Etayage de l'activité de conception expérimentale par un EIAH pour apprendre la notion de ...

316 Pages·2017·12.21 MB·French

THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE LA COMMUNAUTE UNIVERSITE
GRENOBLE ALPES
Spécialité : CIA - Ingénierie de la Cognition, de l'interaction, de
l'Apprentissage et de la création – Didactique des Sciences
Arrêté ministériel : 25 mai 2016

Présentée par
Catherine BONNAT

Thèse dirigée par Patricia MARZIN-JANVIER
et codirigée par Isabelle GIRAULT

préparée au sein du Laboratoire d'Informatique de Grenoble
dans l'École Doctorale Ingénierie pour la santé la Cognition et
l'Environnement

Etayage de l'activité de conception
expérimentale par un EIAH pour
apprendre la notion de métabolisme
cellulaire en terminale scientifique

Thèse soutenue publiquement le 10 juillet 2017,
devant le jury composé de :
Madame Marianna Bosch i Casabò
Professeure des universités, QS Universitat Ramon Llull, Rapporteur
Madame Isabelle Girault
Maître de conférences, Université Grenoble Alpes
Co-encadrante de thèse
Monsieur Daniel Manzoni de Almeida
Professeur, Centro Universitário das Faculdades Metropolitanas
Unidas (FMU), Sao Paulo, Invité
Madame Patricia Marzin-Janvier
Maître de conférences HDR, Université Grenoble Alpes
Directrice de thèse
Monsieur Eric Sanchez
Professeur des universités, Université de Fribourg, Examinateur
Madame Patricia Schneeberger
Professeure émérite, Université de Bordeaux, Rapporteur
Madame Erica de Vries (Présidente du jury)
Professeure des universités, Université Grenoble Alpes, Examinateur

Table des matières
Table des matières
Table des matières .................................................................................................................................. 3
Remerciements...................................................................................................................................... 11
Introduction ............................................................................................................................................ 13
Chapitre 1 : La conception d’un protocole expérimental, au cœur de la démarche
d’investigation ....................................................................................................................................... 17
1. La démarche d’investigation dans l’apprentissage des sciences à l’école ..... 17
1.1. Analyse des pratiques d’enseignement des sciences à l’école .................. 17
1.2. Une nouvelle orientation de l’enseignement des sciences à l’école ....... 18
1.3. La démarche d’investigation dans les programmes scolaires .................. 19
1.4. Difficultés identifiées dans la mise en place de la démarche
d’investigation.............................................................................................................................. 21
2. La conception expérimentale dans la démarche d’investigation et sa place
dans l’institution scolaire ............................................................................................................. 23
2.1. La conception expérimentale dans la démarche d’investigation ............ 23
2.2. Les enjeux de la conception expérimentale ...................................................... 24
2.3. La conception expérimentale dans l’institution scolaire ............................ 25
2.4. Difficultés identifiées relatives à l’activité de conception de protocole
27
3. Conclusions .............................................................................................................................. 29
Chapitre 2 : Des EIAH pour étayer la conception expérimentale .................................... 33
1. Travaux sur les étayages, centrés EIAH ....................................................................... 33
1.1. La notion d’étayage ..................................................................................................... 33
1.2. Utilisation de la notion d’étayage en didactique ............................................ 34
1.3. Etayer la démarche d’investigation ..................................................................... 35
1.3.1 La nécessité d’un cadre théorique selon Quintana et al. ........................ 36
1.3.2 La structuration de la tâche comme type d’étayage selon Reiser ...... 37
1.3.3 La notion de « guidage » selon Zacharia & al. ............................................. 38
1.4. Positionnement de notre travail............................................................................ 39
1.5. Etayer la conception de protocole ........................................................................ 41
1.5.1 Etayages fixes, étayages adaptatifs.................................................................. 41
1.5.2 Etayer la conception de protocole avec le logiciel Copex Chimie ...... 42
2. LabBook : une plateforme numérique pour étayer l’activité de conception
expérimentale ................................................................................................................................... 43
2.1. Présentation de l’interface utilisateur ................................................................ 43

3
Table des matières
2.2. Présentation de l’interface concepteur .............................................................. 44
2.3. Présentation de l’éditeur de protocole Copex ................................................. 44
2.3.1 1er « niveau » de Pré structuration du Labdoc « protocole » ............... 45
2.3.2 2ème « niveau » de Pré structuration du Labdoc « protocole » ............ 46
3. Analyse des étayages proposés par la plateforme LabBook .............................. 48
Chapitre 3 : Difficultés et conceptions des élèves sur le métabolisme de la
fermentation alcoolique .................................................................................................................... 51
1. Construction du savoir de référence ............................................................................ 51
1.1. Les métabolismes cellulaires .................................................................................. 51
1.2. L’influence du milieu dans la réalisation d’un métabolisme .................... 53
1.3. Un processus réactionnel complexe .................................................................... 54
1.4. La fermentation alcoolique à différentes échelles d’études ...................... 54
1.5. Conclusions .................................................................................................................... 54
2. Conceptions et difficultés identifiées a priori ........................................................... 55
2.1. Difficultés à distinguer les différents métabolismes, confusion entre les
métabolismes de la respiration cellulaire et de la fermentation alcoolique .... 56
2.2. Difficultés à associer le métabolisme de la fermentation alcoolique à un
processus impliquant des organismes vivants ............................................................. 57
2.3. Difficultés liées à l’utilisation du vivant dans une situation de
conception expérimentale ...................................................................................................... 58
2.4. Difficultés à matérialiser les gaz et à définir leur rôle dans le
métabolisme de la fermentation alcoolique ................................................................... 58
2.5. Difficultés à associer l’équation de réaction statique à un phénomène
dynamique et complexe .......................................................................................................... 60
2.6. Difficulté à décloisonner les disciplines et à conceptualiser hors du
champ disciplinaire ................................................................................................................... 61
2.7. Difficulté liée à l’influence du matériel dans de la conception
expérimentale .............................................................................................................................. 61
3. Catégorisation des difficultés identifiées a priori ................................................... 62
Chapitre 4 : Cadre théorique ........................................................................................................... 67
1. La praxéologie dans le cadre de la TAD ....................................................................... 67
2. Description des praxéologies dans le cadre T4TEL ............................................... 68
2.1. Eléments de la praxéologie ..................................................................................... 68
2.2. Introduction de variables dans T4TEL ............................................................... 70
3. Praxéologies institutionnelle et personnelle............................................................. 71
3.1. Modèle théorique ........................................................................................................ 71

4
Table des matières
3.2. Modélisation des praxéologies personnelles dans une situation de
conception expérimentale ...................................................................................................... 74
4. Le modèle praxéologique de référence ........................................................................ 75
5. Conclusions .............................................................................................................................. 76
Chapitre 5 : Problématique .............................................................................................................. 79
1. Questions de recherche ....................................................................................................... 79
2. Plan expérimental de la thèse .......................................................................................... 81
Chapitre 6 : Modélisation des connaissances : praxéologies de référence,
institutionnelle, et personnelle ...................................................................................................... 83
1. Questions de recherche ....................................................................................................... 83
2. Méthodologie ........................................................................................................................... 84
2.1. Praxéologies institutionnelle et de référence .................................................. 84
2.1.1 Analyse écologique des programmes ............................................................. 84
2.1.2 Analyse praxéologique des manuels ............................................................... 85
2.2. Praxéologies personnelles ....................................................................................... 86
3. Résultat : Praxéologie institutionnelle ......................................................................... 87
3.1. Résultats de l’analyse écologique des programmes. .................................... 87
3.2. Résultats de l’analyse praxéologique des manuels. ...................................... 91
3.3. Proposition d’une praxéologie institutionnelle de la mise en évidence
de la fermentation alcoolique ................................................................................................ 98
4. Résultat : Praxéologie de référence ............................................................................ 102
5. Résultat : éléments de praxéologies personnelles a priori ............................... 108
6. Conclusions ........................................................................................................................... 112
Chapitre 7 : Conception de la situation, élaboration de la pré structuration du
protocole ............................................................................................................................................... 113
1. Questions de recherche .................................................................................................... 113
2. Méthodologie ........................................................................................................................ 114
2.1. Elaboration de la pré structuration du protocole ....................................... 115
2.1.1 Transposition du modèle praxéologique ................................................... 115
2.1.2 Implémentation dans le logiciel Copex ....................................................... 117
2.1.3 Niveaux de pré structuration .......................................................................... 118
2.2. Consignes, documents ressources et autres fonctionnalités ................. 118
3. Résultats ................................................................................................................................. 119
3.1. Texte d’accueil ............................................................................................................ 119
3.2. Documents ressources ............................................................................................ 120
3.3. Pré structuration du rapport expérimental dans LabBook .................... 120

5
Table des matières
3.4. Pré structuration du labdoc « protocole » ...................................................... 121
3.5. Pré structuration du protocole expérimental (mode opératoire) ....... 122
3.5.1 Pré structuration des étapes et des actions .............................................. 122
3.5.2 Pré structuration des paramètres d’action ............................................... 125
3.5.3 Pré structuration des justifications de choix de paramètres ............. 128
3.6. Trois types de pré structuration du protocole ............................................. 129
3.6.1 N1 : étapes imposées et actions libres ......................................................... 129
3.6.2 N2 : étapes imposées, actions pré structurées et justifications libres
129
3.6.3 N3 : étapes imposées, actions et justifications pré structurées ....... 129
3.6.4 Trois situations proposées aux élèves ......................................................... 130
4. Conclusions et discussion ................................................................................................ 130
Chapitre 8 : Plan expérimental de la première expérimentation : mise à l’épreuve
des trois types de pré structuration .......................................................................................... 135
1. Questions de recherche .................................................................................................... 135
2. Méthodologie ........................................................................................................................ 136
2.1. Plan expérimental ..................................................................................................... 136
2.2. Elaboration du test ................................................................................................... 138
2.2.1 Méthodologie .......................................................................................................... 138
2.2.2 Résultat ..................................................................................................................... 139
2.3. Recueil de données ................................................................................................... 142
2.3.1 Corpus de données ............................................................................................... 142
2.3.2 Données prévisionnelles ................................................................................... 142
2.3.3 Données recueillies .............................................................................................. 144
2.4. Méthode d’analyse des données ......................................................................... 145
2.4.1 Méthode d’analyse des questions 1 et 2 du test ...................................... 145
2.4.2 Calcul des scores d’apprentissage ................................................................. 148
2.4.3 Méthode d’analyse des protocoles ................................................................ 151
Chapitre 9 : Résultats de la première expérimentation .................................................... 157
1. Evolution des représentations des élèves sur le métabolisme et la
fermentation alcoolique ............................................................................................................. 158
1.1. Evolution des représentations des élèves sur le métabolisme cellulaire
(Question 1 du test) ................................................................................................................ 159
1.1.1 Résultats : représentations initiales (pré test) ........................................ 159
1.1.2 Résultats : représentations après la mise en situation (post test 1)
164

6
Table des matières
1.1.3 Analyse comparative des représentations entre pré test et post-test
1 168
1.2. Evolution des représentations des élèves sur la fermentation
alcoolique (Question 2 du test) ......................................................................................... 172
1.2.1 Résultats : représentations initiales (pré test) ........................................ 172
1.2.2 Résultats : représentations après la mise en situation (post test 1)
177
1.2.3 Analyse comparative des représentations des élèves entre le pré test
et le post test 1 ..................................................................................................................... 180
1.3. Conclusions .................................................................................................................. 184
2. Evolution des apprentissages ........................................................................................ 186
2.1. Résultats : scores globaux ..................................................................................... 186
2.1.1 Résultats : scores du pré test .......................................................................... 186
2.1.2 Résultats : scores du post test 1 ..................................................................... 189
2.1.3 Evolution des scores entre le pré test et le post test 1 ........................ 190
2.1.4 Résultats : Evolution des scores entre le pré test et les deux post
tests 192
2.2. Résultats : scores pour le concept de mise en anaérobie ........................ 193
2.3. Résultats : scores selon les types de pré structuration ............................ 198
2.4. Conclusions .................................................................................................................. 200
3. Analyse des protocoles ..................................................................................................... 201
3.1. Résultats : Communicabilité des protocoles ................................................. 201
3.1.1 Communicabilité : présence d’action dans les étapes fournies
(complétude) ........................................................................................................................ 202
3.1.2 Communicabilité : « nature » des actions non pré structurées ........ 204
3.1.3 Communicabilité : paramétrage des actions ............................................ 205
3.1.4 Communicabilité : autres types d’informations données dans les
actions « libres » .................................................................................................................. 206
3.1.5 Communicabilité : utilisation des propositions de pré structuration
(étapes, actions, et justifications) ................................................................................ 207
3.2. Résultats : pertinence des protocoles .............................................................. 212
3.2.1 Pertinence des actions proposées ................................................................ 212
3.2.2 Pertinence de la valeur du paramètre ......................................................... 214
3.2.3 Pertinence des justifications ........................................................................... 221
3.3. Conclusions .................................................................................................................. 221
4. Conclusions de l’expérimentation ............................................................................... 222
Chapitre 10 : 2ème expérimentation sur la pré structuration des actions ................. 227

7
Table des matières
1. Questions de recherche .................................................................................................... 227
2. Pré structurations proposées ........................................................................................ 228
2.1. Modifications de la situation ................................................................................ 228
2.1.1 Modification du rapport expérimental avec l’outil Copex .................. 228
2.1.2 Modifications du document ressource n°1 : « la fabrication de la
bière » 228
2.2. Modifications de la pré structuration des actions ....................................... 229
3. Compléments méthodologiques ................................................................................... 232
3.1. Plan expérimental ..................................................................................................... 232
3.2. Corpus de données .................................................................................................... 232
3.3. Méthode d’analyse des résultats ......................................................................... 232
4. Analyse des résultats ......................................................................................................... 236
4.1. Résultats : Communicabilité ................................................................................. 236
4.1.1 Communicabilité : présence d’actions dans les étapes fournies
(complétude) ......................................................................................................................... 236
4.1.2 Communicabilité : utilisation des actions pré structurées proposées.
238
4.1.3 Communicabilité : « nature » des actions non pré structurées ........ 238
4.2. Résultats : pertinence des actions ...................................................................... 241
4.2.1 Pertinence des actions proposées ................................................................. 241
4.2.2 Pertinence des valeurs de paramètres ........................................................ 245
5. Conclusions ............................................................................................................................ 247
Chapitre 11 : Préconisations pour le diagnostic et propositions de rétroactions . 249
1. Questions de recherche .................................................................................................... 249
2. Méthodologie ........................................................................................................................ 250
2.1. Méthodologie de modélisation de praxéologies personnelles a priori de
la situation ................................................................................................................................... 251
2.2. Méthodologie pour l’enrichissement des praxéologies personnelles a
priori à partir des productions des élèves ..................................................................... 254
2.3. Méthodologie pour la proposition de rétroactions .................................... 255
3. Résultats : modélisation des praxéologies personnelles et propositions de
rétroactions ..................................................................................................................................... 258
3.1. Résultats : Modélisation des praxéologies personnelles a priori de la
situation ....................................................................................................................................... 258
3.2. Résultats : praxéologies personnelles dans les protocoles des élèves
262

8
3.2.1 Modélisation des praxéologies personnelles dans les protocoles des
élèves 262
3.2.2 Enrichissement des praxéologies personnelles a priori ..................... 266
3.3. Proposition de rétroactions.................................................................................. 268
4. Conclusions et perspectives ........................................................................................... 274
Conclusions et perspectives.......................................................................................................... 277
1. La modélisation praxéologique des connaissances en jeu et la prise en
compte des difficultés identifiées a priori des élèves ................................................... 277
2. Les étayages fixes proposés dans LabBook et leur impact sur les
apprentissages conceptuels ..................................................................................................... 278
3. Les étayages fixes proposés dans LabBook et leur impact sur la
formalisation des protocoles par les élèves ...................................................................... 280
4. L’identification de difficultés tenaces et la proposition d’étayages adaptatifs
280
Références bibliographiques ........................................................................................................ 283
Annexes ................................................................................................................................................. 293
Annexe 1 : analyse écologique des programmes ............................................................ 293
Annexe 2 : extraits des manuels de terminale scientifique de spécialité SVT ... 296
Annexe 3 : documents ressource ........................................................................................... 299
Annexe 4 : test de connaissances ........................................................................................... 302
Annexe 5 : extraits de protocoles d’élèves produits lors de la première
expérimentation ............................................................................................................................ 305
Table des figures ................................................................................................................................ 309
Table des tableaux ............................................................................................................................ 313

9