Analyse comparative de la gestion du mesurage en TP de DEUG à
Contents
1. en fonction des r sultats d observation de drosophiles d une premi re g n ration une hypoth se issue des lois de la g n tique lls exploitent alors les r sultats de d nombrements de drosophiles de deuxi me g n ration dans le cadre de cette hypoth se Pour cela ils comparentleurs d nombrements aux effectifs attendus L hypoth se est valid e ou rejet e gr ce au test statistique du Chi deux avec un taux de risque de 5 Dans le cas o l hypoth se est rejet e les m mes r sultats servent en tester une autre En microbiologie l analyse de la dispersion des mesures de turbidit par rapport la courbe attendue sigmo de permet un jugement sur la qualit de l exp rimentation Cette analyse est effectu e enfin de cin tique ce n est qu ensuite que les valeurs aberrantes sont rep r es et limin es apr s une discussion sur les causes possibles des carts observ s comme par exemple des mesures sur une culture mal homog n is e Une relation peut se faire entre l l ment mesures et l l ment protocole et appareillage par l interm diaire de la courbe attendue Les tudiants exploitent les mesures de turbidit gr ce l utilisation de la loi de cin tique du premier ordre In N u t In N N concentration de bact ries vivantes et mortes N N t 0 t temps u taux de croissance bact rien L exploitation des r sultats de mesures en coordonn es semi logarithmiques permet de d terminer graph2. et les Didaskalia n 12 1998 85 Francoise FONDERE Christiane PERNOT Christine RICHARD MOLARD r sultats de mesure Dans certains cas pour la d termination de l indice de r fraction et pour l tude de la diffraction la relation entre les lois et les mesures suppose une remise en question ventuelle des mesures Dans d autres cas par exemple pour la d termination de la distance focale et de la polarisation cette relation est une simple application de la loi sans remise en question des mesures En conclusion du paragraphe 3 4 le sch ma 3 pr sente pour les trois disciplines les relations mises en vidence au cours de cette tape d exploitation des mesures Nous illustrons la relation entre deux l ments du mesurage sans remise en cause de ceux ci par un trait sans fl che BIOLOGIE g n tique loi lt mesures PEA microbiologie loi gt mesures PEA CHIMIE Dosages loi mesures PEA Absorptiom trie loi mesures gt PEA ou loi gt mesures gt PEA cin tique loi mesures gt PEA PHYSIQUE Polarisation Longueur d onde loi mesures PEA Distance focale Indice de r fraction Diffraction loi mesures gt PEA Sch ma 3 Relations entre les l ments du mesurage au cours de l tape d exploitation et d interpr tation des r sultats Dans les cas de la g n tique et de la cin tique chimique la fl che orient e
3. les l ments du mesurage protocole et appareillage mesures valeurs de r f rence lois et mod les Une synth se de l analyse de ces relations est reprise au paragraphe quatre 68 Didaskalia n 12 1998 Le mesurage dans trois disciplines en DEUG 3 1 Que mesurent les tudiants En biologie et en chimie nous avons s lectionn les TP au cours desquels les tudiants sont particuli rement confront s aux activit s de mesurage en biologie la g n tique et la microbiologie en chimie les dosages et la cin tique En physique les tudiants sont confront s dans toutes les exp riences ce type d activit s nous avons choisi deux domaines l un tudi en premi re ann e de DEUG l optique l autre en deuxi me ann e l lectromagn tisme Les exp riences retenues pr sentent toutes les caract ristiques de TP classiques pour le niveau d enseignement consid r ici 3 1 1 En biologie En g n tique les tudiants d terminentles caract ristiques g n tiques de souches mutantes de drosophiles nombre de g nes mut s pourchaque caract re morphologique tudi liaison au sexe ou non et localisation chromosomique de ces g nes Chaque tudiant analysant un croisement particulier observeles caract res morphologiques etle sexe des descendants de premi re g n ration issue de deux souches mutantes Cette observation permet l tudiant de choisir en r f rence aux lois de la g n tique
4. sur la qualit du mesurage effectu Ce jugement exige la mise en oeuvre de crit res ce qui conduit des activit s intellectuelles sp cifiques li es des capacit s d velopper au m metitre queles habilet s manipulatoires Ces capacit s apparaissent au cours de l analyse pr c dente analyser des causes d incertitude et quantifier ces incertitudes pr voir justifier un choix analyser de fa on critique des diff rences appr cier ad quation des conditions exp rimentales un mod le 6 CONCLUSION partir des activit s propos es aux tudiants pour des TP classiques de DEUG en biologie chimie et physique Orsay l analyse des mises en relation des l ments du mesurage a conduit proposer une lecture particuli re de l ensemble des activit s exp rimentales Celle ci permet de consid rer cet ensemble comme une gestion complexe et non lin aire des l ments du mesurage Malgr les objets d tude offerts aux tudiants etles techniques diff rents dans les trois disciplines il appara t que la m me interpr tation peut tre utilis e En d crivant les activit s propos es au cours de ces TP nous montrons que la gestion des l ments du mesurage est li e la mise en oeuvre de savoirs et de comp tences d ordre la fois pratique etintellectuel La prise en compte des relations entre les l ments du mesurage telle que nous la d crivons permet de consid rer les TP comme un ensemble
5. DEUG celle du protocole et de l appareillage utilis s En ce qui concerne les d nombrements l interpr tation utilise une relation math matique ind pendante des l ments du mesurage 3 4 2 En chimie En chimie des dosages on utilise partir de la loi de conservation de la masse la relation permettant de d terminer la concentration C d une solution d acide thanoique dans le vinaigre soit C C V V voir paragraphe 3 1 2 Les tudiants comparent l cart entre la valeur obtenue et une valeur de r f rence et discutent cet cart par rapport l incertitude estim e voir paragraphe 3 3 En spectrophotom trie d absorption les tudiants d terminent la longueur d onde correspondant l absorbance maximale du colorant en exploitant la courbe donnant l absorbance en fonction de la longueur d onde pour une concentration connue voir paragraphe 3 1 2 ils utilisent ensuite la loi de Beer Lambert e C pour d terminer e par la mesure de l absorbance Les mesures de l absorbance en fonction de la concentration permettent de tracer la droite A g C les tudiants valident la gamme talon par comparaison entre les absorbances mesur es et celles attendues th oriquement puis d terminent graphiquement partir de la valeur de la pente le coefficient d extinction molaire e de la substance color e tudi e Cette valeur compar e celle tabul e leur permet d appr cier la qualit de cette mesu
6. at universities in England and Wales aims and scientific level of the experiments International Journal of Science Education vol 17 n 6 pp 705 719 PERNOT C 1991 Apprentissage et valuation dans des modules ind pendants de chimie exp rimentale S minaire international Evaluation Enseignement Exp rimental Pau PERNOT C 1993 Une gestion de l apprentissage de la chimie exp rimentale en premier cycle universitaire Didaskalia n 2 pp 101 119 PINELLI P 8 LEFEVRER 1993 Etudiants chercheurs une proposition en Electrocin tique Aster n 17 pp 65 87 RICHARD MOLARDC 1996 L introduction des didacticiels g n tique dans l enseignement de Premier Cycle Universitaire conditions d utilisation r sultats d observations et d enqu tes Didaskalia n 8 pp 159 178 S R M G JOURNEAUX R 8 LARCHER C 1993 Learning the statistical analysis of measurement errors International Journal of Science Education vol 15 n 4 pp 427 438 S R M G et JOURNEAUX R 1995 Le traitement statistique des mesures en TP de physique de DEUG une innovation Orsay Didaskalia n 6 pp 165 177 Didaskalia n 12 1998 91 Francoise FONDERE Christiane PERNOT Christine RICHARD MOLARD REMERCIEMENTS Nous remercions Claudine Larcher professeur l Institut National de la Recherche P dagogique Paris pour ses conseils judicieux au cours de ce travail 92 Didaskalia n 1
7. burette le z ro du spectrophotom tre doit tre r guli rement contr l sur un chantillon t moin avant toute mesure d absorption d une solution color e On note aussi l importance de la propret de la verrerie qui doit tre rinc e pr alablement avec le solvant ou la solution modifier les conditions d utilisation du mat riel en fonction des observations Les tudiants doivent penser v rifier que la solution la plus concentr e de la gamme talon a une absorbance inf rieure l absorbance maximale mesurable ma triserles sp cificit s techniques d une exp rience Les tudiants doivent contr ler la bonne qualit des produits utilis s un produit oxyd ou hydrat conduit des r sultats erron s Les relations possibles entre les l ments du mesurage au cours de cette tape de r alisation des mesures sont celles qui existent entre une loi et le protocole exp rimental et l appareillage par exemple en chimie des dosages les tudiants laborent un protocole en choisissant la verrerie appropri e au dosage effectuer ils utilisent pour cela la loi de conservation de la masse entre les r sultats de mesure et le protocole et l appareillage par exemple une mesure d absorbance sup rieure la valeur de saturation d un spectrophotom tre remet en cause les conditions d utilisation de l appareil ou le protocole D autre part le jugement port sur le protocole et appareillage p
8. des amas La mise en oeuvre de cette technique n cessite un entra nement important guid par l enseignant Nous notons ainsi qu au cours de cette tape il est possible de mettre en relation les r sultats de mesures avec le protocole exp rimental et l appareillage Cette mise en relation suppose un jugement critique et une ventuelle remise en cause des l ments Par exemple dans le cas de d nombrement de colonies bact riennes la non lisibilit des r sultats absence ou non individualisation de colonies entra ne la critique de la mise en oeuvre des savoir faire techniques et du protocole Dans le cas des mesures de turbidit si la valeur d passe la valeur limite le protocole de dilution doit tre revu Pour la g n tique la relation entre les r sultats de mesure d une part le protocole et l appareillage d autre part est guid e par l enseignant ainsi par exemple la qualit de l th risation des drosophiles peut tre remise en cause 3 2 2 En chimie L observation qualitative correcte consiste valuer avec finesse l aspect d un milieu r actionnel couleur souvent par comparaison avec un chantillon t moin L observation quantitative correcte consiste d terminer les param tres d observation pertinents tels que l intensit ou la forme d un signal et juger si leur ordre de grandeur permet de les exploiter ou non quand les tudiants d terminent la longueur d onde correspondant l absorban
9. diffraction d une onde lectromagn tique lumineuse par un diaphragme constitu d une fente troite sa largeur 1 vaut quelques dizaines de microm tres Cette loi 1 0 fournit l intensit diffract e dans la direction d observation 6 rep r e partir de la direction de propagation de l onde arrivant sur le diaphragme 1 8 1 sin D 2 0 2 avec D r 1 sin6 A o A est la longueur d onde et l intensit maximum correspondant 8 0 Les minima de la courbe I 8 correspondent des directions d observation telles que sin n 1 Les tudiants rep rent sur l enregistrement de la courbe1 6 les valeurs de 8 correspondant ces minima et en d duisent 1 Ence quiconcerneles TP d crits les modeles etles lois sontimpos s la comparaison entre les r sultats des mesures et ceux attendus dans le cadre des lois permet de discuter le domaine d utilisation des lois et la qualit des mesures La n cessit de fournir un jugement argument sur la qualit des r sultats de mesure devrait inciter les tudiants r sister la tentation d arranger leurs r sultats L ventuelle non concordance entre leurs r sultats et ceux pr vus doit tre consid r e comme r v latrice d un mesurage mal conduitou d un incidenttechnique Cette remarque s applique aussi en chimie Ainsi au cours de cette tape d exploitation et d interpr tation il existe en physique une relation entre une loi ou une relation tir e d une loi
10. en diminuant l intervalle de confiance pour un taux de confiance donn On doit par cons quent conservertousles r sultats etla dispersion de ces r sultats permet en appliquant les lois de la statistique de d terminer par le calcul la valeur qui repr sente au mieux l ensemble des r sultats Ainsi en ce qui concerne les exemples en optique deux pratiques sont utilis es soit une seule mesure est effectu e et le calcul d incertitude qui prend en compte toutes les causes d erreur possibles est men pour permettre l appr ciation du r sultat du mesurage soit pour contourner les difficult s de recherche et d estimation des incertitudes et am liorer la pr cision du r sultat plusieurs mesures sont effectu es et un calcul statistique est men Dans les deux cas toute mesure dont le r sultat n est pas visiblement aberrant est exploit e Dans le cas o plusieurs mesures sont effectu es les tudiants dans une premi re tape calculent l intervalle de confiance pour un taux de confiance donn ainsi que l cart type dans une deuxi me tape gr ce un logiciel de traitement de donn es ils cumulent leurs r sultats et ceux des autres tudiants sur un histogramme visualis sur l cran d un ordinateur Il s agit donc pour eux de savoir utiliser un outil de traitement statistique de donn es et de mettre en relation des grandeurs math matiques et leur 80 Didaskalia n 12 1998 Le mesurage dans
11. l observation est li e au savoir faire technique seul un savoir faire performant peut produire les conditions optimales de l observation pour une valuation fine de la diff rence de caract res morphologiques de drosophiles ou de clones bact riens contaminants ou non d un changement de couleur de la nettet d une image Par exemple en optique la nettet globale d une image d pend de la qualit du montage alignement et centrage des l ments un tudiant qui modifie la position des l ments sur le banc am liore la nettet de l image mais si le montage n est pas centr cette nettet ne sera que partielle Les tudiants sont donc amen s g rer Pinteractivit qui existe entre la qualit de l observation et la ma trise du savoir faire Le sch ma 1 pr sente pour les trois disciplines les relations que nous avons mises en vidence entre les l ments du mesurage Pour ne pas alourdir la pr sentation de ce sch ma et des sch mas suivants l l ment protocole exp rimental et appareillage sera syst matiquementnot PEA BIOLOGIE Mesures gt PEA CHIMIE Dosages loi de conservation de la masse Mesures gt PEA cin tique Mesures gt PEA PHYSIQUE Lois mod les Mesures gt PEA Sch ma 1 Relations entre les l ments du mesurage au cours de l tape de r alisation des mesures Les l ments sont reli s par des fl ches sens unique ou double sens le sens de l
12. la loi de Beer Lambert C Pour d terminer C p les tudiants mesurent l absorbance A 4 d une s rie de solutions de concentrations donn es en colorant Le trac de la droite d talonnage A g C correspondante permet de d terminer graphiquement la valeur de C partir de la mesure de l absorbance de l chantillon De plus la pente de cette droite permet de calculer nouveau e voir paragraphe 3 4 En cin tique les tudiants mesurent l absorbance proportionnelle la concentration en bleu de bromoph nol en fonction du temps t Selon l ordre de la r action O 1 ou 2 l une ou l autre des courbes C f t d termin e 1 C f t ou In C f t est une droite La pente de la droite choisie d apr s un processus d crit au paragraphe 3 4 leur permet de calculer la constante de cin tique 3 1 3 En physique En optique les tudiants d terminent des distances focales delentilles minces et l indice de r fraction du plexiglas Pour d terminer les distance focales ils alignent et centrent les l ments du montage lentille cran objet sur un banc d optique puis r glent leurs positions afin d obtenir une image nette ils mesurent alors les positions des l ments ce qui leur permet de calculer la distance focale f dans le cadre du mod le de l optique g om trique voir paragraphe 3 4 70 Didaskalia n 12 1998 Le mesurage dans trois disciplines en DEUG
13. lecture du r sultat d une mesure sur un spectrophotom tre implique de r gler le z ro et de chercher viter les erreurs de parallaxe puis de contr ler r guli rement ce z ro sur un chantillon t moin avant toute mesure de turbidit de la culture bact rienne choisir les conditions d utilisation du mat riel en fonction des observations En g n tique le choix du grossissement ad quat et le centrage de l clairage de la loupe sont n cessaires pour d tecter de faibles diff rences des caract res des drosophiles modifier les conditions d utilisation du mat riel en fonction des observations En microbiologie les tudiants doivent penser diluer la culture de bact ries si la turbidit d passe la valeur maximale indiqu e par l enseignant au del de laquelle la loi de Beer Lambertr est plus applicable ma triser les sp cificit s techniques d une exp rience En g n tique sil th risation des drosophiles est trop forte les diff rences des caract res peuvent tre difficiles observer si elle est trop faible les drosophiles se 72 Didaskalia n 12 1998 Le mesurage dans trois disciplines en DEUG r veillent avant la fin des observations En microbiologie pour que le d nombrement des clones bact riens soit possible les tudiants doivent respecter les conditions de st rilit afin d viter des clones bact riens contaminants et effectuer un talement correct pour emp cher
14. mesurage dans trois disciplines en DEUG Pour d terminer l indice de r fraction n du plexiglas les tudiants utilisent la loi de Descartes sin i n sin r Cette loi entre la fois dans la th orie de l lectromagn tisme et dans le mod le de l optique g om trique Les tudiants comparent les r sultats des mesures ceux attendus dans le cadre de la loi l tude de la dispersion des points exp rimentaux conduit a une ventuelle remise en cause des r sultats des mesures Une d termination graphique de l indice n est alors effectu e par le calcul de la pente de la droite La valeur obtenue est compar e une valeur de r f rence ce qui permet aux tudiants d appr cier les qualit s de la mesure pr cision et exactitude En lectromagn tisme les connaissances th oriques n cessaires sont les suivantes structure de l onde plane progressive de l onde stationnaire et de londe guid e ph nom ne de diffraction l infini par des diaphragmes rectangulaires Pour d terminer la longueur d onde d une onde lectromagn tique centim trique les abscisses x desnoeudsetx des ventres de londe stationnaire n est le num ro du ventre ou du noeud mesur conduisent au calcul de 1 14 2 X X 0U4 2 X X La direction de polarisation d une onde plane progressive lectromagn tique est d termin e par l interm diaire d une antenne lin aire voir paragraphe 3 2 La loi de Fraunhofer permet d tudier la
15. vers l l ment loi indique que les tudiants doivent choisir une loi parmi plusieurs possibles ce choix passe ventuellement par un rejet pr alable des lois test es qui ne conviennent pas pour les faits exp rimentaux analys s mais ne passe pas par une remise en cause de ces lois Pour ne pas alourdir ce sch ma nous n avons pas fait figurer ici la remise en cause ventuelle des r sultats de mesures et donc du protocole et de l appareillage associ s par l interm diaire des valeurs de r f rence Cette relation est pr sent e plus loin sur le sch ma 4 de synth se Les valeurs de r f rence sont tr s souvent disponibles aupr s des enseignants en chimie concentration coefficient d extinction molaire constante de cin tique et en physique distance focale indice de r fraction longueur d onde direction de polarisation dimensions des objets diffractants En ce qui concerne la biologie l objectif principal n est pas de rechercher la 86 Didaskalia n 12 1998 Le mesurage dans trois disciplines en DEUG meilleure qualit possible des mesures en termes de pr cision et d exactitude mais d obtenir un accord jug suffisant entre les valeurs mesur es et celles attendues dans le cadre d une hypoth se ou d une loi 4 SYNTHESE DES RELATIONS ENTRE LES L MENTS DU MESURAGE Le sch ma 4 pr senteles relations telles que nous les avons analys es entre les l ments du mesurage au cours des diff rentes ta
16. 2 1998
17. Analyse comparative de la gestion du mesurage en TP de DEUG a Orsay biologie chimie et physique Practice and organisation of measurin in experimental work during the first two years at the Paris XI Orsay University Comparative analysis in biology chemistry and physics Francoise FONDERE Christiane PERNOT DidaScO b timent 333 Universit Paris XI avenue G Cl menceau 91405 Orsay cedex France Christine RICHARD MOLARD D partement de biologie b timent 336 Universit Paris XI avenue G Cl menceau 91405 Orsay cedex France Didaskalia n 12 1998 pages 63 a 92 63 Francoise FONDERE Christiane PERNOT Christine RICHARD MOLARD L observation scientifique n est pas une observation neutre ni une observation complete mais au contraire une observation utilisant une grille de lecture L observation neutre face l objet est une fiction Fourez 1992 p 34 R sum Ce travail pr sente la comparaison de pratiques d enseignement exp rimental au niveau du premier cycle universitaire en biologie chimie et physique a Orsay Universit Paris Sud France Cette comparaison est effectu e en d crivant les activit s offertes aux tudiants Nous proposons une lecture de ces activit s traduisant l intention didactique d une formation la d marche exp rimentale Nous d crivons et analysons comment cette interpr tation peut amener les tudiants effectuer la mise en relat
18. C et d nombrement des clones bact riens Ce d nombrement permet de Didaskalia n 12 1998 69 Francoise FONDERE Christiane PERNOT Christine RICHARD MOLARD calculer la concentration de bact ries vivantes deux instants de la phase exponentielle de croissance 3 1 2 En chimie En chimie des dosages deux m thodes sont utilis es la volum trie etl absorptiom trie Par la m thode volum trique il s agit de d terminer la concentration C de l acide thano que dans le vinaigre en provoquant la r action avec une solution d hydroxyde de sodium de concentration C connue Le dosage est r alis en pr sence d un indicateur color et la concentration est calcul e en crivant la conservation de la quantit de mati re qui conduit dans ce cas la relation C V C V cas particulier o tous les coefficients stoechiom triques de l quation de r action sont gaux Les volumes V et V sont mesur s la concentration C est calcul e En absorptiom trie il s agit de d terminer le coefficient d extinction molaire e et la concentration C d un colorant en solution Pour d terminer e les tudiants mesurent l aide d un spectrophotom tre l absorbance A en fonction de la longueur d onde A pour un produit dont la concentration en colorant est connue Le trac de la courbe d absorption A f permet de d terminer la longueur d onde du maximum d absorption et de calculer e en utilisant
19. Pour d terminer l indice n du plexiglas les tudiants mesurent l angle de r fraction r d un faisceau laser l int rieur du plexiglas pour plusieurs valeurs de l angle d incidence i Leurs r sultats doivent s accorder la loi de Descartes sini n sinr Le trac de la droite repr sentant la variation de sin i en fonction de sin r leur permet de calculer n En lectromagn tisme les tudiants d terminent les caract ristiques et les propri t s d une onde lectromagn tique telles que sa longueur d onde dans l air ou dans un guide d ondes sa direction de polarisation sa diffraction par un diaphragme Pour la d termination de la longueur d onde les ventres et les noeuds de l onde stationnaire sont rep r s l aide d un voltm tre dans le cas de la propagation dans l air l aide d un oscilloscope dans le cas de la propagation dans un guide d ondes Les mesures des positions des ventres et des noeuds permettent de d terminer par le calcul voir paragraphe 3 4 Pour d terminer la direction de polarisation d une onde lectro magn tique les tudiants observent la variation du signal recu par un millivoltm tre reli une antenne plong e dans le champ lectrique de l onde Ils savent que ce signal est maximum quand les directions de l antenne et du champ sont parall les ils d duisent donc la direction du champ de celle de l antenne quand le signal observ est maximal Lors de l tude dela diffr
20. a fl che indique l l ment ventuellement remis en question au cours de la mise en relation Par exemple en chimie des dosages l utilisation de la loi de conservation de la masse permet de choisir le protocole et l appareillage avant la manipulation et ou d en justifier la mise 76 Didaskalia n 12 1998 Le mesurage dans trois disciplines en DEUG en oeuvre apr s celle ci d o la fl che sens unique entre l l ment loi et l l ment protocole exp rimental et appareillage Nous constatons sur ce sch ma que pourtousles TP propos sici une double fl che relie l l ment mesures l l ment protocole exp rimental et appareillage ll y a donc ici une remise en question des deux l ments mis en relation Ceci traduit la possibilit d allers et retours entre ces deux l ments ces allers et retours tant guid s par le jugement critique port sur chacun d eux Nous constatons que pour la chimie des dosages et pourtous les exemples de la physique un mod le ou une loi interviennent dans le choix ou la remise en cause des conditions de l exp rimentation 3 3 Gestion des mesures Nous parlons de gestion des mesures quand il y a plusieurs mesures d une m me grandeur Tout exp rimentateur sait que pour viter les difficult s d estimation des incertitudes li es une mesure unique pour augmenter la pr cision du r sultat et pour contr ler l absence d erreur importante de calcul ou de manipulatio
21. action d une onde lumineuse par un diaphragme les tudiants enregistrent l aide d une table tra ante la courbe de l intensit de la lumi re diffract e en fonction de la position du point d observation du ph nom ne de diffraction La mesure sur cette courbe des positions correspondant aux minima de l intensit diffract e permet de calculer les dimensions des diaphragmes voir paragraphe 3 4 Dans les TP d crits ici dans les trois disciplines il appara t que pour certains cas une tape qualitative existe pr alablement aux mesures en g n tique la reconnaissance des diff rences morphologiques des drosophiles en microbiologie l identification de clones bact riens en chimie des dosages par volum trie l appr ciation du changement de couleur de la solution en optique l appr ciation de la nettet d une image 3 2 R alisation des mesures Dans les TP de DEUG que nous analysons les tudiants effectuent deux types d observation l observation visuelle qualitative du syst me ou l observation quantitative d un signal traduisant l tat du syst me Par ailleurs la gestion correcte des activit s pratiques demande aux tudiants de mettre en oeuvre leur savoir faire technique Nous d crivons les Didaskalia n 12 1998 71 Francoise FONDERE Christiane PERNOT Christine RICHARD MOLARD savoirs et comp tences n cessaires ainsi que les relations entre les l ments du mesurage qui apparaisse
22. ages la loi de cin tique du premier ordre en microbiologie Les tudiants exploitent les r sultats exp rimentaux l aide de ces lois et mod les dont ils ont valid le domaine d utilisation Ils sont ainsi amen s a porter un jugement sur la qualit des mesures qualit qui d pend du savoir faire de l exp rimentateur et du protocole utilis 5 3 Au cours de la mise en relation du PEA et des mesures avec les valeurs de r f rence En chimie et en physique quand les tudiants comparent les r sultats de leurs mesures aux valeurs de r f rence fournies par un fabricant ou par l enseignant les carts sont analys s de la m me fa on que ci dessus paragraphe 5 2 ces carts sontcompar s auxincertitudes surles valeurs mesur es Les tudiants sont amen s mettre en oeuvre un calcul d incertitude ou utiliser l outil statistique lls analysent ensuite de fa on critique la diff rence entre les carts et les incertitudes sur les valeurs mesur es et portent un jugement sur la qualit des mesures Dans notre description des pratiques nous avons largement montr l importance accord e l acquisition d un savoir faire technique En effet chaque remise en cause d un l ment du mesurage ce savoir faire Didaskalia n 12 1998 89 Fran oise FONDERE Christiane PERNOT Christine RICHARD MOLARD intervient Nous avons montr galement que cette acquisition est indissociable de celle d un jugement fond
23. and practical activities as well as the skills and knowledge required for this linkage can be identified Consequently the similarities in experimental teaching practices and the disciplinary particularities become apparent The proposed interpretation reveals an interesting potential in labwork the teacher s guidance can lead the students to relate in a critical way the elements involved in the measurement process and to argue for their judgments on the results Key words measuring practice and organisation experimental process skills and abilities argued judgment disciplinary particularities 64 Didaskalia n 12 1998 Le mesurage dans trois disciplines en DEUG Resumen Este trabajo presenta la comparaci n de pr cticas de ense anza experimental al nivel del primer ciclo universitario en biolog a qu mica y f sica en ORSAY Universit Paris Sud France Dicha comparaci n se efect a atrav s de la descripci n de las actividades propuestas a los estudiantes Proponemos une lectura de dichas actividades que traduce la intenci n did ctica de une capacitaci n al proceso experimental Describimos y analizamos c mo esta interpretaci n puede llevar a los estudiantes a establecer une relaci n entre los distintos elementos de medici n protocolo experimental aparatos resultados de las medidas leyes o modelos valores de referencia Precisamos as las actividades intelectuales y pr cticas y las capacidade
24. atoire entretiens production de documents crits recherche commune d un classement des mises en relation possibles suivie d une analyse synth tique Par ailleurs au cours de la phase exploratoire l experte de la discipline pr cise les savoir faire et comp tences en jeu dans les relations d crites Une analyse synth tique commune de ces savoir faire et comp tences partir des entretiens et des documents de travail permet de pr senter ceux ci en parall le avec les mises en relation des l ments du mesurage L ordre alphab tique entre les disciplines biologie chimie physique a t choisi pour pr senter les informations et l analyse sauf cas particulier 3 DESCRIPTION DES PRATIQUES DE MESURAGE EN RELATION AVEC LES SAVOIRS ET COMPETENCES EN JEU Nous d crivons ci dessous les activit s intervenant dans les diff rentes tapes du mesurage en les reliant aux savoirs et comp tences mettre en jeu Nous avons fait le choix de ne pas trancher entre savoirs et comp tences les deux termes nous semblant appropri s notre tude Apres avoir d fini en les caract risant les objets de mesure dans les trois disciplines nous analysons les diff rentes tapes du mesurage qui am nent les tudiants d terminer des grandeurs ou des caract ristiques r alisation puis gestion et enfin exploitation et interpr tation des mesures Au cours de cette description nous montronsles relations quiexistententre
25. ce maximale d une solution de colorant ils recherchent le maximum etjugent s ilest acceptable ou non d apr s son intensit Quand les tudiants d terminent la concentration en colorant de la solution ils mesurent l intensit de l absorbance et jugent si cette intensit est exploitable ou non dans ces deux cas c est l enseignant qui guide les tudiants dans ce jugement qui prend en compte les limites de d tection de l appareil et la limite de validit du mod le Il faut noter qu en chimie la forte sensibilit du milieu r actionnel aux conditions externes implique que les tudiants observentles caract ristiques du milieu ext rieur luminosit temp rature quantit de dioxyde de carbone etc et en tiennent compte dans l exploitation des mesures Par ailleurs pour les tudiants la mise en oeuvre de leur savoir faire technique consiste savoir Didaskalia n 12 1998 73 Fran oise FONDERE Christiane PERNOT Christine RICHARD MOLARD choisir le mat riel appropri Un choix pertinent de la verrerie et du syst me de pipetage est n cessaire un mauvais choix de l indicateur color conduit des r sultats inexploitables en acidim trie appliquer le mode d emploi d un appareil ou le mode op ratoire d un appareillage La lecture du r sultat d une mesure sur un appareil gradu implique de r gler le z ro des appareils et de chercher viter les erreurs de parallaxe spectrophotom tre
26. ement une erreur de manipulation et on recommence le dosage Dans l exemple du dosage de l acide thanoique par l hydroxyde de sodium les tudiants au cours d un premier essai notent le changement de couleur de la solution pour un volume V d hydroxyde de sodium d termin classiquement AV pr s Ils font un deuxi me essai et notent V et AV En g n ral les valeurs de V et V ne sont pas rigoureusement gales et les essais peuvent ne pas tre concordants c est dire qu une des valeurs peut ne pas tre incluse dans l intervalle d incertitude obtenu pour l autre valeur Un troisi me essai est alors effectu et ventuellement un quatri me jusqu ce que les r sultats concordent c est dire que l cart entre les valeurs mesur es soit inf rieur l incertitude estim e Les essais pour lesquels les r sultats concordent sont alors conserv s et le volume retenu est obtenu en prenant la moyenne des r sultats concordants Au cours de cette tape chaque bin me d tudiants juge la coh rence interne de ses r sultats De plus une tude de la dispersion des r sultats de tous les tudiants en permet une analyse globale v rification que la plupart des r sultats ne diff rent entre eux que d une valeur inf rieure l incertitude classique d termination de la valeur retenir parce que la plus probable remise en cause des r sultats jug s trop loign s de la valeur la plus probable Au cours de ce
27. ermet d accepter ou de rejeter les r sultats des mesures par exemple l utilisation d une pi ce de verrerie de pr cision insuffisante entraine le rejet de la mesure 3 2 3 En physique L observation qualitative correcte consiste en optique valuer avec finesse la nettet d une image L observation quantitative correcte consiste d terminer les param tres d observation pertinents tels que l intensit ou la forme d un signal et juger si leur ordre de grandeur permet de les exploiter ou non Par exemple quand les tudiants d terminent la direction de polarisation d une 74 Didaskalia n 12 1998 Le mesurage dans trois disciplines en DEUG onde lectromagn tique ils observent l volution du signal lectrique avec Porientation d une antenne r ceptrice Les tudiants comparent ainsi entre eux les signaux correspondant a diff rentes orientations de l antenne et jugent si le maximum obtenu est exploitable ou non d apres son intensit Par ailleurs pour les tudiants la mise en oeuvre de leur savoir faire technique consiste savoir appliquer le mode d emploi d un appareil ou le mode op ratoire d un appareillage la lecture du r sultat d une mesure sur un appareil gradu implique de r gler le z ro des appareils et de chercher viter les erreurs de parallaxe banc d optique et tout appareil avec graduations En ce qui concerne le mode op ratoire d un appareillage il s agit en opt
28. es fluctuations al atoires tres grandes et cet effectif ne serait pas repr sentatif de la population tudi e on aurait donc dans ce cas une perte d information g n tique Les tudiants analysent de quatre six chantillons d une vingtaine d individus chacun taille d chantillon conseill e les r sultats sont cumul s puis exploit s gr ce l outil statistique voir paragraphe 3 4 En TP de microbiologie chaque bin me tudie la croissance bact rienne dans un milieu de culture donn et r alise une seule mesure de turbidit diff rents instants de la croissance la r p tition des mesures entra nerait la consommation d une trop grande quantit de milieu st rile Parall lement pour d terminer la concentration en bact ries vivantes chaque bin me dispose des r sultats de quatre d nombrements En effet tant donn que la dilution ad quate entre 60 et 100 colonies par bo te n est d finie qu approximativement elle est encadr e par deux autres dilutions s en approchant les dilutions sont indiqu es par l enseignant Deux d nombrements sonteffectu s partir de la dilution ad quate et un seul pour chacune des dilutions encadrant La r p tition du d nombrement partir de la dilution ad quate permet de tenir compte de la variation al atoire du nombre de bact ries dans des chantillons de m me volume En raison des contraintes mat rielles cette r p tition n est pas r ali
29. et celui du voltm tre r cepteur ils utilisent ces lois pour effectuer et interpr ter les mesures permettant de d terminer les grandeurs inconnues Dans le cas de l optique nous mettons en vidence la relation entre le protocole et l appareillage et le mod le de l optique g om trique les tudiants connaissent ce mod le et doivent appr cier l ad quation des conditions exp rimentales aux conditions d application de ce mod le par exemple ce mod le ne s applique que si les rayons lumineux sont paraxiaux et peu inclin s sur l axe Didaskalia n 12 1998 75 Francoise FONDERE Christiane PERNOT Christine RICHARD MOLARD La relation entre les r sultats de mesure et le protocole etl appareillage appara t aussi pour exemple de la diffraction d une onde lumineuse Pobtention d un enregistrement correct implique un choix pertinent des valeurs des param tres de l exp rience et donc un regard critique port a la fois sur les conditions d utilisation de l appareillage sur le protocole et sur les r sultats des mesures En conclusion de ce paragraphe il appara t que l initiation a une observation correcte en DEUG consiste en plusieurs tapes pr alablement toute observation le choix du param tre pertinent l observation simultan e du syst me tudi et du syst me t moin ou l observation de l volution du syst me le jugement apr s observation sur la qualit de l observation La qualit de
30. hoix auxquels les tudiants sont confront s et les crit res de d cision Dans l explicitation de cette intention didactique de formation la d marche exp rimentale notre position rejoint celle de G Fourez concernant les d marches scientifiques selon laquelle occultation syst matique des choix des crit res et des situations permettant l activit scientifique risque d entrainer la d pendance des apprenants de m me qu une profonde perte de sens perte de sens dans la mesure o se trouvent cach s la finalit et le contexte de l activit Fourez 1994 pp 65 66 Didaskalia n 12 1998 65 Francoise FONDERE Christiane PERNOT Christine RICHARD MOLARD Les TP analys s ont t mis en place depuis plusieurs ann es pour plusieurs centaines d tudiants l universit de Paris XI Orsay en biologie chimie etphysique Dans toutes les s ances tudi es les tudiants r alisent des mesures ce qui est le cas pour la majorit des TP dans les trois disciplines De plus dans ces s ances le protocole exp rimental et Pappareillage sont en grande partie choisis par l quipe enseignante et les tudiants confrontent leurs r sultats exp rimentaux a ceux attendus dans le cadre de lois et mod les qu ils doivent conna tre Ces TP classiques proposent donc aux tudiants un ensemble d activit s de mesurage Le mesurage est d fini de fa on internationale International Organization for Sta
31. interactif d activit s manuelles et intellectuelles Un enseignement exp rimental utilisant au maximum les mises en relation entre les l ments du mesurage pourrait ainsi tre un cadre formateur l apprentissage de la d marche exp rimentale en guidant l tudiant la fois dans l acquisition de savoir faire techniques et dans la formation de son jugement et de son argumentation Notre tude pluridisciplinaire permet de pr ciser le sens que peuvent prendre les activit s de mesurage propos es par les enseignants en rapport avec un contexte des choixetune finalit ventuellement diff rents selon les disciplines Cette prise de sens n cessite alors de la part des tudiants l exercice d un jugement argument sur les r sultats du mesurage chaque tape de celui ci Les sp cificit s disciplinaires mises en vidence portent en particulier sur les crit res utilis s lors de l exercice de ce jugement Notre travail sera prolong en analysant dans quelle mesure une telle interpr tation des activit s exp rimentales est utilis e par les enseignants 90 Didaskalia n 12 1998 Le mesurage dans trois disciplines en DEUG sur le terrain L tude des activit s r elles des tudiants et de leurs productions crites devrait permettre de valider cette interpr tation L valuation du travail de l tudiant porterait alors non seulement sur le r sultat obtenu mais galement sur la qualit du travail exp rime
32. ion des diff rents l ments du mesurage protocole exp rimental appareillage r sultats de mesure lois ou mod les valeurs de r f rence Nous pr cisons ainsi les activit s intellectuelles et pratiques et les comp tences et savoirs en jeu dans cette mise en relation Ceci permet de d gager les similitudes des pratiques d enseignement exp rimental et les particularit s disciplinaires L interpr tation propos e fait appara tre une potentialit int ressante des TP l enseignant peut placer l tudiant dans une situation de mise en relation critique des l ments du mesurage l amenant a porter un jugement argument sur ses r sultats Mots cl s mesurage pratiques et gestion du d marche exp rimentale savoirs et comp tences jugement argument particularit s disciplinaires Abstract A comparison is made between the teaching practices in experimental work in biology chemistry and physics during the first two years of University Universit Paris XI Orsay France In order to make this comparison the activities proposed to students are described We suggest an interpretation of these activities which represents the didactical intention of the training in the experimental process We describe and analyse how this interpretation leads the students to link the different elements involved in measuring experimental procedure apparatus results obtained laws or models reference values In this way the intellectual
33. ique d aligner et centrer soigneusement chacun des l ments pos s sur le banc pour obtenir l image d un objet modifier les conditions d utilisation du mat riel en fonction des observations pour la lecture d un r sultat sur un appareil sophistiqu par exemple un microamp rem tre l tudiant doit savoir choisir le calibre puis l chelle sur laquelle doit se faire la lecture TP de caract risation d une onde lectromagn tique ma triser les sp cificit s techniques d une exp rience d une fa on g n rale le savoir faire technique est li l application du mode d emploi d un appareil ou du mode op ratoire d un appareillage Par exemple pour tudier la diffraction d une onde lectromagn tique lumineuse les tudiants ont leur disposition un appareillage complexe dont ils doivent ma triser les nombreux param tres afin d obtenir un enregistrement correct de la courbe de diffraction vitesses de d filement du papier de l enregistreur et de d placement du r cepteur distance de l objet diffractant au r cepteur coefficient d amplification du signal etc Nous mettons en vidence la relation entre les lois et le protocole et l appareillage dans l exemple cit ci dessus de la d termination de la direction de polarisation d une onde lectromagn tique les tudiants connaissent les lois r gissant le fonctionnement de l antenne r ceptrice soumise au champ lectrique de l onde
34. iquement dans la phase exponentielle de la croissance le temps de g n ration temps de doublement de la population En parallele les r sultats des d nombrements permettent de d terminer la concentration n par ml de bact ries vivantes Celle ci est calcul e en moyennant les concentrations n obtenues pour chaque dilution partir de la formule suivante n X 1 d 1 v ou x est la moyenne des d nombrements pour la i me dilution d est la dilution en puissances n gatives de 10 v est le volume de la culture tal en ml Chaque bin me compare dans diff rentes conditions de milieu les caract ristiques analys es les diff rentes phases et leur dur e le temps de g n ration la concentration de bact ries vivantes Les l ves en d duisent l effet de la composition du milieu sur ces caract ristiques et interpr tent leurs r sultats gr ce aux connaissances acquises en cours Lors de l tape d exploitation des r sultats de mesure les relations entre les l ments sont les suivantes en ce qui concerne la g n tique une relation sens unique de l l ment mesures vers l l ment hypoth se en ce qui concerne la turbidit une relation entre l l ment loi courbe attendue loi de cin tique du premier ordre avec une fl che sens unique vers les mesures cette remise en cause des r sultats de mesures implique 82 Didaskalia n 12 1998 Le mesurage dans trois disciplines en
35. les pratiques d enseignement exp rimental et dans le traitement des r sultats de mesure pour les trois disciplines Dans la lecture que nous proposons pour les activit s des tudiants dans les TP d crits nous montrons queles diff rents l ments du mesurage peuvent ne pas tre simplement juxtapos s mais s organiser en un r seau Cettelecture traduit des intentions didactiques dont la principale consiste en une initiation porter un jugement argument sur le r sultat du mesurage ce qui se fait lors d allers et retours entre les diff rents l ments du r seau 66 Didaskalia n 12 1998 Le mesurage dans trois disciplines en DEUG 2 M THODOLOGIE Les auteurs ma tres de conf rences confirm es respectivement en physique chimie et biologie ont toutes les trois particip des innovations ou t l origine de modifications notables dans les cursus exp rimentaux de leur discipline en DEUG Dipl me d tudes Universitaires G n rales l universit Paris XI Fond re S r 1997 Pernot 1991 Richard Molard 1996 Les informations n cessaires l analyse des pratiques d enseignement ont t recueillies au cours d entretiens semi directifs entre les trois auteurs et partir de documents crits produits entre deux entretiens cons cutifs La dur e des entretiens est d environtrois heures par s ance raison d une s ance ou deux par semaine pendant un an ce qui porte cent cinqua
36. ments du mesurage peuvent tre repr sent es par le sch ma 2 ci dessous pour les trois disciplines BIOLOGIE PEA gt mesures CHIMIE PEA gt mesures PHYSIQUE PEA lt gt mesures Sch ma 2 Relations entre les l ments du mesurage au cours de l tape de gestion des mesures Nous constatons sur ce sch ma que comme sur le sch ma 1 correspondant la r alisation des mesures une double fl che relie l l ment mesures l l ment protocole exp rimental et appareillage PEA pour les trois disciplines Le jugement critique port sur les mesures entra ne un jugement sur le protocole et l appareillage et un jugement sur le protocole et lappareillage ne se fait que par l interm diaire des mesures Il faut remarquer cependant qu en biologie cause des contraintes techniques la remise en question de l un ou l autre des l ments ne se fait qu l aide d un guidage important de l enseignant la diff rence du sch ma 1 nous constatons en chimie eten physique l absence de l l ment lois et mod les Ceci traduit le fait que au cours de cette tape de gestion d un ensemble de mesures r p t es dans les trois disciplines ce sont surtout les savoir faire techniques qui sont en jeu Didaskalia n 12 1998 81 Fran oise FONDERE Christiane PERNOT Christine RICHARD MOLARD 3 4 Exploitation et interpr tation des r sultats 3 4 1 En biologie En g n tique les tudiants choisissent
37. n il est souhaitable de faire plusieurs mesures Nous allons montrer comment dans les TP de DEUG propos s Orsay l tudiant est conduit d une part r fl chir sur le nombre de mesures effectuer et d autre part apprendre g rer l ensemble de ces mesures Cette r flexion esta relier la prise en compte des contraintes de l exp rience La gestion consiste en l observation et le traitement de la dispersion des mesures ce qui permet de d terminer la valeur retenir pour la grandeur tudi e Qu en est il dans la pratique pour les trois disciplines Pr cisons que les tudiants sont group s par deux et que de sept douze bin mes travaillent sur le m me sujet 3 3 1 En biologie En g n tique les tudiants effectuent des classements et des comptages sur plusieurs chantillons d une population de drosophiles issues d un m me croisement individus de deuxi me g n ration tant donn que le protocole exp rimental est d licat mettre en oeuvre pour des tudiants d butants et afin qu ils ne passent pas trop de temps au comptage les enseignants leur indiquent une taille d chantillon qui tient compte des contraintes cette taille d chantillon doit en particulier tre suffisante pour permettre l interpr tation des r sultats En effet a un effectif de taille trop Didaskalia n 12 1998 77 Francoise FONDERE Christiane PERNOT Christine RICHARD MOLARD faible correspondraient d
38. ndardization 1984 comme l ensemble des op rations ayant pour but de d terminer la valeur d une grandeur Ceci correspond un ensemble d activit s auxquelles un ing nieur un technicien ou un chercheur consacre une grande partie de son temps ces activit s concernent la r alisation des mesures leur gestion ainsi que l exploitation et l interpr tation des r sultats Dans les trois disciplines biologie chimie et physique notre analyse des activit s de mesurage s tend aux savoirs et comp tences auxquelles elles font appel Nous mettons en vidence et caract risons les mises en relation possibles des l ments du mesurage que sont le protocole exp rimental et l appareillage les r sultats de mesures les lois et mod les les valeurs de r f rence Cette analyse pluridisciplinaire nous semble pr senter plusieurs avantages d une part elle oblige mieux pr ciser le sens des activit s de mesurage pour chaque discipline et permet ainsi de d gager les sp cificit s disciplinaires d autre part un enseignant conscient des pratiques dans les autres disciplines peut mieux situer pr senter et justifier sa propre pratique Les deux questions suivantes ont guid notre tude comment peuvent tre mis en relation les diff rents l ments du mesurage Quels sont les comp tences et savoirs en jeu dans cette mise en relation quelles similitudes et quelles particularit s peut on mettre en vidence dans
39. ns puisque aucun des deux l ments n est remis en question Il en est de m me quand en absorptiom trie la loi de Beer Lambert est utilis e pour d terminer e d un colorant de concentration connue Par contre quand la courbe d talonnage est utilis e pour d terminer e et la concentration la relation entre la loi de Beer Lambert et les mesures implique une ventuelle remise en question des mesures et donc une fl che sens unique vers cet l ment En ce qui concerne la cin tique une relation double sens s tablit entre les lois et les mesures 3 4 3 En physique En ce qui concerne la physique chacun peut constater l importance des entit s abstraites et th oriques dans le cadre de th ories accept es les scientifiques ont construit des mod les et tabli des lois Les tudiants ne peuvent exploiter et interpr ter leurs r sultats exp rimentaux que par l interm diaire de ces lois et mod les Ils doivent comprendre que une exp rience de physique estl observation pr cise d un groupe de ph nom nes accompagn e de l interpr tation de ces ph nom nes cette interpr tation substitue aux donn es concr tes r ellement recueillies par l observation des repr sentations abstraites et symboliques qui leur correspondent en vertu des th ories admises par l observateur Duhem 1989 pp 221 222 Il est ainsi n cessaire que les tudiants tablissent le rapport entre d une part les ph nom nes constat s et traduits
40. nt au cours de cette tape 3 2 1 En biologie L observation qualitative correcte pr alable au comptage consiste en g n tique rep rer avec finesse les diff rences entre les caract res des drosophiles tudi s et ceux des drosophiles d une souche de r f rence systeme t moin en n omettant pas de noter pour chaque individu l ensemble des caract res observ s ce qui est n cessaire pour l interpr tation ult rieure des r sultats En microbiologie l observation qualitative correcte consiste rep rer lors de la d termination d une concentration de bact ries vivantes des clones bact riens individualis s c est dire non group s en amas et les diff rencier d ventuels clones contaminants dont les caract ristiques macroscopiques sont diff rentes Il appara t que pour arriver une observation qualitative correcte les tudiants ont besoin en g n tique d un entra nement assez long et d un guidage important de la part des enseignants en microbiologie cet entra nement est plus rapide Par ailleurs les observations quantitative et qualitative correctes n cessitent la mise en oeuvre de savoir faire techniques Ceci consiste pour les tudiants savoir choisir le mat riel appropri Un choix pertinent de la verrerie et du syst me de pipetage est n cessaire microbiologie appliquer le mode d emploi d un appareil ou le mode op ratoire d un appareillage En microbiologie la
41. ntal effectu En effet un tudiant plac dans ce contexte devrait produire des comptes rendus t moignant de sa capacit porter un jugement sur la qualit des r sultats qu il a obtenus Ceci devrait permettre d chapper une valuation r ductrice souventd plor e dans de nombreuses universit s les comp tences pratiques sont valu es seulement a partir des r sultats fournis comptes rendus et sans aucun regard sur la qualit du travail exp rimental Meester amp Maskill 1995 p 713 BIBLIOGRAPHIE DE KETELE J M amp ROEGIERS X 1993 M thodologie du recueil d informations Bruxelles De Boeck DUHEM P 1989 La th orie physique son objet sa structure Paris Vrin FONDERE F 8 S R M G 1997 An innovative sequence of laboratory work to teach data processing para tre dans Ensenanza de las Ciencias vol 15 n 3 pp 423 429 FOUREZ G 1992 La construction des sciences Bruxelles De Boeck FOUREZ G 1994 Alphab tisation scientifique et technique Bruxelles De Boeck Wesmael GUILLON A 1995 D marches scientifiques en Travaux Pratiques de physique de DEUG l Universit de Cergy Pontoise Didaskalia n 7 pp 103 116 S O O M L I E C amp B I P M 1984 Vocabulaire international des termes fondamentaux et g n raux de m trologie International Organization for Standardization MEESTER M A M MASKILL H amp MASKILL R 1995 First year chemistry practicals
42. nte heures environ le total des heures d entretien Tout au long de l tude un texte consensuel a t labor la fin de chaque s ance permettant de synth tiser l avanc e du travail de description et d analyse des pratiques et de pr parer la s ance suivante Notre m thodologie de recherche est du type inductivo hypoth tico d ductif de Ketele amp Roegiers 1993 Dans la premi re phase exploratoire nous recherchons des l ments descripteurs communs aux pratiques d enseignement dans les trois disciplines Pour cela chacune des auteurs experte dans sa discipline questionn e par les deux autres chercheurs en didactique d crit et explicite l ensemble des activit s propos es aux tudiants cette description et cette explication sont galement effectu es par l interm diaire de documents de travail produits par l experte de la discipline Une recherche commune de descripteurs pertinents par rapport aux objectifs de la recherche est alors entreprise Puis pour chaque discipline les activit s sont reformul es en utilisant les descripteurs s lectionn s Une analyse synth tique etcomparative effectu e en commun permet enfin de valider les descripteurs s lectionn s Une premi re tentative a t effectu e partir d l ments descripteurs tels que les grandeurs mesur es les difficult s rencontr es au cours des mesures les outils utilis s calculs d incertitude et outil statistique le nombre de mesure
43. oeuvre leur savoir faire technique et conna tre les lois et mod les cela leur permet de remettre en cause ventuellement le protocole utilis ils sont ainsi amen s porter un jugement fond sur le protocole exp rimental et appareillage choisis Au cours de l exploitation des r sultats les tudiants confrontent les r sultats des mesures des valeurs pr vues par les lois Is comparent les carts obtenus aux incertitudes sur les valeurs mesur es qui d pendent du protocole exp rimental Pour comparer ces carts ils mettent en oeuvre un calcul d incertitude ou utilisent l outil statistique Cet outil sert quantifier la dispersion des r sultats exp rimentaux et en estimer la pr cision lls analysent ensuite de fa on critique la diff rence entre les carts etles incertitudes Dans le cas de la g n tique l outil statistique sert exploiter les r sultats des d nombrements par comparaison avec les valeurs attendues dans le cadre d une hypoth se voir paragraphe 3 4 Dans les pratiques que nous avons d crites un d saccord entre les r sultats observ s et les r sultats attendus dans le cadre d une loi ou d un mod le ne remet pas en cause cette loi ce dont les tudiants sont conscients C est seulement gr ce la connaissance pr alable de la loi que l accord r sultats de mesure mod le peut tre discut Prenons comme exemples la loi de Descartes en physique la loi de Beer Lambert en chimie des dos
44. parles grandeurs mesur es et d autre part les grandeurs inconnues qui rendent compte de ces ph nom nes Ils acc dent ces grandeurs par l interm diaire d un mod le Par exemple pour d terminer la direction de polarisation d une onde lectromagn tique les tudiants analysent la variation du signal aux bornes d une antenne lin aire recevant cette onde variation qui d pend de la direction de cette antenne voir paragraphe 3 2 3 En s appuyant sur un mod le et des lois utilis s en lectromagn tisme cette analyse permet de conclure sur la direction de polarisation il faut donc que les tudiants connaissent ce mod le et ces lois pour savoir relier la variation du signal observ et la direction du champ lectrique Dans le cadre du mod le de l optique g om trique on tablit la formule permettant de d terminer la distance focale f d une lentille par la m thode de Bessel soit f D a 4 D D est la distance entre l objet et l cran a est celle entre les deux positions de la lentille pour lesquelles l image est nette sur l cran L exploitation des r sultats de mesures travers cette relation permet aux tudiants de d terminer la distance focale Les tudiants comparent l cartentre la valeur obtenue et une valeur de r f rence donn e parle fabricant ou l enseignant et discutent cet cart par rapport l incertitude estim e voir paragraphe 3 3 84 Didaskalia n 12 1998 Le
45. pes Rappelons que l tape 1 est celle de la r alisation des mesures l tape 2 celle de la gestion de l ensemble des mesures et l tape 3 celle de l exploitation des mesures et de l interpr tation des r sultats BIOLOGIE CHME PHYSIQUE r alisation mesures lt gt PEA mesures gt PEA Loi gt mesures lt gt PEA Loi mesures gt PEA Loi mesures gt PEA Loi mesures gt PEA Loi mesures gt PEA Loi mesures gt PEA Loi mesures PEA exploita tion Loi gt mesures gt PEA Loi gt mesures lt gt PEA Valeur de r f rence Valeur de r f rence gt mesures lt gt PEA mesures lt gt PEA Sch ma 4 Relations entre les l ments du mesurage au cours des trois tapes Ce sch ma fait appara tre pour ces TP dans les trois disciplines et pour les trois tapes une double fl che entre l l ment mesures et l l ment protocole exp rimental appareillage Rappelons la signification de cette double fl che dans le sens protocole exp rimental et appareillage vers mesures elle signifie pour l tudiant la remise en cause ventuelle de ses mesures apr s un jugement sur celles ci et donc sur son savoir faire technique voir paragraphe 3 2 dans le sens mesures vers protocole exp rimental et appareillage elle signifie la remise en cause ventuelle du protocole et de l appareillage utilis s apr s un jugement argument sur les perfo
46. re La loi de Beer Lambert exploit e travers la droite d talonnage permet une d termination graphique de la concentration inconnue de l chantillon de colorant partir de la mesure de son absorbance Cette concentration est compar e la valeur de r f rence fournie par des tables le fabricant ou l enseignant et l cart est discut en r f rence l incertitude exp rimentale Dans le cas de l tude de cin tiques de r actions les mesures d absorbance en fonction du temps permettent de choisir entre plusieurs lois de cin tique Les tudiants confrontent les r sultats de leurs mesures aux diff rentes lois de cin tique et tranchent en faveur de l une d elles Ce choix fixe l ordre de la r action puis l exploitation graphique des mesures travers la loi retenue permet de calculer la constante de cin tique Si la dispersion des points esttelle qu elle emp che un choix clair les tudiants sontamen s a remettre en cause la fois les mesures effectu es et le protocole et appareillage utilis s Les relations entre les l ments du mesurage au cours de cette tape d exploitation des r sultats sont les suivantes pour les dosages une relation appara t entre la loi de conservation de la masse et les mesures mais sans qu on puisse relier ces deux l ments par une fl che sens unique ou Didaskalia n 12 1998 83 Fran oise FONDERE Christiane PERNOT Christine RICHARD MOLARD a double se
47. rmances de ceux ci en lien avec le savoir faire technique voir paragraphe 3 3 Dans les trois disciplines quelle que soit l tape les mesures ne remettent pas en cause les lois en g n tique et en cin tique chimique il y a un choix effectuer entre plusieurs hypoth ses ou lois mais sans remise Didaskalia n 12 1998 87 Fran oise FONDERE Christiane PERNOT Christine RICHARD MOLARD en cause de celles ci La mise en relation des mesures avec les lois et avec les valeurs de r f rence devrait permettre l tudiant de situer son savoir faire technique et les performances de l appareillage Les r sultats obtenus ici mettent en lumi re une intention didactique possible pour l enseignement exp rimental celle d apprendre un art que les scientifiques et les technologues ont d velopp d une mani re sp cifique celui de la n gociation Fourez 1994 pp 65 66 En effet dans le sch ma 4 cette n gociation est traduite par la pr sence de fl ches simples ou doubles l tudiant qui remet en cause un ou plusieurs l ments du mesurage cherche un compromis entre l conomie manipulatoire temps produits et mat riel utilis s etc et la qualit du r sultat 5 SAVOIRS ET COMP TENCES EN JEU 5 1 Au cours de la mise en relation du PEA avec les mesures Nous avons montr comment l tudiant dans les trois disciplines est amen porter un jugement sur la coh rence interne de ses r sulta
48. s e pour les autres dilutions Les tudiants ont juger la coh rence des r sultats obtenus pour ces quatre d nombrements proportionnalit entre les dilutions et les d nombrements et d cider de garder ou non ces r sultats pour en faire la moyenne En cas d incoh rence des r sultats les tudiants ne peuvent recommencer car il faut vingt quatre heures pour qu une bact rie tal e donne un clone bact rien visible l oeil nu Ils r fl chissent alors sur les conditions de leur mesurage l incoh rence des r sultats entra ne la critique sur les savoir faire techniques etle protocole utilis s et ventuellement le rejet de certains d nombrements En g n tique et en microbiologie la relation entre les l ments du mesurage se fait donc au cours de cette tape de gestion des mesures entre l l ment mesures et l l ment protocole et appareillage 3 3 2 En chimie En TP de chimie de DEUG il existe de nombreuses causes exp rimentales pouvant conduire de mauvaises mesures par manque de savoir faire et il existe des contraintes de temps telles qu on ne peut envisager de r p ter plus de trois ou quatre fois un dosage L estimation classique de l incertitude permet de d limiter un intervalle raisonnable de diff rence entre deux mesures Si cette diff rence est sup rieure a l incertitude 78 Didaskalia n 12 1998 Le mesurage dans trois disciplines en DEUG on considere qu il y a probabl
49. s y conocimientos interrelacionados Esto permite destacar pr cticas de la ense anza experimental y las particularidades de la disciplina La interpretaci n propuesta revela une potencialidad interesante de las clases pr ticas el maestro puede poner al estudiante en una situaci n de cr tica respecto alos elementos de la experiencia llev ndole a emitir un juicio argumentado sobre los resultados Palabras claves medici n pr cticas proceso experimental conocimientos y capacitaci n juicio argumentado particularidades de la disciplina 1 INTRODUCTION Les recherches en didactique concernantles travaux pratiques TP en premier cycle universitaire premi re et deuxi me ann es post baccalaur at se font selon diff rents axes les objectifs les t ches la formation la d marche exp rimentale etc Dans des recherches r centes centr es sur la possibilit d utiliser les TP pour une formation la d marche exp rimentale les auteurs tudient de nouvelles formes de s ances situation probl me mod lisation projet Guillon 1995 Pernot 1993 Pinelli amp Lef vre 1993 Dans ce m me axe de recherche il nous semble int ressant d analyser les activit s propos es dans des TP classiques de premier cycle universitaire et de faire merger leurs potentialit s de formation la d marche exp rimentale Pour faire merger ces potentialit s nous nous sommes particuli rement attach es d crire les c
50. s effectu es la conduite de l exploitation des r sultats de mesure Ces l ments ont t pr sent s en relation avec les apprentissages en jeu par exemple l apprentissage de l observation correcte ou celui d un jugement sur la pertinence des r sultats Cette premi re tude a permis de mettre en vidence les relations possibles entre les l ments du mesurage et de pr ciser les questions de recherche telles que nous les pr sentons dans l introduction Une seconde lecture des pratiques nous est alors apparue plus pertinente pour r pondre ces questions et pour d crire et caract riser les mises en relation possibles celle prenant les activit s propos es aux tudiants comme l ments descripteurs Les tapes du Didaskalia n 12 1998 67 Francoise FONDERE Christiane PERNOT Christine RICHARD MOLARD mesurage sont ainsi avantageusement d crites avec la m me structure pour les trois disciplines Cette phase exploratoire de la recherche nous a conduites partir de la description des activit s propos es aux tudiants analyserles possibilit s de mises en relation des l ments du mesurage Ceci nous a permis d mettre l hypoth se que dans les trois disciplines les activit s propos es aux tudiants impliquent la n cessit d effectuer et de g rer ces mises en relation Dans la phase suivante de validation de cette hypoth se nous utilisons une m thodologie identique celle de la phase explor
51. trois disciplines en DEUG signification physique Les tudiants peuvent juger ensuite la qualit des r sultats dans une premi re tape ils jugent la coh rence interne de leurs propres r sultats dans une deuxi me tape celle de leurs r sultats avec ceux de l ensemble du groupe ceci se fait en comparant l cart type obtenu pour les valeurs du groupe entier la diff rence entre leur valeur moyenne et la valeur la plus probable Ils peuvent enfin juger la qualit de la valeur finale retenue pour l ensemble du groupe Examinons en ce qui concerne la chimie et la physique les relations entre les l ments du mesurage apparaissant au cours de cette tape de gestion de l ensemble des mesures Quand une seule mesure est effectu e les tudiants font un calcul d incertitude et pour cela portent un regard critique la fois sur le protocole exp rimental et l appareillage employ s et sur le r sultat obtenu ce qui suppose nouveau comme au paragraphe 3 2 des allers et retours entre ces deux l ments du mesurage Quand plusieurs mesures sont effectu es et un traitement statistique mis en oeuvre les tudiants appr cient la coh rence interne de leurs r sultats et la coh rence de ceux ci avec les r sultats des autres tudiants du groupe ce qui les am ne porter un jugement sur le protocole et l appareillage utilis s Au cours de l tape de gestion de l ensemble des mesures les relations entre les l
52. ts et appr cier les performances de l appareillage et du protocole utilis s PEA ainsi que son savoir faire technique paragraphes 3 2 et 3 3 Dans les trois disciplines l tudiant peut ainsi prendre conscience qu il existe une relation entre les performances d un protocole et ou d un appareillage et la qualit des mesures Ceci lui permet de porter un jugement global sur les performances d un appareillage et sur ses propres capacit s a l utiliser ce jugement peut conduire une remise en cause du protocole de appareillage et de l utilisation qui en est faite 5 2 Au cours de la mise en relation du PEA et des mesures avec les lois et mod les En physique pour les TP d crits ici le mod le th orique et les lois permettant l exploitation des r sultats sont impos s Les tudiants doivent donc les conna tre Ils doivent mettre en oeuvre leurs capacit s d observation et leur savoir faire technique pour v rifier les conditions d ad quation de l appareillage et du protocole exp rimental au mod le de r f rence En chimie des dosages pour pr voir les quantit s de produits la dilution et ou l indicateur ad quats les tudiants doivent utiliser la loi de conservation de la mati re Ceci leur permet de justifier le choix du protocole et du mat riel adapt s au dosage 88 Didaskalia n 12 1998 Le mesurage dans trois disciplines en DEUG Ainsi dans les deux disciplines les tudiants doivent mettre en
53. tte tape chaque bin me d tudiants juge la coh rence entre ses r sultats et ceux des autres tudiants de son groupe On peut ainsi conclure que comme pour la biologie de nombreuses contraintes interviennent pour limiter le nombre de mesures temps n cessaire pour effectuer le dosage nombre important d op rations d licates a contr ler La r p tition des mesures par un bin me d tudiants est donc arr t e quand les r sultats concordent Par contre pour d cider de la valeur a retenir les r sultats de l ensemble des bin mes sont regroup s et une valeur unique est extraite de leur comparaison Cependant dans la manipulation de DEUG concernant la d termination d une constante de cin tique chaque bin me d tudiants a le temps de calculer plusieurs valeurs au moins 4 de cette constante Le traitement des r sultats est alors effectu en utilisant l outil statistique sur les r sultats d un bin me et sur les r sultats du groupe d une fa on similaire celle d crite ci dessous pour la physique Pour mettre profit la grande similarit de la gestion de l ensemble des mesures entre les exemples propos s pour la chimie et la physique nous traitons la mise en relation des l ments du mesurage la fin du paragraphe suivant Didaskalia n 12 1998 79 Francoise FONDERE Christiane PERNOT Christine RICHARD MOLARD 3 3 3 En physique Couramment les tudiants effectuent une mesure recherchen
54. ttoutes les causes d incertitude et estiment cette incertitude afin de juger de la pr cision de leurs mesures incertitudes de lecture d talonnage dues la m thode utilis e l exp rimentateur ou l appareil On peut donc et c est souvent le cas se contenter de faire une seule mesure Cependant pour les TP de DEUG les probl mes de la dur e et ou du co t de la r p tition des exp riences se posent en physique de fa on beaucoup moins cruciale qu en biologie et en chimie au cours de s ances de dur e raisonnable on peut faire de 5 10 mesures de distance focale de m me que des mesures d indice de r fraction de r sistances de longueurs d onde car les grandeurs n cessaires ces d terminations sont obtenues rapidement Pour utiliser la possibilit de multiplier les mesures ind pendantes d une m me grandeur une innovation a t mise en place r cemment S r et al 1993 S r amp Journeaux 1995 Elle concerne en particulier les d terminations de distances focales et d indice de r fraction Cette innovation est bas e sur le fait que tout r sultat de mesure est porteur d information et que l chantillon constitu par l ensemble des mesures suit une distribution se rapprochant de la distribution de Gauss normale si le nombre de mesures est suffisamment grand Augmenter le nombre de mesures constitue un apport d informations suppl mentaires et permet d accro tre la pr cision du r sultat
55. une hypoth se concernant le nombre de g nes Pour tester cette hypoth se l observation de la deuxi me g n ration croisement entre individus de premi re g n ration estn cessaire Elle permet de classeret de d nombrer les drosophiles selon leurs diff rentes caract ristiques morphologiques et le sexe et de comparer ces r sultats avec ceux attendus dans le cadre de l hypoth se Cette comparaison n cessite un calcul partir de ces r sultats voir paragraphe 3 4 En microbiologie les tudiants d terminent l effet sur la croissance bact rienne de diff rents milieux de culture La population de bact ries vivantes et mortes dans un chantillon tant proportionnelle la turbidit dans le cadre de la loi de Beer Lambert c est cette derni re qui est mesur e par spectrophotom trie en fonction du temps La croissance bact rienne suit diff rentes phases dont la courbe repr sentative est une sigmo de Le temps de g n ration temps de doublement de la population est d termin graphiquement partir de la phase exponentielle de croissance Par comparaison entre les r sultats obtenus dans les diff rentes conditions de culture les tudiants d duisent l effet de ces conditions sur la croissance voir paragraphe 3 4 En parall le pour d terminer la concentration de bact ries vivantes une autre exp rience est r alis e talement de bact ries sur bo te apr s dilution et incubation pendant 24 heures 37
Download Pdf Manuals
Related Search