La préoccupation d’incorporer les Techniques d’information et de communication (TIC) dans les nouveaux programmes de seconde et de première S est attestée par la lecture des Bulletins Officiels appropriés. Les paragraphes en question sont rappelés ci-après.
Au cours du cycle secondaire, l'élève doit acquérir les compétences suivantes :
utiliser l'ordinateur pour acquérir des données expérimentales,
utiliser un tableur ou un logiciel dédié au traitement des résultats expérimentaux et les présenter graphiquement
utiliser l'ordinateur pour confronter des résultats expérimentaux à des valeurs théoriques,
savoir ce qu'est une simulation et la distinguer clairement de résultats expérimentaux,
être capable d'effectuer une recherche documentaire et critique sur un cédérom et sur internet (en ligne et hors ligne),
Ces compétences doivent être mises en jeu plusieurs fois dans l'année lors des séances de travaux pratiques.
La physique et la chimie fournissent naturellement l'occasion d'acquérir certaines compétences dans l'utilisation des TIC, dont certaines sont liées à la discipline et d'autres sont d'une valeur plus générale. Outre la recherche documentaire à l'aide de la "toile", la mise en relation par courrier électronique de classes effectuant une même recherche documentaire ou la comparaison de mesures effectuées simultanément dans des établissements différents sont possibles. L'automatisation de l'acquisition et du traitement des données expérimentales peut permettre de mieux ouvrir la réflexion des élèves aux aspects statistiques de la mesure et au dialogue entre théorie et expérience.
Outre les sites académiques, il faut signaler à l'attention
des professeurs les sites nationaux :
http://www.educnet.education.fr/phy/
et http://www.cndp.fr/ , qui
recensent des travaux de groupes nationaux, des ressources thématiques, des
adresses utiles.
Outre ces considérations générales données en introduction aux programmes, la présentation typographique des programmes eux-mêmes attire l’attention par une astérisque (*) sur les activités pouvant faire appel aux TIC. Cette figuration explicite des TIC dans les programmes a, auprès des établissements, une fonction incitatrice à s’équiper plus complètement.
Le but de cette réunion est cependant d’entrer plus avant dans la réflexion sur l’effet des TIC sur l’enseignement de la discipline. Compte tenu de la multiplicité des facettes que peut prendre l’informatique, de son aspect polymorphe, et de l’efficacité avec laquelle elle est capable de transformer les secteurs qu’elle envahit, il n’est certainement pas inutile de tenter de caractériser notre discipline dans ce qu’elle a de plus spécifique, de préciser ce qui en constitue le cœur, afin de mieux percevoir ensuite ce que l’ordinateur peut y apporter.
Cela ne va pas sans risque. Résumer en quelques phrases ce qui constitue la matière d’ouvrages entiers peut paraître ou présomptueux, ou naïf, ou présomptueux et naïf. Mais il ne s’agit ici que d’évoquer des considérations qui, en tant que telles, sont sans aucun doute partagées par tous, et de les placer en regard du sujet qui nous occupe. On pardonnera donc la forme lapidaire utilisée ci-dessous, et notamment l’utilisation de la forme provocante : " Qu’est-ce que… ? ". Il ne s’agit pas de trouver des définitions, jeu souvent inutile et vain, mais d’inviter à une réflexion sur la discipline.
C’est, on le sait, la possibilité d’élaborer des lois universelles qui est spécifique de la physique. Car en histoire également, par exemple, on cherche à mettre en évidence des enchaînements causals, et toute pensée rationnelle vise, après tout, à comprendre comment certains facteurs en déterminent d’autres. Or la pensée rationnelle n’est pas, heureusement, réservée aux sciences !
Le forme théorique la plus achevée de cette activité, en physique, consiste à déterminer des équations d’évolution, qui précisent en quoi l’état d’un système à un moment donné dépend de son état aux instants antérieurs et des actions qui s’exercent sur lui. C’est ce que fait Newton avec sa mécanique, Maxwell avec les équations de l’électromagnétisme, Einstein avec les équations de la relativité générale, qui ouvrent la voie à une histoire de l’Univers et à la cosmologie moderne. C’est ce que fait Schrödinger avec son équation, Dirac avec la sienne. En un certain sens, c’est ce que fait la thermodynamique avec le second principe.
Cette démarche est déjà à l’œuvre dans la construction des grandeurs physiques pertinentes. Prenons le cas de la théorie cinétique des gaz. Pour comprendre comment les grandeurs macroscopiques sont reliées aux grandeurs microscopiques, le(la) physicien(ne) est capable de toutes les simplifications et schématisations par rapport à ce qu’il(elle) observe. Un gaz dans les conditions usuelles est constitué de molécules dont les distances relatives moyennes sont de l’ordre de dix fois leur taille et qui subissent de l’ordre de 109 collisions par seconde, entre elles et avec les parois. Ces parois sont, à l’échelle des molécules, extrêmement désordonnées, et peuvent les piéger un moment avant de les rendre à la phase gazeuse. Mais le(la) physicien(ne) considère un ensemble de particules ponctuelles, sans interaction, faisant des collisions élastiques avec des parois absolument planes, et prétend que cela a un rapport avec la " réalité " ! Il(elle) affirme de plus des choses aussi bizarres que le fait que les composantes des vitesses des molécules sont des variables aléatoires indépendantes. Cependant la force explicative du modèle, qui montre comment les variables macroscopiques résultent des variables microscopiques, emporte l’adhésion, au point que la correspondance entre la réalité et le modèle n’est pas toujours discutée comme il le faudrait (l’hypothèse de l’équilibre thermique, notamment, est contradictoire avec celle de particules indépendantes). En physique, simplifier un modèle jusqu’à l’outrance est autorisé, pourvu que cette simplification permette la formalisation la plus complète d’un mécanisme.
A contrario, une observation empirique brute, pour laquelle on n’a pas d’explication, peut parfois être refusée par tout ou partie d’une communauté. Un exemple, pris dans une discipline voisine : Alfred Wegener a présenté pendant des décennies des arguments structuraux en faveur de sa théorie de la dérive des continents. Mais la communauté des géologues ne s’est ralliée, dans les années 60, c’est-à-dire 30 après sa mort, que lorsque le mécanisme de cette dérive a été découvert (les médianes océaniques). En physique, le cas est plus rare, parce qu’en général les observations peuvent être refaites.
Ou, si l’on préfère :
Exemple : la méthode utilisée par Eratosthène pour " mesurer " le rayon de la Terre. Tout est dans la reconstruction mentale : une Terre ronde, un Soleil à l’infini. Ce qui frappe, ici, c’est la démesure entre la banalité de l’observation initiale (l’ombre d’un bâton planté ici ou là) et le résultat obtenu (le rayon de la Terre) On a l’impression d’un tour de magie ! Autre exemple, qui montre que la reconstruction du réel par la pensée procède en général par étapes : la progression qui va de Tycho Brahé à Johannes Kepler puis à Isaac Newton dans la connaissance de la gravitation. Notons au passage que le tour de force de Newton se fait au prix de l’introduction de ce qui apparaîtra à beaucoup de ses contemporains comme une monstruosité : l’action à distance. Comment un objet peut-il agir là où il n’est pas ? Newton répond : je ne sais pas, mais ce que je peux vous montrer, c’est que si nous admettons cela, alors nous avons le moyen de calculer les trajectoires des planètes et de tout autre corps sous l’effet de la gravité (qui est en cela universelle) : nous avons donc progressé dans la connaissance de la causalité, cf. le premier point plus haut.
Les " lois " de Kepler donnent une certaine compréhension du mouvement des planètes. Mais les " lois " de Newton rendent compte des " lois " de Kepler. Comprendre les lois de Kepler, c’est mettre en place un formalisme dans lequel ces lois deviennent des théorèmes. Tout cela se passe, bien sûr, dans la tête du(de la) scientifique.
On peut alors risquer la question :
Et répondre :
Dans cette représentation, et donc dans la compréhension des phénomènes, l’élaboration d’images mentales pertinentes joue un rôle essentiel. C’est à partir d’elles que l’intuition peut se développer, et avec elle, l’intérêt pour la discipline.
A défaut d’images mentales, l’élève n’a plus que le recours à la " bonne formule ". Chaque enseignant est témoin de cette recherche panique de la " formule à appliquer ". Elle est le symptôme de l’absence de représentations mentales fiables.
Certes, cette compréhension ne se réduit pas à l’analyse mathématique. Avant cette analyse, il y a des actions et des mots, après cette analyse, il y a encore des actions et des mots. Mais la reconstruction mentale du réel fait nécessairement appel, à un moment de l’analyse physique d’un processus, aux mathématiques.
Exemples : soit un joueur de boule, qui se demande comment, pour un module donné de la vitesse initiale, choisir la bonne orientation du lancer. La mise en équation est à la portée d’un élève de terminale S, et le résultat est surprenant : il y a deux solutions, pas une. Or ceci n’a pas été introduit par le joueur-physicien. Ca sort tout seul de l’équation. Cadeau. Évidemment, le joueur de boule aguerrit sait bien, lui, qu’on peut faire un tir tendu, ou un tir plombé…
Autre exemple, plus illustre, mais équivalent pour notre propos ici. Lorsque Dirac écrit l’équation qui décrit l’électron, il obtient deux solutions : l’une décrit une particule avec une charge négative, l’autre avec une charge positive. Cette intrus qui jaillit littéralement de sa feuille de papier, il cherche à l’identifier, et pense d’abord au proton, qui est, à l’époque, la seule particule connue de charge positive. Le positron ne sera découvert expérimentalement que deux ans plus tard. Lorsqu’on lui demandera pourquoi il n’avait pas clairement annoncé, sur la base de ses calculs, qu’une nouvelle particule devait exister, il répondra : par lâcheté ! Toujours est-il que le positron a d’abord été un cadeau de l’équation écrite pour l’électron… On pourrait décrire de façon analogue la naissance du neutrino, que Pauli fait surgir de la loi de conservation de l’énergie, et qui ne sera identifié expérimentalement que 15 ans plus tard ! Dernier exemple enfin : Newton écrit les équations de la dynamique pour décrire le mouvement régulier des planètes autour du Soleil, mais deux siècles plus tard, Poincaré et Hadamard découvrent dans ces mêmes équations le comportement étonnant des systèmes dynamiques, plus connu à l’heure actuelle sous le nom de systèmes chaotiques (présentant la propriété de sensibilité par rapport aux conditions initiales).
Les exemples de ce type sont légions. La leçon a tirer est profonde mais sa signification véritable n’est pas encore comprise complètement : comment est-il possible que cette démarche, qui consiste à élaborer un modèle abstrait d’un système réel et à y appliquer des règles de calcul plus ou moins compliquées, produise un objet mental qui se comporte comme l’objet réel ? comment la formalisation mathématique (qui est une production du cerveau humain) permet-elle de prévoir l’existence d’objets naturels non encore découverts expérimentalement ?
Soir un chat qui tombe d’un mur. L’expérience montre que dans de nombreux cas il atterrit sur ses pattes.
Soit un robot-chat qui tombe d’un mur. Pour qu’il fasse ce que fait le vrai chat, il faudra lui entrer un programme qui, après avoir détecté l’accident et le danger, calcule la façon de faire pivoter une partie de son corps dans un sens et l’autre dans l’autre (conservation du moment angulaire du chat pendant la chute) de telle sorte que les pattes soient vers le sol au moment du contact. Si l’on peut décrire le robot-chat par quelques variables macroscopiques, il faudra résoudre autant d’équations différentielles couplées.
Question :
Réponse :
Commentaire :
Revenons un instant à la caractérisation initiale de la physique. Nous avons dit que la forme la plus achevée de la mise en évidence d’une chaîne de causalités était l’établissement d’équations d’évolution. Cette démarche, évidemment, ne peut être menée à son terme que dans des cas relativement simples, et la collection de ces cas simples constitue le trésor de la physique (il faut noter ici que " simple " ne veut pas dire " facile " !). C’est en quoi la physique est la discipline reine de la modélisation. C’est aussi pourquoi elle peut exporter ses méthodes vers d’autres domaines de la connaissance.
Arrêtons là pour le moment.
Les considérations ci-dessus concernent la discipline. Qu’en est-il de son enseignement ?
Une seule citation de Gaston Bachelard résumera l’état d’esprit dans lequel le GTD a travaillé : elle est extraite de son livre La formation de l’esprit scientifique et date de 1938.
" Avant tout, il faut savoir poser des problèmes. Et quoi qu’on dise, dans la vie scientifique, les problèmes ne se posent pas d’eux-mêmes. C’est précisément ce sens du problème qui donne la marque du véritable esprit scientifique. Pour un esprit scientifique, toute connaissance est une réponse à une question. S’il n’y a pas question, il ne peut y avoir connaissance scientifique. Rien ne va de soi. Rien n’est donné. Tout est construit. "
On pourrait plaisanter un instant sur le fait que, dans la vie de l’élève, les problèmes ne se posent effectivement pas d’eux-mêmes, puisque que c’est le professeur qui les posent, et sur la situation existentielle étrange de la classe traditionnelle où ceux qui posent les questions possèdent les réponses et où ceux qui doivent répondre ne les ont en général pas (les TPE vont en partie changer ce rapport, et induire une certaine collaboration entre élèves et professeurs). Ce dont il s’agit en vérité, c’est d’éviter que l’enseignement consiste à donner des réponses à des élèves qui ne se sont pas posé les questions.
Plutôt qu’une présentation détaillée des programmes, hors de propos ici, on présentera brièvement en quoi les choix qui ont été effectués sont en rapport avec les considérations générales ci-dessus.
La dimension culturelle de l’enseignement est un point de vue qu’il est intéressant d’aborder. Ainsi, demandons-nous quel pourrait être le contenu d’une culture scientifique minimale du citoyen. Il existe, certes, de nombreuses façons de répondre à cette question. Mais les 5 items suivants ont paru pertinents dans la recherche d’axes d’orientation forts :
Ces thèmes peuvent à l’évidence se traiter aux niveaux les plus divers, élémentaires ou avancés.
S’il fallait (faut-il ?) schématiser la progression du programme de physique, depuis la seconde jusqu’à la terminale S, on pourrait dire qu’il s’agit d’une progression qui part des notions physiques de base (temps, distance, mouvement, force, température, pression, lumière etc.), présente les diverses interactions fondamentales, et culmine, en terminale S, par l’évolution temporelle des systèmes.
En seconde, les notions vues sont regroupées en 3 parties :
En première S :
En terminale S :
Thème général : l’évolution des systèmes, causalité et déterminisme.
Un projet de programme sera soumis à consultation au début de l’année 2001.
On regroupe souvent les possibilités offertes par l’ordinateur en trois catégories :
La recherche documentaire n’est pas spécifique à la discipline. Il s’agit parfois d’accomplir certaines tâches de façon différente (comme la consultation d’un encyclopédie), parfois d’avoir accès à des données inaccessibles auparavant (données météo journalières, documents mis en ligne par la NASA etc.). Plusieurs entrées du programme de physique peuvent donner lieu à des activités de ce type :
Pour donner toute leur mesure, ces activités doivent se dérouler en classe éclatée, comme dans le cadre des TPE. On ne les détaillera pas plus ici.
L’acquisition et le traitement de donnéesest pratique courante depuis plusieurs années déjà. C’est du reste l’axe de l’option MPI (ex-IESP), dont la généralisation aux maximum d’établissements est demandée par le GTD.
Une technique nouvelle semble très prometteuse, compte tenu de son prix devenu très abordable : celle des webcams. L’intérêt de filmer des expériences dans une première étape et d’en faire le traitement image par image dans une deuxième étape réside en une simplification très intéressante de la situation expérimentale. Celle-ci met en effet toujours en place deux niveaux de compréhension : celui du phénomène physique auquel on s’intéresse, et celui de l’instrumentation, qui met en jeu d’autres phénomènes physiques. Le premier niveau peut en général être simplifié –c’est même le cœur de la démarche scientifique que d’isoler le phénomène dans sa pureté la plus grande pour l’étudier. Mais le second niveau, celui de l’instrumentation, est évidemment complexe par nature : le capteur met en jeu des phénomènes physiques que les élèves, le plus souvent, ne connaissent pas, et le signal donné par ce capteur doit ensuite être traité pour pouvoir donner une trace sur un écran. La tentation est alors grande de traiter cette complexité en élaborant des TP presse-bouton où tous les gestes sont codifiés et d’où toute réflexion sur ce que l’on fait et pourquoi on le fait est bannie. Ce n’est évidemment pas la démarche que l’on souhaite développer.
La caméra permet, en particulier en mécanique, de concentrer d’abord l’attention sur l’observation. Elle joue le rôle d’œil amélioré. Elle rend également, et c’est peut-être l’aspect le plus intéressant, l’échelle de temps du traitement des données distincte de celle de l’observation du phénomène.
Pierre Guidicelli (
papik@avo.fr),
de l’académie de Lyon, a testé de façon détaillée le matériel existant. On trouve
à moins de 700 F des caméras qui prennent jusqu’au 10000ème de seconde
jusqu’à 30 images par seconde. La luminosité et le gain peuvent être contrôlés
indépendamment. René Mélin, membre du GTD (rehen.melin@wanadoo.fr),
a préparé avec des professeurs pré-applicateurs l’an dernier du nouveau programme
de seconde, des formations utilisant une webcam.
La simulation numérique, si elle ne se substitue pas à l’expérimentation et si on l’utilise en fixant les objectifs pédagogiques précis, offre des moyens irremplaçables d’aide à l’élaboration de représentations et d’images mentales des phénomènes.
Il y a (au moins !) deux grandes classes d’utilisation de la simulation numérique :
Dans la première catégorie se trouve les simulations qui permettent de se représenter, pour un phénomène observé à l’échelle macroscopique, ce qui se passe à l’échelle microscopique.
Exemple : on observe à l’aide d’un microscope le mouvement brownien de petites particules enfermées dans une boîte. Question : que voit-on ? Une discussion des ordres de grandeur nous convaincra que ce ne sont pas les molécules du gaz, mais des particules très grandes par rapport à celles-ci. Qu’est-ce qui est responsable de leur mouvement incessant ? La simulation numérique qui se trouve dans le cédérom du Document d’accompagnement du programme de seconde montre le résultat de quatre calculs où l’on a placé au sein de particules représentant un gaz quelques particules représentant des " poussières " dont on change la masse dans le rapport 1 pour 1, 10 pour 1, 100 pour 1, 1000 pour 1 par rapport à celle des particules du gaz. Il ne s’agit pas ici d’expliquer comment la simulation est faite, mais d’emporter la conviction de l’élève sur un seul point : le mouvement des particules du gaz étant le même dans les quatre simulations, plus on augmente la masse des " poussières ", plus leur mouvement est lent. Le retour à la situation réelle doit alors faire comprendre, compte tenu du rapport des masses d’une " vraie " poussière et d’une " vraie " molécule, que le mouvement vrai des molécules doit être très très rapide !
Des simulations semblables, utilisant Interactive physique, peuvent être réalisées par les élèves eux-mêmes très simplement. Ce logiciel peut également être utilisé dans pour la mécanique, pour illustrer l’importance des conditions initiales par exemple sur la nature des trajectoire (cf. la contribution de Jean-Charles Jacquemin).
De telles simulations peuvent être également utilisées dans le cadre du cours de chimie, en particulier en terminale S (cf. la contribution de Marie-Blanche Mauhourat).
Une simulation numérique d’un équilibre liquide-vapeur se trouve dans le film " Phases et changement de phase ", fruit d’une collaboration entre l’Université Paris-6 et la Palais de la Découverte (distribué par le Service du Film de Recherche Scientifique). Cette simulation illustre le fait que l’équilibre en question n’implique pas que " rien ne se passe ". A l’échelle microscopique, l’agitation est incessante, et il y a compensation de deux flux : le flux de particules passant de l’état liquide à l’état gazeux et le flux de particules passant de l’état gazeux à l’état liquide.
Dans ces exemples, la simulation numérique permet de " voir " le monde microscopique. Mais on peut également l’utiliser pour ramener l’échelle des temps astronomiques à la nôtre, en visualisant par exemple le mouvement des planètes.
Dans la seconde catégorie de simulations numériques, on s’intéresse à la résolution des équations elles-mêmes. L’ordinateur peut ici être un outil irremplaçable pour aider à la compréhension de ce qu’est une équation différentielle (nous sommes à l’évidence en terminale S). Trop souvent, en effet, on se contente de ne traiter en mécanique que les cas possédant des solutions analytiques (un champ constant, un ressort, le potentiel en 1/r). La méthode de résolution, dans ces cas, consiste à vérifier qu’une certaine fonction du temps satisfait l’équation différentielle. Mais, dans cette approche, on ne voit rien évoluer. Qu’il s’agisse d’une évolution temporelle n’apparaît que dans le nom de la variable t. De plus, on est démuni dès que les solutions ne sont pas analytiques. En revanche, si l’on discrétise l’équation et qu’on la résolve, certes de façon approchée, par la méthode d’Euler, on voit bien que la progression n’est possible que si l’on se donne deux conditions initiales. La méthode permet également de discuter l’effet que chaque type de force, s’il y en a plusieurs à l’œuvre, sur le mouvement. Rappelons au passage que cette méthode est celle que les mathématiciens utilisent pour prouver l’unicité de la solution correspondant à des conditions initiales données.
Last but not least,c’est l’occasion d’éveiller la curiosité des élèves sur l’étrange efficacité des mathématiques, qui permet de réaliser des modèles qui se comportent comme le fait la nature !
Je terminerai en mentionnant la possibilité d’explorer des mondes fictifs : des mondes où la constante de gravitation est multipliée ou divisée par un facteur arbitraire, où les frottements sont supprimés ou accentués etc. Explorer des mondes voisins du nôtre peut certainement aider à comprendre ce dernier, de même que pour comprendre le tracé d’une route ou d’un chemin, il est utile d’en explorer les alentours.
Une anecdote : lors de la réalisation du calcul de la simulation numérique de l’équilibre liquide-gaz mentionné plus haut, les premiers calculs ne donnaient aucune séparation de phase. En effet, en l’absence de gravité, le calcul, s’il est fait sans précaution particulière, donne un aérosol, et il faudrait laisser la simulation numérique courir longtemps avant d’atteindre l’état thermodynamiquement stable, à savoir une goutte de liquide à peu près circulaire (à trois dimensions : sphérique) flottant au milieu du gaz. Il fallut donc rajouter la gravité. Mais pour cinq cents particules à deux dimensions, la gravité usuelle n’est pas suffisante pour obtenir la séparation de phase. Celle-ci ne fut obtenue que pour une constante de gravitation égale à cent fois la valeur empirique, et c’est le résultat de ce calcul qui est montré dans le film !
Jacques Treiner
président du GTD de physique chimie
Document proposé par le groupe d'experts de Physique Chimie
Direction générale de l'Enseignement scolaire - Publié le 07 avril 2003
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