   
Nous avons choisi, pour ce travail, les concepts de chaleur et de température puisqu'ils sont intimement liés et qu'ils sont toujours présentés ensemble aux apprenants. De plus, ils semblent causer de nombreuses difficultés aux élèves. En effet, plusieurs études portant sur les conceptions des élèves sur la chaleur et la température montrent que la majorité d'entre eux ne maîtrise pas ces concepts même après avoir reçu un enseignement formel sur le sujet. Nous avons choisi de nous attarder aux conceptions initiales des élèves concernant ces concepts puisque c'est ce qui semble être la cause des difficultés réelles lors de l'apprentissage en classe. De plus, en connaissant ces difficultés, il est plus facile pour l'enseignant de bâtir un enseignement sur mesure qui correspondra davantage aux besoins des élèves. Notons aussi que ces concepts reviennent constamment dans les cours de sciences au secondaire et même ultérieurement dans les cours de sciences au collège et à l'université, c'est pourquoi il est primordial qu'ils soient maîtrisés. Une multitude d'études ont été menées en rapport avec les difficultés d'apprentissage reliées à la chaleur et à la température. La plupart de ces études ont été faites sur des élèves d'environ douze ans, car, à cet âge, ils n'ont pas encore eu d'enseignement formel à ce sujet. Il est donc plus facile de déceler leurs conceptions initiales. Toutes les études dont nous avons pris connaissance vont dans la même direction ; elles semblent toutes énoncer le fait que ces concepts sont la source de nombreuses difficultés chez les élèves. Premièrement, un des points fréquemment soulevé est que les jeunes semblent mal distinguer la chaleur et la température (Kesidou, S et Duit, R., p. 89). De plus, selon les élèves, « la température est une propriété de la matière dont est constitué le corps et c'est une mesure de la chaleur » (traduction libre, Thomaz, M.F. et al., p. 20.). Kesidou et Duit vont dans le même sens en disant que 53 % de leurs répondants mentionnent que la température mesure ou quantifie la chaleur. D'autre part, plusieurs élèves voient la chaleur et le froid comme des entités totalement distinctes. Certains pensent même que le « froid » est plus puissant et qu'il se déplace plus rapidement que le « chaud » et que la « chaleur chaude » et la « chaleur froide » n'ont pas le même aspect (traduction libre, Erickson, G.L., p. 225). De plus, de nombreux élèves croient que la chaleur se déplace à travers toutes les substances (Erickson, G.L, p. 225). Certains pensent plutôt que c'est la température qui passe d'un corps à un autre et que la quantité de température transportée est indiquée par les degrés (Kesidou, S. et Duit, R., p. 92). Également, plusieurs apprenants pensent que les différentes sensations sont reliées à des températures différentes (Thomaz, M.F. et al., p. 20). Aussi, ils ont beaucoup de difficulté à accepter le fait que deux objets placés longtemps dans le même environnement aient la même température. Ils croient plutôt que la température d'un objet est une caractéristique de la matière dont est constitué l'objet (Thomaz, M.F., p. 21). De plus, la plupart des jeunes croient que la température indique le degré de chaleur d'un objet. Effectivement, lorsqu'on leur présente deux objets de même température, ils ont tendance à croire qu'ils possèdent la même quantité de chaleur (Kesidou, S. et Duit, R., p. 91). Notons aussi que certains croient que lorsqu'on mélange la même quantité d'une même substance à deux températures différentes, la température finale du mélange sera égale à la somme des deux températures initiales (Erickson, G.L., p. 227). Finalement, les apprenants confondent la chaleur avec l'énergie interne d'un corps (Harrison, A.G. et al., p. 55). Tout compte fait, il est clair que les problèmes de compréhension des élèves au sujet de la chaleur et de la température sont nombreux. Notons que nous avons fait ici un bref survol des difficultés éprouvées par les apprenants en présentant les conceptions les plus fréquentes et les plus importantes. Il en existe bien sûr beaucoup d'autres. Nous trouvons dans de nombreux ouvrages des définitions et explications sur la chaleur et la température. Les définitions sont présentées sous différents niveaux discursifs et les explications sont données sous des degrés de complexités variables selon la source utilisée. Le savoir officiel est présenté de plusieurs façons au secondaire. Par exemple, en 2e secondaire, la chaleur, aussi appelée énergie thermique, est la mesure de l'énergie transférée d'un corps à un autre. La température, quant à elle, est la mesure de l'intensité de la chaleur contenue dans les particules d'un corps. Elle est donc associée au degré d'agitation des particules. Pour ce qui est de la variation de la température, elle est présentée comme étant un effet observable d'un transfert de chaleur (Quessy, N. et Shepper, C., 1996). Ensuite, en 4e secondaire, on voit ces concepts sous la forme suivante : La chaleur est une forme d'énergie. Cette énergie s'installe dans la matière sous forme de mouvement (agitation) des particules. Plus on ajoute de chaleur à la matière, plus les particules s'agitent. [...] L'ajout de chaleur à un corps est donc perceptible par une augmentation de sa température. La perte de chaleur d'un corps est perceptible par une diminution de sa température. [...] Il devient évident que la chaleur est différente de la température. En effet, une même quantité de chaleur engendre des variations de température inégales pour différentes situations. [...] La quantité de chaleur absorbée ou transmise par une substance est proportionnelle à la variation de sa température. (Daigle, L., p. 115, 116, 117.) Le savoir officiel peut être présenté de façon plus complexe que ce qui est vu au secondaire. Par exemple, à l'université, dans le cadre d'un cours de thermodynamique et cinétique, on présente les concepts de chaleur et de température aux étudiants de la façon suivante : En termes moléculaires, la chaleur est la forme de transfert d'énergie qui utilise un mouvement moléculaire désordonné. Le mouvement désordonné des molécules est appelé agitation thermique. [...] Quand l'énergie d'un système change du fait d'une différence de température entre le système et son environnement, on dit qu'il y a eu transfert d'énergie sous forme de chaleur. [...] Le concept de température découle de l'observation qu'une variation d'état physique (une variation de volume, par exemple) peut intervenir lorsque deux objets sont en contact (un métal chauffé au rouge plongé dans l'eau, par exemple). [...] On peut expliquer cette variation par l'existence d'un flux d'énergie sous forme de chaleur d'un objet à l'autre. La température, T, est la propriété qui régit le sens du flux d'énergie. [...] L'énergie circule sous forme de chaleur d'une zone de haute température vers une zone de température inférieure si les deux zones sont séparées par une cloison diathermique [...]. Si les deux zones ont une température identique, il n'y a pas de transfert global d'énergie sous forme de chaleur [...]. Cette dernière condition correspond à l'équilibre thermique entre deux zones. (Atkins, P.W., p. 16, 17, 46, 47.)Une autre façon de présenter la chaleur et la température est celle des scientifiques. Ces derniers disent : « la chaleur est vue comme un processus dans lequel l'énergie est transférée à cause des différences de température. La température est reliée à l'état d'une substance en terme de vitesse moyenne à laquelle se déplacent ses molécules » (traduction libre, Hausfather, S.J., p. 22). Nous sommes donc en présence de plusieurs niveaux de complexité différents pour représenter les mêmes concepts. Il serait possible de les représenter encore par d'autres façons, mais nous croyons que ces exemples suffisent à cerner ce que le savoir officiel dit au sujet de la chaleur et de la température. Choix de l'instrument de cueillette de données Nous avons opté pour le questionnaire, qui est un instrument de cueillette de données. Il est très utile pour recueillir plusieurs informations en peu de temps sur un sujet donné ou sur les idées, les opinions et les conceptions des gens. Contrairement à l'entrevue, les sujets risquent peu d'être influencés par les réactions de l'interviewer face à leurs réponses puisqu'ils répondent à un questionnaire de façon individuelle. Nous avons donc choisi ce moyen puisque cela permet de rejoindre un grand nombre d'élèves, ce qui correspond à un bon échantillon pour une étude. Il est ainsi possible de faire ressortir les idées les plus courantes et de réduire la marge d'erreur.Choix des sujets Nous avons fait passer le questionnaire dans deux classes de niveaux différents. Premièrement, le questionnaire a été rempli par 25 élèves, filles et garçons, de première secondaire de l'école secondaire De Rochebelle (groupe régulier). Ces élèves sont en moyenne âgés de 12 et 13 ans. Ils n'ont jamais eu d'enseignement formel concernant la matière traitée dans le questionnaire. Deuxièmement, ce sont des élèves de niveau collégial qui ont rempli le questionnaire. La classe était constituée de 26 élèves qui étaient, pour la plupart, en première année et étaient âgés de 17 à 23 ans. Le questionnaire a été passé dans un cours de chimie générale puisque les répondants étudient en sciences pures. Ce sont donc des élèves qui ont déjà eu des cours sur la matière contenue dans le questionnaire. Nous avons d'abord décidé de faire l'étude avec un groupe de première secondaire puisque cela nous permettait de vérifier leurs conceptions initiales étant donné qu'ils n'ont jamais reçu d'enseignement formel sur le sujet. C'est afin de vérifier si les conceptions sont modifiées totalement, en partie ou pas du tout après un enseignement que nous avons choisi de faire l'étude sur des élèves en sciences de niveau collégial. Il nous est alors possible de comparer les deux groupes à l'aide de leurs réponses au questionnaire.Déroulement de la passation du questionnaire et description de la technique d'investigation Dans les deux classes, le déroulement de l'activité a été le même. Nous nous sommes d'abord présentées aux élèves. Nous leur avons ensuite expliqué les consignes à voix haute puis nous avons distribué une copie du questionnaire à chaque élève. Pour les trois premières questions, nous avons mis des dessins au tableau. Ces dessins représentaient la situation de chacun des problèmes. Ils ont eu entre dix et quinze minutes pour répondre au questionnaire. Notons que tous les élèves ont eu amplement de temps pour terminer de le remplir. Pour la classe de première secondaire, nous avons passé le questionnaire un mardi matin (9h00) dans un cours d'écologie. Pour ce qui est de la classe de niveau collégial, nous avons passé le questionnaire un lundi avant-midi (11h00) lors d'une période consacrée à des exercices individuels. Nous avons choisi deux périodes en avant-midi puisque les jeunes sont souvent plus alertes qu'en après-midi et parce que ces périodes convenaient aux enseignants de ces classes.Afin de prendre connaissance des conceptions des élèves, pour chaque groupe, nous avons d'abord lu toutes les réponses à une question donnée afin d'avoir une vision d'ensemble. Nous avons ensuite regroupé les copies de façon à mettre celles ayant des réponses semblables ensemble. Nous avons pris toutes ces réponses et les avons synthétisées en un énoncé global. Nous avons ensuite calculé le nombre de répondants ayant fourni des réponses similaires à une même question puis nous avons transféré ce nombre sous forme de pourcentage afin d'en connaître l'importance relative. Lorsque les sujets répondaient à la question en la répétant sous une forme affirmative, nous considérions que cela était équivalent à ne pas répondre à la question. Par exemple, lorsque, à la question 1 (voir le questionnaire en annexe), nous obtenions une explication telle « Il prend plus de temps à fondre un gros cube qu'un petit cube », nous n'en tenions pas compte. Nous avons ensuite résumé les réponses et les explications obtenues dans des tableaux synthèses. Une fois ces étapes effectuées dans les deux groupes, nous avons comparé les résultats afin de vérifier ce qui était similaire et ce qui était différent selon le niveau de scolarisation des répondants. Tableau 1 Catégorisation des citations des élèves de première secondaire selon les questions posées dans le questionnaire.
Tableau 5 Comparaison entre les réponses données par les élèves de niveau collégial et le savoir officiel.
Cohérence interne des résultats Tout d'abord, évaluons la cohérence intra-sujet des résultats. Nous remarquons que la grande majorité des répondants étaient cohérents en ce sens qu'ils ont répondu avec sérieux au questionnaire. Pour la plupart, les élèves ne donnaient pas des réponses contradictoires d'une question à l'autre du questionnaire. Toutefois, certains élèves, surtout au secondaire, n'ont pas fourni d'explications à leurs réponses tel que demandé. Dans les deux groupes, il nous a été possible d'identifier un seul élève qui semble ne pas avoir répondu avec sérieux. Nous pouvons donc affirmer qu'il y a cohérence intra-sujet. Ensuite, regardons ce qu'il en est pour la cohérence intra-groupe des résultats. Nous pouvons remarquer qu'il y a certaines tendances qui se dessinent à travers chacun des deux groupes. Pour le groupe du secondaire, nous voyons qu'il y a une forte tendance à la question 1 puisque 84 % des élèves ont donné une réponse identique. De plus, toujours pour la question 1, un peu plus de la moitié d'entre eux ont fourni la même explication. D'autres tendances se remarquent, mais elles sont moins évidentes. En effet, pour les questions 2, 3, 4 et 5, l'éventail des réponses est très large. Cependant, à la question 4, nous remarquons que 28 % des élèves tendent à dire que la chaleur se définit comme étant de l'air chaud. Également, à la cinquième question, 24 % des répondants définissent la température comme un degré de chaleur ou de « froideur ». Nous pouvons donc dire qu'il y a une cohérence des résultats intra-groupe bien qu'elle soit moins marquée que celle intra-sujet puisque l'éventail des réponses est grand. Finalement, en ce qui concerne la cohérence inter-groupe, nous voyons que selon la question posée, les deux groupes répondent dans le même sens ou en sens contraire. Par exemple, à la question 1 (choix de réponse), presque tous les élèves de chacun des deux groupes ont fait le même choix. Cependant, à la question 5, par exemple, aucun élève de première secondaire n'a donné une définition acceptable de la température alors que près de 30 % des élèves du collégial l'ont fait. Nous croyons que ces résultats sont cohérents même s'ils ne vont pas dans le même sens puisqu'un des deux groupes a reçu un enseignement formel et l'autre pas. Il est donc normal que certaines réponses varient. Notons une particularité : les élèves de première secondaire ont mieux réussi que ceux du collégial pour ce qui est de fournir une explication à la question 1, malgré le fait qu'ils n'aient reçu aucun enseignement formel.Comparaison avec des recherches similaires Tel que nous pouvons le constater dans le tableau 3 qui se trouve à la section présentation synthétique des résultats, les résultats de notre étude sont tout à fait cohérents avec les résultats des recherches similaires que nous avons consultées. En effet, presque toutes les difficultés soulevées dans ces études sont également apparues dans notre recherche. Grâce à un simple questionnaire de cinq questions, il nous a été possible de retracer pratiquement toutes les conceptions des élèves énoncées dans la littérature.Comparaison avec le savoir officiel Comme nous pouvons le voir dans les tableaux 4 et 5, la correspondance entre les réponses des élèves et le savoir officiel n'est pas la même selon le groupe et les questions posées. Tout d'abord, en ce qui concerne le secondaire, nous constatons différents niveaux de correspondance. Pour ce qui est de la question 1, la majorité des réponses sont en accord avec le savoir officiel et il en est de même pour environ la moitié des explications données. Pour les questions 2 et 3, environ le tiers des répondants ont choisi la bonne réponse et peu ont donné la bonne explication. Pour ce qui est des questions 4 et 5, nous voyons qu'aucun des répondants n'a émis une définition correspondant au savoir officiel. Ensuite, en ce qui concerne le groupe de niveau collégial, nous constatons que les réponses ne correspondent pas toujours au savoir officiel bien que les élèves aient eu un enseignement formel au sujet des concepts de chaleur et de température. En effet, pour ce qui est des questions 1 et 2, une forte proportion de répondants a choisi la bonne réponse. Cependant, la proportion est plus faible pour les explications de ces réponses. Pour la question 3, environ le tiers des élèves ont choisi la réponse correspondant au savoir officiel et un peu moins du tiers ont donné une explication conforme à ce savoir. Quant à la question 4, nous voyons que seulement 4 % (1 seule personne) a fourni une définition correspondant au savoir officiel en ce qui concerne la chaleur alors que ce pourcentage grimpe à près de 27 % (7 personnes) pour la définition de la température (question 5). Notons que même si les élèves de niveau collégial ont reçu un enseignement formel quant aux concepts de chaleur et de température, il est arrivé que le nombre d'élèves répondant correctement à une question ait été plus élevé pour le groupe du secondaire. Par exemple, 52 % des élèves de première secondaire ont donné une réponse correspondant au savoir officiel pour la question 1 comparativement à 46 % des élèves pour le collégial.Limites méthodologiques Une des limites méthodologiques est que nous n'avons pu nous assurer du sérieux des élèves. C'est-à-dire que nous n'avons pas pu vérifier si certains élèves ont rempli le questionnaire de façon à s'en débarrasser. Cela pourrait avoir pour effet de changer les résultats, les tendances, les statistiques, etc. Ensuite, étant donné que les élèves de niveau collégial avaient déjà reçu un enseignement formel sur cette matière, nous ne pouvons vérifier si leurs réponses correspondent vraiment à ce qu'ils pensent ou à ce qu'ils ont appris antérieurement. Cela peut également fausser les résultats et, par le fait même, augmenter le pourcentage de réponses correspondant au savoir officiel sans pour autant signifier une plus grande compréhension de ces élèves. De plus, certains élèves se sont abstenus de répondre et cela influence considérablement les résultats. Peu importe leurs réponses, elles auraient été classées dans une catégorie autre que pas de réponse. Une autre limite a été le facteur temps pour répondre au questionnaire qui nous a forcé à limiter ce dernier à cinq questions. Peut-être que si nous avions posé davantage de questions, nous aurions pu mieux cerner les idées des élèves et diminuer les chances d'obtenir la réponse correspondant au savoir officiel par hasard.En général, nous avons remarqué que les élèves confondent les concepts de chaleur et de température. C'est ce que nous observons lorsque nous demandons aux élèves de donner leur définition de chacun des deux concepts. De plus, beaucoup d'élèves croient que la température est une mesure de la chaleur, cela même après avoir reçu un enseignement formel à ce sujet. Ils croient également que la chaleur est soit une quantité d'énergie (collégial) soit de l'air ou de la vapeur (secondaire). Il y a même plusieurs élèves, surtout parmi ceux n'ayant pas reçu d'enseignement formel, qui pensent que la chaleur et le froid sont des entités distinctes plutôt qu'un seul et même concept. De plus, moult élèves croient que la chaleur et la température se déplacent d'un corps à l'autre. Nous observons également que les jeunes ont beaucoup de difficulté à admettre le fait que deux corps placés dans le même environnement puissent avoir la même température au bout d'un certain moment. Cela est peut-être dû au fait que certains croient que la température est une propriété de la matière. Notons également que plusieurs sont convaincus que deux objets à la même température ont une quantité de chaleur identique. Ce sont toutes des conceptions qui ont été mises à jour et que nous avons pu observer en prenant connaissance des réponses des élèves à notre questionnaire. Notre étude nous a permis de constater que l'enseignement formel n'amène pas nécessairement les élèves à comprendre les concepts enseignés. Pour que l'enseignement formel soit significatif et qu'il donne de bons résultats, il faudrait davantage tenir compte des conceptions des élèves. Pour ce faire, il faudrait d'abord les identifier à l'aide de questions orales ou écrites. Ensuite, il faudrait faire prendre conscience aux élèves, lorsque leurs conceptions sont erronées, que leur raisonnement n'est pas viable dans toutes les situations. À partir de ce moment, ils ressentiront le besoin de changer leurs conceptions pour des nouvelles plus appropriées. C'est à cet instant que la construction de nouveaux savoirs va se faire. Ces nouvelles connaissances seront donc construites sur de meilleures bases, ce qui fait qu'elles seront peut-être mieux intégrées. Lorsque des élèves s'approprient des concepts, ils sont ensuite capables de les utiliser dans différents contextes. Si nous décidons de ne pas tenir compte des conceptions des élèves dans notre enseignement, elles resteront ancrées et les apprentissages n'auront pas été significatifs pour les élèves. ATKINS, P.W. (2000). Chimie physique, DeBoeck Université, 1015 p. DAIGLE, L. (1991). En quête des phénomènes électriques, Montréal, Éditions HRW ltéé, 183 p. ERICKSON, G.L. 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Chaleur et température : étude détaillée  |
