l’élève doit intégrer dans ce tableau une situation réelle rencontrée, par exemple travaillée en classe. Le schéma sera toujours ainsi la représentation d’une situation concrète, donc un exemple.

Le langage mathématique reste abstrait dans la tête des élèves, car ils apprennent des relations générales. Pour aller vers le concret, j’attends d’eux dans ce tableau que toute relation mathématique soit appliquée à une situation réelle, donc au schéma. Que signifie appliquée? Par exemple, on ne va pas se contenter d’une formule générale (v=d/t pour la vitesse), chaque notation mathématique est associée à un objet matérialisé par son image dans le schéma juste à côté (voir doc. 4). Les élèves connectent de cette façon les langages schéma et math.

La colonne français est remplie par une phrase personnelle, afin d’éviter la définition toute faite que les élèves ne s’approprient pas vraiment (voir doc. 5). J’y garde cependant la volonté de conceptualiser en donnant une définition générale du mot pour ne pas rester uniquement dans l’exemple décrit pas les deux premiers langages. Le français n’est donc pas le langage concret.

Comment l’utiliser pour favoriser l’apprentissage?

La fiche se construit tout au long d’une séquence et de ses activités successives. Chaque séquence a ses mots clés ou ses méthodologies à introduire : ils sont donnés.

Doc 5

Le principe est le suivant : les élèves travaillent avec deux documents en parallèle, un pour l’activité, et la FdL pour extraire le savoir.. Dans un premier temps, à partir des ressources fournies et des activités, les élèves vont commencer à remplir à l’écrit les cases de leur FdL avec ce qu’ils pensent avoir compris. Puis, on identifie les cases vides, les erreurs, avec le but de corriger et compléter le tableau jusqu’à ce que celui-ci soit complet et correct, afin d’aboutir à une ressource écrite fiable, validée par l’enseignant.

En pratique, cela ne se passe pas si simplement. Cela s’est même avéré être un exercice si difficile pour les élèves qu’il m’a fallu développer plusieurs stratégies pédagogiques pour arriver à une trace écrite partageable à toute la classe avant la fin de la séquence. C’est en cela que l’outil joue son rôle de diagnostic.

Première difficulté, les élèves n’ont pas l’habitude d’extraire eux-mêmes le savoir. Ils ont du mal à identifier qu’un schéma ou une relation mathématique provenant d’une activité puisse illustrer le concept qu’ils sont en train d’apprendre. Mon premier accompagnement, surtout en début d’année, est alors de débloquer la première phase de remplissage du tableau en les questionnant sur le lien entre le schéma et le concept, voire en leur disant de recopier le schéma provenant de l’activité sur laquelle ils travaillent. Puis, les élèves s’habituent et développent leur capacité métacognitive.

Doc 6

Seconde difficulté, chaque case vide est la matérialisation d’un blocage, chaque erreur un défaut de compréhension. Chaque case a besoin d’un retour spécifique. La construction de la fiche des langages est donc devenue un travail d’équipe de quatre élèves, ce qui a un double intérêt. Je divise par quatre le nombre d’interlocuteurs, et surtout c’est dans l’échange qu’ils se mettent d’accord sur le savoir, il y a moins de cases vides et ils corrigent déjà en grande partie leurs erreurs de conception avant que vous ne passiez.

Approfondir prend alors une dimension très concrète : compléter les cases vides, en rendant visibles liens entre les langages — par exemple les notations mathématiques se retrouvent à la fois dans le schéma et la relation mathématique.

Rendre opérationnel devient également concret : la fiche mobilise en effet plusieurs processus d’apprentissage. En partant du concret (par exemple le schéma d’une situation vécue, voir doc 6 en c) pour conceptualiser en français (voir définition générale en d). Il est important que la phrase soit personnelle. En partant d’une définition, l’élève fait l’effort de particulariser dans une situation concrète. En connectant systématiquement les langages concrets (schéma et symboliques, via les notations mathématiques ou chimiques), les élèves développent des routines favorisant la capacité à appliquer.

      Doc 7

Les mots clés se trouvent aussi naturellement connectés, pas par un déroulement logique qu’on trouve dans un cours, mais plutôt par les schémas et les relations mathématiques (hé oui, ce sont des «relations»).

     

Doc 8

J’évalue ces fiches à l’aide de la grille ci-dessous. C’est une note d’équipe, j’impose simplement que les élèves se soient répartis les mots.

        Doc 9

Finalement, j’arrive, aujourd’hui, selon le niveau de classe, à ce qu’au moins deux fiches soient partageables à l’ensemble de la classe aux deux tiers de la séquence, ce qui est la date limite de réalisation. Les équipes n’ayant pas fini peuvent poursuivre leur propre fiche, mais en utilisant d’autres situations pour les cases schéma et symboliques. Leur note peut alors monter.

Conceptualiser, connecter, c’est un apprentissage complexe, et la complexité passe nécessairement par l’écrit. Apprendre est un processus, l’écrit d’apprentissage ne peut qu’être évolutif afin de pouvoir sonder, corriger, et approfondir compréhension et capacité à appliquer. La fiche des langages est un outil écrit engageant le conflit sociocognitif parce qu’on apprend seul, mais jamais sans les autres, elle résulte d’une construction d’équipe.

J’ai, depuis, appliqué ce travail à l’enseignement de la didactique des mathématiques pour les étudiants professeurs des écoles. Ils ont ainsi pu identifier leurs lacunes et des pistes d’enseignement pour leurs élèves.

Notes de bas de page

Notes de bas de page
1 https://bit.ly/3XaO1lw
2 M.-Fr. Legendre, « Problématique de l’apprentissage et de l’enseignement des sciences au secondaire : un état de la question. » Revue des sciences de l’éducation 204, 1994.
3 M. Musial, F. Pradère, A. Tricot, Comment concevoir un enseignement ?, De Boeck, 2012.