Thèse de doctorat – Hélène Richoux
Rôles des expériences quantitatives 
dans l'enseignement de la physique au lycée

Spécialité : Didactique des disciplines, 
Option  : Sciences et techniques physiques et chimiques

Titre : "Rôles des expériences quantitatives dans l'enseignement de la physique au lycée"
Thèse soutenue le 26 janvier 2000, Université Paris 7
Mention : très honorable avec félicitations

Directeurs : 
Mme Andrée Tiberghien et M. Daniel Beaufils

Membres du jury :
Mme Claudine Larcher, président
M. Jean-Michel Dusseau, rapporteur
M. Samuel Johsua, rapporteur
M. Georges Louis Baron
Mme Jacqueline Gouzerh

Résumé : 

Les activités expérimentales fondées sur la réalisation de mesures, leur analyse et la mise en évidence de "modèles" physico-mathématiques occupent depuis bientôt un siècle une place croissante dans l'enseignement de la physique des classes scientifiques de lycée. Or l'observation de situations, notamment celles plus récentes qui mettent en œuvre "l'ordinateur outil de laboratoire", fait apparaître un décalage entre des pratiques scientifiques devant faire référence et les activités effectives dans les classes. Nous avons donc cherché à analyser plus finement ce décalage et à comprendre le maintien de telles activités de mesurage dans les travaux pratiques alors que la rigueur scientifique n'était pas assurée : Quelles sont les références scientifiques des enseignants qui sous-tendent ces activités quantitatives ? Quels sont les paramètres liés à la situation d'enseignement (représentations de l'apprentissage et de l'enseignement en physique, gestion d'une activité en groupe et de l'articulation cours / travaux pratiques, gestion des contraintes matérielles, etc.) que l'enseignant prend en compte ? 

Ces interrogations s'inscrivaient donc d'emblée dans un cadre théorique à deux composantes : 
-	Celui de la transposition didactique (Chevallard) pour analyser les références scientifiques de l'enseignant et pour déterminer les critères de scientificité des activités des élèves ; 
-	Celui de la théorie des situations (Brousseau) avec le concept de milieu pour étudier l'élaboration de la séance de travaux pratiques, déterminer les paramètres pris en compte par l'enseignant et préciser les interactions que celui-ci organise entre le milieu construit et les élèves.

Compte tenu de l'absence de travaux antérieurs et de la nécessité de réaliser une analyse fine, notre méthodologie a été celle d'études de cas. Quatre professeurs de profils différents, enseignant en classe de Première scientifique ont été sollicités pour des entretiens et des observations de travaux pratiques "classiques" (en mécanique, électricité et calorimétrie). Les séances ont été élaborées et conduites par ces enseignants sans aucune intervention de notre part et les entretiens (semi-directifs) visaient à permettre aux enseignants d'expliciter eux-mêmes leurs pratiques et les raisons qui les sous-tendent. Ces entretiens qui ont fait l'objet d'une transcription complète, ont constitué la base de notre corpus. Les fiches de travaux pratiques et les enregistrements audio des travaux pratiques observés sont venus le compléter.

La première étape de notre analyse a alors été l'élaboration d'une grille faisant apparaître les différents paramètres du discours des enseignants. Deux grandes rubriques se sont imposées : celle des éléments relatifs à la planification des activités et productions, et celle des "raisons - justifications - argumentations". Dans chacune de ces rubriques, différentes sous-rubriques permettent de rendre compte finement de tous les énoncés. Cette grille constitue à ce niveau le premier résultat de notre recherche : élaborée en fonction du corpus, elle met d'emblée en évidence l'absence complète de prise de référence des enseignants en terme de démarches scientifiques : c'est en réalité dans une démarche pédagogique que s'inscrit la construction de la séance de travaux pratiques. L'écart que nous pressentions entre activités de travaux pratiques et activités scientifiques, apparaissait donc déjà comme très important.

L'analyse critique des expériences quantitatives mises en œuvre dans les séances observées a permis ensuite de montrer que la part de l'élève est en effet fortement réduite par rapport à des schémas typiques de démarches scientifiques : celles-ci apparaissent souvent limitées à l'utilisation des instruments, à la collecte de données et à une exploitation purement numérique, en vue de retrouver un résultat attendu (de l'élève ou, le plus souvent, de l'enseignant). Ce "glissement" de l'expérimental vers l'instrumental et le numérique apparaît ainsi comme caractéristique d'une transposition en termes d'écart, mais aussi en termes de correspondance : la présence d'appareils scientifiques et l'obtention de valeurs numériques à travers les mesures sont bien les critères de "reconnaissance scientifique". Le rôle des expériences quantitatives est alors tout à fait explicite : elles sont essentielles (à côté des savoirs théoriques avec leur symbolique et leur syntaxe qui particularise la discipline) à la reconnaissance d'un enseignement de science.

Les enseignants interrogés attribuent d'ailleurs clairement aux activités quantitatives mises en œuvre par les élèves (mesurage et "confrontation à la théorie") un rôle essentiellement didactique pour la transmission des connaissances et leur acquisition par les élèves. 

La réponse à notre question initiale ainsi obtenue, nous avons cherché à approfondir la logique de construction des séances de travaux pratiques par les enseignants. La construction du milieu avec lequel les élèves sont en interaction et dans lequel ils apprennent ou consolident leurs connaissances, répondait manifestement à d'autres critères de choix. 

L'analyse fine du corpus, par application de notre grille initiale, alors utilisée en grille de codage sur les transcriptions découpées en unités de signification, a permis de décompter les différents éléments "explicatifs". La planification globale et la planification interne à la séance apparaissent alors comme un souci premier des enseignants : les activités des élèves sont prévues, organisées et guidées, le milieu construit est alors didactique. De plus, l'articulation des "raisons" et de la planification montre une cohérence forte dans l'élaboration de la séance : ce sont des contraintes institutionnelles (programmes, temps, matériel etc.), des "raisons d'enseignement" (difficultés des élèves, gestion de l'activité, choix propres de l'enseignant etc.) qui justifient la planification des activités. Pour synthétiser nos résultats, nous avons élaboré un schéma de "fonctionnement" de l'enseignant-constructeur faisant apparaître un système de gestion des contraintes et une composante "modèle d'enseignement" dans lequel l'élève apparaît en tant que "élève générique" représentatif de la classe.

Bien que notre travail soit limité à quelques études de cas, les résultats que nous donnons indiquent l'existence très probable d'un phénomène "au premier ordre" : en tant que processus contrôlé, partant du savoir savant au savoir enseigné, il n'y a pas de transposition ; privé d'indications précises qui auraient pu figurer au niveau du savoir "à enseigner", l'enseignant est censé avoir recours à ses propres références à l'activité scientifique ; nous avons montré qu'il n'en est rien, et que les activités lors des travaux pratiques sont créées "in situ" et fondées sur des démarches pédagogiques ; le milieu construit par l'enseignant, loin de situations a-didactiques attendues d'une certaine transposition, est clairement didactique. Les difficultés que nous avons rencontrées avec les enseignants "novices", ainsi que les entretiens finals que nous avons eus avec les enseignants "experts", autorisent à penser qu'il s'agit bien là d'un fonctionnement très général. Ceci nous permet sans doute de mieux comprendre les difficultés d'implantation des innovations à visée "scientifique" telles que l'introduction du traitement statistique des incertitudes, celui de l'ordinateur outil de modélisation ou celle des différents types de démarches d'investigation scientifique. 

Ce travail conduit donc à repositionner certaines questions relatives à l'élaboration des programmes d'enseignement qui ne peut ignorer cette résistance cohérente du "terrain", et à la formation des enseignants qui ne peut ignorer cette expertise caractéristique d'une réelle "professionnalité".