Une approche mésoscopique pour l'enseignement de la statique des fluides : étude des raisonnements des apprenants, élaboration et expérimentation d'une séquence d'enseignement.

par Ugo Besson

Thèse de doctorat en Lettres, sciences humaines et sociales

Sous la direction de Laurence Viennot.

Soutenue en 2001

à Paris 7 .

mots clés

• Physique -- Étude et enseignement
• Didactique
• Mécanique des fluides -- Étude et enseignement (supérieur)
• Étude et enseignement (secondaire)

Résumé

Cette thèse comporte: une étude des raisonnements des apprenants sur les fluides; l'élaboration, l'expérimentation et l'évaluation d'une séquence d'enseignement sur la statique des liquides en présence de gravité, les aspects cinétiques et thermiques étant exclus. Elle présente une analyse des recherches d'autres auteurs sur ces sujets et quelques idées guides sur les raisonnements impliqués dans ce contexte. L'analyse du contenu et l'étude des conceptions sont envisagés de façon étroitement liée. Après deux entretiens exploratoires, la recherche sur les raisonnements est faite au moyen de plusieurs questionnaires, aux niveaux du lycée et de la première année universitaire. Un point critique est la difficulté à connecter les actions locales et les effets globaux, ce qui demande un raisonnement systémique, capable de rendre compte du "mécanisme" qui permet d'établir la situation finale d'équilibre. La courte séquence d'enseignement, expérimentée chez des étudiants de première année universitaire, est basée sur la proposition d'un modèle mécanique simple de liquide, au niveau "mésoscopique", dont les éléments sont des balles de mousse. Le but est de rendre concrète et visuelle la décomposition typique en mécanique des fluides, en évoquant des objets avec lesquels établir une analogie de comportement. L'attention est posée sur les interactions locales et sur la transmission des changements, pour aider les étudiants à surmonter leur difficulté à concilier les lois formelles et le comportement local du fluide. L'évaluation de la séquence se fonde sur : des pre-tests et des post-tests, sous forme de questionnaires papier-crayon, comparés avec les résultats de groupes témoins ayant suivi un cours "classique" ; Des enregistrements audio des débats entre étudiants lors de la séance finale. Les réactions d'un groupe d'enseignants en formation sont reportées, concernant une éventuelle reprise de la séquence. Quelques lignes de développement ultérieur de la recherche sont données.

Résumé

This thesis presents: a study of the forms of reasoning learners apply when dealing with fluids; the design, experimentation and evaluation of a teaching sequence on the static of fluids in the presence of gravity, kinetic and thermal aspects excluded. It contains an analysis of previous research on this topic by other authors; and some guiding ideas on the reasoning involved in this context. Content analysis and the study of conceptions are linked throughout. Besides two preliminary interviews, the research on reasoning involves several questionnaires put to high school and first-year university students. One crucial point is a difficulty in connecting local actions and global effects; this requires a systemic form of reasoning, to explain the mechanism establishing the final situation of equilibrium. The short teaching sequence experimented among first-year university students is based on a simple mechanical model of fluids, at the mesoscopic level, using sponge balls as elements. The aim is to make concrete and visual the typical decomposition of the mechanics of fluids, using objects through which a behavioural analogy can be established. . . Established (Attention is drawn to local interactions and a transmission of changes, to help students overcome the difficulty of conciliating certain formal laws and the local behaviour of fluids. The sequence is evaluated by means of paper-and-pencil questionnaires as pre-tests and post-tests, whose results are compared against those of "classically" taught control groups, and by studying the transcripts of the student debates that were held in the final session. The observations of a group of trainee-teachers are given, regarding the implementation of the sequence in class. Some directions for developing the research are suggested at the end of the thesis.