Table Of ContentEtude des raisonnements d’étudiants sur la mesure en
TP de physique de première année universitaire:
Influence du contexte et effet de rétroaction
Clément Maisch
To cite this version:
Clément Maisch. Etude des raisonnements d’étudiants sur la mesure en TP de physique de première
année universitaire: Influence du contexte et effet de rétroaction. Education. Université de Grenoble,
2010. Français. NNT: . tel-00469464
HAL Id: tel-00469464
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UNIVERSITE DE GRENOBLE
Ecole Doctorale Ingénierie pour la Santé, la Cognition et l’Environnement
Thèse de Doctorat
Spécialité
Ingénierie de la Cognition, de l’Interaction, de l’Apprentissage et de la Création
présentée par
Clément MAISCH
Etude des raisonnements d’étudiants sur la mesure
en TP de physique de première année universitaire :
Influence du contexte et Effet de rétroaction
Thèse dirigée par :
Nicolas BALACHEFF, CNRS, directeur
Muriel NEY, CNRS, co-directrice
Présentée et soutenue publiquement le mercredi 10 février 2010 devant le jury composé de :
Rapporteurs :
Mme. Angelique DIMITRACOPOULOU, University of the Aegean, Grèce
M. Ludovic MORGE, Université Blaise Pascal, Clermont II,
IUFM d’Auvergne
Examinateurs :
Mme. Claudine KAHANE, Université Joseph Fourier-Grenoble 1
M. Wouter Van JOOLINGEN University of Twente, Pays-Bas
M. Nicolas BALACHEFF CNRS
Mme. Muriel NEY CNRS
Invités :
M. Jean-Louis LEVIEL Université Joseph Fourier-Grenoble 1
Laboratoire d'Informatique de Grenoble (LIG)
Remerciements à ...
... Aux membres de mon jury d’avoir bien voulu passer du temps sur ce travail et me fournir
des analyses critiques, m’ouvrant de nouveaux champs de réflexions.
... Muriel Ney, pour sa présence depuis mon stage de master 2 jusqu’à maintenant, que ce soit
dans les coups durs ou les moments de découvertes.
... Nicolas Balacheff, pour ses commentaires et ses analyses de mes productions pas toujours
très lisibles.
... L’équipe enseignante des TP de physiques de l’UE PHY110 de l’UJF pour m’avoir
accueillis pour effectuer mes expérimentations ainsi que pour leur retour sur cette expérience.
... Ton de Jong et Wouter van Joolingen avec qui j’ai pu construire une autre vision de mes
recherches et définir mes expérimentations et mon analyse des données. Je remercie aussi
toute l’équipe du département Instructional Technology de l’université de Twente pour son
accueil.
… Toute l’équipe MeTah avec qui j’ai passé ces 4 ans, pour leurs discussions longues et
fructueuses, leurs retours, leur bonne humeur et surtout pour leur soutient durant tout ce
temps.
... A Sarah Goury qui, lors de son mémoire de Master 2, a pu explorer plus en avant une partie
de mes données. Et à Baptiste Mertens, qui a bien voulu me prêter un peu de son temps pour
tester mon système classification.
... A famille pour avoir supporter mes coups de nerfs, d’angoisse, de joie lors de toute cette
aventure (surtout à toi, maman, pour avoir relu avec patience mes différents documents).
... A tout mes amis, qui de près (voir de très près) ou de loin m’ont permis d’achever ce
travail, que ce soit en s’impliquant directement dans le sujet ou juste en me permettant de me
reposer.
1
2
Table des matières
Remerciements......................................................................................................1
Table des matières ................................................................................................3
Préambule ..............................................................................................................9
A. INTRODUCTION.................................................................................................10
B. CADRE THEORIQUE ET ETAT DE L’ART.............................................................14
B.1. Métrologie, science de la mesure, savoir expert................................................14
B.1.1. Généralité sur la mesure.......................................................................................14
B.1.2. Un savoir expert : la métrologie...........................................................................15
B.1.2.1. Vue globale de la métrologie..........................................................................16
B.1.2.2. Définition du vocabulaire................................................................................16
B.1.2.3. Deux approches de la mesure dans le cadre métrologique............................17
B.1.2.3.a. L’approche « erreur »................................................................................17
B.1.2.3.b. L’approche « incertitude »........................................................................17
B.1.2.4. Deux thèmes de la métrologie.........................................................................18
B.1.2.4.a. L’étude des unités et des étalons...............................................................18
B.1.2.4.b. La méthode du Guide de l’expression de l’Incertitude d’une Mesure
(GUM)........................................................................................................................19
B.2. Enseignement et apprentissage de la mesure, les raisonnements des
étudiants............................................................................................................................20
B.2.1. L’enseignement de la mesure...............................................................................20
B.2.1.1. Une histoire du mesurage dans l’enseignement dans les Travaux Pratiques
de physique depuis un siècle.........................................................................................20
B.2.1.2. L’enseignement de la mesure dans le bulletin officiel....................................22
B.2.2. Les raisonnements communs................................................................................24
B.2.3. Les thèmes de la recherche sur l’enseignement de la mesure...............................25
B.2.3.1. La mesure comme activité transversale aux sciences : son rôle dans
la vision de la Nature des Sciences...............................................................................26
B.2.3.2. Problèmes des étudiants dans l’apprentissage de la mesure..........................27
B.2.3.2.a. Problèmes généraux..................................................................................27
B.2.3.2.b. Mesurage et vocabulaire...........................................................................28
B.2.3.2.c. Raisonnements des étudiants à propos de la mesure.................................28
B.2.3.3. Besoin de placer les étudiants dans un cadre probabiliste.............................29
B.2.4. Conclusion sur les études portant sur l’enseignement de la mesure.....................31
B.3. Théorie des situations didactiques et élaboration de protocoles.....................32
B.3.1. La théorie des situations didactiques et les rétroactions.......................................32
B.3.1.1. Théorie des situations didactiques dans l’enseignement de la mesure...........32
B.3.1.2. Rétroactions....................................................................................................34
B.3.2. Elaboration de protocoles et un outil d’aide à l’élaboration.................................36
B.3.2.1. Utilité des situations d’enseignement en laboratoire par rapport
aux situations en salle de TD........................................................................................36
3
B.3.2.2. L’élaboration de protocoles expérimentaux...................................................38
B.4. Conclusion de l’état de l’art....................................................................................41
C. PREMIERE EXPERIMENTATION : cohérence des
raisonnements des étudiants par rapport à l’acte de mesurage
dans différents contextes..............................................................................................43
C.1. Problématique..........................................................................................................43
C.2. Questions..................................................................................................................43
C.3. Méthodologie d’expérimentation..............................................................................44
C.3.1. Justification de la méthodologie et description de l’expérimentation..................44
C.3.2. Echantillon d’étudiants.........................................................................................45
C.3.3. Conditions expérimentales....................................................................................45
C.3.3.1. Organisation temporelle.................................................................................45
C.3.3.2. Types de données recueillies...........................................................................45
C.3.4. Description de l’expérimentation..........................................................................46
C.3.4.1. Objectif............................................................................................................46
C.3.4.2. Description......................................................................................................47
C.3.5. Méthodologie d’analyse........................................................................................49
C.4. Analyse apriori.........................................................................................................51
C.4.1. Variables de la situation........................................................................................51
C.4.1.1. Formes des situations......................................................................................51
C.4.1.2. Destinataire du protocole...............................................................................53
C.4.2. Les variables didactiques du TP d’optique...........................................................53
C.4.3. Deux contextes différents.....................................................................................59
C.4.4. Protocoles à exécuter dans la situation d’évaluation............................................59
C.5. Résultats........................................................................................................60
C.5.1. Raisonnements des étudiants dans les trois situations..........................................60
C.5.2. Indépendance des raisonnements selon les situations...........................................61
C.6. Discussion.....................................................................................................62
C.6.1. P, M, S : un modèle suffisant pour classer les raisonnements ?...........................62
C.6.2. Différents raisonnements dans différentes situations...........................................63
C.6.3. Dépendance des raisonnements............................................................................64
D. DEUXIEME EXPERIMENTATION : influence de l’introduction
de rétroactions facilitatrices pour améliorer les raisonnements
des étudiants .........................................................................................................66
D.1. Problématique ...............................................................................................66
D.2. Questions.......................................................................................................67
D.3. Méthodologie.................................................................................................68
D.3.1. Organisation de la collecte des données ..............................................................69
4
D.3.1.1. Echantillon d’étudiants...................................................................................69
D.3.1.2. Organisation temporelle.................................................................................70
D.3.1.3. Types de données recueillies...........................................................................70
D.3.2. Description de l’expérimentation.........................................................................70
D.3.2.1. Questionnaire (T0)..........................................................................................70
D.3.2.2. Protocole d’optique (T1, T2)..........................................................................71
D.3.2.3. Protocole de mécanique (T3).........................................................................74
D.3.3. COPEX dans l’expérimentation...........................................................................74
D.3.3.1. Missions dans les deux cas.............................................................................75
D.3.3.2. Espace « Exploration »..................................................................................76
D.3.3.3. Espace « Résultats ».......................................................................................72
D.3.3.4. Espace « Elaboration » de protocole.............................................................78
D.3.4. Méthodologie d’analyse.......................................................................................79
D.3.4.1. Modèle de raisonnement et méthodologie de classement...............................81
D.3.4.2. Analyse de l’expérimentation..........................................................................83
D.3.4.3. Raisonnements dans les protocoles................................................................84
D.3.4.3.a. Utilisation des raisonnements en fonction des groupes,
des situations et des étapes du protocole....................................................................84
D.3.4.3.b. Analyse par score......................................................................................85
D.3.4.3.c. Analyse par score en fonction des étapes..................................................85
D.3.4.3.d. Recherche des actions classées comme Ensemble-Bayésien....................86
D.4. Analyse apriori...............................................................................................86
D.4.1. Connaissances requises.........................................................................................86
D.4.2. Domaines..............................................................................................................86
D.4.2.1. Expérience d’optiques.....................................................................................86
D.4.2.2. Expérience de mécanique...............................................................................91
D.4.2.3. Des domaines différents, un acte de mesurage similaire ...............................93
D.4.3. Rétroactions..........................................................................................................96
D.4.3.1. Liste d’indices et de masses volumiques.........................................................96
D.4.3.2. Liste de résultats.............................................................................................97
D.4.3.3. Un protocole de qualité moyenne...................................................................98
D.4.4. Stratégies attendues..............................................................................................100
D.4.4.1. Evolution des stratégies du groupe ne recevant pas de
rétroaction spécifique...................................................................................................100
D.4.4.2. Evolution des stratégies du groupe recevant une liste de résultat.................100
D.4.4.3. Evolution des stratégies du groupe recevant un protocole de type
Mixte-Approché............................................................................................................101
D.5. Résultats........................................................................................................101
D.5.1. Résultats bruts.......................................................................................................101
D.5.1.1. Raisonnements utilisés par les étudiants dans cette expérimentation............101
D.5.1.2. Raisonnements utilisés par les trois groupes selon les situations..................102
D.5.1.3. Raisonnements utilisés dans les 7 étapes........................................................103
D.5.1.3.a. Sur l’ensemble des situations....................................................................103
D.5.1.3.b. Selon les 3 situations.................................................................................104
D.5.2. Scores ...................................................................................................................105
D.5.2.1. Evolution du score des trois groupes en fonction des différentes
Situations......................................................................................................................105
D.5.2.1.a. Evolution des scores au long des trois situations......................................105
5
D.5.2.1.b. Test de Kruskal-Wallis sur les scores ......................................................106
D.5.2.2. Evolution des variations des scores des trois groupes entre les trois
Situations......................................................................................................................107
D.5.3. Scores en fonction des étapes ..............................................................................107
D.5.3.1. Etapes 1 et 3 : principe et schématisation de l’expérimentation....................108
D.5.3.2. Etapes 2 et 7 : choix du matériel, interprétation du résultat et
prise de décision...........................................................................................................108
D.5.3.2.a. Etape 2 ......................................................................................................108
D.5.3.2.b. Etape 7......................................................................................................110
D.5.3.3. Etapes 4, 5 et 6 : réglage des instruments, recueil et analyse
des données...................................................................................................................111
D.5.3.3.a. Etape 4.......................................................................................................111
D.5.3.3.b. Etape 5......................................................................................................112
D.5.3.3.c. Etape 6 ......................................................................................................115
D.5.4. La classification Ensemble-Bayésien ..................................................................117
D.6. Discussion.....................................................................................................117
D.6.1. Les raisonnements des étudiants dans l’expérimentation ....................................117
D.6.1.1. Les raisonnements et les groupes .................................................................117
D.6.1.2. Les raisonnements et les étapes......................................................................118
D.6.1.2.a. Trois groupes d’étapes..............................................................................119
D.6.1.2.b. Scoring des étapes.....................................................................................120
D.6.1.3. Les raisonnements et les thèmes.....................................................................120
D.6.1.3.a. Dépendance entre les scores et les thèmes................................................121
D.6.1.3.b. Thèmes majeurs........................................................................................121
D.6.2. Les outils de diagnostic .......................................................................................122
D.6.2.1. Le modèle des raisonnements.........................................................................122
D.6.2.2. Les situations..................................................................................................123
D.6.2.2.a. Du point de vue de la méthodologie ........................................................123
D.6.2.2.b. Spécificités des situations ........................................................................123
D.6.3. Des rétroactions pour faire évoluer les raisonnements.........................................124
D.6.3.1. Impact sur les raisonnements dans l’expérimentation...................................124
D.6.3.2. Effet du contenu des rétroactions ..................................................................125
D.6.3.2.a. Selon leur forme........................................................................................125
D.6.3.2.b. Effet sur les thèmes utilisés.......................................................................125
D.6.3.3. Timing des rétroactions..................................................................................126
D.6.3.4. Caractérisation des rétroactions utilisées......................................................126
E. CONCLUSION....................................................................................................129
E.1. Résultats........................................................................................................129
E.1.1. Différents raisonnements selon le contexte..........................................................129
E.1.2. Effet des rétroactions............................................................................................130
E.1.3. L’élaboration d’un protocole de mesurage...........................................................130
E.1.3.1. Les étapes........................................................................................................130
E.1.3.2. Les thèmes ......................................................................................................131
E.1.4. Le raisonnement Ensemble-Bayésien...................................................................132
E.2. Comparaison entre la première et la seconde expérimentation...................132
6
E.3. Validité de l’outil de diagnostic.......................................................................133
E.4. Influence des variables didactiques utilisées dans les rétroactions...............134
E.5. Perspectives..................................................................................................134
F. BIBLIOGRAPHIE................................................................................................137
G. ANNEXES
.................................................................................................................................141
G.1. Annexe 1 : Vocabulaire métrologique (JCGM-VIM, 2008)...........................141
G.2. Annexe 2 : Première expérimentation...........................................................143
G.2.1. Situation Q : questionnaire...................................................................................143
G.2.2. Situation D et E.....................................................................................................148
G.2.2.1. Situation D : élaboration de protocole...........................................................153
G.2.2.2. Situation E : exécution et évaluation .............................................................158
G.2.3. Protocole introduit pour la situation E, l’Evaluation............................................163
G.2.3.1. Protocole relatif au raisonnement « Point »..................................................163
G.2.3.2. Protocole relatif au raisonnement « Mixte »..................................................164
G.2.3.3. Protocole relatif au raisonnement « Set » ................................................166
G.2.4. Les schèmes de codages dans la situation Q .......................................................169
G.2.4.1. Pour la question RD ......................................................................................169
G.3. Annexe 3 : Deuxième Expérimentation.........................................................174
G.3.1. la situation T0 ......................................................................................................174
G.3.2. Exemple de grille d’analyse ................................................................................184
G.3.3. Rétroaction pour le groupe C : Un protocole insuffisant suivant un
raisonnement Mixte-Approché........................................................................................190
7
Description:année universitaire: Influence du contexte et effet de rétroaction. Education La méthode du Guide de l'expression de l'Incertitude d'une Mesure.
