1.    Contexte

 

·       Introduction 

 

Dans le cadre d’une séquence de sciences de la nature sur le thème de la matière (MSN 36 — Analyser des phénomènes naturels et des technologies à l'aide de démarches caractéristiques des sciences expérimentales), les élèves de 9S sont amenés à acquérir une représentation des atomes, des molécules, ainsi que de leurs interactions. Ils doivent être en mesure d’interpréter des phénomènes naturels d’un point de vue macroscopique et microscopique. Le niveau d’abstraction de ce thème étant particulièrement élevé, il est nécessaire d’utiliser le concept de modèle moléculaire, pour favoriser l’apprentissage des élèves. Les MER proposent des outils de représentation et des exercices intéressants, mais restent, selon moi, assez limitants pour permettre aux élèves d’acquérir ce concept, notamment lorsque la séquence introduit l’agitation moléculaire.

Ce pourquoi, j’ai jugé nécessaire d’utiliser deux simulations numériques sur ordinateur favorisant l’appropriation du concept de modèle moléculaire, et notamment pour mettre en évidence le mouvement moléculaire. Durant ma séquence sur les états de la matière, une classe de 9VG et deux classes de 9VP ont eu l’occasion de tester  ces simulations.

La première simulation a pour but de consolider le modèle moléculaire des élèves en identifiant ce qui caractérise chaque état de la matière (Golabz – Vue moléculaire ). Cette simulation est effectuée après avoir introduit le thème des états de la matière et complète l’activité 2 du MER (SEQ2, ACT2). Cette leçon prend 2 périodes.

La seconde vise a introduire la notion d’agitation moléculaire par l’augmentation de la température (Phet – états de la matière ). Cette simulation vient s’ajouter plus tard dans la séquence et a été effectuée en parallèle de plusieurs situations de l’activité 3 du MER (SEQ2, ACT3). Cette leçon prend également 2 périodes et a été réaliser 2 semaines après la première, elle a d’ailleurs l’avantage de retravaillé des notions vues dans la première simulation (caractéristique des états de a matière).

A l’aide d’une fiche de travail qui a également servi de guide, les élèves ont pu explorer les simulations par groupe de deux, tout en s’appropriant les concepts clés du sujet, et en faisant des liens avec les exercices proposés dans la séquence. Ces simulations m’ont également permis de consolider certains savoirs en les institutionnalisant en fin de séquence. 

 

 

 • Utilité du numérique 

Le numérique possède plusieurs avantages dans le cadre de l’enseignement. D’une part il permet de mettre les élèves en situation d’apprentissage par le jeu et/ou l’exploration, en s’appuyant sur la zone proximale de développement (ZDP). 

D’autres parts, le numérique offre un support nouveau avec des caractéristiques qui lui sont propres, offrant ainsi la possibilité d’explorer et d’exploiter de nouveaux outils pédagogiques. La variation étant un point clé de l’enseignement pour créer de la diversification, le numérique a donc bien une utilité en ce sens.

 

Dans ma séquence sur les états de la matière, les représentations sur format papier sont statiques et limitent ainsi l’apprentissage des élèves au concept du mouvement moléculaire. De manière générale, l’aspect figé des schémas, des illustrations ou des modèles utilisés dans l’enseignement des sciences de la nature est un obstacle pour les élèves dans leur apprentissage. De plus, certains concepts ne sont pas visibles, voire trop abstraits pour permettre aux élèves de s’approprier la matière. Le numérique devient ainsi un allié indispensable pour traiter et enseigner certains thèmes. Les simulations offrent ainsi la possibilité d’intégrer de nouvelles dimensions qui ne sont pas présentes dans les représentations sur papier, et elles offrent également la possibilité de modifier certains paramètres (certaines variables) qui ne sont pas accessibles (ou peu accessibles) dans les expérimentations réelles (comme diminuer le nombre de molécules, par exemple).   

 

En référence au modèle SAMR (Substitution, Augmentation, Modification et Redéfinition) ma séquence se situe en Redéfinition (La technologie informatique permet de nouvelles tâches qui étaient impossibles auparavant). Sans les simulations, la possibilité de visualiser le mouvement moléculaire, tout comme la possibilité de modifier certains paramètres n’existait pas. La technologie numérique permet ici de centrer l’enseignement sur l’élève en l’engageant dans son propre apprentissage, en le rendant actif et acteur de son apprentissage. 

 

 

 

 

L’utilisation de ces deux simulations dans le cadre de ma séquence a permis à mes élèves de s’investir dans leur propre apprentissage. J’ai constaté que la compréhension des concepts ont bien été intégré et que les objectifs de la leçon ont donc bien été atteints. Le document papier fournit pour guider les élèves durant leur exploration, leur permet de revoir le cours en dehors de l’école. Les élèves ont réussi à transposer ce qu’ils ont vus dans les simulations pour interpréter diverses situations (exercices et activités des MER), ce qui valide certains objectifs de la séquence. Mes deux classes de VP ont très vite pris en main la simulation grâce à la fiche guide et ont vite compris l'intérêt de cette séquence, cependant il m'a été nécessaire de lire les consignes et de prendre un temps pour expliciter le but de cette séquence avec mes élèves de VG qui semblaient moins autonomes. Pour cette raison, il me semble plus pertinent d'ajouter une consigne plus détaillée, avec des questions plus précises pour favoriser la compréhension de l'activité (par exemple, "Décrit le plus précisément possible l'espace qu'il y a entre les molécules", "Comment ces molécules bougent-elles? Peuvent-elles se déplacer les unes par rapport aux autres?"). Globalement, le numérique permet de surmonter des obstacles et des difficultés qu'ont les élèves quant on introduit le modèle moléculaire (et notamment pour visualiser l'aspect microscopique et le mouvement de ce thème).

 

 

·       Compétences enseignantes

 

L’identification de simulations pertinentes est une étape clé pour réaliser cette séquence. Prendre connaissance des multiples sites qui propose des simulations permet d’élargir son panel de possibilité, mais également d’adapter son enseignement en fonction des objectifs que l’on souhaite atteindre avec nos élèves. Il est essentiel que l’enseignant maitrise la simulation pour faciliter le guidage et le pointage d’éléments clés à ses élèves.

Un sens critique est également nécessaire, car certaines simulations ont des erreurs et peuvent ainsi créer de nouveaux obstacles pour les élèves. Il est également important que l’enseignant mentionne que les simulations ne sont qu’une autre forme de représentation (qu’il ne s’agit que d’un outil de compréhension et non pas la seule méthode de représentation) et qu’elles possèdent aussi des limites.

Sur Sqliy, la compétence « utiliser des simulation numériques en classe » permet d’explorer certains sites de simulations. Se maintenir informer des nouvelles pratiques ou des nouvelles simulations (mise à jour, plus ergonomique, plus ludique, etc…) est un bon moyen de rafraîchir ses leçons et de les rendre plus efficaces. Enfin, collaborer avec ces collègues en leur communiquant nos idées permet de faire le point sur les éléments importants de la simulation.

 

L’utilisation de simulation pour une séquence ne se fait pas par hasard, elle est essentielle si elle permet un avantage non négligeable à l’appropriation de savoirs pour les élèves, ou qu’elle permet de pallier à des obstacles didactiques. Dans mon cas, la visualisation du mouvement moléculaire est un élément clé dans la compréhension du concept de l’agitation moléculaire et donc, il m’est nécessaire de favoriser la représentation du modèle moléculaire par des simulations. 

Mon choix s’est porté sur Golabz et Phet , car les autres sites de simulation tels que Edumedia , Myphysicslab ou  Physique et simulation ne propose que peu de simulation en lien avec la chimie ou alors qui ne propose pas de simulation suffisamment interactive pour l’appropriation des notions souhaitées. De plus Golabz et Phet ont tous deux une interface intuitive et facilite ainsi leur appropriation. J’ajouterai qu’ils proposent des simulations complémentaires, ce pourquoi il m’a sembler utile de les employer les deux.

 

2.    Alignement pédagogique

 

·       Objectifs

 

 

Cette leçon basée sur des simulation suit le PER, ainsi que le découpage du programme des Sciences tel que proposé par la DGEO pour des classes de 9S.

 

 

·       Style pédagogique et évaluation

 

 

Durant cette séquence, l’enseignant occupe plusieurs rôles. Il prend d’abord une posture de transmetteur de connaissance en proposant aux élèves le modèle moléculaire de l’activité 2 du MER, en guise d’introduction. Il institutionnalise ensuite certaines règles pour l’interprétation du modèle (chaque rond représente une molécule, tous les rond sont de même taille, on ne peut pas écraser ces rond, etc…). Il présente ensuite la simulation au beamer et explique certaines fonctions (que fait chaque bouton, traduction de l’anglais, etc..), puis prend une posture de guide et laisse les élèves s’approprier la simulation. En prenant ce rôle il permet aux élèves d’être acteurs de leur apprentissage (l’élève donne du sens à sa tâche). Durant cette phase de retrait, l’enseignant peut passer dans les rangs pour évaluer la progression de ces élèves (évaluation diagnostique, puis formative). L’enseignant pointe sur les éléments important à la compréhension du sujet (en lien avec les objectifs du PER), mais laisse aux élèves la possibilité de trouver la réponse, de raisonner par eux-mêmes (phase d’apprentissage). Les élèves complètes la fiche guide, puis l’enseignant reprend sa posture initial en institutionnalisant et consolidant en fin de leçon. 

Un autre point d’évaluation est fait en transposant ce qui a été vu dans la simulation et les exercices de la séquence qui suscite de la réflexion de la part des élèves, lors d’un autre cours (mise en lien). Ceci permet également une nouvelle consolidation.

 

Durant la deuxième simulation, la même démarche est adoptée.

L'environnement numérique suscite à la fois un aspect ludique et donc motivationnel pour les élèves (et facilite ainsi la mise en activité), mais apporte également un réel intérêt dans la compréhension du sujet. De plus, d'un point vue ergonomique, il est plus agréable de travailler sur une simulation qui permet d'étudier le modèle moléculaire (via la modification de plusieurs paramètres ou la possibilité de mettre en évidence la vitesse ou les liaisons des molécules) à la fois que d'effectuer cette activité sur papier ou par le biais de texte explicatif.

Un TS est également prévu sur la compréhension et l’utilisation du modèle moléculaire pour expliquer un phénomène d'un point de vue microscopique (au niveau moléculaire). Les élèves devront être capable de représenter et/ou d'expliquer un schéma de modèle moléculaire afin de mettre en évidence ce qui caractérise tel ou tel état de la matière.

 

Je suis plutôt satisfait de cette séquence qui, selon moi, a permis a mes élèves de s’approprier les notions et concepts essentiels du modèle moléculaire. Dans la première simulation, les élèves ont vites compris que les caractéristiques des substances variaient selon les états de la matière grâce à la fiche de travail. J’ai pu constater qu’ils étaient capables de transposer ce modèle moléculaire à d’autres exercices effectués après cette leçon, ce qui m’indique qu’ils ont bien intégrer le sujet, et que ,globalement, les objectifs de la leçon ont été atteints (les élèves ont toutefois quelques difficultés à exprimer ou retranscrire avec un vocabulaire adéquat ce qu'ils constatent, ce qui a nécessité de ma part un temps pour l’institutionnalisation d'un vocabulaire scientifique). Leurs retours sur l’utilisation du numérique évoque également qu’il s’agit d’un outils efficace qui les aide à la compréhension du sujet (par exemple quand un élève m’a dit « comme dans la simulation où on retire de la chaleur, ça diminue le mouvement des molécules et donc ça gèle, enfin ça devient solide »). Il est important de constater que la simulation à elle seule, ne suffit pas pour s’approprier le sujet, mais qu’il faut l’employer comme outil pour faciliter l’apprentissage. La mise en lien avec les exercices et activités du MER reste essentielle.

J’ai tout de même constaté quelques difficultés pour ma classe de 9VG qui a encore de la peine à être autonome dans la lecture et la compréhension des consignes. Pour compenser cet obstacle, il m’a fallu plus insister sur le stratégie de pointage (en leur demandant comment ils repérèrent les liaisons intermoléculaire dans la simulations par exemple, etc..). Pour remédier à cela, il est possible de leur préparer une fiche guide plus progressive, par exemple, pour que l’activité leur soit plus accessible. 

 

 

 

3.    Gestion de la classe

 

·       Éducation aux média

 

 

Au début de mon stage et pour des raisons liées à la situation sanitaire, les élèves de mon collège ont tous reçu un compte EDU-VD élaboré par le doyen informatique de l’établissement, afin de pouvoir contacter et échanger avec eux de manière numérique dans de possibles situations de mise en quarantaine, mais aussi de manière plus générale. Dans le but de les former au matériel informatique et d’activé leur compte, les enseignants des sciences de la nature ont du prévoir une leçon sur l’utilisation adéquat des outils informatiques et une sensibilisation au respect des règles qui en découle. 

Les simulations ont été présentées en amont au beamer pour faciliter leur appropriation. Certains points d’attentions ont été mentionné pour éviter que les élèves ne rencontre des difficultés d’apprentissage. Dans la première simulation les boutons indiquent qu’il s’agit d’atome et non des molécules par exemple, j’ai donc pris le temps d’expliquer aux élèves qu’il pouvait s’agir des deux pour éviter des erreurs de compréhension. 

D’un point de vu ergonomique, l’utilisation d’ordinateur à des avantages (facilité pour accéder aux sites de simulation, facilité d’emploi des simulation avec un curseur), mais également des inconvénients (temps d’allumage, ralentissement des simulations, problème de connexion aux compte EDU VD).  Cette séquence est envisageable sur iPads, mais me semble plus pertinente sur ordinateur pour les avantages mentionné plus haut. Un autre inconvénient lié directement aux sites de simulation est qu’ils ne sont pas totalement traduis en français, il est donc important d’aider les élèves qui ont des difficultés en anglais.

 

 

Les élèves n’ont pas eu de grande difficulté à utiliser le matériel informatique. Un ordinateur n’ayant plus de connexion à internet a été remplacer en début de leçon, ce qui soulève un point important pour ce genre d’activité, celui de prévoir un ou deux ordinateur de secours. Les consignes évoquées en début de leçon ont permis aux élèves d’être autonome durant la leçon, ce qui m’a également permis de passer dans les rangs pour contrôler le déroulement de la leçon et guider les élèves vers un apprentissage.

Pour ma classe de 9VG, l’utilisation d’ordinateur a nécessité un certains temps pour faire la mise en lien avec le thème de manière autonome (j’ai dû sortir de ma posture de guide pour expliquer certaines notions), mais les élèves ont fini par progresser dans leur apprentissage personnel.

 

·       Planification

 

Comme mentionné plus haut, cette séquence se situe dans la thématique de la matière. Elle nécessite évidement des prérequis de la part des élèves, notamment sur la composition de la matière ainsi qu’un vocabulaire spécifique. Les notions d’atome, de molécule et de liaisons ont donc déjà été abordées en amont de cette séquence.

 

Cette séquence se focalise plus précisément sur les états de la matière et débute par l’appropriation du modèle moléculaire. En proposant l’activité 2 (SEQ2, ACT 2) aux élèves, ils commencent le thème par de la réflexion en guise d’amorce. Les élèves proposent des hypothèses pour expliquer la situation et testent leurs hypothèses en effectuant les situations avec du matériel de laboratoire. Puis, en fonction de leur résultats ils valident leurs hypothèses et complètent leur fiches de travail. Puis, l’enseignant institutionnalise le processus et met en évidence la possibilité d’expliquer la situation au niveau moléculaire (distinction entre macro- et microscopique, puis utilisation du microscopique pour expliquer le macroscopique). Le modèle moléculaire est donc présenter aux élèves.

 

Dans un second temps, le cours s’intéresse aux caractéristiques des états de la matière au niveau moléculaire. La première simulation est donc présentée et les élèves ont pour objectifs de comparer les caractéristiques pour chaque état, de sorte à pouvoir interpréter un phénomène (« pourquoi peut-on plonger sa main dans un liquide mais pas un solide »). Le mouvement moléculaire est perçu, mais n’est pas encore lié au concept de température. Ici, les élèves travaillent en duo avec un ordinateur mais chaque élèves dispose d'une fiche de travail. 

 

Dans un dernier temps, la deuxième simulation est effectuée en parallèle avec des exercices et de activité sur l’agitation moléculaire (Canon à patate, Colorant dans l’eau froide vs chaude, etc…). Le principe reste le même, les élèves doivent interpréter un phénomène à l’aide du modèle moléculaire, à la différence que cette fois, la notion de température et d’agitation est mise en avant. 

 

Dans les deux cas, l’enseignant doit bien définir les objectifs avec ses élèves et doit les guider dans l’utilisation des simulations en posant des questions pertinentes et/ou métacognitives (« que se passe t’il si tu élèves la température ? », « comment tu peut répondre à cette question en utilisant la simulation », etc…). La phase d’apprentissage des élèves doit cependant être finalisée avec une institutionnalisation de la part de l’enseignant.

 

Cette séquence est suivie par des expériences (TPs) sur les températures de fusion et d’ébullition de différentes substances (avec des exercices d’analyse de graphique) et peut donc être reprise dans ce cadre-là. Les fiches de synthèses proposées par les MER sont très utiles pour consolider les acquis des élèves et peuvent donc être présentées à ces derniers.

 

Pour mettre en place cette séquence il est nécessaire de :

 

-        Maitriser les simulations et identifier les points clé du cours.

-        Réserver les ordinateurs à l'avance. 

-        Vérifier à l'avance que les tous les ordinateurs soit chargés et fonctionnels

-        Avoir une connexion wifi stable. Prévoir un plan B si le réseau est défaillant, p.ex. utilisation de la connexion réseau de l'enseignant.

 

 

Il m’a été important de faire un rappel sur les notions vues précédemment pour que les élèves puissent se lancer dans l’activité (notions de taille de atomes vs molécules, liaisons, rappel du connu). Cette séquence a été tout de même plus exigeante en temps que prévue initialement pour cette raison, mais demeure assez bien structurée. Les élèves comprennent le « fil rouge » ce qui donne du sens au thème abordé.

 

La grande difficulté de cette séquence réside dans la gestion du temps alloué pour effectuer la fiche de travail. Il est important de leur laisser suffisamment de temps pour s’approprier l’outil informatique, mais ne pas leur en laisser trop au risque qu’ils s’ennuient et décident de « jouer » avec la simulation pour se divertir. Cet équilibre est d’autant plus contraignant lorsqu’il y une forte différence de compréhension de la part des élèves. Pour pallier à cette difficulté, je me suis organisé pour constituer des groupes de deux élèves avec des profils légèrement différent. De plus, en passant dans les rangs, il m’a été possible de réguler leurs interactions pour les guider vers l’objectif de l’activité.