Éléments de didactiques

 

ENSEIGNER AUTREMENT!

Les conceptions en électricité élémentaire

- Électricité en tant que fluide

Ce type de conception qu’on retrouve surtout chez les élèves de primaire est

caractérisé par une confusion entre les notions de courant, dʹénergie, dʹélectricité et de

tension. Le courant est perçu comme « quelque chose » circulant dans le circuit de la

pile à lʹampoule, de la même manière que lʹeau dans un circuit hydraulique. Cette chose

sʹécoulant dans le circuit est parfois identifiée comme étant de lʹénergie, de lʹélectricité

ou du courant. La pile est la source de lʹénergie/électricité qui sʹécoule dans le circuit.

Les termes « énergie » et « électricité » sont utilisés pour désigner la substance

matérielle sʹécoulant dans le circuit. La pile est perçue comme un contenant passif qui

emmagasine seulement lʹélectricité et qui se vide alors que son contenu est consommé

dans les éléments du circuit. Le courant circule rapidement dans le circuit et est « usé »

dans lʹampoule. Les élèves adhérant à ce modèle tentent de brancher lʹampoule à la pile

avec un seul fil, ce qui indique une forme quelconque de modèle unipolaire. La plus

grande difficulté pour certains est de reconnaître lʹampoule comme étant un dispositif

bipolaire.

- Électricité en tant que courants opposés

Dans cette conception, le courant est perçu comme de lʹénergie ou de lʹélectricité

sʹécoulant dans les fils dʹun circuit des deux bornes de la pile vers lʹampoule. Il est

supposé que les courants négatif et positif voyagent le long de fils séparés et quʹils se

rencontrent dans lʹampoule pour produire de la chaleur et de la lumière. Ainsi, ce

modèle prétend explicitement quʹil nʹy a pas conservation du courant. La pile est

toujours perçue comme un réservoir dʹénergie/électricité, qui sʹépuise avec le temps en

résultat de la consommation dʹénergie dans lʹampoule. Un circuit fermé est nécessaire

pour allumer lʹampoule et le courant est supposé se déplacer rapidement dans le circuit.

Les élèves mentionnent parfois les protons et les électrons, suggérant que le courant

électrique est constitué de particules électriques se déplaçant dans le circuit.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                     Électricité en tant que courants opposées 

 

 

 

Les conceptions en électrocinétique

La compréhension des phénomènes électriques est grandement tributaire de la

distinction des concepts de courant, dʹénergie, dʹélectricité et de tension. Il est donc

primordial de bien définir ces termes. (Voir annexe 1)

- Le raisonnement séquentiel

Les élèves ont tendance à raconter lʹhistoire de quelque chose qui voyage le

long dʹun circuit (électron par exemple) en subissant une série dʹaventures

locales et sans rétroaction de lʹaval sur lʹamont.

Voici deux exemples de raisonnements séquentiels tirée de la thèse de Lean Louis CLOSSET :6

L’analyse des réponses des étudiants confrontés à des questions sur des circuits

électriques simples a permis à J-L Closset de mettre en évidence et de hiérarchiser

quatre raisonnements principaux en électricité :

- Le raisonnement local ;

- Le raisonnement séquentiel ;

- Le raisonnement à débit ou à courant constant ;

- Le raisonnement systémique correct.

Le raisonnement local est la première appellation que CLOSSET donnait au

raisonnement naturel en électrocinétique des étudiants. Il a constaté que les réponses

des élèves, surtout ceux du secondaire, sont basées sur un raisonnement extrêmement

local. On peut citer ici comme exemple de ce type de raisonnement le commentaire

suivant : pour un circuit constitué de deux ampoules placées en série et d’un

générateur, certains élèves déclarent que la deuxième ampoule va briller moins fort que

la première.

Dans la tête des élèves, la pile ou le générateur débite un courant constant qui

s’élance dans le circuit et qui se modifie localement en fonction des missions à

accomplir ou des obstacles rencontrés avec l’idée que l’aval n’influence pas l’amont. Ce

mode de raisonnement naturel a été baptisé par CLOSSET, dans sa thèse de doctorat, le

raisonnement séquentiel.

En ce qui concerne le raisonnement à débit ou à courant constant, ce dernier est

détecté chez des étudiants beaucoup plus avancés dans leurs études (niveau

universitaire). Ce type de raisonnement consiste à dire que si on change ou non les

composantes électriques du circuit, le courant qui circule dans le circuit reste constant

tant qu’on n’a pas changé le générateur. Enfin le raisonnement systémique est

l’appellation qu’utilise CLOSSET pour le raisonnement scientifique correct.

Dans sa thèse de doctorat, CLOSSET émet l’hypothèse que ce raisonnement

séquentiel est lié à une conception particulière du circuit doté d’un point de départ

privilégié, le générateur, et d’une règle de progression à partir de celui-ci en direction

des divers éléments du circuit, donc à un sens privilégié aussi pour le courant

électrique. Ce modèle « du livreur » a besoin d’un courant qui circule dans un sens bien

déterminé, ce qui n’est plus vrai pour le courant alternatif qui s’inverse constamment et

ne privilégie pas un sens particulier de circulation le long du circuit.

Un raisonnement qui se réfère au courant devrait donc conduire à une réponse exacte

par symétrie lorsqu’il s’agit d’étudier les circuits en courant alternatif.

Pour mettre son hypothèse à l’épreuve, CLOSSET a construit quatre situations de même

structures (deux dipôles identiques qui encadrent un troisième différent), mais

fonctionnant en courant alternatif.

Nous en reproduisons ici deux d’entres-elles7 :

1ère situation :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Question

La tension U1 aux bornes de R1 et la tension U2 aux bornes de R2 sont-elles en phases

ou nom ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E1, E2 et E3 sont les différents groupes constituant l’échantillon expérimental de

CLOSSET. E1 : des étudiants de fin d’étude secondaire, E2 : des étudiants de première

année d’un premier cycle universitaire (scientifique) et E3 : des étudiants de 2ème année

universitaire et des étudiants en maîtrise (scientifiques).

CLOSSET a constaté qu’une proportion très significative d’étudiants de chacune des

populations pratique encore dans cette situation, le raisonnement séquentiel.

Une des justifications produite par un des élèves interrogés par CLOSSET est très

significative :

« La tension mesurée en R2 sera < à celle de R1, dû à la self-induction produite par la

bobine, déphasé de π /2. »

Cet élève, lie le déphasage à la diminution de la valeur de la tension.

2ème situation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Question :

On place l’oscilloscope tour à tour aux bornes de R1 et de R2 de manière à observer

l’évolution du courant en fonction du temps dans chacune des résistances.

Dessinez ce qui apparaît sur l’écran (allure générale) dans les deux cas en justifiant vos

réponses.

Lʹanalyse des réponses des élèves et des étudiants a montré que le raisonnement

séquentiel existe encore avec des fréquences plus ou moins importante (variant de 24%

à 43% suivant le niveau des populations). Ce raisonnement se résume comme suit :

Entre les bornes de R1, la tension sera alternative car la diode nʹintervient pas. Aux

bornes de R2, la tension sera redressée car la diode intervient.

 

Les élèves ne considèrent pas le circuit électrique comme un système dont les

composants sont en interaction. Ainsi, le fonctionnement de chaque élément du circuit

est indépendant des autres. Cependant, la réalité est tout autre. En effet, lorsquʹon

introduit un changement dans un circuit électrique, ce sont tous ses composants qui

réagissent à cette action. Cette réaction nʹest toutefois pas instantanée. Lʹeffet dʹune

modification se propage plutôt à la vitesse de la lumière dans le circuit. Bien que cette

vitesse soit très grande (3 x 108 m/s), elle nʹest pas infinie.

Lʹadoption dʹun modèle « mécanique » de lʹélectricité, dans lequel les électrons sont de

petites balles se déplaçant dans des « fils-tunnels » ou dans lequel le courant électrique

est un fluide, nʹest pas étrangère au raisonnement séquentiel. Il serait, de ce point de

vue, profitable dʹaborder lʹélectricité comme un phénomène de champ. Cette approche a

malheureusement le désavantage dʹêtre conceptuellement beaucoup plus difficile, mais

elle permet tout de même de rendre compte dʹun plus grand nombre de phénomènes

électriques. De plus, lʹanalogie hydraulique en usage dans lʹenseignement a pour effet

de renforcer ce raisonnement séquentiel erroné.

- Les conceptions concernant les Piles et les générateurs

Le générateur est la source du courant; le reste du circuit est au départ vide de

la matière qui y circulera (le courant).

Vision du générateur comme réservoir de charges.

Pour un générateur donné, le courant qui en sort est toujours le même, peu

importe les composants du circuit.

Remarques :

Nous avons traité dans ce cours quelques exemples de conceptions en

électrocinétique du courant continu. Pour approfondir vos connaissance sur les

conceptions et les difficultés des apprenants en électrocinétique du courant alternatif,

j’invite les lecteurs à consulter ma thèse de doctorat ( J. SAADI (2003)).

Les conceptions ne sont pas propres à l’électricité, les recherches en didactique

des sciences physiques ont montré , qu’il existe des conceptions spontanées en

mécanique, en optique, en atomistique, sur les réactions chimiques… que nous n’avons

pas traité dans ce cours et qui sont désormais bien connues8.