Pourquoi utiliser les représentations dans l’apprentissage ?

Les savoirs ne viennent pas remplir un vide d’ignorance, comme nous l’avons vu précédemment, l’élève s’est constitué des modèles de pensée pour se représenter le monde, l’apprentissage est donc le résultat de la modification de ces préconceptions, par des ruptures et réorganisations conceptuelles.
Les pédagogies traditionnelles qui dispensent le savoir de manière frontale maintiennent les conceptions initiales, elles sont donc remises en cause au profit de pédagogies privilégiant la réorganisation des connaissances. Pour Astolfi (1997), il s’agit de passer du modèle de la « tête vide» à « élève et son déjà-là cognitif », un changement de position qui conduit à comprendre le rapportdes connaissances au monde. Astolfi (1984), prétend qu’une pédagogie différenciée faciliterait l’évolution positive des représentations. Cela suppose donc de prendre connaissance des conceptions initiales de chacun et d’analyser celles-ci afin de voir les besoins qu’elles révèlent. D’ailleurs pour Giordan et De Vecchi (1987), il ne peut pas y avoir de transmission de connaissances, si on ne connait pas les conceptionsinitiales des apprenants dans les situations éducatives.
Ce qui nous intéresse directement, c’est de guider les élèves dans la construction de leur savoir par la confrontation de leurs représentations initiales (sens commun) aux réalités scientifiques. Pour justifier le choix, on se base alors explicitement sur les travaux réalisés en psychologie cognitive (Audigier, 1988) et sur les théories socioconstructivistes (pour Dalongeville et Huber, 2002) en les appliquant à des situations concrètes. Nous allons maintenant détailler les intérêts d’une tellepratique pédagogique avancés par ces auteurs.
Dans un premier temps, la pédagogie différenciée peut permettre tout simplement de faire un diagnostic de chaque élève, d’évaluer ses connaissances et ses manques afin d’élaborer des séances dont les contenus et objectifs seront adaptés aux besoins de la classe. Dalongeville précise que la connaissance des représentations de l’apprenant est indispensable pour savoir ce qu’il faudra déplacer, aider à transformer chez les élèves pour qu’ils s’approprient la notion visée. S’intéresser aux connaissances des élèves sur le sujet permet aussi d’éviter la construction d’activités rébarbatives ou simplistes pour les élèves qui en maîtrisent déjà les contenus.
Cela favorise aussi la motivation chez les élèves. En effet, le fait de s’intéresser à ce qu’ils pensent, à ses difficultés, à la façon dont il conçoit le monde, permet de se rendre compte de ce qui le concerne directement et de ce qui le motive afin de le solliciter plus tard au cours des apprentissages (Dalongeville, 1995). De plus, d’après Audigier (1988), « ces pratiques changent la motivation des élèves à la fois de par la nouveauté de la démarcheet surtout parce que les mettre à l’étude de leurs propres énoncés c’est leur signifier que l’on donne à ce qu’ils savent un statut positif ». L’idée ici est que l’élève devienne partie prenante du projet d’apprentissage en se servant de ses intérêts, ses doutes et questionnements pour le déroulement de la séance.
Mobiliser les représentations des élèves, les amène à être actifs dans les situations d’apprentissage, à se poser les questions qui seront le point de départ des connaissances à acquérir. Or, on n’apprend bien que ce qui répond aux questions que l’on pose.L’enseignement gagnera donc en efficacité s’il prend en compte les représentations et s’il aide à formuler les questions des élèves et de trouver les réponses.
Un choix didactique de ce type permet un enrichissement global des représentations des élèves puisque le point de vue de chacun est pris en compte en début de séquence. La prise en compte des représentations des élèves favorise donc aussi, par l’acceptation de l’opinion de chacun, une décentration de l’élève. Le contrat didactique proposé ne consiste plus en un travail de reproduction de connaissances qui serait évalué en termes de vrai faux par l’enseignant. Il s’agit plus ici d’amener les élèves à travailler sur différents types de raisonnements, de points de vue… dans le but, dans un premier temps, d’en apprécier les différences (Audigier, 1988). Chaque enseignant doit prendre en compte les différents points de vue possibles, les comparer, afin de faire émerger un questionnement qui deviendra le fil conducteur de l’apprentissage.
L’objectif d’un travail sur les représentations est aussi de transformer chez l’élève son rapport au savoir. En effet étant donné que les élèves ne sont plus dans une situation de reproduction du savoir, leur tâche est alors d’élaborer eux-mêmes un tel savoir à partir de leur conception d’origine.
Enfin, le travail sur les représentations peut permettre par un retour de la part des élèves sur leurs propres représentations (à la fin d’une séquence par exemple), de provoquer une prise de conscience de l’écart entre leurs connaissances et la réalité scientifique (Audigier, 1988). Ce type de pédagogie les invite à se tourner vers une démarche d’analyse et d’explication, plutôt que vers celle, plus naturelle, d’une démarche auto-justificative. Ce retour donne aussi la possibilité aux élèves d’évaluer leur propre évolution.

Comment se servir de ces représentations dans l’enseignement ?

Bien que la connaissance des conceptions initiales des élèves puisse trouver sa place dans différentes stratégies pédagogiques, comme par exemple un outil de diagnostic pour l’élève, nous allons nous intéresser ici plus particulièrement à son usage en tant qu’outil d’apprentissage/enseignement. Si l’on s’intéresse àce que pensent les élèves, c’est avant tout dans le but de les faire accéder à la conception scientifique d’un phénomène ou d’un événement.

Condition préalable : maîtrise des savoirs de référence

Comme le dit Audigier (1988), « analyser les représentations des élèves en terme de vrai/faux ou de présence/absence implique que l’on ait un savoir de référence dont les contours et les caractéristiques soient à peu près correctement cadrés ». Il est donc indispensable que l’enseignant soit au fait des connaissances scientifiques sur le sujet afin de cibler, dans un premier temps, les concepts et évènements clefs du sujet. C’est ensuite en fonction de ces concepts que la question du savoir préalable des élèves pourra se poser. Pour Dalongeville (1995), cette phase de questionnement de la part du maître est un pré-requis nécessaire au bon déroulement des apprentissages.

Stratégie d’enseignement tenant compte des représentations

Travailler à partir des représentations n’implique pas qu’à chaque séance il soit nécessaire de prendre du temps pour faire émerger les représentations telles qu’elles se donnent dans chaque situation particulière. Non seulement la représentation est par définition quelque chose de mobile etcomplexe, difficile à saisir chez l’élève, mais encore, au-delà de la diversité des représentations existantes, il existe des noyaux durs, des invariants, concernant la représentation des individus sur un sujet donné. Une fois les représentations ciblées, soit par une série de questions destinées à l’apprenant (orales ou écrites), soit par la prise en compte de ces « invariants » justement, c’est à partir de ces derniers que l’enseignant pourra pointer les découvertes et éclairages nouveaux à explorer, qui pourront aider à les relativiser (Audigier, 1988).
Une fois ces orientations générales prises en compte, les situations d’apprentissages que l’on peut mettre en place sont nombreuses. Elles ont cependant toutes un point commun : elles reposent sur la mise au jour des représentations et ce sont toutes des situations de recherche qui permettent de faire naître une attitude de questionnement, qui favorisent une décentration de l’élève et qui permettent d’approcher les règles de construction du savoir.
Dans la suite de notre travail, nous allons voir comment faire émerger alors ces représentations ?

Comment faire émerger les représentations ?

Les recherches ont démontré la nécessité de prendre en compte les conceptions initiales des apprenants, pour ainsi mettre l’apprenant au centre des apprentissages et voir ce qu’il sait ou croit connaitre sur le sujet, et ensuite déterminer ce qui pourrait faire obstacle. Le recueil de ces représentations initiales peut se faire de plusieurs manières.

La modélisation (Coquidé et Maréchal, 2006)

Pour Coquidé et Maréchal (2006), la modélisation et la simulation peuvent fournir de véritable pont entre l’enseignement scientifique et le réel. Le modèle et la simulation peuvent revêtir des fonctions d’explication, de description et de prévention. Pour eux, l’objectif pédagogique principal de l’enseignement par la modélisation et la simulationest que l’enfant construise son savoir en utilisant des modèles des phénomènes scientifiques. En effet,la modélisation et la simulation, peuvent faire évoluer les conceptions initiales des apprenants vers un savoir plus scientifique, en rendant plus accessible certains concepts qui vont donc faire sens pour ceux-ci. Modèles et simulations sont des objets substitutifs du réel lorsqu’il est trop complexe ou inaccessible à l’expérimentation directe. La modélisation est intéressante dès l’école primaire,car « elle développe de nouveaux rapports à la sciences et au savoir. »(Astofli, Peterfalvi, Verin, 1998).
Nous avons pu constater que les chercheurs ont proposés plusieurs moyens pour faire évoluer les représentations des élèves. Ces propositions sont complémentaires, et nous allons les utiliser dans la suite de notre travail.

LIMITES ET DIFFICULTES DE L’UTILISATION DES REPRÉSENTATIONS

Nous avons vu précédemment tout l’intérêt que pouvait receler la prise en compte des représentations des élèves afin de favoriser leurs apprentissages. Nous avons aussi vu que ces représentations pouvaient être utilisées de multiples manières tant pour construire une séance que pour la mener. Cependant, de telles pratiques sans pour autant renier leurs intérêts, comportent certaines limites et peuvent amener à certaines difficultés.
Tout d’abord, une telle approche demande du temps, à la fois concernant l’apprentissage des notions abordées par les élèves (nombreuses phases de recherche, questionnements…), mais aussi en ce qui concerne la préparation de séances et sa conduite. Ainsi, bien qu’il y ait des « invariants» concernant les conceptions des élèves, une nouvelle séance demande donc bien souvent un nouveau temps de préparation souvent complexe et long du fait de l’élaboration d’une activité originale etadaptée à un public propre.
Ensuite, ce type d’activités (prendre en compte les représentations des élèves) a pour but essentiel d’être motivant car basé sur le questionnement des élèves. Ainsi, le choix des activités dépend à lafois des savoirs à enseigner mais aussi de la capacité de l’enseignant à repérer, parfois de façon intuitive, une question d’un élève ou la suggestion d’un groupe. Ensuite, il doit être capable d’établir une correspondance entre les remarques des élèves et les objectifs poursuivis pour ensuite sélectionner une activité susceptible de transformer leurs représentations (Audigier, 1988). Or,toutes ces étapes d’élaboration de la séance ont comme caractéristique d’être basées principalement sur l’expérience et l’intuition, plus que sur une méthodologie stable. En effet, il s’agit ici de privilégier la logique de l’apprenant plutôt que celle de la matière, ce qui rend difficile d’anticiper les obstacles que pourront rencontrer les élèves. L’enseignant se trouve donc dans l’obligation de prendre le risque que ça ne marche pas et de faire de nombreux « détours » en fonction du cheminement de l’élève. Mais est-il envisageable à l’école de remettre continuellementen question tout ce qui a été prévu.
En effet, puisque le but de prendre en compte les conceptions des enfants, pour les enrichir et les rendre plus efficientes, on prend aussi le risque que les nouvelles représentations soient plus dures, plus stables et donc plus difficilement déplaçable par la suite.
Il n’est pas du tout sûr qu’on puisse à nouveau déstabiliser cette nouvelle représentation et que l’élève accepte de se remettre en question à l’avenir.
Comme limite est aussi avancée que, bien l’élève ne puisse plus aujourd’hui être considéré comme une page vierge face à la connaissance qu’on souhaite lui apporter, certains concepts du programme semblent assez éloignés des intérêts de ces derniers. De plus, la représentation, même si elle est bien présente, est difficile à faire émerger car perceptible uniquement dans l’action (communication). Si l’élève ne souhaite pas s’exprimer ou ne sait pas comment énoncer son idée clairement, un travail de transformation de ses conceptions devient impossible. La notion de représentation comme point de départ de toute situation d’enseignement serait alors à relativiser, car comment faire si l’élève ne se pose pas la question qui nous intéresse pour aborder une notion au programme ?
Enfin, cette approche est rendue difficile par le fait qu’elle impose une certaine authenticité et un rapport au savoir spécifique de la part de l’enseignant. En effet, le statut de l’enseignant est quelque peu remis en question. Il n’a plus comme fonction traditionnelle d’apporter une solution toute préparée à un savoir prédéterminé, mais de suggérer des situations d’apprentissage articulées sur  les interrogations de la classe, d’amener l’élève à la construction de son propre savoir. Ce type de situation induit une capacité indispensable, pour l’enseignant, à se décentrer, à accepter de se remettre toujours en question et à laisser une part de doute dans le guidage des apprentissages (Audigier, Baillat, Clary, 1991).

Le moyen âge

Au Moyen-âge, en Europe où le christianisme domine,les éclairs observables lors d’un orage sont considérés comme l’expression de la colère divine en réponse aux péchés commis par les fidèles. Plusieurs coutumes existent pour s’en protéger : l’une, pratiquée par les paysans consistait à introduire, par temps orageux, une fulgurite dans sa poche en disant : « Pierre, pierre, garde-moi du tonnerre ». Une fulgurite est un verre formé lors de l’impact de la foudre sur du sable. Ce verre, étant très impur, n’est pas transparent.

A partir du XVIIème siècle : théorie puis expériences scientifiques

René Descartes (1596-1650) est le premier des philosophes chrétiens tentant une explication à ce phénomène. Il reprend les propos de Sénèque (philosophe de l’Antiquité) pour sa théorie. « Le tonnerre se manifeste, quand les nuages plus lourds et plus élevés tombent sur d’autres placées plus bas. L’air contenu entre deux nuages, comprimé par cette chute soudaine, produit un grand dégagement de chaleur, d’où résultent la lumière de l’éclair et le bruit du tonnerre. ». Mais il futincapable d’expliquer pourquoi les nuages s’entassent les uns au-dessus des autres.
Un physicien hollandais Hermann Boerhaave (1668-1738) émit lui aussi une théorie où il prouve que les particules d’eau que le soleil a élevées en l’air, forment des nuées et composent des masses de glace. Celles-ci fondent sous l’effet du soleil en quelques secondes, et ce frottement violent des particules entre elles, entraîne un bruit éclatant (tonnerre) et des éclairs (inflammation des composants de l’air).
Ces théories furent longuement discutées par les savants de l’époque, elles marquent le début des expériences du siècle suivant.
En effet, le XVIII ème siècle marque le début de la science moderne, accompagné d’une série de découvertes aussi fulgurantes qu’essentielles. La découvertes de l’électricité pose de nouvelles questions et permet de donner de nouvelles explications à certains phénomènes. Plusieurs expériences ont permis à cette époque de montrer la nature électrique de l’orage et de la foudre. Les plus grandes avancées furent l’œuvre de Benjamin Franklin (1706-1790), notamment grâce à la fameuse expérience du cerf-volant.
Le protocole, d’abord une plaisanterie à l’égard deses détracteurs, fut par la suite envisagée avec plus sérieux. Franklin réalisa finalement l’expérience le15 Juin 1752. Il fit voler un cerf-volant par temps orage. Le chanvre du fil était légèrement humide, ce qui le rendit assez conducteur pour charger une clef attachée au fil à sa base. En approchant le doigt de la clef, Franklin réussit à produire un arc électrique entre son doigt et la clef, prouvant ainsi la nature électrique de la foudre. On comprend aujourd’hui l’inconscience de Franklin qui, par bonheur pour lui, n’eut pas l’idée d’utiliser un fil conducteur ! On affirma d’ailleurs que l’expérience avait été légèrement romancée…
Quoi qu’il en soit, elle constitua un tournant majeur dans le rapport de l’homme à la foudre. Fort de ces nouvelles informations, Benjamin Franklin imagina le premier paratonnerre. Il remarqua que des conducteurs ayant un bout pointu plutôt que rond étaient capable de décharger silencieusement, et à une plus grande distance. Il supposa que ces connaissances pourraient se révéler utiles dans la protection des bâtiments contre la foudre, en attachant sur les toits « debout des barres de fer, pointues comme des aiguilles et dorées pour prévenir la rouille, et du pied de ces barres [part] un fil vers l’extérieur du bâtiment jusqu’à la terrer…ces barres pointues n’attireraient-elles pas silencieusement le feu électrique depuis un nuage avant qu’il soit à niveau suffisamment élevé pour frapper, et ce faisant nous protéger ainsi de ce brusquer et terrible méfait ! ».
On inventa même des « parapluie paratonnerres » et des « chapeaux paratonnerres » pour les gens aisés.

La couche limite de l’atmosphère (Delams, 2010)

En météorologie, on appelle couche limite planétaire la zone de l’atmosphère entre la surface (terre ou mer), où la friction de l’air sur la surface rugueuse ralentit son déplacement et l’atmosphère libre où l’influence de la surface devient négligeable.
La couche limite, est donc la « tranche d’atmosphère » dans laquelle nous vivons. D’une épaisseur d’un à deux kilomètres, elle est directement ou quasi-directement influencée par les émissions polluantes que nous y injectons. L’impact des émissions polluantes sur la qualité de l’air dans la couche est rapide : de quelques heures à quelques semaines. Ces temps caractéristiques sont pilotés par les processus physiques et chimiques agissant sur les polluants : la dispersion, les transformations chimiques et le dépôt au sol et sur la végétation.
La figure ci-dessous montre schématiquement l’évolution de la couche limite par une journée ensoleillée d’été sur une région continentale tempérée. Durant la nuit, la terre émet du rayonnement infrarouge et aucun rayonnement n’est reçu. La terre se refroidit donc et a, peu de temps après le coucher de soleil, une température inférieure à celle de l’air au dessus. L’air au voisinage du sol se refroidit et la couche limite se stabilise de plus en plus jusqu’au lever du soleil.
Très rapidement, le bilan radiatif au sol s’inverse, et le soleil chauffe fortement le sol faisant augmenter la couche turbulente instable, jusqu’à rejoindre la tranche d’atmosphère ne s’étant pas refroidie durant la nuit. Elle ne peut pas généralement se développer au dessus à cause de la présence d’une inversion de température. Cette inversion marque le sommet de la couche limite, au delà duquel l’atmosphère est stable. Lorsque le soleil disparaît, le mécanisme de stabilisation des basses couches s’établit à nouveau. La couche turbulente et son inversion au dessus se transforment en une couche « fantôme » appelée couche résiduelle.

Formation des nuages

La formation d’un nuage nécessite de saturer en vapeur d’eau une masse d’air humide. La transformation thermodynamique impliquée est, pour la plupart des nuages, une détente adiabatique qui s’effectue au cours de l’ascension dans l’atmosphère d’une masse d’air humide initialement non saturé. Ces mouvements verticaux peuvent être provoqués par une différence significative de température entre une masse d’air et son environnement, on parle alors de convection thermique ; c’est notamment le cas en été pour les masses d’air proches du sol, fortement chauffé par le soleil. L’état thermodynamique d’une masse d’air évolue de la manière suivante : d’une part les variables p et Tdiminuent sans échange d’énergie par chaleur avec le milieu extérieur, et, d’autre part, en raison de l’absence d’apport de vapeur d’eau, r reste inchangé. Il en découle un abaissement de p v sat(T) (fonction croissante de T) et une diminution de p v dans le même rapport que p. Lorsque p vet p v sats’égalisent, la saturation est atteinte (figure 10). (Pujol, 2007)

Classification des nuages

L’observation quotidienne montre une infinité de nuages d’apparence (forme, couleur, …) et d’altitude variées, certains donnant des précipitations plus ou moins intenses. Il est cependant remarquable que des formes caractéristiques se dégagent et qu’une classification soit par conséquent possible.

Classification des nuages suivant les normes de l’OMS

Les premières tentatives de classification datent du XVIII siècle par le naturaliste français J.B.
Lamarck et par son contemporain L. Howard, pharmacien anglais, dont la classification est à la base de celle utilisée aujourd’hui et éditée par l’organisation météorologique mondiale (OMM, 1803). Elle considère dix genres de nuages correspondant chacun à une forme caractéristique et appartenant à un domaine d’altitude privilégié. Par ailleurs, elle tient compte de l’organisation stratifiée ou ramassée des nuages et de leur extension verticale.
On distingue trois familles de nuages dont les nomsfurent attribués en 1804 par Luke Howard : ce sont les cirrus (« boucles de cheveux), les cumulus (« amas ») et les stratus (« couches »). Dans ces trois familles, les nuages sont répartis en dix genres différents, répartition qui tient compte de la forme des nuages et de l’altitude à laquelle ils apparaissent : (Kuster, 2013).

Table des matières
LISTE DE TABLEAUX
LISTE DE FIGURES
INTRODUCTION
PARTIE I 
LA REPRESENTATION DES ELEVES
I-ACCEPTION DES NOTIONS IMPORTANTES
I.1- Représentations
I.2- Conception
I.3- Les obstacles
II- ORIGINE ET CARACTERES DES REPRESENTATIONS
II.1- A partir de l’environnement du sujet
II.2- A partir de l’expérience vécue du sujet
II.3- Principaux caractères de représentations
III-PRENDRE EN COMPTE LES REPRÉSENTATIONS DANS L’ENSEIGNEMENT / L’APPRENTISSAGE
III.1- Pourquoi utiliser les représentations dans l’apprentissage ?
III.2-Comment se servir de ces représentations dans l’enseignement ?
III.2.1- Condition préalable : maîtrise des savoirsde référence
III.2.2-Stratégie d’enseignement tenant compte des représentations
III.2.3-Comment faire émerger les représentations ?
III.2.4-A quel moment de l’apprentissage ?
III.2.4-Des moyens pour faire évoluer les représentations
IV- LIMITES ET DIFFICULTES DE L’UTILISATION DES REPRÉSENTATIONS
PARTIE II 
LA FOUDRE
I-L’EVOLUTION DE LA REPRESENTATION DE LA FOUDRE AU COURS DU TEMPS
I.1-La foudre dans la préhistoire
I.2-La foudre dans l’antiquité
I.3-Le moyen âge
I.4- A partir du XVIIème siècle : théorie puis expériences scientifiques
II- NOTIONS DE BASE EN METEOROLOGIE
II.1- L’atmosphère
II.1.1- Rôle
II.1.2- Constituants
II.1.3- Structure de l’atmosphère
II.1.5-La couche limite de l’atmosphère (Delams, 2010)
II.2-LES NUAGES
II.2.1- Notion de thermodynamique
II.2.2- Formation des nuages
II.2.2- Classification des nuages
II.2.3-Les nuages d’orage ou cumulonimbus (Bouquegneau, 2012)
III- NOTIONS THEORIQUES SUR LES CONDENSATEURS
III.1- Les condensateurs
III.1.1. Description
III.1.2. Charge électrique d’un condensateur (Samama, 2005)
III.1.3. Décharge électrique d’un condensateur (Samama, 2005)
III.1.4. Claquage d’un condensateur
III.1.5. Capacité d’un condensateur
III.1.6. Utilisations des condensateurs
III.2-Le condensateur terrestre
III.2.1-Champ électrique terrestre par beau temps
III.2.2-Champ électrique par temps nuageux
III.2.3-Effet couronne et effet de pointe
IV-LA FOUDRE
IV.1- Aspect électrique de la foudre
IV.2- Les différents types d’éclair
IV.2.1- Les décharges n’atteignent pas le sol
IV.2.2- Les décharges atteignant le sol : le coup de foudre
IV.2.3-Catégorisation des coups de foudre
IV.2.4- La foudre en boule
IV.3- Formation de la foudre descendant négatif
IV.3.1- Le précurseur
IV.3.2- Le processus d’attachement
IV.3.3- L’arc en retour
IV.3.4- Le traceur continu et les arcs en retour subséquents
IV.4-Le tonnerre (Bossy, 2014)
IV.5- Les effets de la foudre (Bouquegneau, 2012)
IV.5.1-Les effets physiques d’un impact de foudre
IV.5.2-Les effets physiologiques de la foudre
PARTIE III
CADRE EXPERIMENTAL
I-METHODOLOGIE
I.1- Problématique et hypothèses
I.2- La population cible
I.4-Démarche de travail
II. RESULTATS
II.1-Analyse de la 1 ère étape : REPRESENTATIONS INITIALES DES ELEVES
II.2-Bilan des séances d’enseignement
II.3- Analyse de la 3 ème étape : REPRESENTATIONS APRES les séances d’enseignement SUR LA FOUDRE
II.3.1-Analyse de la 1 ère partie de l’évaluation
II.3.2-Analyse de la seconde partie de l’évaluation
II.3.3-Analyse de la troisième partie de l’évaluation
II.4- Evolution des représentations
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE ET WEBOGRAPHIE 
ANNEXE 1. REPARTITION GEOGRAPHIQUE ET FRÉQUENCE DE LA FOUDRE : (Bouquegneau, 2012)
ANNEXE 2. FICHE DE PREPARATION POUR LES TROIS CLASSES