ARTICLE ORIGINAL
VILANCULO, Jossias Arnaldo [1], MUTIMUCUIO, Inocente Vasco [2], SILVA, Carlos Santos [3]
VILANCULO, Jossias Arnaldo. MUTIMUCUIO, Inocente Vasco. SILVA, Carlos Santos. Méthodologies actives pour l’enseignement et l’apprentissage de la physique : Étude de cas de la formulation des concepts de chaleur et de température. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. An 05, Ed. 09, Vol. 07, p. 84-107. septembre 2020. ISSN: 2448-0959, Lien d’accès: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/education-fr/chaleur-et-de-temperature
RÉSUMÉ
La recherche fait partie de l’enseignement des sciences, dont l’objectif est d’apporter des approches pédagogiques qui permettent une participation active de l’étudiant, permettant aux conceptions alternatives des étudiants d’être valorisées, permettant à l’élève de construire ses propres connaissances. La recherche fait partie des hypothèses théoriques de David Ausubel et a été développée dans une école mozambicaine avec des élèves de 9ème année. Le travail apparaît comme un moyen d’apporter des alternatives à la méthode traditionnelle d’enseignement de la physique principalement au monde entier. Deux classes de 101 élèves ont été soumises à un questionnaire élaboré par le chercheur afin d’identifier les conceptions alternatives des élèves dans les concepts de chaleur et de température. Ensuite, ils ont été soumis à une intervention didactique sur les concepts de chaleur et de température en utilisant la méthodologie active dans la classe expérimentale et traditionnelle dans la classe de contrôle, à la fin un post-test a été appliqué. Les résultats montrent que la stratégie utilisée dans la classe expérimentale a permis une plus grande participation des élèves pendant les cours et a également remarqué une amélioration substantielle dans la formulation des concepts de chaleur et de température, ayant considérablement réduit les conceptions alternatives sur ces concepts.
Mots-clés: Enseignement de physique, méthodologie active, chaleur, température.
1. INTRODUCTION
En 1963, la première conférence interaméricaine sur l’enseignement de la physique a eu lieu, au cours de laquelle Richard Feynman, physicien américain et lauréat du prix Nobel de physique en 1965, était déjà très pessimiste quant à l’enseignement de la physique partout (PEREIRA, 2010). La préoccupation de Feynman était dans la façon dont la physique a été enseignée dans les écoles et le souci des élèves d’étudier seulement pour mémoriser et reproduire le contenu le jour de l’essai, sans prendre la peine de percevoir la physique.
Bien que des décennies se soient écoulées depuis les découvertes de Feynman jusqu’à nos jours, des problèmes dans l’enseignement de la physique persistent. Il n’est pas nouveau que, dans les écoles du monde entier, la méthode traditionnelle soit encore prédominante, où l’enseignant se rende en classe pour dire à l’élève ce qu’il doit savoir et, d’autre part, l’élève est responsable de la rédaction et de la recherche de moyens d’approfondir le contenu abordé. En conséquence, l’étudiant ne se soucie que de mémoriser, il n’y a pas de place pour lui d’apprendre et après un court laps de temps oublie tout. La conséquence en est le manque de motivation pour apprendre la physique et finit par considérer la physique comme une science difficile, qui n’a rien à voir avec sa réalité.
Selon Barroso; Rubini et Siva (2018, p.2) «entre les années 1970 et 1990, les chercheurs en enseignement de la physique ont réalisé le besoin de comprendre ce que les étudiants apportaient comme bagage culturel et conceptuel afin qu’ils puissent développer des processus d’apprentissage en physique ». Ce mouvement a permis de franchir une étape significative dans le développement de la recherche dans le domaine de l’enseignement des sciences. C’est à cette période que certains chercheurs assument le rôle des connaissances antérieures de l’étudiant ou des conceptions alternatives dans l’apprentissage de nouveaux concepts, certains supposant qu’ils devraient être remplacés par des concepts scientifiques et d’autres défendant leur accommodement.
Plus tard, sous l’influence de Vygotsky , les conceptions alternatives ont maintenu leur importance dans l’apprentissage. L’approche de Vygotsky n’est pas de remplacer d’autres conceptions chez les étudiants, mais de les prendre en compte. Jusqu’à ce jour, les débats ont été dans cette perspective.
Les conceptions alternatives sont les idées initiales présentées par les étudiants et qui diffèrent des connaissances scientifiques.
Sur l’origine des conceptions alternatives, des chercheurs comme Caldeira et Martins (1990); Thomaz et al. (1994); Mutimucuio (1998); Hülsendeger, Costa et Cury (2006); Araújo et Souza (2015); Leão et Kalhil (2015); Krause et Scheid (2018) convergent pour affirmer que les modèles que les individus utilisent pour expliquer les concepts quotidiens et les phénomènes physiques se développent dès l’enfance, à partir du moment où l’individu entre en contact avec la nature, d’autres par le biais du recensement commun, ne provenant pas exclusivement de leur apprentissage scolaire.
Aujourd’hui, l’importance de valoriser les conceptions alternatives dans le processus d’enseignement et d’apprentissage est convenue. Ausubel, dans son travail défend le rôle que la connaissance que l’élève acquiert tout au long de ses expériences interfère dans la compréhension de nouveaux concepts dans le milieu scolaire.
Afin de contribuer au thème de l’enseignement de la physique, l’auteur apporte ici une étude menée dans une école mozambicaine à l’approche des concepts de chaleur et de température en classe avec des élèves de 9e année.
Selon Faccin et Garcia (2017, p.19), « comprendre les concepts de chaleur et de température devient difficile, peut-être, parce qu’ils sont également utilisés dans la vie quotidienne avec un sens différent de celui accepté scientifiquement ». Il est courant pour quelqu’un de prononcer des mots comme « aujourd’hui est chaud », comme si la chaleur ont été mesurées à partir de la température, mais de dire aujourd’hui la température est élevée, ou « en été, il fait très chaud et en hiver très froid », comme si la chaleur et le froid étaient des termes contraires, mais ce qui signifie en été la température est très élevée et en hiver est très faible.
A partir de ces concepts, la chaleur et la température, l’auteur apporte une approche utilisant une méthodologie active, où l’étudiant est l’auteur de ses propres connaissances (BACICH et MORAN, 2018).
Les méthodologies actives renforcent l’autonomie des élèves, avec eux, les élèves sont capables de construire et de reconstruire leurs connaissances au lieu de les recevoir passivement de l’enseignant, devenant de plus en plus remises en question pour pouvoir intervenir consciemment et transformer la réalité (PUHL, 2017).
L’Auteur espère qu’avec cette recherche, il apportera sa contribution à l’approche des cours de physique en utilisant des méthodologies actives, où l’étudiant est autonome et auteur de la construction de connaissances scientifiques.
2. ACTIVITÉS EXPÉRIMENTALES ET LA THÉORIE D’APPRENTISSAGE SIGNIFICATIVE D’AUSUBEL
David Paul Ausubel était un psychologue américain qui s’inquiétait des études sur les processus d’apprentissage. Il a développé une théorie qui est devenue connue sous le nom de Théorie de l’apprentissage significatif d’Ausubel.
Selon Ausubel; Novak et Hanesian (1968); Masini (2011) apud Silva (2020, p.2), « la théorie de l’apprentissage significatif (TAS) décrit comment l’individu apprend à mesure que de nouvelles connaissances sont intégrées dans ses structures cognitives, sur la base des connaissances antérieures pertinentes ».
Selon Silva (2020, p.2), « cette théorie est née de l’insatisfaction vécue par Ausubel dans sa scolarité, qui a été caractérisée par l’absence de conditions qui ont contribué à son développement professionnel et à l’apprentissage de nouvelles connaissances par les autres élèves ».
Selon Moreira (2011), Ausubel définit l’apprentissage significatif par l’être :
Un processus par lequel de nouvelles informations (nouvelles connaissances) sont liées d’une manière non arbitraire et substantielle (non littérale) à la structure cognitive de l’apprenant. C’est au cours de l’apprentissage significatif que le sens logique du matériel d’apprentissage devient une signification psychologique pour le sujet. (MORREIRA, 2011)
Pour Ausubel (1963), l’apprentissage significatif est le mécanisme humain, par excellence, d’acquérir et de stocker la grande quantité d’idées et d’informations représentées dans n’importe quel domaine de la connaissance.
Ausubel souligne que les connaissances antérieures sont fondamentales pour un apprentissage significatif. Selon ce psychologue, l’enseignement devrait se concentrer sur ce que l’apprenant sait déjà, sur ses structures cognitives antérieures (sous-fonctions), sinon il n’y aura pas d’apprentissage significatif, mais d’apprentissage mécanique.
Du point de vue d’Ausubel, l’enseignant devrait plutôt se préoccuper de savoir quelles sont les connaissances antérieures des élèves ou des conceptions alternatives sur le concept à traiter. Cette approche peut être rendue possible grâce à des activités expérimentales où elles peuvent être problématiques.
Les activités expérimentales constituent des matériaux potentiellement importants. Ausubel se réfère à des matériaux potentiellement importants comme un autre élément essentiel pour un apprentissage significatif au-delà des connaissances antérieures.
À partir des activités expérimentales proposées, l’enseignant élabore des questions problématiques, où l’élève, lorsqu’il cherche des solutions aux questions posées par l’enseignant, aura l’occasion d’exposer ses conceptions alternatives.
Les activités expérimentales sont considérées comme des stratégies didactiques singulières qui contribuent à un apprentissage significatif en classe. Historiquement, depuis les années 1960, plusieurs tentatives d’amélioration de la qualité de l’enseignement des sciences ont été basées sur des activités expérimentales (CATELANI et RINALDI, 2018).
Cette stratégie apporte un changement d’attitude passive pour les actifs, tant pour l’élève que pour l’enseignant, parce que l’apprenant cesse d’être un simple observateur des classes et, commence à argumenter, à penser, à agir, à intervenir et à questionner (CATELANI et RINALDI, 2018).
Selon Pereira (2010), l’utilisation des activités expérimentales comme stratégie didactique pour l’enseignement de la physique devrait suivre les étapes suivantes :
- Proposition du problème;
- Étude des hypothèses;
- Préparation du plan de travail, c’est-à-dire de la façon dont l’expérience doit être réalisée;
- Assemblage de l’arrangement expérimental et de la collecte de données;
- Analyse des données;
- Conclusions.
Selon le même auteur, le plan de travail devrait contenir : objectifs, problème, hypothèses et solution du problème.
3. MÉTHODOLOGIE DE RECHERCHE
Voici une description de l’approche méthodologique de la recherche, des instruments de collecte de données et des techniques d’analyse et d’interprétation des résultats. Nous avons travaillé avec deux classes, l’une de contrôle et l’autre expérimentale, qui ont été soumises à un pré-test avant l’intervention, puis à un post-test après l’intervention.
Du point de vue de la résolution du problème, la recherche est qualitative et quantitative. Selon Gerhaldt et Silvera (2000, p.31-41), « la recherche quantitative et qualitative présente des différences avec les éléments forts de l’un pour compléter les faiblesses de l’autre et vice versa ».
L’approche quantitative, dans la perspective de Silva et Menezes (2001, p.20) « signifie traduire en chiffres des opinions et des informations pour les classer et les analyser ». Dans ce cas, les conceptions alternatives des élèves seront regroupées en tableaux de fréquence en pourcentage pour leur analyse.
Elle est également qualitative parce que l’explication et l’interprétation des concepts ne nécessiteront pas de techniques statistiques, mais plutôt l’environnement naturel, où la source directe de collecte de données est le chercheur et est l’instrument clé (SILVA et MENEZES, 2001).
Quant aux objectifs, il est exploratoire, car, comme l’explique Severino (2017, p.91), « il ne cherche qu’à recueillir des informations sur un objet particulier, délimitant ainsi un champ de travail, cartographiant les conditions de manifestation de cet objet ».
L’étude a été réalisée au moyen d’un questionnaire (pré-test et post-test) appliqué aux étudiants à deux moments différents. L’objectif était d’identifier les conceptions alternatives des élèves sur les concepts de chaleur, de température, de direction du transfert spontané de chaleur et d’équilibre thermique et, à partir de là, d’identifier la classe de contrôle et expérimentale.
L’instrument avant la demande a été approuvé par deux enseignants spécialisés dans le sujet, par la façon dont le superviseur et le co-superviseur et, lu avant la demande par deux professeurs de physique de l’école où la recherche a été développée.
L’échantillon était composé de 101 élèves de 9e année, puisque ces concepts sont officiellement abordés pour la première fois dans cette classe. Cet échantillon provient de 2 classes choisies au hasard dans un univers de 9 classes de la journée.
L’âge du groupe témoin se situe entre 13 et 17 ans. Avant d’être soumis, les parents et/ou tuteurs ont été autorisés à participer à une réunion dirigée par les directeurs de classe. Auparavant, le chercheur avait demandé la permission au conseil scolaire au moyen d’une lettre officielle.
Pour l’analyse des données qualitatives, il a été décidé de créer des catégories hiérarchiques en fonction du niveau d’élaboration de la réponse de chaque élève, à l’exception des questions 1 et 5 qui demandaient respectivement la signification de la chaleur et de la température dans la langue maternelle des élèves, après avoir été analysées selon le modèle du tableau 1, élaboré par l’auteur.
La catégorisation a été inspirée par les modèles utilisés par d’autres chercheurs dans le domaine de la recherche scientifique (NEVES; CHARRET et CARVALHO, 2017; COVOLAN et SILVA, 2005; MOÇO et SERRANO, 2002). Ainsi, trois catégories ont été créées (A, B et C), où la catégorie « A » représente le plus haut niveau de préparation des réponses et la catégorie « C » le niveau d’élaboration le plus bas.
Pour les données quantitatives, des diagrammes à barres ont été utilisés.
4. RESULTATS ET DISCUSSION
4.1 RAPPORT D’INTERVENTION DIDACTIQUE
Cette section décrit l’environnement dans lequel les classes ont été développées dans la classe expérimentale, où nous avons cherché à développer une méthodologie active d’enseignement et d’apprentissage basée sur des activités expérimentales. La structure du guide expérimental a suivi la proposition de Pereira (2010).
Cette proposition s’inscrit dans la théorie de l’apprentissage significatif d’Ausubel, qui défend la valorisation des connaissances initiales de l’élève, dans cette perspective, toutes les activités commencent par une problématique, où l’on demande à l’élève de formuler des hypothèses à travers ses connaissances antérieures, qui dans cette recherche sont appelées conceptions alternatives.
Activité 1 : Mesurer la température de l’eau dans trois bassins différents
Objectif : Vérifier qu’il n’est pas fiable de mesurer la température au moyen du toucher.
Problème : Comment savoir si l’eau est chaude ou froide ?
Formulation d’hypothèses par les élèves : L’enseignant a demandé aux élèves de mettre les réponses possibles à la question posée. Les hypothèses des élèves étaient les suivantes :
- Tâtonner les bols de l’extérieur.
- Tremper vos mains dans chacun des bols.
- À l’aide du thermomètre.
Mesures pour résoudre le problème : Dans cette activité, on a demandé à deux élèves de tremper leurs mains dans un bol avec de l’eau chaude et une autre dans de l’eau froide, voir la figure 1. Après 30 secondes, ils ont enlevé leurs mains et plongé dans l’eau chaude, voir la figure 2. Tu te demandais combien tu as. Les réponses étaient que pour la main qui venait de l’eau chaude, ils avaient la sensation de froid et d’autre part qui venait de l’eau chaude, ils avaient une sensation de chaleur.
Figure 1 : Trois bols à l’eau chaude, chaude et froide
Figure 2 : Au moment où l’un des élèves a plongé les deux mains dans les bols avec de l’eau chaude et froide, puis les deux dans de l’eau chaude.
Avec ces activités expérimentales, les élèves sont arrivés à la conclusion que le sens du toucher peut nous donner de mauvaises sensations de température, et donc pas recommandé pour la mesure de la température.
Activité 2 : Mesurer la température d’un corps.
Objectif : Identifier le thermomètre comme instrument de mesure de la température.
Problème : Nous avons deux cuillères presque égales, l’une de métal et l’autre de bois. Comment évaluer la température des deux cuillères? Comparez les deux températures.
Formulation d’hypothèses par les élèves : On a demandé aux élèves de formuler certaines hypothèses après discussion en groupes de deux à deux, ce qui a donné lieu aux éléments suivants :
- Tâtonner l’objet avec la paume de sa main.
- Mettre l’objet en contact avec le front.
- Mesure de votre température avec le thermomètre.
- La cuillère en métal a une température plus basse par rapport à la cuillère en bois.
Étapes pour résoudre le problème :
On a demandé aux élèves de palper deux cuillères, l’une métallique et l’autre en bois, puis on leur a demandé laquelle avait la température la plus basse. La plupart d’entre eux ont répondu que la cuillère en métal était à basse température parce qu’il faisait plus froid.
Après la discussion, les élèves ont mesuré la température des deux cuillères à l’aide du thermomètre (figure 3) et en sont venus à la conclusion que la température était la même.
Figure 3 : Temps de mesure de la température des cuillères en métal et en bois.
Conclusion: il a été conclu que la troisième hypothèse est vraie, c’est-à-dire pour mesurer la température d’un corps, il faut utiliser un instrument appelé thermomètre.
Activité 3 : Formulation du concept de température.
Objectif : Définir la température.
Problème : Qu’est-ce que la température ? Quelle est la relation entre la température et le degré d’agitation des particules?
Formulation d’hypothèses par les élèves : Sur la question du concept de température, les élèves ont répondu ce qui suit :
- La température est la quantité de chaleur.
- La température est l’énergie interne.
- La température est le degré d’agitation des particules.
- La température est l’état de chauffage.
En ce qui concerne la relation entre la température et le degré d’agitation des particules, aucun élève n’a répondu.
Étapes pour résoudre le problème :
L’enseignant a exposé trois verres, l’un avec de l’eau naturelle, l’autre avec un mélange d’eau et de glaçons et enfin le troisième avec des glaçons. Il a demandé aux élèves de décrire le degré d’agitation des particules avec des catégories plus élevées, modérées et inférieures et, en utilisant les mêmes catégories comparer les températures dans les trois tasses.
Les élèves ont pu répondre que dans le verre avec de l’eau naturelle, il y a une plus grande agitation des particules par rapport aux autres verres et, à son tour dans le verre contenant de l’eau et des glaçons, l’agitation est plus grande par rapport au verre avec des glaçons.
En ce qui concerne les températures, certains élèves ont répondu que le verre d’eau naturelle a une température plus élevée, suivant le verre de mélange de glaçons et d’eau et, enfin, avec une température plus basse, le verre avec des glaçons. Cependant, il y a un petit nombre d’étudiants qui ont été indécis sur les températures des tasses 2 et 3, respectivement des glaçons de mélange + eau et glaçons.
Pour dissiper les doutes, l’enseignant a demandé à deux élèves de mesurer la température des trois tasses et de remplir la table, voir le tableau 1 :
Figure 4 : Les trois moments de mesure de température dans les trois verres avec de l’eau naturelle, de l’eau + des glaçons et des glaçons
Tableau 1 : Données expérimentales dans la formulation du concept de température.
| Tasses | 1 | 2 | 3 |
| Degré d’agitation des particules | Petits | Modérée | Plus |
| Valeur de température | 4º C | 10º C | 25º C |
Source: Auteur
Avec cette activité expérimentale, les élèves ont pu formuler que la température augmente le degré d’agitation des particules.
D’après les résultats de la mesure, il a été possible d’arriver à la conclusion suivante : plus la température est élevée, plus le degré d’agitation est élevé.
La deuxième classe sur le concept de chaleur, avait la séquence suivante d’activités:
Activité 4 : Formulation du concept de chaleur
Objectif : Définir le concept de chaleur.
Problème : Qu’est-ce que la chaleur ? Quel est le sens de la chaleur dans votre langue maternelle?
Formulation d’hypothèses par les élèves : Dans un groupe de deux par deux, les élèves ont reçu l’ordre de discuter du concept en portugais, puis dans leur langue maternelle. Les réponses données par les élèves sont les suivantes :
- La chaleur est la variation de température.
- La chaleur signifie une température élevée.
- La chaleur, c’est l’énergie.
- Dans la langue tsuá, la chaleur signifie une température élevée.
- Dans la langue guitonga, la chaleur signifie une température élevée.
- Dans la langue chichope chaleur signifie haute température.
A propos de cette activité, selon Ausubel (2003), l’être humain présente la tendance à apprendre plus facilement un ensemble de connaissances lorsqu’il est présenté à partir de ses idées les plus générales et inclusives et se déroule aux idées les plus spécifiques et moins inclusives, c’est-à-dire de sa langue maternelle, il peut présenter des idées générales et, en portugais, des idées spécifiques.
Étapes pour résoudre le problème :
Deux élèves ont été invités à effectuer l’activité expérimentale à partir des matériaux suivants : 4 tasses, de l’eau froide et de l’eau à température ambiante, et le thermomètre. Les autres, en groupes de deux élèves, ont chacun observé et discuté de leurs observations.
La même quantité d’eau a été placée à température ambiante dans les deux verres (Tasse 1 et Coupe 2); la température initiale de l’eau a été mesurée dans les deux verres; 1 tasse et tasse 2 d’eau ont été mélangées et la température finale a été mesurée.
Figure 5 : Le moment de l’activité expérimentale pour formuler le concept de chaleur
Puitis la même quanté d’eau froide a été placée dans un verre et dans une autre eau chaude; (Coupe 3 et Coupe 4); la température initiale a été mesurée dans les deux verres; l’eau des tasses 3 et 4 a été mélangée et la température du mélange a été mesurée.
Les résultats ont été complétés dans le tableau ci-dessous.
Tableau 2 : Données expérimentales pour la formulation du concept de chaleur
| Conteneurs | T1 | T2 (T2) | T3 (en) |
| Coupe 1 | 27º C | 55º C | 47º C |
| Coupe 2 | 66º C | ||
| Coupe 3 | 27º C | 27º C | 27º C |
| Coupe 3 | 27º C |
Source: Auteur
On a demandé aux élèves d’expliquer le phénomène observé, en répondant en groupes de 2 élèves chacun aux questions suivantes : Pourquoi, dans le premier mélange (tasse 1 et tasse 2), la température variait? Parce que dans le deuxième mélange (tasse 3 et tasse 4) il n’y avait aucune variation de température de T1 à T2? et de T2 à T3?
Sur les mélanges de tasses 3 et 4, presque tous les élèves étaient d’avis qu’il n’y avait pas de variation de température parce que les deux quantités sont de la même température.
Dans le cas des tasses 1 et 2, bien que les élèves aient fait remarquer qu’il y avait une variation de température de T1 à T2 parce que les deux quantités étaient à des températures différentes, elles diffèrent en ce qui concerne les arguments de variation de température, comme nous le verrons ci-dessous certaines interventions des élèves :
Élève 1 : Il y avait des variations de température parce que l’eau chaude transférait la température à l’eau froide.
Élève 2 : Il y avait des variations de température dues au transfert de la température froide vers l’eau chaude, ayant ainsi baissé à 55º C.
Élève 3 : Transfert de chaleur à l’eau froide.
Élève 4 : Il y a eu transfert de chaleur de l’eau froide à l’eau chaude.
On a demandé aux élèves ce qui avait fait varier la température. Le chercheur a expliqué aux élèves que l’entité qui a causé la variation de température était l’énergie (en transit) sous forme de chaleur en raison de la différence de température. On a pensé à nouveau que ce transfert ne se produit que lorsque deux corps ou substances avec des températures différentes sont mis en contact.
On a de nouveau demandé aux élèves, après tout, qu’est-ce que la chaleur? Après plusieurs définitions, les élèves en sont venus à la conclusion que la chaleur est la quantité d’énergie en transit en raison de la différence de température.
On a demandé aux élèves d’examiner si le concept de chaleur dans les langues maternelles traduit ou non le concept scientifique et a conclu que dans les langues maternelles, le concept de chaleur signifie une température élevée, contrastant ainsi avec le concept scientifique de chaleur.
Les questions suivantes ont été posées pour une résolution de groupe comme une forme de consolidation: Il considère deux glaçons qui se réunissent initialement à des températures différentes comme illustré ci-dessous. Ils sont mis en contact.
Y aura-t-il transfert de quelque chose entre les deux blocs? Dans l’état, qu’est-ce qui est transféré entre les deux blocs de glace? Justifier.
L’enseignant a expliqué aux élèves que dans ce cas il ya aussi le transfert de chaleur parce que nous mettons en contact deux corps avec des températures différentes, c’est-à-dire, le transfert de chaleur se produit non seulement pour les corps chauffés, mais aussi pour les corps froids, tant qu’ils sont à des températures différentes.
La 3ème classe sur l’équilibre thermique et la direction spontanée de transfert de chaleur a été développée avec les activités suivantes :
Activité 5 : Équilibre thermique et direction spontanée de transfert de chaleur
Objectifs : Définir l’équilibre thermique et identifier la direction du transfert spontané de chaleur.
Problème : Considérez un bloc (écrou d’une voiture) chauffé à 106º C qui est inséré dans un verre avec de l’eau à la température initiale 20º C. Quelle sera la direction du transfert de chaleur? Quand le transfert de chaleur s’arrête-t-il? La température finale du système sera: a. Plus de 106º C; B. 106º C; c. 20º C; d. Supérieur à 20 °C et inférieur à 106 º C.
Formulation d’hypothèses par les élèves :
Les réponses des élèves étaient les suivantes :
- La direction du transfert de chaleur sera l’eau au bloc.
- La direction de transfert de chaleur sera du bloc à l’eau.
- Le transfert de chaleur au moment où le système est à la même température.
- La température finale du système sera de 20ºC.
- La température finale du système sera supérieure à 106ºC.
- La température finale du système sera supérieure à 20º C et inférieure à 106 ºC.
Étapes pour résoudre le problème :
À l’aide d’un chauffe-eau, un bloc (écrou d’une voiture) a été chauffé pendant 5 minutes, lorsque les élèves ont répondu aux questions du problème. On a demandé à deux élèves de mesurer la température initiale du bloc chauffé, la température initiale de l’eau dans un verre, puis d’insérer le bloc chauffé dans le verre avec de l’eau, voir la figure 6. Observez les valeurs lues par le thermomètre jusqu’à ce que la température cesse de varier.
Figure 6 : Dispositif expérimental pour la formulation du concept d’équilibre thermique.
Conclusion: L’activité a permis aux élèves de conclure que la direction du transfert spontané de chaleur est du corps avec une température plus élevée au corps avec une température plus basse, ce transfert à quand les deux corps atteignent la même température, c’est-à-dire, l’équilibre thermique.
4.2 RÉSULTATS DE CONCEPTIONS ALTERNATIVES AVANT ET APRÈS LE TEST
La catégorisation des résultats post-test est présentée dans les tableaux suivants :
Tableau 3 : Les résultats de l’analyse des réponses des élèves sur le concept de chaleur, la question numéro 2 (dans le pré-test) et la question numéro 1 (dans le post-test).
| Type | Pourcentage d’étudiants (%) | Conceptions alternatives identifiées | |
| Prétest | Test | ||
| A | 21 | 72 | La chaleur signifie une température élevée.
La chaleur est une substance, un fluide. La chaleur est contraire au froid. |
| B | 14 | 15 | |
| C | 65 | 13 | |
Source: Auteur
Tableau 4 : Analyse des réponses des élèves sur le concept de chaleur TC (Classe de contrôle-Turma de controlo)
| Type | Pourcentage d’étudiants (%) | Conceptions alternatives identifiées | |
| Prétest | Test | ||
| A | 20 | 22 | La chaleur signifie une température élevée.
La chaleur est directement proportionnelle à la température. La chaleur n’est associée qu’aux corps chauffés. La chaleur est une substance, un fluide. La chaleur est contraire au froid. |
| B | 15 | 7 | |
| C | 75 | 71 | |
Source: Auteur
En comparant les deux tableaux de l’après-test, il est à noter que dans la classe expérimentale, les élèves avaient une meilleure élaboration du concept thermique, ayant obtenu 72 % en catégorie A contre 22 % de la classe de contrôle. Bien que d’autres conceptions persistent, la classe expérimentale avait un pourcentage inférieur (13 %) par rapport à la classe de contrôle (71 %). En ce qui concerne l’analyse avant et après l’intervention didactique, aucune des deux classes n’a remarqué une amélioration significative de l’élaboration des concepts scientifiques dans la classe expérimentale.
Ce qui suit est présenté le résultat de l’analyse de la question numéro 2 à travers les tableaux 5 et 6 dont l’expression est la suivante: « Nous associons l’existence de la chaleur dans les situations suivantes: I-A tout corps en mouvement, parce que tout le corps en mouvement a de la chaleur; II-Seulement aux corps chauds ; III- Situations dans lesquelles deux corps entrent en contact, avec des températures différentes. Cette question n’a été évaluée qu’après le test.
Tableau 5 : Analyse des réponses des élèves à la question numéro 3 de l’TE (Classe expérimentale-Turma experimental)
| Type | Pourcentage d’étudiants (%) | Conceptions alternatives identifiées | |
| Avant | Après | ||
| A | 92 | La chaleur signifie une température élevée.
Les corps en mouvement ont de la chaleur. |
|
| B | 3 | ||
| C | 5 | ||
Source: Auteur
Tableau 6 : Analyse des réponses des élèves à la question numéro 3 de la TC
| Type | Pourcentage d’étudiants (%) | Conceptions alternatives identifiées | |
| Avant | Après | ||
| A | 68 | La chaleur signifie une température élevée.
Les corps en mouvement ont de la chaleur. |
|
| B | 12 | ||
| C | 30 | ||
Source: Auteur
Dans cette question, la différence entre les deux classes est évidente, la classe expérimentale atteignant 92% des concepts avec un niveau d’élaboration scientifique contre 68% de la classe de contrôle. Le niveau de difficultés ou avec des conceptions alternatives est de 13% dans la classe expérimentale contre 30% dans la classe de contrôle.
Les tableaux 7 et 8 montrent l’analyse du concept de température, de la question numéro 4 (dans le pré-test) et de la question numéro 3 (dans le post-test).
Tableau 7 : Analyse des réponses des élèves sur le concept de température dans TE
| Type | Pourcentage d’étudiants (%) | Conceptions alternatives identifiées | |
| Avant | Après | ||
| A | 12 | 89 | Température comme mesure de la chaleur.
La température comme quelque chose qui se transfère d’un corps à l’autre. |
| B | 10 | 6 | |
| C | 78 | 5 | |
Source: Auteur
Tableau 8: Analyse des réponses des élèves au concept de température sur TC
| Type | Pourcentage d’étudiants (%) | Conceptions alternatives identifiées | |
| Avant | Après | ||
| A | 15 | 82 | Température comme mesure de la chaleur.
La température comme quelque chose qui se transfère d’un corps à l’autre. |
| B | 27 | 15 | |
| C | 58 | 3 | |
Source: Auteur
En ce qui concerne le concept de température, l’étude montre que dans les deux classes, il y a eu une amélioration significative dans l’élaboration du concept. L’écart en pourcentage est plus faible, étant de 89 % dans la classe expérimentale et de 82 % dans la classe de contrôle. En ce qui concerne les conceptions alternatives affichées, les deux classes ont un pourcentage inférieur, mais la classe de contrôle a un pourcentage inférieur (2%) par rapport à la classe expérimentale (2%). Toutefois, cette différence n’est pas significative dans la destiture la méthode utilisée.
Le résultat de l’analyse des questions 4.1 (après le test) et 7.1 (dans le pré-test) est indiqué dans les tableaux 9 et 10 ci-dessous. La question posée aux élèves était la suivante : « Vous avez d’abord un bloc métallique à 75ºC et un calorimètre contenant de l’eau à 20ºC. Ensuite, le bloc de métal A est inséré dans le calorimètre, selon le chiffre suivant:
Qu’est-ce qui est transféré entre le bloc métallique A et l’eau dans le calorimètre?
Tableau 9 : Analyse des réponses des élèves dans TE
| Type | Pourcentage d’étudiants (%) | Conceptions alternatives identifiées | |
| Avant | Après | ||
| A | 31 | 95 | Temperatura como algo que se transfere de um corpo para o outro. |
| B | 24 | 0 | |
| C | 45 | 5 | |
Source: Auteur
Tableau 10: Analyse des réponses des étudiants sur le TC
| Type | Pourcentage d’étudiants (%) | Conceptions alternatives identifiées | |
| Avant | Après | ||
| A | 52 | 80 | La température comme quelque chose qui se transfère d’un corps à l’autre. |
| B | 35 | 12 | |
| C | 13 | 8 | |
Source: Auteur
Les deux tableaux montrent que 95% et 80% des élèves, respectivement dans les classes expérimentales et de contrôle définissent le concept de température. En ce qui concerne les conceptions alternatives affichées, seulement 5% des élèves de la classe expérimentale et 8% de la classe de contrôle confondent également la température comme quelque chose qui se transfère d’un corps à l’autre, c’est-à-dire qu’ils confondent température et chaleur. Dans les deux classes, il y a eu des améliorations dans la formulation des concepts, ayant réduit la fréquence des conceptions alternatives, avec une incidence plus élevée dans la classe expérimentale.
4.3 RÉSULTAT DE PERFORMANCE PAR CLASSE, PRÉ-TEST ET POST-TEST
Les graphiques de la figure 1 montrent la situation initiale des élèves avant d’être soumis à une intervention didactique dans les classes 10 (classe de contrôle) et 11 (classe expérimentale).
Figure 7 : Graphique comparatif des pré-tests de la classe expérimentale et de contrôle
Si l’on examine les données graphiques, bien que la classe de contrôle ait un pourcentage légèrement plus élevé de données positives et négatives que la classe expérimentale, cette différence n’est pas significative, comme cela sera démontré plus tard. C’est-à-dire que les deux classes étaient au même niveau par rapport au contenu évalué.
Après l’application du pré-test, les deux classes ont été soumises à une intervention didactique, en utilisant différentes stratégies d’enseignement, après avoir été soumises à un post-test. Le résultat est montré dans le graphique 2 ci-dessous:
Figure 8 : Graphique comparatif des post-tests de la classe expérimentale et de contrôle
En comparant les deux graphiques, la différence entre le pourcentage de points positifs dans le post-test dans la classe expérimentale est remarquable. Bien que dans la classe de contrôle il y ait également eu une augmentation du pourcentage de points positifs, cette augmentation n’est pas substantielle. On peut supposer, à partir de ces éléments de preuve, que la stratégie utilisée a contribué de façon significative à un pourcentage plus élevé de positifs.
5. CONSIDÉRATIONS GÉNÉRALES
L’être humain, à la naissance entre en contact avec l’environnement qui l’en est. Ce contact en fait un tout entre l’être humain et la nature. C’est à travers tout cela que l’être humain interprète les phénomènes de la nature avant le contact formel avec l’école, d’où l’élève à son arrivée en classe, il a déjà quelques connaissances antérieures.
Lors de l’introduction de nouveaux concepts en classe, l’enseignant devrait avoir la notion de l’existence de conceptions alternatives chez les élèves et créer des situations pour qu’ils soient explorés en classe afin que les élèves aient la possibilité de différencier les connaissances scientifiques et non scientifiques.
Lorsque les conceptions alternatives sont ignorées, il n’y aura pas d’apprentissage significatif des concepts.
La recherche montre que l’apprentissage significatif a lieu quand il ya une appréciation des conceptions alternatives des étudiants, vérifiant ainsi la prémisse d’Ausubel quand il dit « le facteur le plus important pour l’apprenant d’assimiler de nouvelles connaissances est kilo qu’il connaît ».
Des conceptions alternatives existent dans de nombreux concepts de physique, et la thermodynamique est le domaine où les étudiants ont eu de nombreuses conceptions alternatives. En ce qui concerne les concepts de chaleur et de température, les conceptions les plus courantes des élèves sont les suivante :
- La chaleur signifie une température élevée.
- La chaleur est directement proportionnelle à la température.
- La chaleur n’est associée qu’aux corps chauffés.
- La chaleur est une substance, un fluide.
- La chaleur est contraire au froid.
- La température est synonyme de chaleur.
- Température comme mesure de la chaleur.
- La température peut être transférée,
- La température comme quelque chose qui se transfère d’un corps à l’autre.
- Les corps froids ne contiennent pas de chaleur.
- La température dépend de la nature du matériau.
- La direction du transfert spontané de chaleur est du corps avec la masse au corps de la masse inférieure.
- Dans les corps refroidis (en dessous de zéro degré, il n’y a pas de transfert de chaleur
- La température est déplacée par le sens du toucher.
- Lorsque deux corps à des températures différentes entrent en contact, la température finale sera toujours la température moyenne arithmétique des deux corps.
- La température finale de deux corps en contact avec des températures de départ différentes sera donnée par la somme des deux températures.
On conclut que dans les langues maternelles des élèves indear (xitswua, gitonga et cicopi), il n’y a pas de différence en termes de désignation de la chaleur et de la température, les conceptions alternatives les plus courantes des élèves ont comme causes de persistance, même après l’enseignement formel ce qui suit: la langue, où les concepts sont expliqués en utilisant le bon sens pour simplifier leur compréhension, la culture, où les modèles que l’individu utilise pour expliquer les concepts se développent depuis l’enfance , ne provenant pas de leur apprentissage scolaire.
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[1] Maîtrise en éducation / enseignement physique. Diplômé en mathématiques et en physique.
[2] Conseiller. Professeur Docteur.
[3] Co-conseiller. Professeur Docteur.
Envoyé : juillet 2020.
Approuvé : septembre 2020.
