Des idées de science : objets de plaisir

Par Audrey Julien

Observer des phénomènes scientifiques surprenants grâce à des montages ingénieux qui racontent la fabuleuse aventure humaine, c’est la mission que s’est donné le Centre de démonstration en sciences physiques (CDSP) du Cégep Garneau. Cherchant à dépasser l’explication d’un phénomène illustré par un dispositif, son approche particulière de la démonstration s’articule autour des questionnements et de repères historiques et actuels choisis spécifiquement afin de susciter une réflexion sur la nature des sciences et des technologies ainsi que sur leurs aspects culturels et sociaux. Cette approche basée sur la démonstration scientifique se veut une expérience sensorielle collective et individuelle impliquant un engagement cognitif concret. Les histoires racontées humanisent, éveillent des émotions en se rapprochant des vécus et des désirs des élèves.

En espérant que cette aventure fera surgir de nouvelles idées pour mobiliser vos élèves, bonne lecture!

Plus qu’une simple démonstration : une démonstration engageante

Quiconque a déjà eu à s’adresser à un groupe sait à quel point il importe de trouver le moyen de générer de l’intérêt à l’égard du sujet que l’on présente pour mobiliser et engendrer l’action. En ce sens, il ne s’agit pas de plaire ou de faire savoir, mais plutôt de faire prendre conscience. Pour y parvenir, d’innombrables stratégies ont fait leurs preuves. L’une d’elle se démarque par sa longévité : la démonstration.

La démonstration se caractérise par le recours systématique à des phénomènes réels qui confrontent sans équivoque nos conceptions, nos croyances et nos perceptions. Elle peut agir autant sur l’émotion que sur la raison (Fortin, 2013). L’utilisation de la démonstration ne peut être un gage de succès pour stimuler l’intérêt sans les idées réflexives qui lui sont associées. Selon certains chercheurs (Roth et al., 1997), son utilisation dans le seul but d’appuyer l’explication théorique du phénomène observé ne susciterait pas l’engagement des élèves puisqu’elle donne une vision d’un monde pré structuré et inaccessible. Or, le CDSP croit que la démonstration peut être engageante si elle ouvre la porte à la discussion sur la nature de la science et sur les évènements qui la font évoluer.

Des perceptions initiales bousculées

Déstabiliser les élèves constitue une stratégie efficace pour s’assurer qu’une démonstration soit engageante. « Par exemple, dans le contexte d’une démonstration portant sur la chaleur et la conductivité thermique des matériaux, montrer que la glace fond plus vite sur du métal que sur du plastique n’a rien d’impressionnant en soi (figure 1). Le fait de sentir que, au toucher, un objet métallique nous apparait plus froid qu’un objet de plastique ne l’est pas non plus. » (Arsenault et Boudreau, 2015)

En revanche, ces deux observations successives confrontent notre compréhension commune : « Pourquoi la glace fond-elle plus vite sur le métal qui nous semble plus froid au toucher, alors qu’elle fond plus lentement sur le plastique qui nous semble plus chaud? » La perception d’une contradiction entre ses conceptions et ses observations engage cognitivement l’élève. Déstabilisé, il cherche la faille, mais en même temps, il voit bien que les observations sont réelles. Chercher à provoquer des moments similaires met les élèves en état d’alerte, fins prêts à en savoir plus afin de résoudre la contradiction au moindre coût pour mettre fin à l’inconfort qu’elle produit chez eux. Ces dissonances cognitives jouent un rôle moteur dans l’élaboration de nouvelles structures cognitives puisqu’elles mobilisent l’élève (Pasquier et Chaib-draa, 2002).

La dissonance cognitive peut être exacerbée par le choix des mots utilisés lors de la présentation de la démonstration. Dans la démonstration des deux plaques, affirmer que « les matériaux se distinguent par leurs propriétés telles que la conductivité thermique (la capacité à transférer de l’énergie thermique) » n’a pas le même effet que celui qu’on obtient en affirmant que « un glaçon fond plus rapidement sur un objet froid que sur un objet chaud. » Contrairement à la première affirmation, cette seconde affirmation à la vue d’un glaçon fondant plus rapidement sur la surface la plus froide (plaque d’aluminium) suscite automatiquement un questionnement chez l’élève. L’affirmation lui semble fausse et contraire à ce qu’il a toujours compris. Il s’engage alors dans un processus actif de résolution de problème visant à donner un sens à ce qu’il vient de voir et d’entendre.

La démonstration des deux plaques

Objectifs

  • Distinguer le concept de chaleur de celui de température
  • Découvrir le concept de conductivité thermique

Matériel

  • Une plaque d’aluminium
  • Une plaque de plastique
  • Deux glaçons

Déroulement

  1. Inviter un élève à toucher chacune des deux plaques et à dire laquelle lui semble la plus chaude. Sans hésitation, il désignera la plaque de plastique comme étant la plus chaude.
  2. Poser aux élèves la question suivante: « Si on dépose simultanément un glaçon sur chacune des deux plaques, sur quelle plaque le glaçon fondra-t-il le plus rapidement? » Les élèves seront tentés de répondre: « Sur la plaque de plastique parce qu’elle est plus chaude ».
  3. Déposer simultanément un glaçon sur chacune des deux plaques et demander aux élèves d’observer attentivement. Le glaçon posé sur la plaque d’aluminium fond beaucoup plus rapidement que l’autre. Dire : « Wow! Un glaçon fond plus rapidement sur un objet froid que sur un objet chaud. »
  4. Recueillir les commentaires des élèves et discuter avec eux de leurs questionnements et d’explications plausibles (voir l’explication proposée à la page 9 du Guide de l’enseignant(e) du projet Partout la science - Voir l’invisible).

L’expérience humaine de la science

Placée dans un contexte socio-historique, la démonstration prend un sens nouveau. Elle sert alors de base pour présenter le travail et les implications d’hommes et de femmes tels que Marie Curie et Isaac Newton dont on ne connaît souvent que les noms. La démonstration constitue également une belle façon d’aborder les motivations, les réussites et les échecs que les scientifiques d’hier et d’aujourd’hui ont pu vivre, engendrant leur lot de questionnements et de découvertes.

Bien qu’adultes et professionnels, les scientifiques ont beaucoup en commun avec ce que vivent les jeunes dans leurs apprentissages quotidiens. Ce vécu commun tel que marcher, jouer, rire, pleurer, avoir peur, se lancer dans le vide, affronter ses angoisses, éprouver de la jalousie, de l’envie, de l’empathie touche émotionnellement l’élève qui peut ainsi se reconnaître dans le portrait de quelques scientifiques. En explorant les idées de ceux et celles qui ont été confrontés à des questionnements similaires aux siens, l’élève perçoit la pertinence de se poser des questions, de tenter des réponses. L’élève mesure aussi l’importance des embûches qui permettent de développer sa créativité et sa ténacité. Les savoirs scientifiques bien qu’ils semblent évidents n’ont pas été acquis en toute simplicité, mais avec acharnement et souvent de façon erratique.

Les vertus des erreurs

Les erreurs constituent un terreau fertile pour l’avancement des idées. Les scientifiques s’appuient souvent sur leurs propres égarements, méprises et maladresses ou sur ceux de leurs collègues ou prédécesseurs pour faire avancer la science. Par exemple, ce que nous connaissons aujourd’hui du concept de chaleur découle des essais et des erreurs de ceux qui ont osé se poser des questions. Après réflexion, Antoine Laurent de Lavoisier est arrivé à la conclusion que la chaleur est une substance. Benjamin Thompson a par la suite confronté les idées de Lavoisier en affirmant qu’elle provient plutôt du mouvement. Cette histoire montre que les idées ne cessent d’évoluer grâce au partage, mais qu’elles demeurent des constructions humaines. Elle permet de faire réaliser aux élèves comment nos connaissances scientifiques ne se sont pas développées du jour au lendemain, qu’il s’agit souvent d’un parcours parsemé d’embûches enrichissantes.

La démonstration de Lavoisier

Objectif

  • Susciter un questionnement sur ce qu’est la chaleur
  • Comprendre l’explication de Lavoisier

Matériel

  • Ballon de florence
  • Balloune
  • Eau
  • Plaque chauffante

Déroulement

  1. Ajouter de l’eau dans le ballon de florence. Placer la balloune sur le ballon de florence de sorte à en fermer l’ouverture. Ouvrir la plaque chauffante.
  2. Placer le ballon de florence sur la plaque chauffante. En quelques secondes, la balloune se gonfle.
  3. Demander aux élèves ce qui a fait gonfler la balloune selon eux.
  4. Partager la réflexion de Lavoisier au regard de cette démonstration : « La chaleur est une substance matérielle qui s’insère entre les particules des corps pour les séparer les unes des autres. » Pour Lavoisier, comme l’eau ajoutée dans une balloune lui fait prendre de l’expansion, la chaleur ne peut être nulle autre qu’une substance réelle puisqu’elle a le même effet. Pour lui, l’explication est simple : la chaleur passe à travers le verre du ballon de florence. Elle se mélange ensuite à l’air contenu dans le ballon en remplissant les espaces vides entre les molécules d’air. Ces dernières s’éloignent les unes des autres. Par manque d’espace dans le ballon de florence, le mélange d’air et de chaleur s’écoule dans la balloune qui se gonfle et s’étire dû à sa propriété élastique.
  5. Demander aux élèves ce qu’ils pensent de la réflexion de Lavoisier.
  6. Demander aux élèves de frotter leurs mains ensemble de plus en plus vite. Qu’est-ce que vous ressentez? Leurs mains deviennent de plus en plus chaudes. Que s’est-il passé en frottant vos mains? Êtes-vous d’accord avec les idées de Lavoisie?

La démonstration de Thompson

Objectif

  • Susciter un questionnement sur ce qu’est la chaleur
  • Comprendre l’explication de Thompson

Matériel

  • Perceuse
  • Planche de bois
  • Thermomètre infrarouge

Déroulement

  1. Raconter que certaines personnes telles que Thompson doutaient des idées de Lavoisier. Elles se sont questionnées davantage sur la chaleur.
  2. Prendre la température de la planche de bois avec le thermomètre infrarouge.
  3. Demander à un élève de tenir le thermomètre pendant que vous faites tourner la mèche de la perceuse sur la planche de bois. Thompson a fait une expérience similaire. Il a remarqué qu’en polissant des canons, la température augmentait. Il arrivait même à faire bouillir l’eau dans laquelle baignait le canon.
  4. Demander aux élèves ce qui fait augmenter la température de la planche de bois.
  5. Selon vous, pourquoi Thompson n’était pas d’accord avec les idées de Lavoisier?
  6. Partager la réflexion de Thompson au regard de cette démonstration. Selon lui, toute substance est épuisable. Il en conclut que la chaleur ne peut être une substance matérielle. Thompson propose une nouvelle théorie de la chaleur. Elle serait produite par la vibration des particules de l’objet agité.

Confronter nos idées dans un processus créatif

Afin de rendre encore plus vivantes l’évolution et la confrontation des idées, et en complément de la démonstration engageante, quoi de mieux que de faire vivre aux élèves une démarche d’investigation et de conception. Pour ce faire, le CDSP a mis de l’avant les ateliers inventifs des Ambassadeurs scientifiques (figure 3) qui exploitent l’approche pédagogique du tinkering (Paquet et Riopel, 2021). Cette approche met l’accent sur l’innovation et la créativité pour aborder les sciences. Ces ateliers, animés par des étudiants postsecondaires en sciences, placent les élèves dans une situation où elles et ils doivent bricoler et assembler des matériaux de toutes sortes dans le but de trouver une solution novatrice à un défi scientifique qui leur est lancé. Les élèves se retrouvent constamment dans l’action. Ils élaborent, testent, adaptent leur solution, ce qui stimule leur réflexion et leur créativité. Ce genre d’activité fait aussi place à l’erreur et la valorise puisque les élèves construisent et raffinent leur solution à partir d’essais infructueux, tout comme celles et ceux qui les ont précédés.

Une approche efficace

Les activités développées par le CDSP s’appuient toutes sur une approche active, engageante et signifiante de la médiation scientifique. Allez fouiller l’offre d’activités du CDSP et profitez de la banque d’activités en ligne gratuites classées selon le niveau scolaire et les concepts abordés et amusez-vous!

Bibliographie

Arsenault, I. et Boudreau, D. (2015). Introduire une réflexion sur la nature des sciences par la démonstration scientifique. Spectre, 44(3), 28-32.

Fortin, Y. (2013). Mettre la table et mettre le feu. Acfas Magazine. Rubrique Spéciale 81e congrès. En ligne : https://www.acfas.ca/publications/magazine/2013/05/mettre-table-mettre-feu Consulté le 29 septembre 2021.

Paquet, C. et Riopel, M. (2021). Un projet interordres pour découvrir les sciences autrement. Spectre, 50(3), 17-22.

Pasquier, P. et Chaib-draa, B. (2002). Cohérence et conversations entre agents: vers un modèle basé sur la consonance cognitive. In JFSMA (pp. 189-204).

Roth, W., Mcrobbie, C. J., Lucas, K. B. et Boutonné, S. (1997). Why May Students Fail to Learn from Demonstrations? A Social Pratice Perspective on Learning in Physics. Journal of Research in Science Teaching, 34(5), 509-533.

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Audrey Julien | Centre de démonstration en sciences physiques

Audrey Julien est chargée de projets scientifiques au CDSP depuis 2014. Enseignante de formation, elle œuvre dans le domaine de l’éducation scientifique depuis maintenant 13 ans. Toutes ces années, Audrey s’est investie autant dans l’enseignement des sciences et technologies au secondaire que dans la conception et le développement d’outils pédagogiques pour le primaire et le secondaire. Au CDSP, elle a mise en place plusieurs projets dont le projet Partout la science.

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