Introduction et balises
La notion d’énergie n’est pas la plus aisée à enseigner et pourtant, elle est centrale dans les sciences de la nature. En effet, son utilité dépasse les seules sciences physiques pour également avoir son utilité en chimie (ex : enthalpie), en biologie (ex : respiration cellulaire), en géographie, en écologie scientifique, etc. Cette notion est également utilisée en sciences humaines pour les questions sociétales, économiques, etc. La notion d’énergie est donc un concept unificateur dont l’enseignement pluridisciplinaire paraît important.
Cependant, de nombreuses études ont montré les difficultés rencontrées au sujet de cette notion qui paraît très abstraite pour les élèves (voire même les adultes une fois leur scolarité terminée) alors que le terme d’énergie est largement employé dans le langage quotidien. Dès lors, pour les didacticiens, il paraît intéressant d’insérer ce concept dans un réseau d’autres concepts (travail, force, puissance, chaleur), en particulier pour mettre en évidence son rôle unificateur ; et en même temps, il paraît intéressant de souligner que ce concept se déploie dans des champs différents, des pratiques sociales qui ne sont pas les mêmes, lui donnant un sens et une application différente.
La définition de la notion d’énergie, comme concept unificateur mais en même temps déployée dans différents domaines, n’est pas aisée. Poincaré disait que tout ce qu’on peut en dire, c’est qu’ “il y a quelque chose qui demeure constant”. Cela signifie que l’énergie ne se définit que par son principe physique de conservation (au courant du temps dans un système isolé). C’est d’ailleurs cette préoccupation métaphysique qui a historiquement permis l’émergence du concept d’énergie. Descartes et de nombreux auteurs penseurs était en recherche d’un invariant, quelque chose qui se conserve : mouvement, force motrice, chaleur, calorique, etc.
Les difficultés, obstacles et conceptions à dépasser qui ont été identifiés sont nombreuses :
- confusion entre forme et transfert d’énergie ;
- confusion source d’énergie, et l’énergie elle-même ;
- obstacle substantialiste de l’énergie (Lancor Anderman, 2014)
- etc.
Les articles scientifiques qui sont présentés ci-après approfondissent ces points et proposent des pistes ou des informations susceptibles de guider l’enseignement de ce concept. Par exemple, l’usage d’éléments d’histoire de sciences est susceptible de permettre de faire évoluer les conceptions des élèves.
Avant l’enseignement secondaire, il ne s’agira pas de formaliser le concept d’énergie mais de sensibiliser à des propriétés qui vont servir d’appui ultérieurement à la définition de l’énergie : conservation, transformation, dégradation, etc. Il s’agira également de comprendre que pour la réalisation d’un travail (au sens physique du terme), il faut de l’énergie.
Entrées faciles
Un chapitre de l’ouvrage “Sciences en classe” de Daro, Graftiau, Stouvenakers et Hindryckx (2011) traite de la conduction de la chaleur (10-14 ans). Les auteures présentent en particulier le travail de sensibilisation des élèves, l’investigation menée, les schématisation qu’ils opèrent, etc.
L’ouvrage “Comment les enfants apprennent les sciences ?” de Astolfi et al. (1998) contient une courte section (p. 190-198) dédiée à l’enseignement de l’énergie au primaire.
Dans la partie 2 de leur ouvrage, Tavernier et al. (2009)[1] proposent un éclairage scientifique sur le concept d’énergie et des pistes méthodologiques pour développer ce concept avec des élèves du primaire.
L’ouvrage de Thouin (2006)[2] contient de nombreux exemples de problèmes que l’on peut proposer aux élèves de résoudre en classe. Il s’agit ici d’une approche s’inspirant des recherches récentes en didactique des sciences permettant aux élèves de faire évoluer leurs conceptions par des solutions et/ou approches possiblement différentes, leur permettant ainsi de s’initier à la véritable nature du travail scientifique. Pour l’enseignant, chaque exemple est richement accompagné de suggestions de mises en situation, de repères culturels et historiques, de suggestions d’activités de structuration et d’enrichissement, etc. Le module 3 de l’ouvrage est consacré à la chaleur et la pression.
Diverses brochures thématiques de l’asbl Hypothèse proposent des pistes pour permettre à l’élève de se poser des questions scientifiques à propos de l’énergie et en particulier à l’énergie thermique. Les séquences proposées s’accompagnent d’éclairages didactiques et scientifiques. :
- La brochure “Chaud… froid.., à tous les degrés”: questionne le “chaud”, le “froid”, le fonctionnement d’un thermomètre.
- La brochure “Les moulins à eau” explore l’énergie hydraulique et notamment le fonctionnement d’une centrale hydraulique.
- La brochure “Les glacières” questionne les changements d’état.
- La brochure “Une brique dans le cartable” s’intéresse à la construction et notamment en lien avec le concept de chaleur et d’isolation thermique.
Écrits scientifiques
L’article de Guedj et Mayrargue (2014) fait l’histoire de ce concept. Les relations historiques avec la force, la chaleur, le calorique, etc. sont détaillés. L’article de Morge et Buty (2014) peut également être consulté. D’autres encore peuvent être consultés dans un numéro dédié de RDST (2014), y compris pour l’enseignement secondaire supérieur ; ou encore dans un numéro dédié de la revue Aster. L’article de Bevilacqua (2014) en langue anglaise est également intéressant.
L’article de Domenech et al. (2007) invite à s’appuyer sur les propriété de l’énergie dans son étude : conservation, transformation, dégradation et dissipation. Des orientations didactiques sont également formulées.
L’article de Peterfalvi, Rumelhard et Vérin (1987) porte principalement sur les relations alimentaires des vivants ; cependant, il pourra intéresser le lecteur qui souhaite travailler sur les chaines trophiques du point de vue énergétique.
Sur la distinction chaleur-température, l’article d’Agabra (1986) propose des développements intéressants. La figure ci-dessous présente les principales représentations rencontrées chez les élèves, les obstacles (empêchement et appuis selon les deux versants de la notion d’obstacle) et des objectifs-obstacles :
L’auteure imagine alors de quelle manière les notions et modèles pourront être construits durant la scolarité :
L’article de Megalakaki (2009) renseigne sur les conceptions des élèves de 10-17 ans selon que le contexte porte sur des objets inanimés ou animés. L’article met en évidence une évolution graduelle de la conception de l’énergie pour les objets inanimés mais laisse davantage des idées d’effort ou de travail humain pour les objets animés. La confusion avec la notion de force ou une conception matérielle de l’énergie persistent dans une certaine mesure.
L’article de Papadouris et Constantinou (2014) en langue anglaise relate un enseignement innovant de la notion d’énergie en fin de primaire / début du secondaire (12 ans). En présentant aux élèves l’énergie comme un cadre que se sont donnés les physiciens, les élèves ont pu construire une image des sciences pertinente. Pour cela, la séquence s’est aussi appuyée sur des textes historiques.
L’article de Bodzin (2012) traite des conceptions des élèves de 13-15 ans sur les ressources énergétiques, les usages sociaux des différentes formes d’énergie, les phénomènes de transport d’ “énergie électrique”.
Deux études portent sur les adultes ; elles sont donc susceptibles d’orienter la formation des enseignants en ce qu’elles renseignent les formateurs sur les conceptions initiales des formés :
L’article de Lancor Anderman (2014) en langue anglaise montre comment la demande d’analogie auprès d’étudiants de l’enseignement supérieur permet d’inférer sur leurs conceptions sur la notion d’énergie (ex : la métaphore hydraulique qui est un obstacle substantialiste). L’article est donc susceptible d’orienter la formation de futurs enseignants.
L’article de Chabelengula (2012) porte également sur des étudiants de l’enseignement supérieur ; la notion d’énergie est étudiée ici pour son usage en biologie. Les difficultés détectées sont largement présentées. Des propositions également formulées.
Pistes de réflexion pour les TFE et mémoires
S’intéresser aux apprentissages liés à l’énergie à l’école, c’est par exemple :
- Explorer les conceptions des élèves sur l’énergie et leurs représentations des différentes formes (énergie cinétique, potentielle, thermique, etc.) ;
- Interroger les obstacles à la compréhension de ce concept que les enseignants rencontrent chez les élèves ;
- Investiguer le rôle de la schématisation dans l’appropriation de ce concept ;
- interroger la pertinence et le rôle que peut avoir l’introduction de l’histoire des sciences dans cet apprentissage ;
- questionner les propriétés de l’énergie qui permettent progressivement à l’élève de s’approprier le concept d’énergie ;
- etc.
[1] Tavernier, R. et al. (2009). Enseigner les sciences expérimentales à l’école élémentaire. Physique et Technologie. Bordas.
[2] Thouin, M. (2006). Résoudre des problèmes scientifiques et technologiques au préscolaire et au primaire. Editions Multimondes.