Recherche en didactique de la physique de l’électricité

Thèse préparée sous la direction du professeur Jean-Claude Régnier de l’université lumière, Lyon 2, et en étroite collaboration avec le professeur Gérard Vergnaud de l’université Paris 8.

 

Titre de la thèse :

L’enseignement apprentissage du schéma électrique dans un environnement informatique pour l’apprentissage humain : un problème de didactique de la physique

 

Résumé :

Le schéma électrique permettrait deux activités cognitives distinctes : la lecture et l’écriture. Les recherches en psychologie et en didactiques des sciences sur les processus mis en jeu par des sujets apprenants et sujets professionnels dans des tâches de lecture de schémas électriques ont fait l’objet de nombreux articles.

Elles s’accordent à dire que la compréhension du schéma électrique dépendrait de la maitrise des champs conceptuels du code, des relations spatiales et des connaissances techniques (Baldy et Weill-Fassina, 1985).

Concernant les recherches sur les processus mis en jeu dans les activités d’écriture de schémas électriques, celles-ci sont moins nombreuses (voir Johsua, 1982, et Cazalet, 1984).

Elles ne s’accordent pas sur l’élaboration de modèles de conception et de schématisation.Pour notre part, il est nouvellement question d’interroger une activité de schématisation de schémas de principe dits « fragmentés » (Paratore, 2008), activité omniprésente dans les épreuves de certification du BEP et du bac des métiers de l’électrotechnique.

Cette activité de schématisation consiste à la mise en place de traits de jonctions manquants (lacunes), les symboles du schéma restant préalablement seuls, configurés à l’identique de la structure du schéma expert.

Nous nous penchons plus particulièrement sur la question de la signification à attribuer aux nombreuses réussites obtenues par des sujets élèves de 15 à 17 ans de seconde professionnelle de BEP des métiers de l’électrotechnique dans des tâches de type exercices de schématisation exécutées avec le logiciel schémaplic.

Alors que ces derniers ont reçu un enseignement des schémas intégrales, nous analysons le sens des invariants opératoires en acte et explicites mobilisés par les élèves de ces classes en effectuant 5 exercices d’électrotechnique de niveau 1 du logiciel.

Cette thèse propose que l’exécution des exercices de schémas fragmentés du logiciel favorise l’apprentissage de schèmes dont les règles d’action utilisées par les sujets reposent principalement sur des propriétés du domaine de la géométrie (topologique et projective) et dans une moindre mesure, sur des propriétés du domaine de l’électrotechnique, présentes dans la situation.

La théorie des champs conceptuels de Vergnaud (1990) nous fournit un cadre pour penser la relation entre schème et conceptualisation dans le paradigme de la conceptualisation dans l’action.

La méthode expérimentale choisie permet l’enregistrement des traçages des schémas fragmentés effectués par les élèves, permettant ainsi de prendre en compte quelques aspects des invariants opératoires en actes.

La verbalisation de ces derniers aux travers d’entretiens centrés sur les sujets permet quant à elle de prendre en compte quelques aspects des invariants opératoires explicités.

 

Mots clés :

Algorithme, schème, circuits électriques, schémas électriques, l’enseignement-apprentissage du schéma électrique ; schéma de principe ; schéma fragmenté  ; environnement informatique pour l’apprentissage humain.

 

Abstract :

The electrical diagram would allow two distinct cognitive activities: reading and writing. Research activities in psychology and the didactics of sciences concerning the process used by learning subjects and by professional subjects while performing reading tasks on electrical diagrams have been discussed in numerous articles.

They all agree on the fact that the understanding of the electrical diagram would depend on the mastery of the conceptual fields of the code, the space relations and the technical knowledge (Baldy and Weil-Fassina, 1985).

As regards the researches made in the field of the process used during writing activities concerning electrical diagrams, they are less numerous (see Joshua, 1982, and Calzet, 1984).

They do not agree on the development of patterns of conception and diagram drawing.As for our part, we are again questioning the activity of drawing diagrams in principle which are called “fragmented” (Paratore, 2008).

This activity is omnipresent in the examinations for the BEP certificate of professional secondary studies and for the A levels in electrotechnics. This diagram drawing activity consists in putting in place the missing junction lines (gaps), beforehand the symbols of the diagram remaining isolated, being configured identically to the structure of the expert diagram.

More particularly, we study the question of the signification to be attributed to the numerous achievements of pupils of 15 to 17 years old and who are in the second year of a professional electrotechnics high school, during the performance of tasks involving diagram drawing exercises carried out with the “schémaplic” software.

While the latter have studied the diagrams during their high school classes, we analyze the meaning of the operational invariants both in action and explicit as they were used by these pupils while they were solving 5 electrotechnics exercises from the 1st level of the software.

This thesis proposes that the carrying out of exercises on fragmented diagrams of the software facilitates the learning of algorithms whose rules of actions used by the subjects are principally based on the characteristics of the field of geometry (topological and projective) and in a lesser degree on the characteristics of the field of electrotechnics, present in the given situation.

The theory of conceptual fields of Vergnaud (1990) offers us a framework in which we can imagine the relation between diagram and conceptualization within the paradigm of conceptualization in action.

The experimental method that has been chosen allows us to register drawings of fragmented diagrams realized by the pupils and thus to take into account some aspects of the operational invariants in action.

The verbalization of the latter during semi-directive interviews allows us to take into account some aspects of the explicit operational invariants.

 

Key-words :

algorithm, schems, electric circuits, electrical diagrams, teaching – learning of the electrical diagram; diagram in principle; fragmented diagram; computer environment for human learning.

 

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Pour citer cette thèse :

Nicolas Paratore, « L’enseignement-apprentissage du schéma électrique dans un environnement numérique d’apprentissage humain : un problème de didactique de la physique », Thèse de doctorat en sciences de l’éducation, sous la direction de Jean-Claude Régnier, Lyon, Ecole doctorale EPIC, 2010, 324 p.

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