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Méthodologies d’enseignement de la physique moderne et contemporaine destinées au lycée : incohérences d’applicabilité

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DANTAS, Cícero Samuel Gonçalves [1]

DANTAS, Cícero Samuel Gonçalves. Méthodologies d’enseignement de la Physique Moderne et Contemporaine destinées au lycée : incohérences d’applicabilité. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Année. 06, Ed. 12, vol. 09, p. 103 à 114. Décembre 2021. ISSN: 2448-0959, Lien d’accès: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/education-fr/methodologies-denseignement ‎

RÉSUMÉ

L’insertion de sujets de Physique Moderne et Contemporaine (FMC)[2][3] dans les écoles au Brésil aujourd’hui est déjà une réalité dans les manuels axés sur le lycée. Il ne suffit pas d’insérer de tels contenus dans les manuels rédigés par les enseignants dans les salles de classe, il est également nécessaire d’analyser les aspects pertinents impliqués dans le processus d’enseignement-apprentissage qui permettent un enseignement significatif. À travers une recherche de revue bibliographique, l’objectif de cet article est d’analyser les méthodologies d’enseignement orientées vers l’enseignement du FMC, en observant les divergences ou les incohérences concernant l’application au lycée, qui, comme on le sait, présente de nombreux problèmes de caractère curriculaire et structurel. Les analyses ont montré que certaines méthodologies mises en œuvre fuient la réalité des écoles brésiliennes, comme l’excès de sujets FMC, contrastant avec le nombre de cours destinés à la discipline de la physique.

Mots-clés : Revue bibliographique, Méthodologies d’enseignement, Physique moderne et contemporaine.

1. INTRODUCTION

Historiquement, l’étude de la physique est divisée en trois grandes étapes : la Physique Classique (PC); comprend les travaux développés par Copernic, Galilée et Newton; Physique moderne; ensemble de théories qui ont émergé au début du 20ème siècle; et La physique contemporaine à partir de la fin de la Seconde Guerre mondiale dont l’intérêt principal est les particules subatomiques (DOMINGUINI, 2012). Ainsi, en général, la Physique Moderne et Contemporaine (FMC) émerge au début du 20ème siècle pour modifier et compléter les concepts de la physique classique, en commençant par l’hypothèse de Max Planck (de quantification énergétique) pour résoudre le problème du corps noir. En 1905, Albert Einstein publie des articles traitant de l’effet photoélectrique, du quantum de lumière, de la relativité restreinte et du mouvement brownien. À la fin de 1920, la structure théorique de la physique moderne a été complétée par les travaux de Schrodinger, Broglie, Heisenberg et d’autres (SALES et al., 2008).

Il y a plusieurs raisons d’enseigner FMC à l’école secondaire. L’un d’eux est le grand nombre d’implications technologiques (TORRE, 1998), car l’étude du FMC permet aux étudiants de lire et d’interpréter la société technologique actuelle, ce qui rend les connaissances plus importantes pour eux (GARCIA; LOCK, 2009). Des exemples de technologies disponibles dans notre société basées sur les progrès de FMC sont les téléphones mobiles, les tablettes et les ordinateurs.

Enseigner FMC au lycée n’est pas une tâche facile, tant d’un point de vue pratique que théorique. Par conséquent, l’approche de ce domaine de la physique inquiète depuis longtemps les chercheurs et les enseignants (CARUSO; FREITAS, 2009). À Gil et al. (1987), depuis les années 1980, il y a un intérêt pour l’insertion de contenus de physique moderne au lycée. Depuis 2002, plusieurs sujets sur la Physique Moderne ont été mis en œuvre au lycée, parmi lesquels nous pouvons mentionner: les lignes spectrales, la théorie de la relativité, les particules élémentaires et la dualité onde-particule. Tous ces thèmes ont été développés par des chercheurs dans le domaine, à la fois dans l’enseignement supérieur et au lycée (PIETROCOLA et SABINO, 2016).

Pour Garcia et Costa (2014), l’enseignement de la physique est assez complexe et, par conséquent, il y a une grande difficulté des étudiants dans cette discipline. Costa (2004) affirme que la physique est l’une des disciplines, sinon la plus, qui échouent au lycée en raison de l’exigence d’une connaissance minimale de l’algèbre, du raisonnement logique et d’un vaste ensemble de théories scientifiques. En raison de cette complication qui implique l’étude de la physique, de nombreux étudiants finissent par ne pas être motivés et, en plus du dégoût, nous abandonnons les études.     

Bien qu’il soit essentiel d’étudier le FMC, on sait qu’il existe plusieurs facteurs qui « rendent impossible » l’enseignement efficace du FMC à l’école secondaire, tels que la faible charge de travail de la discipline, en moyenne deux cours par semaine de physique, le manque d’environnements dans les écoles qui permettent la mise en œuvre de cours exploratoires ou expérimentaux, en plus du contenu excessif de la PC elle-même. Alors, est-il possible d’appliquer une méthodologie orientée vers l’enseignement de FMC dans de telles situations défavorables ?

L’objectif de cette recherche est d’analyser certaines méthodologies d’enseignement publiées dans des revues au Brésil au cours des 20 dernières années, remontant au début de 2020, en observant les incohérences constatées concernant l’applicabilité au lycée en ce qui concerne l’étude des thèmes de la Physique Moderne et Contemporaine (FMC).

Nous avons sélectionné 17 articles dans des revues et analysés entre mai et juillet 2020 pour cette recherche, qui étaient: Caderno Brasileiro de Ensino de Física, de l’UFSC; Expériences dans l’enseignement des sciences, UFMT; Physique à l’école; Recherche dans l’enseignement des sciences, en plus des données disponibles et sélectionnées dans Google Scholar. La sélection des travaux a été faite en utilisant le mot-clé « méthodologie en Physique Moderne et Contemporaine (FMC) » dans les bases de données des sources susmentionnées.

Enfin, il convient de noter que le nombre d’études trouvées était très important. Ainsi, le choix des articles a été désagrégé selon les méthodologies dont l’applicabilité était plus proche de la réalité des écoles et, principalement, des étudiants.

Le sujet suivant décrit les méthodologies d’enseignement de FMC orientées vers l’enseignement secondaire.

2. MÉTHODOLOGIES D’ENSEIGNEMENT DE LA PHYSIQUE MODERNE ET CONTEMPORAINE (FMC) POUR LE LYCÉE

Ce sujet a été divisé en deux parties: dans la première, nous discutons des méthodologies qui traitent de la théorie de la Relativité Restreinte (TRR) et de la théorie quantique, en particulier. La deuxième partie traite des méthodologies d’enseignement pour les thèmes de la Physique Moderne et Contemporaine en général.

2.1 THÉORIE QUANTIQUE ET THÉORIE DE LA RELATIVITÉ RESTREINTE (TRR)

La proposition du travail de Pietrocola et Sabino (2016) est d’enquêter sur les connaissances nécessaires que les enseignants doivent avoir pour pouvoir insérer une séquence d’enseignement axée sur des thèmes de la Physique Moderne. Pour cela, ils ont utilisé l’analyse qualitative des données à travers des enregistrements des cours sur l’effet photoélectrique, dispensés par des enseignants du système scolaire public de l’État. Les activités ont été réparties en six classes dont les objectifs étaient : de simuler le caractère d’investigation, afin que les élèves relatent l’occurrence du phénomène ; exposition, analyse et discussion d’une vidéo sur le concept de quantum e, résolution d’un questionnaire, en plus de la lecture et de l’interprétation d’un texte sur l’effet photoélectrique.

Les deux auteurs mentionnés ci-dessus proposent une méthodologie innovante, rendant les étudiants plus participatifs et autonomes pendant les cours. L’une des difficultés soulignées par les auteurs était la nécessité d’une meilleure « préparation » des connaissances curriculaires par les enseignants. Par conséquent, sur la base de ces informations, nous pouvons conclure que l’application de cette méthodologie d’enseignement nécessite une préparation continue des enseignants sur les sujets FMC.

À l’aide d’un environnement physique virtuel, Sales et al. (2008) discuter de l’application d’un objet d’apprentissage (LO), appelé Quantum Duck, appliquant des activités exploratoires dans le calcul de la constante de Planck, en utilisant, comme référence théorique, la théorie de l’apprentissage significatif de David Ausubel[4]. L’objectif de l’LO est de faciliter la compréhension de l’effet photoélectrique.

En utilisant le dispositif expérimental, les enseignants permettent aux élèves d’interagir davantage avec le monde physique et avec de nouvelles situations problématiques des phénomènes discutés, par la modification de variables au cours de la simulation, immédiatement, ce qui n’a pas pu être effectué dans la pratique concrète. L’enseignement par l’LO s’est avéré accessible à l’enseignement de certains concepts physiques, se montrant être un outil allié à l’enseignant lors de situations didactiques en classe.

Caruso et Freitas (2009) discutent de la relativité d’Einstein dans la bande dessinée (sujets tels que l’unification de l’espace-temps, la relation masse-énergie et la dilatation du temps), c’est-à-dire à travers des bandes dessinées basées sur le travail d’un étudiant de l’Atelier d’éducation à travers la bande dessinée (ODUHQ)[5]. Cette proposition montre que ce langage aide les thèmes scolaires (tels que TRR). C’est-à-dire que l’idée de base de cette méthodologie est le lien entre l’art et la physique.

Ce qui est intéressant dans ce projet, c’est que l’étudiant n’engendre pas de connaissances, il ne fait que traduire des connaissances dans le langage de la bande dessinée; à condition, bien sûr, que l’étudiant comprenne le contenu étudié. Un autre point positif de cette approche est le fait que les bandes dessinées sont facilement développées en classe et, bien sûr, conservent l’originalité. Les auteurs affirment que l’utilisation de bandes dessinées peut aider l’enseignant à inciter les élèves à réfléchir devant un contenu donné (CARUSO; FREITAS, 2009).

La méthodologie basée sur la bande dessinée, en plus de l’interdisciplinarité, permet le développement de la créativité et de l’imagination des étudiants. Cependant, de nombreux enseignants ne les utilisent qu’à titre indicatif dans leurs classes (CARUSO; FREITAS, 2009).

À travers une approche historique, Wolf et Mors (2006) traitent des concepts de la Théorie de la Relativité Restreinte (TRR) à l’école secondaire, tant dans les écoles privées que publiques. Le matériel didactique produit par les auteurs comporte deux textes : le premier s’adresse à l’enseignant et l’autre aux élèves. Dans le matériel des étudiants, les auteurs se concentrent sur deux aspects; l’un historique et l’autre conceptuel. Le matériel de l’enseignant cherche à le soutenir dans l’enseignement de l’approche des concepts de TRR, en mettant en évidence la pensée d’Aristote (vision empirique), à travers le travail de Galilée jusqu’à atteindre le TRR d’Einstein.

Il convient de mentionner que l’acceptation du thème par les étudiants a été l’un des principaux résultats trouvés par les auteurs dans l’approche historique, car ceux-ci n’étaient pas habitués à cette méthodologie en classe.

Cavalcante; Tavolaro et Haag (2005) présentent plusieurs propositions expérimentales pour l’étude des spectres d’émission et d’absorption, en plus d’une proposition avec des matériaux à faible coût pour l’observation du spectre d’absorption. Grâce à un spectroscope manuel, les auteurs ont obtenu les spectres d’une lampe commerciale au mercure (Hg) et d’une LED rouge (semi-conducteur) afin de les comparer avec les autres méthodes qu’ils ont approchées.

À l’aide d’une approche constructiviste, Silva et Rodrigues (2013) analysent quatre approches méthodologiques différentes sur l’effet photoélectrique et sur la façon dont celles-ci influencent les élèves du secondaire. Les stratégies utilisées étaient les suivantes : histoire des sciences; Science, Technologie et Société (STS); des expériences concrètes et une explication du phénomène à travers des classes d’exposition.

2.2 PHYSIQUE MODERNE ET CONTEMPORAINE (FMC)

Le travail de Moreira et Osterman (2000) est une revue bibliographique dans le domaine de la Physique Moderne et Contemporaine (FMC). Les questions méthodologiques (notre griffon), épistémologiques, historiques, les stratégies pédagogiques dans le domaine de la FMC sont au centre des travaux de ces auteurs. Dans leurs conclusions, deux difficultés dans la mise en œuvre des thèmes du FMC à l’école secondaire sont identifiées : la première est de savoir quel(s) thème(s) devrait(vent) être inclus dans le programme scolaire ; et le second comment placer ces thèmes.

Les travaux de Garcia et Lock (2009) analysent des travaux développés pour l’insertion de la Physique Moderne et Contemporaine au lycée, tels que la Théorie de la Relativité (TR), la mécanique quantique, la physique des particules et la supraconductivité. En analysant les résultats, les auteurs ont conclu qu’il existe peu de propositions pédagogiques visant certains domaines de FMC, tels que la Physique des Particules (notre griffon).

En utilisant la théorie de l’apprentissage significatif, Garcia et Costa (2014) proposent une approche méthodologique de l’insertion du FMC au lycée, à travers des pratiques expérimentales et des applications en astronomie. Le matériel didactique avec 6 unités d’enseignement se compose de 16 activités divisées en 39 classes dans lesquelles des lectures, des discussions d’articles scientifiques, des expériences, des vidéos et des simulateurs d’Internet ont été travaillés. Chaque unité d’enseignement présente des activités proposées. Dans la deuxième unité, par exemple, les élèves ont réalisé une expérience dont l’objectif était de mesurer l’épaisseur d’un cheveu à l’aide d’un faisceau de lumière (laser).

Les auteurs (GARCIA E COSTA, 2014) ont appliqué un pré-test pour diagnostiquer les connaissances antérieures des étudiants sur les thèmes proposés. Il a été vérifié, après l’application du pré-test, que les étudiants n’avaient aucune connaissance préalable; pratiquement nul. Cependant, après les activités, c’est-à-dire après le test, les auteurs ont vérifié que les résultats étaient convaincants par rapport au pré-test. La proposition méthodologique a rendu les classes plus dynamiques, les étudiants plus participatifs et intéressés par eux.

Le projet Cavalcante et Tavolaro (2001) permet l’insertion du FMC, plus précisément l’étude du double comportement de la lumière, au lycée à travers des ateliers, en utilisant des matériaux à faible coût. Les ateliers sont divisés en deux parties: dans la première, les auteurs montrent des expériences qui prouvent la nature ondulatoire de la lumière par interférence et diffraction, phénomènes typiques des ondes. Dans la deuxième partie, pour mettre en évidence le comportement corpusculaire de la lumière, les auteurs ont mené des expériences dans lesquelles la transformation de l’énergie lumineuse en énergie électrique a été observée. C’est-à-dire l’effet photoélectrique. En plus d’expériences concrètes, ils ont également utilisé des logiciels disponibles sur Internet pour étudier la dépendance de l’énergie cinétique des électrons émis avec la fréquence de la lumière émise lors de l’élimination des électrons.

Parisoto; Moreira e Almeida (2017) publie une proposition pour enseigner les concepts d’électromagnétisme, d’optique, d’ondes et de FMC dans le contexte de la médecine, en utilisant la théorie de l’apprentissage significatif de David Ausubel comme référence théorique. Des applications médicales telles que l’échographie, la fonction oculaire humaine, le fonctionnement de la radiographie, la mammographie, la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN), la Médecine Nucléaire (MN) et la tomodensitométrie (TDM) font partie de la proposition. La structure de la proposition a été divisée en cinq réunions (de 10 h/classe) dont les stratégies utilisées par les auteurs étaient, entre autres: les organisateurs précédents, la modélisation informatique, les simulations et la construction de cartes conceptuelles.

Oliveira; Vianna et Gerbassi (2007) ont mené une recherche qualitative auprès d’enseignants du secondaire dont l’objectif était de connaître leur opinion sur l’introduction des sujets FMC (en particulier les rayons X) dans l’enseignement secondaire. Les travaux ont servi de base à la construction d’une proposition méthodologique où le thème choisi a été envisagé dans une perspective STS (Science, Technologie et Société).

La proposition d’enseignement de Costa (2004) permet de travailler les concepts de FMC avec des instruments simples de la vie quotidienne, car de nombreux phénomènes de la nature peuvent être étudiés à travers des expériences et ceux-ci sont la base pour comprendre les sujets (la loi du déplacement de Wien, par exemple) de FMC. En plus de mener des expériences avec des matériaux concrets, l’auteur propose des expériences virtuelles (simulations) telles que l’effet photoélectrique.

3. CONSIDÉRATIONS FINALES

Actuellement, il est essentiel d’insérer des sujets FMC dans le programme scolaire; non seulement dans le programme d’études secondaires, mais aussi dans le programme de l’école primaire. Cependant, certaines incohérences ont été remarquées dans les méthodologies analysées ici pour l’insertion efficace des thèmes du FMC à l’école secondaire. La première concerne le souci des auteurs uniquement d’insérer des thèmes FMC au lycée, en oubliant d’autres aspects pertinents impliqués dans le contexte scolaire, car il ne suffit pas d’insérer des thèmes de FMC dans le programme, il est nécessaire que les élèves apprennent de manière significative (en principe) le contenu programmé et enseigné en classe à partir de sujets PC.

la proposition de Parisoto ; Moreira et Almeida (2017), bien qu’assez intéressants à bien des égards, présentent un excès de sujets sélectionnés par les auteurs, qui dépassent la charge de travail des cours de physique dans les écoles au Brésil, en général, il y a deux cours de 50 minutes par semaine, pour sa mise en œuvre effective. Voici donc la question : est-il possible d’appliquer une méthodologie visant à enseigner la FMC dans de telles situations défavorables ? La réponse est « non », car les écoles ne visent que l’approbation des étudiants aux examens et tests externes, « l’objectif » que la mémorisation des contenus pour leur approbation. Le nombre de sujets en fonction de la charge de travail, par conséquent, de cette méthodologie d’enseignement est incompatible avec la réalité (aujourd’hui) de la plupart des écoles brésiliennes.

Selon Costa (2004), les expériences dans le domaine du FMC permettent aux étudiants d’interagir davantage avec les phénomènes étudiés. Cependant, le nombre de thèmes proposés dans sa méthodologie est élevé, ce qui le rend incohérent en raison du faible nombre de cours de physique au lycée dans notre pays.

D’autre part, l’une des méthodologies, l’utilisation d’ateliers expérimentaux, qui sont plus proches de la réalité des écoles brésiliennes, concernant la question du coût est celle de Cavalcante et Tavolaro (2001), car les auteurs choisissent d’utiliser le matériel quotidien des élèves, facilitant ainsi l’apprentissage des thèmes du FMC au lycée.

4. CONCLUSION

Sur la base des analyses faites sur le travail décrit ici et sur la base du programme d’études et des problèmes structurels de l’environnement scolaire, il est perçu que la meilleure façon d’insérer de nouvelles méthodologies sur un sujet du FMC est tout au long du cours de physique tout au long des manuels, non seulement en troisième année, mais depuis les premières années dans lesquelles la discipline de physique est insérée dans le programme scolaire. C’est-à-dire qu’en abordant le mouvement des corps dans le cours de mécanique au primaire ou au lycée, il est possible pour l’enseignant de travailler, (en parallèle, la relativité du temps et la contraction de l’espace (théorie de la relativité d’Einstein), en utilisant, dans la mesure du possible, la méthodologie qui s’approprie le mieux la réalité de la classe, tant au niveau cognitif que matériel. Un autre exemple serait en ce qui concerne la structure atomique de la matière (début du cours d’électricité, troisième année de lycée) : l’enseignant peut donc introduire le concept d’antimatière en parallèle de cela. En bref: pour chaque sujet de physique classique, l’enseignant peut, sans aucune perte, insérer des thèmes correspondants / complémentaires du FMC pour ce sujet travaillé, en optant toujours pour des méthodologies qui envisagent l’utilisation de matériaux facilement accessibles aux étudiants.

RÉFÉRENCES

CARUSO, F; FREITAS, N. Física moderna no ensino médio: o espaço-tempo de Einstein em tirinhas. Caderno Brasileiro em Ensino de Física. v. 26, n.2: p.355-366, 2009.

CAVALCANTE. M. A; TAVOLARO, C.R.C. Uma Oficina de Física Moderna que Vise a Sua Inserção no Ensino Médio. Caderno Catarinense de Ensino de Física. v. 18, n. 3, 2001.

CAVALCANTE, M. A; TAVOLARIO, C. R. C; HAAG, R. Experiências em Física Moderna. Física na Escola. v. 6, n. 1, 2005.

COSTA, A. G. C. Como Ensinar Física Moderna no Ensino Médio: Discussões e Sugestões. Disponível em: http://www.infis.ufu.br/infis_sys/pdf/ANDRE%20GUSTAVO%20CRUZ%20DA%20COSTA.pdf/ Acesso em: 21 de Julho de 2020.

COSTA, M; GARCIA, L.C. Inserção de Física Moderna no Ensino Médio por Meios de Práticas Experimentais e Aplicações na Astronomia. Os Desafios da Escola Pública Paranaense na Perspectiva do Professor PDE. Versão Online, 2014.

DOMINGUINI, L. Física Moderna no Ensino Médio: com a Palavra os Autores dos Livros Didáticos do PNLEM. Revista Brasileira de Ensino de Física. v. 34, n. 2, 2502, 2012.

GARCIA, Elias. Pesquisa bibliográfica versus revisão bibliográfica – Uma Discussão Necessária. Revista Língua & Letras. v. 17, n. 35, 2016.

GIL, D. P.; Senent, F. & Solbes, J. (1987). La Introducción a La Física Moderna: Un Ejemplo Paradigmático de Cambio Conceptual. Enseñanza de las Ciencias, Barcelona, (n. Extra), p. 209-210.

LOCH, J; GARCIA, N.M.D. Física moderna e contemporânea na sala de aula do ensino médio. Encontro Nacional de Pesquisas em Educação em Ciências, 2009.

MOREIRA, M. A; OSTERMAN, F. Uma revisão bibliográfica sobre a área de pesquisa “física modera e contemporânea no ensino médio”. Investigação em Ensino de Ciências, v. 5(1), pp. 23-48, 2000.

MORS, P.M; WOLF, J.F.S. Relatividade no Ensino Médio: Uma Experiência com Motivação na História. Experiências em Ensino de Ciências, v1(1), pp. 14-22, 2006.

OLIVEIRA, F. F; VIANNA, D.M; GERBASSI, R.S. Física Moderna no Ensino Médio: O Que Dizem os Professores. Revista Brasileira de Ensino de Física. v. 29, n. 3. p. 447-454, 2017.

PARISOTO, M. F; MOREIRA, M.A; ALMEIDA, W. D. O Ensino de Conceitos de Eletromagnetismo, Óptica, Ondas, e Física Moderna e Contemporânea Através de Situações que Envolvem Equipamento Tecnológicos de Medicina. Física na Escola. v. 15, n. 1, 2017.

SABINO, A.R; PITROCOLA, M. Saberes Docentes Desenvolvidos por Professores do Ensino Médio: Um Estudo de Caso com a Inserção da Física Moderna. Investigação em Ensino de Ciências, 2016.

SALES, G. L et. al. Atividades de Modelagem Exploratória Aplicada ao Ensino de Física Moderna com a Utilização do Objeto de Aprendizagem Pato Quântico. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 30, n. 3, 2008.

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TORRE, A.C. de la, Reflexiones Sobre la Enseñanza de la Física Moderna. Educación en Ciencias, v. II, n. 1, p. 79-90, 1998.

ANNEXE – NOTE DE BAS DE PAGE DE RÉFÉRENCE

2. Física Moderna e Contemporânea (FMC).

3. Par Physique Moderne et Contemporaine, nous entendons l’ensemble des connaissances scientifiques développées dans le domaine de la Physique depuis le début du XXe siècle jusqu’à nos jours.

4. David Ausubel (1918-2008) est un chercheur américain qui a développé le concept de subsumer (connaissance antérieure). Pour lui, plus l’être humain sait, plus il apprend. Pour plus d’informations, voir <https://novaescola.org.br/conteudo/262/david-ausubel-e-a-aprendizagem-significativa>. Accéder : 13/07/2020.

5. Disponible en : <www.cbpf.br/eduhq>. Accéder : 25/06/2020.

[1] Master en enseignement de la physique, troisième cycle en génie du contrôle industriel et de l’automatisation, diplômé en physique et technologue en maintenance industrielle.

Soumis : Mars 2021.

Approbation : Décembre 2021.

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