Nouveaux programmes de lycée l'évaluation en sciences physiques ...
préparer les élèves aux épreuves d'examen, qu'elles soient de nature écrite ou
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Nouveaux programmes
de lycée
lévaluation en sciences physiques
Lévaluation en cours de formation
Lévaluation des compétences expérimentales
La résolution de problèmes
lévaluation en sciences physiques au lycée
dans le cadre des nouveaux programmes
Lévaluation en cours de formation
Lévaluation en cours de formation a plusieurs objectifs :
opérer un suivi régulier des apprentissages des élèves afin de les réguler (mise en uvre de laccompagnement personnalisé, par exemple) : cest sa fonction formative
évaluer les élèves afin de renseigner les documents officiels dont ceux qui sont utilisés à des fins dorientation (entrée dans les filières sélectives) ; cest sa fonction sommative
aider les élèves, par des bilans de connaissances et de compétences, à élaborer leur projet personnel de formation en adéquation avec leurs aptitudes : cest sa fonction prédictive
préparer les élèves aux épreuves dexamen, quelles soient de nature écrite ou de nature expérimentale ; cest sa fonction anticipative.
Nous traiterons de lévaluation expérimentale dans le prochain module. Pour lheure, nous nous focalisons sur lévaluation écrite. Cette dernière doit prendre en compte tous les objectifs de formation tels quils sont définis dans les programmes officiels. Certains dentre eux sont nouveaux et vont être détaillés dans les paragraphes suivants ; nous verrons ainsi :
lintroduction de bilans de compétences dans un exemple pour la classe de Seconde ;
largumentation scientifique qui apparaît en classes de Premières L et ES ;
la résolution de problèmes qui fera lobjet de latelier en fin de matinée.
Mais avant la présentation de ces nouveautés, quelques remarques.
La fréquence, la durée et la forme possibles des devoirs surveillés
Le principe, jamais annulé, selon lequel il convient de consacrer 10% du temps denseignement à lévaluation des élèves reste valable, ce qui représente :
environ 4 h par trimestre en Seconde et Première S
environ 2 h par trimestre en Premières L et ES
environ 6 h par trimestre en Terminale S.
La durée de ces devoirs ira dune heure, voire un peu moins, en Seconde à une heure et demie en Première et Terminale, voire deux heures. Une ou deux fois par an, il est souhaitable de proposer un devoir cadré sur la durée de lépreuve et sur sa forme (les bacs blancs habituellement composés sur des plages spécifiques).
Rappelons quen Première L ou ES, largumentation scientifique est une des formes possibles de lévaluation : il faut y préparer les élèves sans, bien entendu, que tous les exercices proposés soient de cette nature. En spécialité de Terminale S, la résolution de problèmes est, là encore, une des formes possibles pour lexercice dédié ; il faut y entraîner les élèves sans en faire une exclusive : le programme prévoit que lexercice proposé peut aussi être une EEI (Extraire et Exploiter lInformation).
Les devoirs en temps libre
Cette thématique, sur laquelle nous nétions jamais intervenus, se situe dans le constat que nous faisons sur les résultats de notre académie au baccalauréat, qui sont très décevants. Notre académie est classée 26ème sur les 26 académies métropolitaines. Les premières analyses montrent quavec plus de 12 / 20, en terminale S, notre discipline ne pénalise pas les élèves. Il reste cependant nécessaire de comparer nos résultats à ceux des autres académies.
Les causes sont sans doute multiples : caractéristiques sociologiques, attentes des jurys dexamen, préparation aux examens, préparation des élèves, impulsion de la part des inspecteurs
Au moins trois types dexercices font leur apparition dans les nouveaux programmes de lycée :
La résolution de problèmes (TS voire en STI2D et STL)
La production dun paragraphe argumenté « L'élève doit présenter une argumentation scientifique portant sur des questions de société, sur les avantages et limites des avancées scientifiques et technologiques ou sur des problématiques de santé ou de développement durable. Il fait preuve d'esprit critique. Dans ce cadre, il est amené à mobiliser ses connaissances » (Premières L et ES).
Lévaluation des compétences expérimentales.
Ces deux dernières sont à promouvoir, dès la classe de seconde, notamment pour fonder les choix dorientation. Il nous semble utile, à linstar de linspection de mathématiques, de proposer, au-delà des exercices donnés après le cours, des formes dentraînement en temps non limité, à la maison.
Comment aider les élèves à prendre conscience de leurs difficultés ?
Voilà une forme de travail possible : les copies relatives à un devoir sur table sont anonymées, puis permutées au sein de la classe ; la correction est aussitôt prise en charge au tableau par lenseignant, chaque élève corrigeant la copie qui lui échoit et lui attribuant une note. Avantages cités : retour sur ses erreurs personnelles, réflexion sur lévaluation et sur les erreurs des autres, pas de travail de correction pour lenseignant.
Ces entrainements formatifs à lexamen débouchent sur des notes non prises en compte dans les moyennes trimestrielles. Cette méthode semble particulièrement adaptée aux formes nouvelles dévaluation (EEI, etc.)
Lintroduction des bilans de compétences
Il semble que nous soyons tous maintenant convaincus que lenseignement des Sciences Physiques apporte des connaissances et développe des compétences.
Si peu délèves de Seconde utiliseront les techniques propres aux Sciences Physiques dans leur vie professionnelle, citoyenne ou privée, des compétences transférables sont développées dans la continuité du collège. Nous avions préconisé, il y a deux ans, que lors de la préparation dune séance de cours ou de TP, lenseignant sinterroge sur une ou deux compétences à faire plus particulièrement travailler. En cours, il peut sagir de lanalyse dun document, lanalyse de résultats, le traitement de données. En séance de TP, le panel est beaucoup plus grand et touche à toutes les compétences expérimentales.
De plus, nous savons maintenant que les élèves seront évalués par compétences lors de lépreuve expérimentale en TS : lévaluation sappuiera sur lautonomie dont aura fait preuve lélève dans 3 des 5 grands domaines de la démarche scientifique. Cette idée est même poussée encore plus loin avec lépreuve de spécialité où aucune connaissance nouvelle nest introduite : seule la démarche scientifique de la résolution du problème sera évaluée. Ces deux derniers points seront détaillés après.
Il semble désormais plus que nécessaire dentraîner dès la seconde les élèves afin de les préparer au mieux à cette épreuve. Ainsi, lapproche par compétences doit donner lieu à une évaluation ciblée de celles-ci aussi bien dans les séances expérimentales que dans les contrôles. Il sagit alors de trouver un équilibre entre lévaluation des connaissances et des compétences.
Prenons lexemple du devoir en ligne dans le « Dossier stagiaires » : cest un exemple ambitieux tant dans la longueur du devoir que dans lévaluation des compétences qui est faite. En effet, le but nétait pas de proposer une évaluation « exemplaire », mais surtout de montrer comment on pouvait mettre en uvre cette évaluation des compétences, et de proposer des outils pour le faire.
(Voir : HYPERLINK "http://physique.ac-orleans-tours.fr/dossier_stagiaires/progression_lycee/" http://physique.ac-orleans-tours.fr/dossier_stagiaires/progression_lycee/)
Lors de la construction du devoir, nous avons donc réfléchi aux capacités mobilisées dans les différentes questions. Dans lexercice 1 par exemple, nous pouvons noter que nous trouvons des questions « classiques » de cours, de calcul, dexploitation de documents
Lidée est de regarder de manière plus fine si nous faisons appel à des connaissances du cours ou à une des compétences de la démarche scientifique.
Le tableau de correction proposé permet davoir au final le bilan par domaine de compétences, sans passer beaucoup plus de temps à corriger. On peut vérifier à cette occasion que toutes les compétences de la démarche scientifique sont balayées dans le devoir, et ce, de manière plutôt équilibrée. Si lon débute dans ce type dévaluation ou si lon manque de temps, on peut ne traiter quun seul exercice de cette manière. De même, on nest pas obligé de détailler les capacités particulièrement évaluées dans chaque domaine de compétences (tableau bleu).
Ainsi, ce type dévaluation de compétences, même sil rajoute une durée supplémentaire de préparation du devoir, permet à lenseignant :
déquilibrer les compétences évaluées tout au long de celui-ci ;
de vérifier quil évalue des compétences qui ont été travaillées en amont lors des activités ;
davoir une analyse plus fine des capacités dun élève et de la classe ;
de mettre en uvre plus facilement la remédiation et la diversification pédagogique.
De plus, cela permet une plus grande « lisibilité » de la discipline par lélève : il peut ainsi prendre conscience quil mobilise des compétences différentes en sciences physiques, et que, même sil pense être médiocre dans cette matière, il sait probablement mobiliser des compétences de manière satisfaisante. Enfin, cela permet à lélève de suivre ses évolutions.
Largumentation scientifique en 1ère L/ES
« épreuve denseignement scientifique en 1ère L et ES ; durée 1 h 30
L'épreuve permet d'évaluer les connaissances des candidats, leur capacité à les utiliser en situation, ainsi que leur capacité à exploiter des documents et à argumenter. La mobilisation des connaissances et la mise en uvre d'un raisonnement critique reposent sur des questions scientifiques en relation avec la vie courante ou avec une question sociétale. L'épreuve comprend trois parties. Deux parties ne peuvent pas concerner le même thème.
Partie 1 portant sur l'un des deux thèmes communs aux sciences de la vie et de la Terre et aux sciences physiques et chimiques : « Représentation visuelle » ou « Nourrir l'humanité »
L'évaluation porte sur les acquis de ces deux disciplines. Cette partie est notée sur 8 points.
L'élève doit présenter une argumentation scientifique portant sur des questions de société, sur les avantages et limites des avancées scientifiques et technologiques ou sur des problématiques de santé ou de développement durable. Il fait preuve d'esprit critique. Dans ce cadre, il est amené à mobiliser ses connaissances. Cette réflexion prend la forme d'un commentaire rédigé et s'appuie sur un à trois documents, supports du questionnement et de la construction des éléments de réponse. Ces documents présentent des données scientifiques et/ou relatives à des faits d'actualité. »
Lannée dernière, en juin, la réunion dentente académique a dû gérer pour la première fois les éléments de correction liés à cette partie de lépreuve anticipée de sciences de premières L et ES.
(Voir : HYPERLINK "http://lewebpedagogique.com/bac-premiere/files/EA_BCG_Sciences-L-et-ES.pdf" http://lewebpedagogique.com/bac-premiere/files/EA_BCG_Sciences-L-et-ES.pdf)
Le cadre de travail du premier exercice était le suivant :
Trois documents ont été distribués aux élèves : le premier sur les maladies liées à leau, le second sur les filtres céramiques, le dernier sur des paramètres liés à la potabilité de leau. Le paragraphe argumenté était contextualisé de la façon suivante : « Vous êtes médecin, rédigez un courrier en précisant le matériel demandé et en argumentant de façon à convaincre de la nécessité de cet envoi ».
Le tableau fourni dans le corrigé était conforme à celui figurant dans les sujets dannales 0.
Argumentaire satisfaisantArgumentaire non satisfaisantAucun argumentaireLes éléments
scientifiques
sont présents
associés à des
éléments
culturels ; ils
permettent de
répondre à la
problématique.
La réponse est
organisée
sous forme
dun
argumentaire
correctement
rédigéIntégrant des
éléments
scientifiques
solides mais
sans éléments
culturels
Ou
Intégrant des
éléments
scientifiques
incomplets
mais avec des
éléments
culturels
solidesDes éléments
culturels et des
éléments
scientifiques
solides et bien
choisisDes éléments
culturels
et des
éléments
scientifiques
incomplets ou
mal choisismais des
éléments
culturels
ou des
éléments
scientifiques
correctspas déléments
culturels,
pas déléments
scientifiques543210
La correction de copies, uniquement avec le barème national, a mis en évidence une ambiguïté sur la césure à opérer entre « argumentaire satisfaisant », « argumentaire non satisfaisant ». Doù la nécessité dexpliciter les critères : cest lobjectif des commissions dentente qui précède les corrections (équité de traitement des candidats).
Il apparaît que les élèves ont du mal à respecter des consignes, qui peuvent être simples comme : formuler une demande, sappuyer sur des documents, etc.
Il semble donc nécessaire dentraîner les élèves afin de leur permettre de maîtriser les compétences nécessaires à la réussite dune telle épreuve, doù les préconisations :
Entraîner les élèves à ce type dexercice dès la classe de Seconde ;
Travailler avec les professeurs de SES, dhistoire géographie pour sassurer de la cohérence des consignes données ;
Travailler sur largumentation, à partir de documents scientifiques, dès la classe de seconde, en particulier dans le cadre de laccompagnement personnalisé.
Lévaluation des compétences expérimentales
Généralités :
Les ECE évoluent et abandonnent lévaluation des gestes techniques pour se focaliser sur les cinq grandes compétences qui participent de la démarche scientifique : sapproprier, analyser, réaliser, valider, communiquer (la sixième compétence, « être autonome, faire preuve dinitiative », étant ventilée sur les cinq précédentes).
Cette évolution génère un changement de posture du professeur qui, pendant la séance, est amené à aider les élèves ne réussissant pas seuls une étape du protocole. Selon le niveau daide, le professeur renseigne alors le document dévaluation sur une grille à 4 niveaux.
Deux sujets dannales 0 (la coumarine et la flûte à bec) ont été mis en ligne par le Ministère ; nous en avons conçu 3 autres au niveau académique, à raison dun par niveau denseignement. Il est en effet indispensable de familiariser les élèves à cette forme dévaluation en amont de la classe terminale, tout comme les enseignants, dailleurs. Cest la raison pour laquelle nous allons constituer cette année une banque de sujets pour la classe de Première S qui sera disponible pour la seconde journée de formation.
Deux points dordre général avant de présenter ces sujets :
Dans la fiche EXCEL qui transforme automatiquement lévaluation par niveaux de maîtrise des compétences mises en jeu par le sujet, il suffit de griser les lignes correspondant aux compétences non évaluées et daffecter à chaque compétence évaluée un coefficient égal à 10% du temps estimé (en minutes) pour satisfaire la partie du protocole qui lui est attachée, la somme des coefficients (entiers) étant égal à 6 pour une épreuve calibrée dune heure
Le document « Repères pour lévaluation » qui est le plus délicat à rédiger pour un auteur de sujet définit les critères permettant à lévaluateur daffecter le niveau de maîtrise (A à D) pour chacune des compétences évaluées ; les grands principes de cette grille de lecture à 4 niveaux sont les suivants :
Présentation de lexemple de seconde :
(Voir : HYPERLINK "http://physique.ac-orleans-tours.fr/dossier_stagiaires/progression_lycee/" http://physique.ac-orleans-tours.fr/dossier_stagiaires/progression_lycee/)
Cette ECE a été conçue pour le cas où la réfraction est introduite en début dannée dans le thème de lUnivers. Dans ce cas, elle serait la première de lannée, et cest donc la raison pour laquelle nous lavons plutôt envisagée pour être réalisée par binôme, sur une durée dune heure et demie.
Cette évaluation intervient après un premier TP sur la loi de Snell-Descartes. Les élèves auraient donc déjà vu la loi et le dispositif de mesure des angles incident et réfracté avec lhémicylindre. Le but de ce TP est alors de réinvestir ce quils ont déjà vu afin de déterminer lindice de leau.
La problématique est introduite par la situation déclenchante de larc-en-ciel (extrait de la page Wikipedia), puis sont donnés trois documents : le premier rappelle la loi de la réfraction (car lobjectif nest pas dévaluer sa connaissance, mais plutôt lutilisation de ce modèle) ; le deuxième rappelle la définition de lindice de réfraction et sa valeur dans lair ; le troisième apporte un point « technique » pour calculer le sinus dun angle dans Open Office.
Les trois domaines de compétences évalués dans ce TP sont :
Analyser (30 minutes) : les élèves utilisent le modèle de Descartes dans le cas de la lumière entrant dans la goutte, puis proposent un protocole pour déterminer lindice de leau
Réaliser (30 minutes) : ils réalisent le protocole et reportent les mesures dans le tableur
Valider (30 minutes) : ils vérifient avec le tableur que les sinus sont proportionnels et en déduisent la valeur de lindice de réfraction de leau.
Ainsi, les coefficients seront de 2 pour chacun des trois domaines de compétences.
Quelques solutions partielles ou totales ont été développées :
Pour la compétence ANA, les solutions partielles sont données sous forme de fiche « coup de pouce ». On a imaginé le cas de lélève ne sachant pas utiliser le modèle (on le met sur la piste avec les indices de réfraction), le cas de lélève ne sachant pas quel protocole proposer (on le renvoie vers le protocole suivi au précédent TP), et le cas de lélève ne sachant pas quoi faire de ses mesures lors de lélaboration du protocole (on le met sur la piste en lui faisant exprimer lindice en fonction des sinus). La solution totale donne le protocole à suivre.
Pour la compétence VAL, les deux solutions partielles concernent le cas où lélève ne sait pas comment vérifier la proportionnalité de deux grandeurs et le cas où lélève ne sait pas comment exploiter ses mesures au moment de la validation. La solution totale donne la grandeur à calculer dans le tableur.
Ces solutions partielles ne sont pas exhaustives, il faudra parfois en « improviser » selon les difficultés rencontrées par les élèves.
Les élèves peuvent utiliser la méthode quils veulent pour vérifier la proportionnalité (graphique, ou rapport des grandeurs). Dans la solution totale, on a choisi la plus simple.
Présentation de lexemple de Première :
(Voir : http://physique.ac-orleans-tours.fr/lycee/premiere_s/exemples_de_sujets_dece/)
Cette ECE est adaptée dun protocole figurant dans les ressources académiques de première S, mis au point par Mme Nathalie Réau.
Cette ECE intervient très tôt dans lannée puisquil sagit de la deuxième séance de travaux expérimentaux du thème 1 Observer (Couleurs et images). Il sagit ici non seulement dévaluer les élèves mais aussi de les former au type dévaluation quils rencontreront au baccalauréat. Cest pourquoi, cette ECE est prévue pour être réalisée par binôme, sur une durée dune heure et demie.
Cette évaluation intervient après une première séance de TP sur les fonctionnements comparés de lil et de lappareil photo, séance où a été introduit le matériel qui va être utilisé lors de lECE (banc doptique, lampe, écran, lentille) et où les élèves ont travaillé la formation des images. Une séance dAP sur lutilisation du tableur comme outil permettant de modéliser des données a été réalisé la semaine précédant lECE, ceci afin de bien sassurer de la maîtrise de loutil. La relation de conjugaison et son application ont été abordées en classe entière dans le cours.
La problématique est introduite par une situation déclenchante présentant une vieille affaire criminelle. En 1900, à l'occasion de l'Exposition Universelle de Paris et du 1er Congrès International d'électricité, un scientifique russe, le professeur Constantin Perskyi, avait été retrouvé inanimé dans la petite salle attenante à la salle des cours de lÉcole Supérieure dÉlectricité quelques minutes avant de faire une conférence. On avait alors retrouvé sur place un verre de lunettes. Parmi les suspects appréhendés, se trouvaient un hypermétrope, un presbyte et un myope. Un scientifique, le professeur Trouvetout avait alors prêté main-forte à la justice, imaginant un moyen de démasquer le coupable ; il avait utilisé la relation de conjugaison des lentilles : la police scientifique était née !
Pour information, cette affaire est en partie fictive puisque M. Perskyi a bien donné lecture dun exposé à lÉcole Supérieure dÉlectricité (mais il est décédé en 1906 !).
Lobjectif de lactivité est de reproduire cette méthode afin de confondre le coupable. On dispose du verre de lunettes retrouvé sur la scène de crime.
Les élèves disposent de trois documents : un extrait du dossier judiciaire présentant les caractéristiques des verres des lunettes portées par les trois suspects, un extrait du cours de Physique du Professeur Trouvetout présentant la relation de conjugaison des lentilles (lobjectif nétant pas dévaluer sa connaissance, mais plutôt lutilisation du modèle), un document présentant quelques défauts de lil.
Les trois domaines de compétences évalués dans ce TP sont :
Analyser (30 minutes) : Après avoir analysé les documents et identifié que lun des coupables était myope alors que le verre dont ils disposent est convergent, les élèves proposent un protocole permettant de déterminer la vergence du verre retrouvé sur la scène de crime afin de confondre le coupable.
Réaliser (30 minutes) : ils réalisent le protocole et reportent les mesures dans le tableur.
Valider (30 minutes) : ils exploitent leurs mesures au tableur pour démasquer le coupable.
Ainsi, les coefficients seront de 2 pour chacune des trois compétences.
Il est prévu quatre appels obligatoires de la part des élèves.
Lors de lappel 1, le professeur vérifie que les données des documents et que la problématique sont bien comprises.
Lors de lappel 2, il vérifie la cohérence du protocole proposé.
Lors de lappel 3, il vérifie que le montage est correct, que lélève est capable dobtenir une image nette et de donner les mesures algébriques des longueurs EMBED Equation.3 et EMBED Equation.3 .
Lors de lappel 4, le professeur vérifie que lélève est capable dexploiter ses mesures et didentifier le coupable.
Quelques solutions partielles ou totales ont été développées :
Pour le domaine ANA, les solutions partielles sont données sous forme de fiches « coup de pouce » au cas où lélève ne saurait pas quoi faire, ni quoi mesurer ou bien sous la forme dapports à loral. Une solution totale est prévue pour permettre de poursuivre lactivité malgré les difficultés rencontrées.
Pour le domaine REA, le professeur observe les élèves pendant la mise en uvre de leur protocole et fournira si besoin une solution partielle à loral adaptée.
Pour le domaine VAL, les solutions partielles sont données sous forme de fiches « coup de pouce » au cas où lélève ne saurait pas utiliser le tableur et au cas où il ne saurait pas comment identifier le coupable. Une solution totale est proposée mais il faudra aussi envisager que les élèves puissent utiliser dautres méthodes de validation et sadapter à la démarche proposée.
Ces solutions partielles ne sont pas exhaustives, il faudra parfois en « improviser » selon les difficultés rencontrées par les élèves.
Bilan :
Le bilan, réalisé auprès de quatre classes où lactivité a été testée, fait état de limplication et de la motivation des élèves ainsi que de leur réussite (la moyenne des quatre classes se situe autour de 15,5). Les années passées, nous avions réalisé le TP sur la relation de conjugaison dans une forme plus classique et la motivation des élèves nétait pas la même. Dans la forme classique, lobjectif était de modéliser le comportement de la lentille en établissant la relation de conjugaison. Ici, on est dans la démarche inverse, cette relation devient un outil quil faut utiliser ; lappropriation du modèle nen est que meilleure !
LECE, loin dengendrer le stress propre à chaque situation dévaluation, a plutôt entraîné un comportement actif chez les élèves, les mettant en position de relever un vrai défi. Le choix de la situation déclenchante prend tout son sens ici. Il doit être motivé par la recherche dune situation porteuse de sens permettant de contextualiser le problème tout en créant de la motivation chez les élèves ; ce choix induit alors une problématique qui devient un véritable challenge : démasquer un coupable !
Lors de la construction dune ECE, on sattachera donc à choisir une situation déclenchante porteuse de sens et motivante, associée à des documents pertinents pour assurer le succès de la démarche.
Présentation de lexemple de Terminale :
(Voir : http://physique.ac-orleans-tours.fr/lycee/terminale/terminale_s/)
Dans ce sujet, qui vise à déterminer la concentration d'une solution d'acide chlorhydrique par titrage acido-basique, on demande au candidat de :
déterminer, à partir de graphiques et d'une liste de matériel, la méthode de titrage la plus appropriée pour répondre au problème posé ;
suivre un protocole en accord avec le choix précédent et exploiter les résultats obtenus.
Les trois domaines de compétences évalués ici sont :
S'Approprier : détermination du type de titrage le plus approprié à partir de l'analyse des documents fournis (20 min maximum) ;
Réaliser : réalisation du protocole imposé par le sujet (30 min maximum) ;
Valider : exploitation des résultats issus de la manipulation, en vue de répondre au problème posé qui porte sur la précision apportée au titrage (10 min maximum).
Des repères pour l'évaluation sont fournis : exemple de questions ouvertes, solutions partielles ou totales pour les différents domaines de compétences, y compris pour la partie expérimentale. Ces repères ne sont pas exhaustifs, ils donnent une idée de l'évaluation attendue pour ce sujet.
La résolution de problèmes
(Pour cette partie, on se reportera au document EDUSCOL : HYPERLINK "http://eduscol.education.fr/pid23213-cid61013/ressources-pour-la-classe-terminale-du-lycee-general-et-technologique.html" http://eduscol.education.fr/pid23213-cid61013/ressources-pour-la-classe-terminale-du-lycee-general-et-technologique.html)
1. Rappel des caractéristiques propres à une résolution de problème
Lors de la démarche de résolution de problèmes scientifiques, lélève analyse le problème posé pour en comprendre le sens, construit des étapes de résolution et les met en uvre. Il porte un regard critique sur le résultat, notamment par lévaluation dun ordre de grandeur ou par des considérations sur lhomogénéité. Il examine la pertinence des étapes de résolution quil a élaborées
Les différentes phases dune RDP sont donc : analyser un problème posé, construire les étapes de résolution, les mettre en uvre, porter un regard critique et examiner la pertinence de son travail.
Le document EDUSCOL « Quelques pistes pour la construction dactivités portant sur la résolution de problème » souligne tout particulièrement :
lexistence dune situation déclenchante, à limage dune démarche dinvestigation que les élèves ont rencontrée au collège dans plusieurs disciplines, comme en Sciences Physiques
les qualités que doit posséder la problématique : elle doit être signifiante, orienter mais ne pas induire une démarche de résolution précise, de formulation courte, posant clairement le problème à résoudre, etc.
la présence de documents à analyser (EEI) dont certains pourront ne pas être fournis par le professeur mais nécessiteront une recherche de lélève ; en revanche, lexistence éventuelle de documents peu, voire pas, utiles pour la RDP
le fait que les connaissances nouvelles nécessaires seront fournies ou trouvées par les élèves mais quaucune dentre elles ne sera exigée.
À noter :
la différence entre une EEI et une RDP : une RDP comprend toujours une étape danalyse et dexploitation de documents ; le contraire nest pas vrai. LEEI apparaît alors comme une des composantes dune RDP ; mais une EEI peut former une activité en soi.
la différence entre RDP de formation et dévaluation : dans une RDP dévaluation, toutes les données nécessaires sont fournies aux élèves qui nont pas accès à des ressources en ligne, des encyclopédies, etc. Dans une RDP de formation, certains éléments utiles à la résolution peuvent être absents et doivent être recherchés par les élèves.
En conclusion, la recherche et la formulation dune situation problème mobilisent des sources variées de situations concrètes en rapport avec la « science qui se construit », celle qui nous entoure, etc.
On trouvera ci-dessous une liste non exhaustive de livres ou de sites utiles.
Bibliographie :
« La physique par les objets du quotidiens » de Cédric Ray et Jean-Claude Poizat
Les ouvrages de Jean-Michel Courty, Edouard Kierlick (et Roland Lehoucq) : « Les lois du monde », « Le monde a ses raisons » et « La physique buissonnière ».
Les clés du CEA que lon peut télécharger : HYPERLINK "http://www.cea.fr/le_cea/publications/clefs_cea" http://www.cea.fr/le_cea/publications/clefs_cea
La collection « L'Actualité Chimique Livres » : « La chimie et l'habitat », « La chimie et le sport », « La chimie et la santé », « La chimie et l'alimentation », « La chimie et la mer » et « La chimie et l'art »
Les ouvrages de Mireille Defranceschi : « « La chimie au quotidien », « Chimie et médicaments », et « La chimie des loisirs »
Sitographie :
ENS Lyon : HYPERLINK "http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/" http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ et en particulier HYPERLINK "http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/programmes/Prog_Terminale/specialite" http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/programmes/Prog_Terminale/specialite
Pour la Science, et en particulier sa rubrique « idées de physique » HYPERLINK "http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/i/idees_de_physique.php" http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/i/idees_de_physique.php
Science et Avenir : HYPERLINK "http://sciencesetavenir.nouvelobs.com/" http://sciencesetavenir.nouvelobs.com/
Le journal du CNRS : HYPERLINK "http://www2.cnrs.fr/journal/" http://www2.cnrs.fr/journal/
Le site « sagascience » du CNRS : HYPERLINK "http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/saga.htm" http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/saga.htm
Ressources sur le développement durable : HYPERLINK "http://www.education-developpement-durable.fr/" http://www.education-developpement-durable.fr/
Le site du CEA et en particulier les dossiers HYPERLINK "http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/dossiers" http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/dossiers
2. Analyse d'un exemple de RDP de formation (30 min)
Exemple 1 : Leau de mer à Calvi
Repérage des caractéristiques de l'activité
Existence dune situation déclenchante
Lactivité est contextualisée par un court texte et une photo introduisant le problème de la pollution de la mer par lammoniac.
La problématique
Montrer que la teneur en ammoniac de leau de mer à Calvi a une valeur satisfaisante.
Elle est très claire, de formulation courte et pose clairement le problème à résoudre.
Présence de documents à analyser (EEI)
Lactivité sappuie sur 5 documents dont certains contiennent des informations supplémentaires :
Document 1 : il donne le seuil de la concentration en ammoniac qui permet de résoudre le problème. Il introduit aussi la notion déquilibre acido-basique avec lammonium. Les autres informations sont inutiles pour résoudre le problème.
Document 2 : il décrit la réaction permettant de transformer lammonium en bleu dindophénol. Il napporte pas dinformations indispensables pour résoudre le problème.
Document 3 : il donne la droite détalonnage A=f(c) obtenue à partir de 6 échantillons, ainsi que léquation de la droite obtenue par régression linéaire.
Document 4 : il donne le spectre dabsorption de léchantillon deau de mer ayant subi la transformation de Berthelot. Seule la valeur à 625 nm est intéressante.
Document 5 : il donne le diagramme de distribution du couple NH4+/NH3, le pKA du couple, les masses molaires atomiques et le pH de leau de mer. Seule la valeur du pourcentage dammoniac au pH de la mer est intéressante.
Les documents apportent donc des informations peu utiles pour la RDP
Connaissances nouvelles
Les connaissances nouvelles nécessaires (réaction de Berthelot, équilibre acido-basique) sont fournies dans les documents.
Recherche du (des) raisonnement(s) que l'élève peut mettre en uvre
Les « valeurs satisfaisantes »
Daprès le doc. 1, on trouve dans leau de mer des composés azotés dont les ions ammonium dont la teneur est de lordre de 0 à 50 µg.L-1. Cet ion étant acide, léquilibre acido-basique entraine donc lexistence de sa forme basique NH3, qui elle, est toxique à partir de 0,07 mg.L-1.
Le but de ce problème est donc de vérifier que leau de Calvi a une teneur en ammoniac inférieure à 0,07 mg.L-1, soit 70 µg.L-1.
Principe du dosage
Daprès le doc. 2, lammoniac, par la réaction de Berthelot, peut réagir avec des ions phénolate pour former le bleu dindophénol qui absorbe à 625 nm. Un équivalent dammoniac réagit pour former un équivalent de bleu dindophénol.
La réaction de Berthelot ayant lieu en milieu basique, les ions ammonium présents sont transformés en ammoniac, de sorte quest dosée la somme des ions ammonium et des molécules dammoniac de léchantillon.
Ainsi, lammoniac peut être dosé par spectrophotométrie, une courbe détalonnage étant fournie dans le doc. 3.
Détermination de la teneur ammonium + ammoniac de léchantillon
Le doc. 4 donne le spectre dabsorbance dun échantillon deau de mer de Calvi qui a été traité dans les mêmes conditions expérimentales que celles utilisées pour tracer la droite détalonnage du doc. 3.
On relève une absorbance de 0,13 à 625 nm, ce qui, daprès léquation donnée, correspond à une concentration de 21 ppm, soit 21 µg.L-1 daprès le résultat de la régression linéaire du doc. 3.
Détermination de la teneur en ammoniac dans léchantillon
Daprès le doc. 5 qui donne le diagramme de répartition du couple ammonium/ammoniac, et prenant lestimation de ce même document donnant à leau de mer un pH de 8,2, on peut déterminer que 10% des molécules du couple sont sous la forme dammoniac, ce qui donne une teneur de 2,1 µg.L-1.
Leau de Calvi a donc une teneur en ammoniac satisfaisante, car inférieure à 0,07 mg.L-1.
Autre piste
On peut tout à fait se limiter à un raisonnement sappuyant sur les ordres de grandeur : en effet, en utilisant le spectre dabsorption, on remonte à une absorbance denviron 0,13, soit, daprès la courbe détalonnage, une concentration de lordre de la dizaine de ppm, soit de lordre de la dizaine de µg.L-1. Le diagramme de répartition des espèces donne une proportion denviron 10% dammoniac, soit un ordre de grandeur de lordre du µg.L-1.
Nous sommes en deçà de lordre de grandeur du seuil maximal : il nest pas forcément utile daller plus loin.
Conditions matérielles associées
En cours de formation, seuls les documents 2 et 5 pourraient être donnés (si les diagrammes de prédominance nont pas encore été traités en enseignement spécifique) : les autres informations ou résultats pourraient être recherchés par les élèves (on prend alors de leau dun point deau plus proche !).
Ainsi, les élèves devraient rechercher :
le seuil de concentration en ammoniac pour que leau soit satisfaisante
le pKA du couple ammonium/ammoniac si le cours a été vu en enseignement spécifique.
Expérimentalement, ils devraient :
faire une gamme de solutions aqueuses dammonium
réaliser la transformation de Berthelot sur léchantillon deau et sur les solutions de la gamme dans les mêmes conditions expérimentales
réaliser le spectre dune solution pour déterminer le maximum dabsorption
mesurer labsorbance des solutions pour le (max ainsi obtenu.
On peut imaginer quil faudrait deux séances de cours pour réaliser cette activité.
Si tous les documents sont donnés, lactivité peut être résolue en moins dune heure.
Exemple 2 : La dilatation des océans
Trois documents sont proposés aux élèves : une variation de la température de surface de la Terre depuis 1880, le profil de locéan atlantique, un tableau de valeurs donnant la masse volumique de leau en fonction de la température.
Le problème à résoudre est le suivant : est-ce quune augmentation de la température de 1°C peut entraîner la disparition des états insulaires du Pacifique ?
Un questionnaire guide les élèves :
Estimer la variation du volume dun kilogramme deau liquide consécutif à une augmentation de température de 1°C puis la variation relative de ce volume correspondante.
Présenter les étapes du raisonnement permettant dévaluer numériquement la variation du niveau des océans et le mettre en uvre.
Analyser la valeur numérique obtenue, ainsi que le modèle utilisé.
Pour information, de 10 à 11°C, laugmentation relative de volume est de 10-4 ; elle est de 2. 10-4 pour une élévation de température de 19 à 20°C.
Pour une profondeur moyenne des océans de 2000 m, cela entraîne une augmentation de 20 à 40 cm du niveau de locéan, selon les températures retenues.
Les limites du modèle :
Cette augmentation de volume dépend-elle de la pression ?
Est-ce que leau de mer a le même comportement que de leau pure ?
Est-ce que locéan Pacifique a une profondeur moyenne de 2000 m ?
Quelle est la température moyenne de lOcéan Pacifique ?
La température de locéan dépend-elle de profondeur ?
Analyse de la situation :
Nous sommes dans une situation problème immédiatement compréhensible par les élèves. Elle ne requiert pas de connaissances scientifiques ou mathématiques de TS puisque lexercice peut être résolu avec des outils mathématiques de collège. On pourra, dans ce cadre, évaluer la capacité des élèves à résoudre un problème en mettant en place une démarche scientifique.
Le questionnaire apparaît parfois trop guidé, car on peut regretter quil ny ait pas une appropriation du problème par les élèves. On aurait pu imaginer une phrase du type : en citant les documents, expliquer en quelques lignes pourquoi le niveau de la mer est susceptible daugmenter.
La première question qui vise à faire calculer laugmentation de volume dun kilogramme deau nest pas naturelle. Spontanément, on est tenté de raisonner sur une augmentation dun cube dun mètre de côté ; on ne pense pas forcément à faire un calcul sur une augmentation relative. Cela signifie que certains chemins pour arriver au résultat correct ne sont pas tous permis.
Lélève ne pourra pas répondre à la question « Estimer
», ou difficilement sil nest capable de comprendre questimer signifie soit donner un encadrement (faire le calcul à 10°C et 20°C) soit prendre une valeur moyenne, comme 15°C.
On pourrait préférer une question qui montre que le doute est possible : « à partir des données, calculer une valeur numérique donnant un ordre de grandeur de lélévation du niveau de leau. On précisera les hypothèses retenues, on indiquera, le cas échéant, sil sagit dune valeur maximale, minimale ou intermédiaire du phénomène », par exemple.
Les limites du modèle et les prolongements possibles ne sont pas fouillés : comportement de leau de mer, température en fonction de la profondeur, dilatation en fonction de la pression, profil de locéan pacifique, influence de la fonte des calottes glacières
En prévoyant des documents, on aurait pu poser une question du type : dans le cadre du modèle retenu, déterminer un paramètre pouvant modifier le résultat. Proposer un nouveau modèle et vérifier si le résultat obtenu modifie la conclusion à laquelle aboutit le premier modèle.
3. Comment transformer une EEI en RDP ? (15 min)
Exemple 1 : Les piles à combustibles
(Document source : Hachette Spécialité pages 52-53 et 56-57)
Éléments de correction :
Les piles à combustibles sont un des mots-clés proposés en référence au domaine « Eau et énergie » dans le thème 1 (leau).
Analyse des documents du livre
Les deux premières pages fournissent un rapide historique des piles à combustibles (doc 1), le principe dune catégorie de pile intéressante car fonctionnant à base température (doc 2), les trois grands domaines dapplications envisagés aujourdhui (doc 3), quelques caractéristiques de 6 types de piles (doc 4) et un zoom sur la production de dihydrogène (doc 5). Les deux dernières pages présentent un protocole très guidé permettant une étude expérimentale dune pile à combustible en deux temps : la production des réactifs nécessaires à la pile et létude de la pile en fonctionnement.
Recherche dune situation déclenchante et dune problématique
Les documents du livre proposent « Comment fonctionne une pile à combustible ? ». Cest à lévidence une question centrée sur lobjet lui-même et peu ouverte sur le monde contemporain. On pourrait imaginer connecter la question au problème des ressources énergétiques disponibles du type : La pile à combustible : une réponse aux besoins en énergie des sociétés du 3ème millénaire ? La situation déclenchante associée pourrait alors être fournie par le document 3 : les piles à combustibles et leurs applications.
Le questionnement associé
Celui proposé par le manuel ne soulève que des points de détail à lexception de la question 5 (rédiger un texte court décrivant le fonctionnement dune pile) qui pourrait être complétée par :
Quels sont les problèmes technologiques à résoudre pour rendre la pile à combustible facile à installer dans les différentes applications envisagées ?
Il manque des données quantitatives pour répondre à la question ; les élèves iront les chercher sur la toile : ordre de grandeur de la puissance dune pile à combustible, durée de vie, etc.
Le statut de lactivité expérimentale
La partie B peut être conservée car elle permet datteindre les grandeurs énergétiques (dans le cadre dune expérience de laboratoire donc avec un rendement sans doute très inférieur à celui que lon peut attendre dune solution industrialisée).
Exemple 2 : La voix et loreille humaine
(Document source : Hachette Spécialité pages 68-69)
Éléments de correction :
La voix et lacoustique physiologique sont des mots clés proposés en référence au domaine « Émetteurs et récepteurs sonores » du thème 2 (Son et musique).
Analyse des documents du livre
Il sagit dune étude en deux temps. Trois documents fournissent des informations sur la voix : le document 1 explique comment naît la voix (production par les cordes vocales dans le larynx, rôle des résonateurs) ; les paramètres caractérisant la voix (hauteur, timbre, intensité et tenue) sont rappelés dans le document 2 ; le document 3 en présente les registres (basse, baryton, etc.). Les trois documents qui suivent fournissent des informations sur la réception des sons par loreille : le document 4 présente loreille et son fonctionnement ; le document 5 présente la sensibilité de loreille ; le document 6 sensibilise le lecteur aux dangers du bruit.
Lobjectif est dexpliquer en quoi loreille est adaptée à la voix.
Recherche dune situation déclenchante et dune problématique
Les documents du livre proposent « Comment la voix est-elle créée et comment loreille capte-t-elle les sons ? ». Ce sont là des questions centrées sur les notions de voix et doreille et peu ouvertes sur le monde contemporain et les préoccupations de nos élèves.
On pourrait imaginer la situation déclenchante suivante : Alain se rend à un concert dAC/DC dont il est un fan absolu. Revenu du concert, il découvre que ses oreilles sifflent. A quoi cela est-il dû ? Ce trouble auditif sera-t-il permanent ? Il se demande alors si cela est dû à la voix de Brian Johnson. Dailleurs elle est étrangement perchée cette voix ! Aurait-il eu le même problème si Barry White avait été au micro ? Tiens, au fait, comment se fait-il quelles soient si différentes ces deux voix là ?
On pourrait alors introduire une double problématique en deux temps : dans un premier temps, on cherchera à comprendre le principe de la formation de la voix et à expliquer lindividualité de la voix humaine. On cherchera ensuite à comprendre le fonctionnement de laudition et à étudier limpact des sons sur le système auditif humain.
Le questionnement associé
Celui proposé par le manuel (bas de page 69) permet de sassurer que les informations des documents ont bien été comprises, mais guide trop les élèves dans la démarche. On pourra garder mais reformuler la question 3 afin dinduire le recours à une démarche expérimentale :
« Comment expliquer que les voix de Brian Johnson et de Barry White soient différentes ? Après vous être interrogés sur le principe de formation de la voix, vous mettrez en place une expérience permettant dillustrer ces différences ».
La question 5 pourrait aussi être modifiée ainsi : « Quels sont les deux paramètres à prendre en compte pour évaluer la nocivité dun son ? ». On pourrait supprimer le document 2 si les notions ont été abordées en enseignement spécifique.
On pourrait aussi proposer aux élèves de rechercher des informations sur les niveaux dintensité sonore lors dun concert, sur la législation, sur les troubles auditifs
Le statut de lactivité expérimentale
Une analyse spectrale permettant de comparer les voix de deux élèves choisis dans la classe aurait tout son sens ici.
Lévaluation en Sciences Physiques au lycée page PAGE 14
Niveau A : le candidat a réalisé l'ensemble du travail demandé de manière satisfaisante selon les critères précisés dans le sujet ou avec une ou deux interventions de lexaminateur, concernant des difficultés identifiées et explicitées par le candidat et auxquelles il apporte une réponse quasiment de lui-même.
Niveau B : le candidat a réalisé l'ensemble du travail demandé de manière satisfaisante selon les critères précisés dans le sujet mais avec quelques interventions de lexaminateur concernant des difficultés ou erreurs non identifiées par le candidat mais résolues par celui-ci :
après avoir réfléchi suite à un questionnement ouvert mené par lexaminateur
ou par lapport dune solution partielle dans le cas dune compétence affectée dun fort coefficient.
Niveau C : le candidat reste bloqué dans lavancement de la tâche demandée, malgré les questions posées par lexaminateur. Des éléments de solutions lui sont apportés, ce qui lui permet de poursuivre la tâche.
Niveau D : le candidat a été incapable de réaliser la tâche demandée malgré les éléments de réponses apportés par lexaminateur. Cette situation conduit lexaminateur à fournir une solution complète de la tâche : par exemple un protocole à réaliser ou des valeurs à exploiter pour permettre lévaluation des autres compétences du sujet.