Introduction et balises
A l’école maternelle, l’élève a été amené à élaborer un premier niveau de conceptualisation de la matière et a notamment commencé à prendre conscience de la matérialité de l’air. En primaire, de premiers modèles explicatifs de la matière, de ses propriétés et de ses transformations ont été développés. Dans le secondaire, l’exploration de la matière se poursuit et se développe notamment au cœur des disciplines de la chimie et de la physique.
En chimie, la matière est abordée par l’exploration de la constitution et de l’organisation de la matière. Les élèves passent d’observations macroscopiques de la matière à des modélisations moléculaires puis atomiques pour expliquer certaines propriétés de la matière (notions de molécule, d’atome, corps purs simples et composés). Cette modélisation permet par exemple de revenir sur la composition de l’air et sur les propriétés de l’eau mais aussi sur les caractéristiques des mélanges. Les concepts fondamentaux de transformation et de conservation de la matière sont abordés sous l’angle de la chimie (réactions chimiques et principe de conservation). En physique, les modèles moléculaires permettent aux élèves d’expliquer les phénomènes tels que les changements d’états en lien avec le concept d’énergie.
Les élèves sont ainsi amenés à poursuivre le développement de leurs modèles explicatifs liés aux changements d’état en tenant compte des facteurs qui y sont liés. Avec le concept de molécule, les élèves sont amenés à développer leurs modèles au niveau macroscopique mais aussi microscopique. Cela permet d’aborder la constitution de la matière et les transformations physiques et chimiques à ces différentes échelles.
Les apprentissages amènent aux questions de développement durable et nourrissent notamment une réflexion sur le réchauffement et sur le rôle des gaz à “effet de serre” (Dahmouche, Daro et Orange, 2021[1]).
De nombreux obstacles sont encore présents à l’école secondaire. La matérialité des gaz sera encore à développer, notamment dans le cas des combustions au cours desquelles la matière semble souvent avoir “disparu” pour l’élève. La prise en compte de la matérialité des gaz sera pourtant essentielle pour construire d’autres concepts scientifiques comme la ventilation pulmonaire, la photosynthèse ou encore la réaction chimique, la pression. La réversibilité des changements d’états pose souvent aussi des difficultés. A ces obstacles conceptuels s’ajouteront également des difficultés liées à l’utilisation de modèles.
Les démarches autour de la matière amènent l’élève à peaufiner le développement de son langage notamment par le biais des situations de problématisation et du développement des modèles explicatifs liés à ces concepts. Pour plus de précision sur le langage et notamment celui qui est lié à la conceptualisation, nous invitons le lecteur à consulter la page “langage”)
Entrées faciles
Le consortium 4 du Pacte a réalisé un guide raisonné (Dahmouche, Daro et Orange, 2021) sur la notion de gaz (matérialité, propriétés, changement d’état, etc.). Après avoir présenté brièvement les enjeux autour de ce concept, des exemples sont discutés et des points de vigilance sont proposés. Le rôle de l’enseignant est également précisé.
D’autre part, la page “modélisation” peut constituer un complément intéressant.
Plusieurs ouvrages historiques sont disponibles gratuitement en ligne. Ils peuvent constituer un matériau intéressant à utiliser avec les élève pour argumenter sur un problème scientifique, concevoir une tâche complexe, etc. en rapport avec la matière :
- L’ouvrage de Lavoisier « Traité élémentaire de chimie » (1789) ici et ici. Un exemple de nomenclature avait été tenté deux ans avant par Morveau, Lavoisier, Berthollet et Fourcroy.
- L’ouvrage de Mendeleev « Principes de chimie », tome 1 et tome 2 (1869/1897).
- D’autres écrits historiques peuvent être lus sur le site de l’UQAC.
D’autres ouvrages sont le fruit du travail d’historiens des sciences :
- « Histoire de la chimie » (1988) de Bruno Wojtkowiak, ou « Histoire de la chimie » (1993) de Bensaude-Vincent et Stengers.
- « Tableaux et langages de la chimie » (2002) de François Dagognet. L’ouvrage traite de la nomenclature et du tableau de Mendeleïev.
- « Histoire des démarches scientifiques » (2019) de J.-Y. Cariou.
Écrits scientifiques
Dans son article, Peterfalvi (1997) montre l’intérêt et des pistes pour identifier les obstacles rencontrés par les élèves. Le domaine d’exemplification concerne la matière, au sens large. L’article d’Astolfi et Peterfalvi (1997) est un bon complément. D’autres obstacles propres à une conception de la matière plus avancée (milieu des secondaires) sont analysés dans l’article de Laugier et Dumon (2003).
L’article d’Aldon et Bécu-Robinault (2013) traite d’une séance d’apprentissage en physique autour du phénomène d’augmentation du volume de l’eau lors du passage de l’état solide à l’état liquide dans le cadre d’une classe de SEGPA (Section d’enseignement général et professionnel adapté). La recherche vise à comprendre en quoi la modélisation peut favoriser la construction d’un modèle explicatif et de faire émerger les difficultés qui y sont liées.
Pistes de réflexion pour les TFE et mémoires
S’intéresser à la matière avec des élèves du secondaire, c’est par exemple :
- investiguer les obstacles à l’apprentissage présents chez ces élèves et chercher comment les dépasser ;
- s’interroger sur la façon d’amener l’élève à comprendre certaines propriétés de la matière ;
- questionner la place de l’expérimentation dans les apprentissages des propriétés de la matière ;
- interroger le rôle de la modélisation dans ces apprentissages ;
- etc.
[1] Dahmouche, Daro et Orange (2021). Le guide raisonné des nœuds didactiques. Noeux : les gaz. Consortium 4 : mathématiques, sciences, géographie.