Faire vivre et donner du sens au cours de seconde





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date de publication16.10.2019
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FAIRE VIVRE ET DONNER DU SENS AU COURS DE SECONDE
Roland Fustier

Académie de Clermont Ferrand
Introduction

Nous avons suffisamment de recul par rapport aux programmes actuels du lycée et pouvons constater que la gestion des classes de seconde indifférenciées pose problème à de nombreux collègues. Comment concilier la préparation des élèves à la poursuite d’études scientifiques et donner un minimum de culture à ceux, pour qui la classe de seconde est l’aboutissement de l’enseignement de notre discipline ?

Soyons modestes, même si nous pouvons faire mieux, nous ne serons jamais assurés d’obtenir l’adhésion de tous les élèves.

Il est possible d’ouvrir quelques pistes afin de donner plus de sens à notre enseignement sans remettre en cause les contenus du programme et les recommandations du G.T.D. Un espace de liberté est laissé avec l’enseignement thématique qui représente tout de même 20% de l’horaire selon les directives du B.O. La critique des programmes entendue dans les laboratoires et les salles de professeurs ne suffit pas, et surtout n’autorise pas à faire l’économie d’une réflexion sur leurs objectifs.

Il ne s’agit pas seulement « d’occuper » les élèves en les faisant manipuler ou en leur proposant un cours magistral et dogmatique…Mais de les obliger à penser. Comment hiérarchiser les contenus, établir des liens entre la physique et la chimie, entre l’enseignement obligatoire et la partie thématique ?
Etat d’esprit

La première mission de l’enseignant est d’apprendre aux élèves à désirer le savoir afin de leur donner plus de chance à acquérir des méthodes et devenir un peu autonome. La tache est difficile car l’envie d’apprendre n’est pas naturelle et spontanée et demande une certaine discipline. Le professeur n’est pas un modèle qu’il suffit de copier. Il doit faire sentir comment le savoir l’a lui-même transformé, le rendant plus actif, plus ouvert et capable d’acquérir de nouvelles connaissances.

Un cours figé ne conviendra qu’aux meilleurs élèves travailleurs et dociles. Un mixage entre une trame technoscientifique et une approche culturelle de la science peut ouvrir quelques horizons. Le curseur entre les deux dépend du profil de la classe sans mettre en cause les fondamentaux et les valeurs auxquelles on tient. Pensons aux professeurs des écoles qui n’aiment pas la science parce qu’ils n’ont pas vu de sens dans l’enseignement qu’ils ont reçu.

En sortant du lycée les jeunes doivent avoir une idée de la spécificité de la démarche scientifique, avoir compris le rôle de l’expérience et ce qu’on entend par modèle.

L’option science mise en place à titre expérimental dans certaines académies et les ateliers de culture scientifique sont sources d’idées. Ne parle-t-on pas aujourd’hui d’une option « démarche et culture scientifique… ?
L’enseignement thématique

Quel dommage de ne pas profiter de cet espace de liberté…

Une enquête faite en 2002 (voir annexe 1) montrait que 21% des collègues ne faisaient pas d’enseignement thématique par manque de temps, que 63% le rejetaient à la fin de l’année et qu’environ 60 % parmi eux traitaient les sucres.

Mais où trouver du temps ?

Est-il utile de proposer sur le même sujet, trois fois ou plus, le même type d’exercice ? Les futurs élèves de première S ont compris bien avant…Et pour les autres il vaut mieux passer à autre chose. La multiplication de travaux pratiques, au protocole trop long, se résumant à des techniques de laboratoire, sans questionnement, peut être remise en cause

Une utilisation exagérée de l’ordinateur où l’on passe plus de temps à prendre en main le logiciel qu’à faire des sciences physiques peut être aussi « chronophage ».

Quel est l’intérêt de traiter les sucres pour occuper la fin de l’année ?
Propositions

Il semble beaucoup plus efficace de répartir l’enseignement thématique sur toute l’année

Il peut établir des liens entre la physique et la chimie, entre les champs traditionnels (optique, mécanique, électricité, thermo…) ou permettre une ouverture vers d’autres disciplines.

Il doit favoriser la mise en culture en montrant :

-comment fonctionne et se construit la science ?

-à quoi elle sert ?

-quelle aide apporte-t-elle à comprendre le monde qui nous entoure ?

-qu’elle a aussi une part d’esthétisme ?...
Pour être concret je propose quand même 4 thèmes (voir détail en annexe 2)

Aller un peu plus loin en optique

Autour de la poussée d’Archimède

Hydrostatique et pression atmosphérique

Autour de la mesure du temps (la partie obligatoire serait reportée aussi en fin d’année)
Et pourquoi ne pas laisser toute liberté de contenu au professeur ?
Partant de ce choix, Il est assez logique de repousser la mesure du temps en fin d’année car elle se prête à des prolongements et des applications plus riches que les autres parties du programme.

Etudier les gaz plus tôt dans l’année permet l’étude quantitative des réactions chimiques et de leur avancement où interviennent des réactifs ou des produits gazeux

Nous pouvons demander aux élèves de faire un petit lexique des savants rencontrés en cours d’année. A la fin chaque binôme prépare deux affiches qui serviront à élaborer une frise chronologique. Celle-ci peut être exposée exposée dans un escalier et un hall jusqu’à la Fête de la Sciences de l’automne suivant.


A propos des nouvelles technologies

L’ordinateur : bien montrer la différence entre un logiciel de simulation où « ça marche » puisqu’il obéit aux lois du modèle choisi et l’expérience assistée par ordinateur où l’on traite des mesures plus ou moins précises données par des capteurs …

Les appareils à affichage numérique sont bien pratiques mais sont des boites noires où les phénomènes physiques ne sont pas visibles. Le mode de fonctionnement des appareils analogiques (thermomètre, nanomètre, ampèremètre, chronomètre …) laissent quand même apparaître quelques phénomènes physiques…

Certains appareils sont un prolongement de nos sens et permettent une observation plus complète et plus fine (oscilloscope, spectromètre…)
Florilèges de petits commentaires au fil du programme
Physique

1) Beaucoup trop de temps est consacré à la mesure des longueurs.

Après la vidéo « puissance de 10 » proposer une analogie entre la structure de la matière et celle d’un livre (a)

Plutôt qu’un cours de géométrie insister sur ce que l’on fait (nécessité sociale d’un étalon pour les mesures directes et du modèle du rayon lumineux pour les visées).

Le calcul de la surface max et min d’une feuille A4 à partir de L et l au mm amène à poser la question de la précision et des chiffres significatifs et pourquoi dans les livres scolaires on donne souvent Π = 3,14 La règle des chiffres significatifs n’est donnée qu’après cette approche.

L’année lumière amène à se poser la relation entre l’espace et le temps. « Voir loin permet de remonter dans le passé » On peut à l’occasion aller jusqu’au big-bang et parler de l’expansion de l’univers.(a)
2) Remise en cause du modèle de propagation rectiligne de la lumière (d)

réfraction (ne pas faire l’économie du tracé de r en fonction de i) (b),… les mirages

dispersion : la lumière change de comportement en traversant un milieu transparent en fonction de sa fréquence (plutôt que longueur d’onde) relation entre n et v

diffraction : expérience contre intuitive mettant en cause la propagation rectiligne uitive propagation rectilqavec un trou dont la taille diminue. La notion de modèle est enrichie par la question « grain ou onde ? » (a c d)

Alors seulement peut-on proposer la mesure indirecte de l’épaisseur d’un cheveu à l’aide du laser où la (courbe d’étalonnage n’est pas une droite).

Newton (analogie avec la mécanique), Huygens et Fresnel (analogie avec les vagues le son) aller jusqu’à Planck et Enstein avec les photons (grain d’énergie) retour sur le big-bang matière- énergie … Et ourquoi pas E = mc2 ? (a c d) Où commence la métaphysique ?(a)

Insister sur la lumière « vecteur d’informations à distance » sur la température et l’élément chimique. Confronter les résultats à la littérature où le rouge correspond au chaud et le bleu au froid !

Il serait intéressant d’aborder les spectres de raies après avoir traité la structure de l’atome et se poser la question de savoir pourquoi les couleurs émises ou absorbées dépendent de l’élément chimique.

La découverte de l’hélium dans le soleil grâce à la spectroscopie (e) peut être abordée au moment de l’étude de la classification périodique et parler de la difficulté à liquéfier l’air à une température inférieure à 4 K
3) Importance de définir un référentiel en mécanique mais aussi dans la vie courante pour toute observation. Expérience de la chute sur le bateau (a c)

Pourquoi Aristote, pourtant fin observateur, s’est-il trompé ? Qu’ont fait de plus Galilée et Newton ? Lire l’introduction de la critique de la raison pure d’Emmanuel Kant

« La raison n’aperçoit que ce qu’elle produit elle-même…Les observations faites au hasard n’aboutissent pas à une loi » Qu’est-ce qu’une expérience de pensée ? Les forces ne se voient pas, (comme dans une enquête policière) et ce sont leurs effets qui permettent de les caractériser en remontant à la cause. (a c)

Quelle est l’utilité du système à coussin d’air ? On peut repasser du modèle aux observations de la vie courante en apportant des corrections. Donner des exemples concrets mettant en évidence le principe de l’inertie.

Montrer que la force est liée à l’accélération et non à la vitesse (exemple de la chute ralentie et mouvement circulaire (planètes et électrons dans l’atome). L’effet produit ne dépend pas seulement de la force mais aussi de la masse du corps auquel elle s’applique…

Montrer que le poids est un cas particulier de la force de gravitation universelle et que l’intensité du champ de pesanteur g dépend de M et de R et aborder une discussion sur sa variation à la surface de la terre.
4) L’étude de la poussée d’Archimède se prête tout à fait à l’investigation :

Le poids apparent d’un corps dans le liquide met en évidence la poussée d’Archimède

hypothèses sur les différents facteurs : forme, volume, nature du solide et du liquide, profondeur, masse…Suivie d’une mise en place de protocoles expérimentaux suggéres par les élèves pour vérification

Et finalement conclure que l’ intensité de la poussée est égale « au poids du liquide déplacé »

Aller plus loin avec l’étude des corps flottants densimètres, bateaux, sous-marin…
5) Bien distinguer force et pression

L’étude de la variation de la pression dans une colonne de liquide amène naturellement aux expériences de Torricelli et Pascal et aux nanomètres et baromètres à liquides (b)

Le principe de l’hydrostatique permet de revenir sur la poussée d’Archimède, résultante de toutes les forces pressantes exercées sur le solide et de comprendre pourquoi elle ne dépend pas de la profondeur)

L’expérience surprenante de la canette de boisson écrasée met en évidence l’énormité de la pression atmosphérique (e)

L’expérience du verre ou du tube renversé met aussi en évidence la pression atmosphérique. Nous pouvons aller plus loin encore avec l’expérience contre intuitive du tube renversé partiellement rempli qui nous oblige à introduire le concept de tension superficielle.-->Discussion sur les modèles et leurs limites

Bien distinguer chaleur et température à partir de l’équilibre thermique

L’étude d’une thermistance permet de tracer une courbe d’étalonnage et une discussion sur le domaine de fonctionnement de ce thermomètre électrique
6) Etudier un échantillon de gaz conduit à chercher les relations possibles entre les trois grandeurs (variables d’état) V, P, T et n qui le caractérisent

La méthode consiste à fixer deux des quatre variables d’état pour trouver une éventuelle relation entre les deux autres (PV= constante puis P/T = constante) et de constater que les valeurs de ces constantes dépendent des deux autres.

Montrer que le produit PV n’est pas proportionnel à t en °C et que c’est l’étude des gaz qui a introduit l’échelle absolue de température.

Insister sur la richesse du modèle du gaz parfait sans omettre les limites de validités (taille des molécules négligeable par rapport aux distances moyennes entre celles-ci et pas d’interactions donc loin des conditions de liquéfaction).

Il est important au plan culturel de lier des grandeurs macroscopiques au comportement moyen de cette population de molécules . Les logiciels de simulation sont intéressants mais ne montrent pas les limites de validation.

On revient sur les variations du volume molaire selon les conditions de pression est température lors de l’avance de réactions chimiques mettant en jeu des réactifs ou produits gazeux.
7) La mesure du temps renvoyé en fin d’année ne doit s’éterniser sur la partie astronomie

L’étude des calendriers pourrait être laissé au collègue de mathématique

Le T.P. sur le pendule se prête bien aux méthodes d’investigation

Faire construire T f(l) avant T2 f(l) On peut alors calculer la pente 2Π/g et ensuite trouver 2Π connaissant g ou évaluer g après avoir donner la formule. En revenant sur la loi de la gravitation universelle on peut montrer que l’on peut évaluer calculer la masse de la terre avec une bille accrochée à une ficelle!!!

Mesure d’un temps à l’aide de l’oscillographe ou de l’ordinateur lorsque l’œil et l’oreille ne peuvent plus suivre un phénomène périodique trop rapide., Les applications sont multiples et riches sur le plan culturel et non dénuées d’esthétisme : cinéma, télévision sons musicaux, radio, électrocardiogramme…

C’est aussi l’occasion avec des élèves un peu scientifiques de travailler avec des photorésistantes, photodiodes ou phototransistors, lampe stroboscopique ,micro et haut-parleurs.
Chimie

Une vidéo montrant que la chimie est partout (Rhône-poulenc) est une bonne introduction au cours de chimie mettant en évidence ses grands domaines et le travail du chimiste ?

S’appuyer sur les connaissances acquises en collège sans vouloir tout refaire et risquer de lasser

L’analyse : extraire, reconnaître et identifier

Distinguer hydro distillation et distillation fractionnée (température d’ébullition)

Extraction par un solvant traitée après les densités et masses volumiques, les concentrations massiques et la solubilité

Insister sur les caractéristiques repérables d’une espèce chimique (ex :température de fusion pour le solide) permettant de l’identifier.

La synthèse : Il est souhaitable de faire dans la même séance l’hydro distillation de l’huile essentielle de la lavande et sa synthèse et de montrer l’intérêt du deuxième protocole (quantités obtenues et coûts)

Et les élèves ne sont pas obligés de faire toutes les manipulations y compris les chromatographies !

La chimie crée de nouveaux produits non présents dans la nature (aspirine,ammoniac, polymères…)

Il serait bon de traiter l’atome avant d’aborder les spectres de raies

Insister sur les différents types de modèles moléculaires…avec la remarque que les plus intéressants pour le chimiste ne sont pas les plus proches de la réalité.(d)

La classification de Mendeleïev, construite empiriquement à partir d’une compilation de résultats issus d’un très grand nombre d’expériences, est validée bien plus tard par le modèle de Bohr. Le raccourcis pédagogique consistant à aborder le modèle de Bohr avant la classification masque les démarches historiques des chimistes. Il en est de même avec le fameux nombre d’Avogadro…(c) dont la valeur approchée est due à Jean Perrin

L’étude de l’eau iodée et de la solution d’ions iodures offre une opportunité à l’investigation à partir d’ une expérience contre intuitive :

-extraction de I2 d’e l’eau iodée avec le cyclohexane (teinte rose au-dessus)

-mélange solution KMnO4 et cyclohexane (teinte rose en dessous)

- mélange solution diluée de KMnO4 et de KI (décoloration)

- ajout de cyclohexane (teinte rose au-dessus) ??? (Où est la réaction chimique ?)

L’expérience de « Franklin » peut être proposée au moment de l’étude de quelques molécules

Pour des raisons de vaisselle je propose d’évaluer le taille d’une molécule de savon (lave-vaisselle diluée 200 fois ) en laissant tomber une goutte sur une surface d’eau soupoudrée de poivre gris. L’historique met en évidence une démarche d’investigation car à cette époque l’existence des molécules et des atomes n’était admise par la majorité des chimistes ! (c)
Pour conclure je propose de rechercher toute les occasions participant à la mise en culture de la science (a), à l’ouverture sur d’autres disciplines (b), à utiliser l’histoire des sciences et l’épistémologie (c), à préciser la notion de modèle (d) et à s’interroger face à des expériences contre-intuitives.

N.B. le livre de seconde édité en 2000 par Bréal sous la direction de Nicolas Witkowiski s’inspire un peu de la même démarche et le livre édité en mars 2007 par le CRDP Auvergne « Physique au quotidien » ouvrage collectif des sections académiques de la SFP et de l’UdPPC destiné aux enfants (et aux plus grands) à l’esprit curieux) peut être bien utile aux élèves ne se destinant pas forcément à des études scientifiques.

ANNEXE 1
ENQUETE : ENSEIGNEMENT THEMATIQUE EN SECONDE

52 réponses de 22 établissements différents ( de 1 à 5 réponses par lycée)

Temps consacré en moyenne depuis la mise en place du programme


21% n’ont pas fait d’enseignement thématique par manque de temps

moyennes : - nombre de séance de T.P. 1,8 (de 0 à 6)

- nombre d’heure classe entière 2,7 (de 0 à 12)

33% n’ont fait que des T.P. cours

aucun n’a fait l’inverse

Répartition


63% en fin d ‘année

36% sur toute l’année

7% en milieu d’année

14% selon les opportunités

quand une partie de la classe est absente ( voyages linguistiques, relation avec une autre discipline…)

Critère de choix des sujets abordés


85% le profil de la classe ( S, STI, SMS, L, ES, STT)

61% intérêt des manipulations

64% intérêts des élèves

64% goût du professeur

46% intérêt historique ou culturel (ne dépend pas du type de classe)

36% relation avec une autre discipline (SVT pour dominante S et 27%L, histoire-géographie et S.E.S pour dominante E.S. et STT 7%)

36% utilisation des TICE (surtout dominante STT)

29% intérêt économique et industriel ( dominante E.S. et STT)

15% approfondissement de la partie obligatoire (dominante s)

9% possibilités matérielles de l’établissement

5% préparation d’une visite

Evaluation


75% n’ont pas fait d’évaluation sur cet enseignement

Thèmes et sujets abordés


46% sucres (permet des manipulations, des recherches documentaires, préparation à la 1L et visite d’usine et collaboration avec SVT

17% poussée d’Archimède (en hausse cette année peut-être à cause du nouveau programme de terminale) 2 collègues ont traité les ballons pour réinvestir la loi du gaz parfait ; un autre l’hydrostatique…

17% ont parlé de médicaments et d’hygiène ( aspirine, eau de javel antiseptique…

29% ont abordé l’aspect chimique des colorants (chromato, indicateurs colorés, alimentation)

10% ont approfondi l’étude des couleurs et de la vision

15% ont étudié les phénomènes optiques de l’atmosphère

12% le système solaire

12% ont utilisé un spectrophotomètre ( prétexte pour classe dominante STI de faire un peu d’électronique)
Autres sujets proposés :

les capteurs de température, les échelles de température, l’eau, les boissons, le sonar, les fusées, la vidéo-mécanique, histoire des sciences la mesure du temps, évolution des idées en mécanique, les accélérateurs de particules, technologie et vie quotidienne

ANNEXE 2
Quelques propositions pour l’enseignement thématique

Un peu d’optique

  • après la réfraction la réflexion partielle et totale

  • éclairage piscine, catadioptre

  • fontaines lumineuses lampe de décoration à fibre de verre

  • les fibres optiques

  • fibroscopie et endoscopie

  • transmission d’un signal lumineux dans la fibre avec diode électroluminescente et photodiode

  • les mirages


Autour de la poussée d’Archimède

  • mise en évidence expérimentale avec un dynamomètre

  • de quoi peut dépendre cette force ?

  • imaginer des expériences pour vérifier les différentes hypothèses

  • à quoi est-elle égale ?

  • centre de gravité et centre de poussée

  • un corps coule ou flotte ? retour sur la masse volumique et la densité

  • les corps flottants : bateaux, sous-marins, densimètres


Hydrostatique et pression atmosphérique

  • principe de l’hydrostatique : Blaise Pascal et Torricelli

  • la poussée d’Archimède conséquence des forces pressantes exercées par un fluide sur un corps

  • La poussée d’Archimède dans l’air

  • Remplissage de récipients par déplacement d’air

  • Pesée de l’air

  • Vérification de la loi d’Avogadro Ampère

  • Bulles de savon remplies d’hydrogène et de gaz carbonique

  • Pression atmosphérique et altitude

  • Les ballons- sondes et le montgolfières


Autour de la mesure du temps

  • la stroboscopie

  • la persistance des impressions lumineuses (limite des possibilités de l’œil)

  • mesure de la fréquence d’un mouvement périodique

  • illusion des mouvements apparents

  • l’oscilloscope appareil à mesurer le temps avec son balayage

  • retour sur la persistance des impressions lumineuses

  • balayage de l’écran de télévision par un spot

  • mesure de la période d’une tension électrique

  • mesure de la fréquence du stroboscope à l’aide d’un capteur optoélectronique (photorésistance, photodiode ou phototransistor)

  • mesure de la fréquence d’un son (microphone)



Le choix de ces thèmes permet de réinvestir en TS : poussée d’Archimède pour la chute ralentie dans un fluide, analyse d’un signal périodique…

et en première L quelques problèmes de vision et d’illusions optiques…

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