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L’équation de réaction : une équation à plusieurs inconnues. Étude de productions d’élèves de 16-17 ans (grade 11) en Belgique francophone

Chemical reaction equation: an equation with several unknown factors. Analysis of eleventh grade student’s productions in the French-speaking parts of Belgium
Jérémy Dehon et Philippe Snauwaert
p. 209-235

Résumés

L’équation de réaction constitue un nœud dans l’apprentissage de la chimie : de nombreux élèves éprouvent en effet des difficultés à utiliser les multiples informations présentes dans l’équation de réaction. Inspirés par le cadre théorique des niveaux de savoir de Johnstone, nous avons proposé l’existence de trois niveaux de signification (macroscopique, microscopique et symbolique) associés à des visualisations données, et ce du point de vue de l’élève. Via un test à questions ouvertes, nous avons sondé le type et la fréquence des significations que des élèves de cinquième année du secondaire général (16-17 ans) en Belgique francophone prêtent aux symboles et termes de l’équation de réaction. Trois résultats émergent de l’analyse de ces tests. Premièrement, chaque symbole est lié à de nombreuses significations, associées elles-mêmes à un ou plusieurs niveau(x). Deuxièmement, selon le symbole considéré, les propositions des élèves peuvent être situées a priori dans un niveau de signification préférentiel. Enfin, on rencontre souvent les confusions molécule/atome et indice/coefficient dans les productions des élèves. Plus généralement, le manque de représentations opérationnelles au niveau microscopique semble avoir des répercussions sur la compréhension des symboles de l’équation de réaction et du concept de réaction chimique en lui-même.

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Texte intégral

Introduction

1« On peut exprimer le résultat de l’effet chimique […] par une formule simple qui n’est au fond qu’un raisonnement mis en forme serrée, comme toutes les formules algébriques ; et c’est une méthode qui, en offrant les phénomènes chimiques dans un langage concis, aura l’avantage, lorsqu’on voudra l’employer plus généralement, de représenter avec clarté et précision tout ce qui se passe dans les opérations les plus compliquées » (Fourcroy & Vauquelin, 1797).

  • 1 Fourcroy utilise le terme « formule simple » pour décrire l’équation littérale proposée précédemme (...)
  • 2 Moût de raisin = acide carbonique + alcool.

2Cet extrait des Annales de chimie, écrit conjointement par Fourcroy et Vauquelin en 1797, offre un portrait de l’équation de réaction telle qu’elle a été conçue à l’époque des premiers balbutiements de la chimie moderne. Après avoir précisé les raisons d’être et les perspectives enthousiasmantes que cette « formule simple »1 laissait présager, les auteurs formulent un vœu pieux : l’usage plus général de ce « raisonnement mis en forme serrée » est susceptible de faciliter la communication d’informations liées aux phénomènes observables, et ce même pour « les opérations les plus compliquées ». La première équation de réaction avait été publiée huit ans plus tôt par Lavoisier dans son célèbre Traité élémentaire de chimie (Lavoisier, 1789). Cette équation littérale2 comprend un signe « = » qui rend compte de la conservation de la masse et des « principes » constitutifs des corps. Non content d’adopter cette représentation de la transformation chimique, Fourcroy, par ailleurs disciple déclaré de Lavoisier, y ajoute une dimension visionnaire bien perceptible à la lecture de l’extrait. Au vu du succès croissant qu’a rencontré l’équation de réaction depuis sa création, tout porte à croire que les scientifiques qui ont succédé à Fourcroy et Vauquelin, et de surcroît à Lavoisier, ont eu à cœur de répondre à cette audacieuse proposition.

3L’équation de réaction a depuis intégré la majorité des concepts chimiques fondamentaux qui ont émergé au cours du XIXe siècle, ce qui en fait un véritable symbole de la chimie moderne. Elle est désormais omniprésente dans les publications de niveau universitaire et dans les manuels scolaires. Cependant, le cours des modifications apportées à l’équation est tout sauf un long fleuve tranquille. En effet, tant les variations d’ordre topologique (fluctuation de la place de l’indice, linéarisation progressive, abandon d’un schéma plus global) que les transformations syntaxiques (remplacement du signe égal par une flèche de réaction, introduction des coefficients), sémantiques (introduction de différents types de flèches aux significations propres) et pragmatiques (utilisation effective ou non des signes) ont fait l’objet de discussions âpres voire de conflits ouverts entre scientifiques. Ceux-ci aboutirent à la coexistence de plusieurs conventions d’écriture qui différèrent longtemps d’un pays à l’autre, et même parfois d’une université à l’autre dans un même pays (Laugier & Dumon, 2004). Il fallut attendre la deuxième moitié du XXe siècle, notamment grâce au travail soutenu de l’IUPAC, pour fixer davantage les signes à même de rendre compte d’une réaction chimique.

4L’équation qui est arrivée jusqu’à nous ne porte que peu de stigmates de ces circonvolutions historiques. Lisse comme un galet soumis à l’érosion du temps et des usages réguliers, l’équation dite « chimique » présente peu de points d’accroche susceptibles de donner à l’étudiant néophyte des indices du processus complexe à l’origine de sa création. Ce constat est essentiel, car il éclaire les difficultés d’apprentissage rencontrées par de jeunes élèves au moment où ils doivent appréhender l’écriture propre aux chimistes. En effet, comment un non-initié peut-il approcher la richesse des informations contenues dans une équation de réaction sans une connaissance minimale des nombreux concepts qu’elle est censée représenter ? Créée en vue d’apporter clarté et précision, l’équation chimique, pourtant, « prend appui sur de l’explicite et suggère du non-dit » (Barlet & Plouin, 1994). Ce non-dit, qui n’entraîne pas de confusion chez un spécialiste, peut constituer un obstacle majeur à l’apprentissage pour un jeune au début de sa formation s’il n’est pas abordé par les enseignants. Par ailleurs, le rôle de l’équation de réaction est double : informer à la fois que les substances se transforment et que la masse se conserve. Ces deux fonctions, qui peuvent sembler paradoxales (changement et conservation dans un même processus) sont susceptibles de parasiter l’apprentissage de l’équation par des jeunes apprenants. Donc, de par son caractère éminemment implicite et sa bivalence transformation/conservation, l’équation de réaction engendre des questionnements de forme tout autant que de contenu pour de nombreux élèves. Devant l’absence de recherches en didactique de la chimie entreprises sur le sujet en Belgique francophone, nous avons cherché à déterminer et à évaluer les conceptions des élèves de 16-17 ans face aux symboles fondamentaux insérés dans l’équation de réaction. Notre travail portera principalement sur les signes correspondant aux règles sémantiques de lecture de l’équation de réaction (+, , coefficients stœchiométriques). Les conceptions associées aux autres symboles tels que les formules moléculaires, et principalement l’indice, seront également abordées en discutant leurs influences sur les significations de signes particuliers ou sur la conceptualisation de la réaction chimique.

1. Cadre contextuel structurant

5Le triangle de Johnstone (ou « chemistry triplet ») a constitué pendant de nombreuses années un paradigme fort dans le champ de recherche de la didactique de la chimie. Selon cette proposition, les contenus en chimie peuvent être répartis dans l’un ou plusieurs des trois niveaux de savoir (levels of knowledge) suivants : le niveau macroscopique, le niveau submicroscopique et le niveau symbolique (figure 1).

Figure 1 : triangle de Johnstone (ou chemistry triplet) représentant les trois niveaux de savoir (levels of knowledge) en chimie : macroscopique, microscopique et symbolique (Johnstone, 1993)

Figure 1 : triangle de Johnstone (ou chemistry triplet) représentant les trois niveaux de savoir (levels of knowledge) en chimie : macroscopique, microscopique et symbolique (Johnstone, 1993)

6Le niveau macroscopique, associé à l’expérimentation et la description, recouvre ce que l’on peut appeler le monde perceptible. Il constitue traditionnellement la première étape dans l’approche de la chimie : l’observable par l’expérience (Houart, 2009). Les deux autres niveaux appartiennent pour leur part à ce que l’on peut appeler le monde « construit » et s’inscrivent de ce fait, selon Johnstone, dans le domaine de la modélisation. Le niveau submicroscopique, impliquant les théories et modèles particulaires, constitue un niveau explicatif quand Johnstone confère au niveau symbolique, comprenant tous les signes de communication y compris le langage spécifique à la chimie, un rôle de représentation. Cependant, de nombreux auteurs ont amendé le triangle de Johnstone en émettant un certain nombre de critiques portant notamment sur les niveaux de savoir macroscopique et symbolique (Gilbert & Treagust, 2009 ; Kermen & Méheut, 2009 ; Talanquer, 2011 ; Taber 2013 ; Dumon & Mzoughi-Khadhraoui, 2014). Premièrement, le niveau macroscopique ne se limite pas au domaine empirique ou expérimental, il intervient également dans le domaine de la modélisation. En effet, le recours à des concepts descriptifs ou explicatifs comme les concepts de substance, de réaction chimique ou d’élément constituent déjà des modélisations émergeant au niveau macroscopique. En conséquence, Kermen et Méheut ont introduit une représentation sous la forme d’un tétraèdre dans lequel le niveau macroscopique est scindé en deux parties distinctes : un niveau empirique et un niveau de modélisation macroscopique (Kermen & Méheut, 2009). Cette distinction pertinente a depuis été reprise dans quelques études (Taber, 2013 ; Dumon & Mzoughi-Khadhraoui, 2014).

7Deuxièmement, le statut des représentations symboliques a été intensément discuté : un ensemble de différentes représentations est-il un niveau de savoir à part entière ? Ces représentations ne constituent-elles pas essentiellement un outil de visualisation des modèles microscopiques et macroscopiques ? Comment traiter les différents registres de représentation (équation de réaction, iconique, graphiques, langage naturel, etc.) ? Dans leurs publications respectives, Talanquer et Dumon compilent ces différentes représentations sous le terme de « visualisations » et les placent dans un ensemble de « niveaux » ou « types ». Pour ces auteurs, les visualisations constituent donc un niveau à part entière au même titre que d’autres niveaux (macroscopique, expériences, modèles, empirique, etc.). À l’inverse, Taber les limite à un outil de communication et de re-description des concepts macroscopiques et submicroscopiques. En effet, dans le schéma proposé par Taber, les représentations formelles symboliques et le langage spécifique à la chimie sont placés entre les deux niveaux de conceptualisation (macroscopique et submicroscopique) pour mieux signifier la distinction nette de statut qu’il opère entre conceptualisation et représentation (figure 2).

Figure 2 : schéma des niveaux de savoir en chimie (levels of chemical knowledge) : phénomène chimique, conceptualisation macroscopique et conceptualisation submicroscopique (Taber, 2013)

Figure 2 : schéma des niveaux de savoir en chimie (levels of chemical knowledge) : phénomène chimique, conceptualisation macroscopique et conceptualisation submicroscopique (Taber, 2013)

8Ces nuances sur les niveaux de savoir aussi légitimes et pertinentes qu’elles soient ont pour but de clarifier ce que Talanquer appelle « l’espace du savoir en chimie » (chemistry knowledge space), plus précisément dans le cadre de l’enseignement. Cependant, ce souci de clarification bute sur des obstacles linguistiques et didactiques.

9Johnstone et les auteurs précédemment cités semblent éprouver des difficultés à caractériser ce que recouvrent exactement les « niveaux » : sont-ce des niveaux de savoir (levels of knowledge), des niveaux de pensée (levels of thought), des niveaux de description (levels of description), des niveaux de représentation (levels of representation), des niveaux d’interprétation (levels of interpretation), des niveaux d’enseignement (levels of teaching) ? De la même manière, les niveaux sont parfois appelés types, composants, mondes ou modes, rendant compte ainsi du travail d’accommodation et de reformulation propre à chaque auteur, susceptible de générer une certaine confusion sur l’autel de l’émergence d’idées nouvelles. Cette question, déjà posée par Talanquer, ne peut être négligée (Talanquer, 2011). Le but de cette publication n’est pas de réaliser la nécessaire analyse linguistique que ce problème soulève mais bien de l’éclairer quelque peu en abordant la question du sujet didactique concerné. Peut-on appliquer un même cadre théorique modélisant la manière de décrire, d’interpréter ou de représenter un phénomène chimique, pour un élève et pour un enseignant ? Un élève débutant en chimie réalise-t-il les mêmes processus d’apprentissage, caractérisés par les mêmes niveaux, qu’un étudiant en fin de cycle ? Ainsi, il nous paraît opportun de distinguer le discours d’un enseignant qui, de par son statut d’expert, embrasse la quasi-totalité de l’« espace du savoir en chimie » du discours d’un élève qui, selon son niveau de maîtrise de la matière, peut emprunter des schémas de pensée différents. Si un enseignant est capable de distinguer une description essentiellement empirique d’une description à l’aide de certains concepts macroscopiques passés dans son langage courant (combustion, métal, états de la matière, espèces chimiques), un élève doit d’abord apprendre à construire ces concepts macroscopiques à des fins descriptives. Plus encore, l’utilisation d’un signe sans explicitation par un enseignant peut référer à la fois aux concepts macroscopiques et aux concepts microscopiques alors qu’un élève peut n’y voir qu’une lettre ou un chiffre sans aucun lien avec le phénomène chimique observé.

10En conséquence, afin de nous placer du point de vue de l’élève, nous avons reconstruit un cadre théorique permettant de traiter la question des significations que les élèves prêtent à un symbole, un signe ou un terme présent dans l’équation de réaction. Plus généralement, un élève peut en effet construire des significations émergeant à trois niveaux distincts à partir d’une visualisation donnée (figure 3) :
– un niveau de signification macroscopique dans lequel l’élève fait référence à l’observable en citant des observations empiriques (changement de couleur, disparition lors d’une réaction chimique, etc.) ou en utilisant des concepts macroscoscopiques tels que les concepts de substance, de métal, de solide, etc. Nous avons donc regroupé les observations empiriques et les modèles macroscopiques descriptifs ou explicatifs dans ce même niveau de signification. Notons également qu’à ce niveau, l’élève peut décrire certaines propriétés de la substance considérée : états de la matière, brillance, dureté, malléabilité, conductivité thermique, etc. ;
– un niveau de signification microscopique dans lequel l’élève fait référence aux entités constitutives de la matière (molécules, atomes, ions), à la géométrie moléculaire, aux propriétés microscopiques ou aux particules subatomiques (électrons, protons, neutrons) ;
– et un niveau de signification symbolique dans lequel l’élève se limite à une lecture du ou des signe(s) en tant que signifiant : association de lettres, position dans une combinaison de symboles, chiffre dans une équation mathématique, etc. À ce niveau, l’élève peut aussi prêter à la visualisation une signification hors du cadre strict de la chimie. Les significations du niveau symbolique sont supposées s’éteindre rapidement au cours du cursus chez la majorité des étudiants pour faire place aux significations des niveaux microscopique et macroscopique.

Figure 3 : schéma des niveaux de signification associés à une visualisation pour un élève de l’enseignement secondaire

Figure 3 : schéma des niveaux de signification associés à une visualisation pour un élève de l’enseignement secondaire

11Prenons l’exemple du symbole chimique Na  (figure 4) :
– Au niveau macroscopique, le symbole « Na » peut représenter la substance « sodium » avec toutes ses propriétés observables : solide mou et gris à température ambiante, présentant un éclat métallique sous certaines conditions, hautement inflammable, capable de réagir violemment avec l’eau, etc. ;
– Au niveau microscopique, « Na » peut représenter l’atome de sodium, et indirectement sa masse atomique relative, sa faible électronégativité, sa composition en particules subatomiques, sa capacité de liaison, etc. Ces caractéristiques microscopiques, véhiculées par le seul symbole « Na », se construisent tout au long du cursus ;
– Au niveau symbolique, « Na » peut être vu comme une combinaison d’une lettre majuscule et d’une lettre minuscule ou encore traduit dans le langage spécifique à la chimie sous le nom de « sodium ». L’élève peut ne prêter aucun sens chimique (microscopique ou macroscopique) au symbole « Na » même s’il est capable de l’écrire et de l’utiliser en combinaison avec d’autres symboles.

Figure 4 : schéma des niveaux de signification et exemples de significations associés au symbole « Na »

Figure 4 : schéma des niveaux de signification et exemples de significations associés au symbole « Na »

2. Les élèves face à l’équation de réaction

12L’équation de réaction est définie comme la représentation symbolique de la réaction chimique et de la transformation chimique. Les symboles utilisés dans l’équation peuvent être porteurs des significations tant au niveau microscopique (molécules, atomes et ions impliqués dans la réaction chimique) qu’au niveau macroscopique (états de la matière, coefficients en tant que proportion dans une combinaison stœchiométrique, composition des substances chimiques) (Laugier & Dumon, 2000). Cependant, en Belgique francophone, la distinction entre les niveaux symbolique, microscopique et macroscopique (tels que définis par Johnstone) n’est apparue que très récemment dans certains manuels scolaires, en se limitant la plupart du temps aux niveaux microscopique et macroscopique. En particulier, la distinction entre réaction chimique et transformation chimique reste rarement abordée. Il en résulte, dans les pratiques enseignantes actuelles, une approche encore très classique de l’apprentissage de l’équation de réaction, basée sur le passage brutal d’une démonstration expérimentale à la symbolisation en une équation de réaction, sans passer par des représentations moléculaires de type iconique. Cette séquence présente évidemment certains avantages pour les professeurs : elle permet d’aborder rapidement les exercices de pondération des équations, qui, par leur aspect essentiellement procédural, constituent des outils d’évaluation aisés à concevoir et à corriger, tout en répondant en peu de temps aux exigences des programmes.

13Cependant, les conséquences de cette pratique sur l’apprentissage des concepts fondamentaux de la chimie par des élèves débutants sont préoccupantes. Contraints de travailler avec des expressions formelles à forte teneur symbolique pendant la majeure partie du début de leur cursus (résolution de problèmes stœchiométriques, application de règles de nomenclature, pondération d’équations de réaction), les apprenants se voient rapidement déconnectés du monde macroscopique, et privés de représentations opérationnelles au niveau microscopique. Ces manquements ne mettent pas pour autant en péril la réussite scolaire des élèves. Par exemple, des chercheurs ont montré que l’exercice de pondération des équations de réaction peut très bien être réalisé avec succès comme une simple manipulation mathématique, sans aucune conceptualisation correcte aux niveaux macroscopique et microscopique (Savoy & Steeple, 1994 ; Huddle & Pillay, 1996 ; Sanger, 2005). À force de n’opérer que des procédures calculatoires et de répondre à des questions portant sur le seul langage formel au cours, la chimie devient ainsi, aux yeux de certains jeunes, une science essentiellement abstraite, proche des mathématiques, dans laquelle il faut manipuler des signes ne correspondant à aucune réalité tangible, alors qu’on la leur a présentée comme une science naturelle connectée à l’observable. Cette « trahison » de la promesse initiale de découverte du monde concret – que devrait constituer le début d’un cours de chimie – est susceptible de générer, en plus d’une chute de la motivation, des significations erronées des symboles contenus dans l’équation de réaction.

14Isolés de leur sens chimique correct, ces symboles peuvent alors véhiculer des significations très différentes. De nombreuses études explorent les conséquences de l’application de ces significations incorrectes liées aux indices et coefficients stœchiométriques. Certains auteurs ont par exemple montré qu’une mauvaise utilisation de l’indice conduit à une représentation erronée de la molécule d’eau H2O au niveau microscopique : un pourcentage non négligeable d’élèves représentent H2O sous la forme d’une molécule de H2 et d’un atome d’oxygène séparé (Ben Zvi, Eylon & Silberstein, 1988 ; Keig & Rubba, 1993 ; Cokelez & Dumon, 2005). Ce dysfonctionnement a de multiples conséquences : renforcement de la confusion entre molécules et atomes, équation incorrecte de la réaction de formation de l’eau, ou encore formulation du concept de réaction chimique en tant que juxtaposition de substances. En outre, une récente étude montre que l’indice désigne pour certains élèves un nombre de molécules, ce qui démontre une confusion entre le rôle de l’indice et celui du coefficient stœchiométrique (Mzoughi-Khadhraoui & Dumon, 2012). La confusion entre indice et coefficient stœchiométrique semble également se répercuter sur les performances de résolution des problèmes stœchiométriques chez certains étudiants (Sanger, 2005). Enfin, dans une publication de Friedel et Maloney, on observe que l’indice est mal utilisé, voire littéralement nié par un nombre important d’élèves notamment dans la détermination d’une masse molaire, et ce de manière récurrente (Friedel & Maloney 1992).

15L’absence de lien entre les niveaux macroscopique et microscopique et les représentations symboliques peut également contribuer à rendre complexe la conceptualisation de la réaction chimique, en tant que transformation de substances et réarrangement de particules, à partir d’une équation de réaction (Gabel, 1998 ; Treagust, Chittleborough & Mamiala, 2003). Les professeurs de chimie eux-mêmes semblent éprouver des difficultés à tenir compte de la distinction entre les trois niveaux dans leurs pratiques éducatives (Gabel, 1999 ; De Jong & Van Driel, 2004) : avant tout spécialistes de leur discipline, les enseignants sont entraînés à passer sans effort d’un niveau à l’autre, ce qui peut les rendre parfois inconscients des problèmes potentiels rencontrés par les étudiants face à ce même processus cognitif.

3. Question de recherche et méthodologie

16La distinction entre les niveaux de savoir (dans le cadre général de l’enseignement de chimie) ou de signification (dans le cadre de l’interprétation de symboles et signes du point de vue de l’élève) constitue un véritable outil applicable en didactique de la chimie. Comme les auteurs de précédentes études (Larcher, Chomat & Lineatte, 1994 ; Hinton & Nakhleh, 1999 ; Cokelez & Dumon, 2005 ; Le Maréchal & Bécu-Robinault, 2006 ; Davidowitz & Chittleborough, 2009 ; Chittleborough & Treagust, 2007 ; Houart, 2009 ; Dumon & Mzoughi-Khadhraoui, 2014), nous avons émis les hypothèses suivantes :
– les concepts chimiques prennent d’autant plus de sens pour les étudiants s’ils sont inclus dans une circulation entre les niveaux de modélisation microscopique et macroscopique ;
– les concepts sont d’autant plus opérationnels s’ils sont mis en œuvre par les étudiants dans les niveaux macroscopique et microscopique, à partir de visualisations variées.

17En conséquence, l’établissement de liens forts entre les significations aux niveaux macroscopique et microscopique et les signes décrits précédemment constituerait une démarche favorable à une compréhension en profondeur des concepts de base de la chimie. Nous avons procédé à l’évaluation des significations associées à la symbolique de l’équation de réaction auprès d’élèves à un certain stade de leur apprentissage de la chimie, et ainsi tenté de répondre aux questions de recherche suivantes :
– quelles sont, chez les élèves, les significations associées aux symboles contenus dans l’équation de réaction ?
– à quel(s) niveau(x) ces significations peuvent-elles être reliées ?
– quels sont les éléments à l’origine de la construction de ces significations diverses ?
– quelles sont les difficultés d’apprentissage potentielles susceptibles d’être provoquées par certaines de ces significations ?
– quelles significations est-il pertinent de favoriser ou de défavoriser au début de l’apprentissage de la chimie ?

  • 3 En cinquième année de l’enseignement secondaire général de transition en Belgique francophone (élè (...)
  • 4 Nous nous basons sur des indices socio-économiques portant sur les établissements scolaires (ISE) (...)

18Un test, joint en annexe, a été soumis entre janvier et février 2011 à 130 élèves de 16-17 ans (grade 11) de trois écoles en Belgique francophone, choisies en fonction des professeurs collaborateurs. L’échantillon regroupe 91 élèves de sciences générales et 39 élèves de sciences de base3. Les enseignants présentent une ancienneté de métier importante (entre 20 et 30 ans) et les élèves sont, à quelques exceptions près, issus de familles à indice socio-économique comparable4. Le test a été distribué aux élèves par des professeurs collaborateurs dans leur propre classe, en précisant qu’il servait à estimer leur niveau de compréhension de l’équation de réaction à des fins diagnostiques (et non certificatives) pour le professeur, et in fine pour une recherche scientifique. Les élèves disposaient de trente minutes pour compléter le questionnaire, de façon anonyme, seul l’intitulé de la classe étant à stipuler. Ce test comporte huit questions ouvertes portant sur la compréhension de la symbolique utilisée dans une équation de réaction donnée (en l’occurrence, l’équation de combustion du sodium) :

4Na(s) + O2(g) → 2Na2O(s)

19Cette équation a été choisie pour plusieurs raisons : elle comporte deux types d’atomes (sodium et oxygène), un corps pur composé comportant un indice supérieur à l’unité (l’oxyde de sodium), des coefficients stœchiométriques supérieurs à l’unité, un atome non impliqué dans une molécule (Na), des états de la matière différents (solide, gazeux). De plus, la réaction de combustion des métaux fait partie intégrante du programme de chimie dans l’enseignement secondaire en Belgique francophone. Nous avons ajouté les symboles associés aux états de la matière à l’équation de réaction afin de pouvoir sonder les significations que les élèves leur prêtent, même si la présence de ces symboles est susceptible d’influer sur le niveau de signification exprimé, en polarisant l’attention sur le niveau macroscopique. Si l’on excepte la lecture critique par les professeurs collaborateurs, le questionnaire n’a pas fait l’objet d’une expérimentation préalable auprès d’un groupe-test.

  • 5 Contrairement à la France, les concepteurs des programmes belges n’ont jamais privilégié la réintr (...)

20Chaque question supporte un objectif propre :
– Q1 et Q2 : identifier les significations données aux termes « réactif » et « produit » ;
– Q3 : identifier les significations données au signe « + » dans l’équation de réaction ;
– Q4 : identifier les significations données à la flèche (→) dans l’équation de réaction5 ;
– Q5 : identifier les significations données au coefficient dans l’équation de réaction ;
– Q6 : identifier les significations données à l’indice dans l’équation de réaction ;
– Q7 : identifier les significations données aux symboles (s) et (g) dans l’équation de réaction ;
– Q8 : identifier ce que les élèves conçoivent par « réaction chimique ».

21L’analyse de ces tests permet de déterminer les significations les plus fréquentes des élèves et de cerner les problèmes potentiels dans la compréhension de la symbolique de l’équation de réaction. La somme des fréquences relatives compilées dans les tableaux de résultats peut excéder 100 %. En effet, bon nombre de productions d’étudiants contenaient plusieurs éléments de réponses imbriqués. Par souci de cohérence, nous avons donc comptabilisé l’occurrence de chacun de ces éléments de réponse sous la forme de fréquence relative. La plupart de ces catégories de significations ont été le produit d’une analyse a priori nourrie par de précédentes études. Cependant, d’autres catégories ont été créées a posteriori par regroupement de propositions sémantiquement ou syntaxiquement proches (par exemple, le « + » en tant qu’ensemble) ou, à l’inverse, par distinction de significations initialement regroupées en une seule catégorie (par exemple, la distinction entre mélange et ajout, pour le signe « + »). Enfin, certaines réponses comportant des confusions évidentes entre différents termes ou dont le sens a été jugé trop flou, ont été considérées comme incorrectes et classées dans une catégorie propre.

4. Résultats

4.1. Réactifs et produits (Q1 et Q2)

22Pour rappel, le test porte sur l’équation de réaction de combustion du sodium :

4Na(s) + O2(g) → 2Na2O(s)

23En moyenne, plus de 80 % des élèves testés identifient correctement les réactifs à gauche de la flèche de réaction et les produits à droite de celle-ci (tableaux 1 et 2). Cependant, une étude plus approfondie des résultats permet de mettre en évidence deux phénomènes : la présence fréquente du coefficient stœchiométrique dans l’identité des réactifs et des produits, ainsi que l’utilisation limitée de la nomenclature. En effet, une majorité d’élèves introduisent le coefficient stœchiométrique (4Na et O2) dans leur réponse, traduisant soit un accent porté sur la proportion entre composés réagissant, soit – plus probablement – une copie intégrale des termes à gauche de la flèche. Inversement, plus d’un élève sur cinq choisit de ne pas intégrer le coefficient stœchiométrique dans l’identité des réactifs. Ces élèves présentent une conception plus précise de l’identité des réactifs en séparant explicitement les symboles atomiques propres aux réactifs du coefficient stœchiométrique.

Tableau 1 : nombre d’élèves et fréquences relatives par catégories de réponses à la première question du test : « Quels sont les réactifs ? »

Réponses Nombre d’élèves Fréquence relative
4Na(s) + O2(g) 55 42 %
Na + O2 27 21 %
4Na + O2 22 17 %
Réponses incorrectes 18 14 %
Nomenclature (sodium/(di)oxygène) 18 14 %
À gauche de la flèche 2 2 %

Tableau 2 : nombre d’élèves et fréquences relatives par catégories de réponses à la deuxième question du test : « Quels sont les produits ? »

Réponses Nombre d’élèves Fréquence relative
2Na2O(s) 47 36 %
Na2O 31 24 %
Réponses incorrectes 25 19 %
2Na2O 22 17 %
Nomenclature (oxyde de sodium) 11 8 %
À droite de la flèche 2 2 %

24Par ailleurs, 14 % des élèves donnent des éléments de nomenclature dans leur réponse. Il est à noter qu’à aucun moment les élèves ne répondent en des termes associés au niveau microscopique (des atomes de sodium, des molécules de dioxygène) ou au niveau macroscopique (un morceau de sodium, un volume de dioxygène, etc.). Le terme « sodium » apparaît moins comme une référence à la substance au niveau macroscopique ou aux entités au niveau microscopique, que comme une traduction du symbole Na. L’élève inscrit ainsi toujours la signification qu’il exprime au niveau symbolique.

25Les mêmes tendances sont observées quand les élèves s’expriment sur l’identité des produits, à l’exception d’une augmentation légère du taux de réponses incorrectes. Une simple inversion dans l’identification des réactifs et des produits devrait pourtant mener à un taux de réponses incorrectes identique pour les deux questions traitées. Ce décalage est dû essentiellement à la réponse de type « sodium et oxygène » qui, si elle peut être considérée comme correcte dans le cas des réactifs (O2 peut être appelé oxygène ou dioxygène), s’avère incorrecte dans le cas des produits. En effet, c’est bien la molécule d’oxyde de sodium qui est définie en tant que produit de la réaction chimique, et non les atomes qui constituent cette molécule.

4.2. Le signe « + » entre chimie et mathématiques (Q3)

26Comme attendu, vu la polysémie du signe « + », nous avons relevé un nombre très important de réponses différentes, que nous avons regroupé en catégories tantôt plus générales tantôt plus précises. Le tableau obtenu souligne le fait que le signe « + » véhicule de nombreuses significations associées à d’importantes fréquences relatives (tableau 3) :

Tableau 3 : nombre d’élèves et fréquences relatives par catégories de réponses à la troisième question du test : « Que signifie le signe « + » ? »

Réponses Nombre d’élèves Fréquence relative
Réaction/réagit avec 38 29 %
Ensemble des réactifs/avec/et/ en contact 34 26 %
Addition/somme 23 18 %
Mélange 16 12 %
Ajout 5 11 %
Pas de réponse 2 2 %
Réponses incorrectes 1 1 %

27– Le « + » en tant que symbole de la réaction chimique (29 %) est une signification très intéressante en ce qu’elle est prêtée habituellement à la flèche de réaction. Elle semble provenir de la lecture habituelle d’une équation de réaction en une phrase type comme « le réactif A réagit avec le réactif B pour former le produit C et le produit D ». Dans le cas d’équations de réaction où le « + » est présent de part et d’autre de la flèche, les élèves se trouveront face à deux significations différentes : en tant que symbole de la réaction du côté des réactifs (« réagit avec ») et en tant que symbole d’ensemble du côté des produits (« et »). Bien entendu, cette proposition peut être classée dans les trois niveaux de signification : simple traduction littérale (symbolique), réaction chimique entre espèces chimiques (macroscopique) ou réaction chimique entre entités moléculaires ou atomiques (microscopique) ;
– Le « + » en tant que symbole d’« ensemble » ou de « mise en contact » (26 %) est une signification qui se trouve également intégrée dans plusieurs niveaux de significations. Au niveau symbolique, l’élève peut avoir simplement traduit le « + » dans le langage naturel sous la forme de « avec » ou « et », ou regroupé les signes à gauche de la flèche dans un ensemble constitué autour du signe « + ». Une formulation telle que « mis en contact » peut également être reliée au niveau microscopique (mise en contact de particules) ou au niveau macroscopique (mise en contact de substances) 
– Le « + » en tant que symbole d’addition ou de somme (18 %), signification essentiellement ancrée dans le niveau symbolique, s’inscrit dans la conceptualisation de l’équation de réaction en tant qu’équation mathématique répondant à la loi de conservation de la masse. Si cette réponse reste correcte dans le cadre de la loi de Lavoisier, il serait par contre dommageable de limiter l’équation de réaction à une simple formule vérifiant des égalités ;
– Le « + » en tant que symbole de mélange (12 %) ou d’ajout (11 %) est une signification située essentiellement au niveau macroscopique puisque l’élève fait référence à des termes utilisés en pratique expérimentale. L’usage des termes « mélange » ou « ajout » s’applique en effet plus fréquemment aux substances qu’aux particules à ce stade de l’apprentissage de la chimie.

28Les significations que les élèves donnent au signe « + » s’étendent donc sur les trois niveaux de signification et peuvent concerner, aux yeux des élèves, l’ensemble des réactifs (mis en contact, par mélange ou par ajout), la réaction chimique en elle-même ou un symbole dans l’expression des égalités qui sous-tendent l’équation de réaction.

4.3. La flèche de réaction : suivez le guide (Q4)

29Plus de 80 % des élèves répondent soit en conférant à la flèche le sens de « [les réactifs] réagissent pour donner, pour former [les produits] », soit en faisant référence explicitement à la réaction chimique sous-jacente, ou encore en remplaçant la flèche par des verbes associés à l’idée de changement comme « devenir » ou « former » (tableau 4). La signification de la flèche en tant que symbole de la réaction chimique (ou en tout cas d’un changement) est donc largement assimilée, même si ce symbole fait davantage l’objet d’une traduction en une expression verbale dans le langage naturel que d’une explicitation réelle du sens que les élèves lui donnent.

Tableau 4 : nombre d’élèves et fréquences relatives par catégories de réponses à la quatrième question du test : « Que signifie la flèche ? »

Réponses Nombre d’élèves Fréquence relative
« Réagissent pour donner/former » 49 38 %
« Devient/forme/donne, etc. » 31 24 %
Réaction/transformation 20 15 %
Indique les produits /le résultat de la réaction 19 15 %
Indique le sens de la réaction 4 3 %
Égal/« équivaut » 4 3 %
Pas de réponse 1 1 %

30Cependant, 15 % des élèves, majoritairement en sciences de base, voient dans la flèche de réaction une indication de lieu. Dans ce cas de figure, la flèche « montre les produits », « indique le résultat de la réaction ». Cette signification, basée sur l’utilisation quotidienne de la flèche notamment dans les panneaux de signalisation ou dans les plans d’accès, ne permet que peu de lien avec le contenu chimique de l’information que la flèche donne dans une équation de réaction (si ce n’est la question du sens de la réaction). Notons aussi que seuls quatre élèves au total (3 %) ont assimilé la flèche de réaction au signe égal, ce qui souligne la force de la distinction sémantique entre les deux signes – distinction qui, par ailleurs, fait l’objet de rappels insistants au cours par les professeurs collaborateurs.

4.4. Le coefficient stœchiométrique au carrefour des trois niveaux (Q5)

31Nous avons demandé aux élèves sondés de préciser la signification du coefficient stœchiométrique « 4 » dans l’équation de combustion du sodium. L’analyse des productions d’élèves montre que le coefficient stœchiométrique peut être aussi développé dans les trois niveaux de signification (tableau 5). Il peut en effet être considéré comme un simple chiffre dans une équation symbolique, comme une quantité de molécules ou d’atomes au niveau microscopique ou comme un facteur de proportionnalité ou une quantité de matière au niveau macroscopique.

32Une majorité de réponses d’élèves peuvent être interprétées comme appartenant au niveau microscopique : 57 % des élèves de l’échantillon indiquent que le coefficient stœchiométrique nous informe sur le nombre d’atomes ou le nombre de molécules. Ensuite, 21 % des élèves (essentiellement en sciences générales) répondent que le coefficient stœchiométrique donne le nombre de moles du composé, situant ainsi leur réponse soit au niveau macroscopique (si l’élève y voit une collection d’espèces chimiques), soit au niveau symbolique (si c’est le versant mathématique du « nombre de moles » qui est exprimé par l’élève, utilisé par exemple lors de la résolution d’un problème stœchiométrique). En outre, 13 % des élèves voient dans le coefficient stœchiométrique un « chiffre pour pondérer l’équation », résultat d’une procédure calculatoire limitant la signification du coefficient au niveau symbolique. Enfin, seuls 6 % des élèves parlent explicitement de proportion, ce qui démontre la faible percée de cette signification pourtant essentielle dans le traitement des problèmes stœchiométriques.

33Mais le résultat le plus remarquable est sans doute la mise en évidence de la fréquente confusion entre molécules et atomes chez des élèves à un stade relativement avancé de l’apprentissage de la chimie. En effet, le sodium est décrit soit comme un atome (par un quart des élèves), soit comme une molécule (par un tiers des élèves). Ce phénomène, souligné par des études précédentes (Larcher, Chomat & Lineatte, 1994 ; Cokelez & Dumon, 2005), doit interpeller tant le chercheur en didactique de la chimie que l’enseignant praticien.

Tableau 5 : nombre d’élèves et fréquences relatives par catégories de réponses à la cinquième question du test : « Que signifie le chiffre 4 devant le symbole Na ? »

Réponses Nombre d’élèves Fréquence relative
Nombre de molécules 43 33 %
Nombre d’atomes 33 24 %
Nombre de moles 27 21 %
Pondération 17 13 %
Nombre (de Na) 11 8 %
Proportion 8 6 %
Coefficient 5 4 %

4.5. L’indice entre nombre, proportion et valence (Q6)

34Moins associé à l’équation de réaction qu’à la nomenclature et aux formules moléculaires, l’indice est globalement bien assimilé par les élèves comme représentant le nombre d’atomes dans une molécule (64 %) même si la confusion entre atome et molécule reste bien présente (tableau 6). Plus précisément, on observe deux types de définitions : une définition absolue centrée sur le nombre d’atomes dans la molécule, et une définition relative centrée sur le rapport de proportionnalité entre les deux atomes formant la molécule. Par ailleurs, 19 % des élèves caractérisent aussi l’indice comme étant lié à la valence de l’oxygène, se rappelant ainsi de la technique du chiasme permettant de former les formules moléculaires à partir des valences des atomes. Le nombre de réponses incorrectes est relativement élevé (15 %) : assimilation de l’indice 2 à la valence du sodium et confusion entre les termes « indice » et « coefficient » constituent les erreurs les plus fréquentes. Remarquons enfin que si une dizaine d’élèves utilisent le terme « coefficient » à la place du terme « indice », aucun élève n’exprime la confusion inverse (tableau 5).

Tableau 6 : nombre d’élèves et fréquences relatives par catégories de réponses à la sixième question du test : « Que signifie le chiffre 2 dans Na2O ? »

Réponses Nombre d’élèves Fréquence relative
Nombre de sodium (molécules ou atomes) dans la « molécule » d’oxyde de sodium 50 38 %
Nombre de sodium (molécules ou atomes) en rapport avec l’oxygène (2 pour 1) 34 26 %
Lié à la valence de l’oxygène 25 19 %
Utilisation du terme « indice » 19 15 %
Réponses incorrectes 19 15 %

4.6. État, forme ou nature ? (Q7)

35La septième question porte sur le sens donné aux signes (s) et (g), placés derrière les formules moléculaires des réactifs et produits. Si 95 % des élèves répondent correctement en citant les termes « solide » et « gazeux », à peine 35 % des élèves parlent explicitement d’« état de la matière ». Les termes « forme », « milieu », « nature » sont fréquemment cités à la place du terme « état », interrogeant du même coup le concept même de substance. Il est aussi à noter que l’introduction de ces signes associés au niveau macroscopique, dans une équation de réaction lue au niveau microscopique, est susceptible d’induire des conceptions erronées telles que « l’atome de sodium est solide ».

4.7. La réaction chimique : une inconnue (Q8)

36La huitième et dernière question porte sur le processus réactionnel (tableau 7). Souvent, l’élève se sent incapable de décrire la réaction chimique, comme le rapportent Laugier et Dumon (2000) : « On nous demande de raconter ce qui se passe, mais on ne voit pas ce qui se passe. On voit des couleurs, on sent, mais on ne voit rien… Moi, je vois le début, je vois la fin mais je ne vois pas le milieu ». En effet, les multiples forces et interactions régissant le processus d’une réaction chimique dépassent la compréhension globale de l’élève à ce stade de son apprentissage ; il est donc normal de rencontrer une grande diversité de réponses, à la mesure de la complexité et de la qualité du réseau de connaissances construit par chaque élève :
– 16 % des élèves ne répondent tout simplement pas à la question, se sentant incapables de fournir quelques informations pertinentes sur un tel sujet. Les cours de chimie suivis pendant les deux années précédentes n’ont donc pas permis à ces élèves de construire une représentation satisfaisante de la réaction chimique ;
– 28 % des élèves stipulent que la réaction chimique est le siège d’une transformation ou d’une réaction. N’offrant aucune plus-value dans la compréhension du processus réactionnel, cette réponse souligne la difficulté des élèves à expliciter précisément leur représentation, en dehors des termes refuges que sont « réaction » ou « transformation » ;
– Un quart des élèves tente de préciser les ressorts de la réaction chimique en optant pour des termes empruntant à divers domaines (mécanique, mathématiques) tels qu’« assembler », « se lier », « s’additionner », « s’associer », etc. L’usage de ces verbes laisse entendre également une représentation de la réaction chimique en tant qu’une simple juxtaposition de substances. Ce résultat souligne encore une fois le flou lié au concept de réaction chimique pour des élèves de 16-17 ans en Belgique francophone ;
– 22 % des élèves trouvent dans le mot « mélange » une réponse à l’énigme entourant la réaction chimique. On voit ici la conséquence de la polysémie du terme. Le mélange est un acte expérimental situé au niveau macroscopique : par exemple, mélanger deux solutions dans le cas d’une transformation chimique ou mélanger un soluté dans un solvant dans le cas d’une dissolution. Mais c’est également un processus microscopique : les atomes formant les réactifs « se mélangent » pour former les produits ou – dans le cas de la formation d’une solution d’eau salée – les molécules d’eau et de chlorure de sodium « se mélangent » et forment un réseau basé sur des liaisons intermoléculaires. Enfin, le mélange constitue aussi un objet macroscopique (par exemple, un mélange homogène comme une solution aqueuse de chlorure de sodium), résultat de divers processus microscopiques. Ces significations coexistent dans l’esprit des élèves et font du terme « mélange » un terme refuge puissant ;
– Seuls 9 % des élèves font référence à la rupture de liaisons chez les réactifs et éventuellement à la formation de nouvelles liaisons chez les produits. Alors que les liaisons chimiques sont abordées précédemment dans le cursus, les élèves n’ont donc pas, en grande majorité, effectué de lien avec le concept de réaction chimique.

Tableau 7 : nombre d’élèves et fréquences relatives par catégories de réponses à la huitième question du test : « Selon toi, que se passe-t-il chez les réactifs pendant la réaction chimique ? »

Réponses Nombre d’élèves Fréquence relative
Transformation réaction 36 28 %
Assembler/associer/se lier/s’attacher/s’additionner 32 25 %
Se mélanger 28 22 %
Pas de réponse 21 16 %
Rupture et formation de liaisons 12 9 %
Observations expérimentales (hors mélange) 11 8 %
Equilibre/stabilité 3 2 %
Collision entre atomes 1 1 %

5. Discussion

37L’analyse des tests permet de mettre en lumière plusieurs constats. Premièrement, chaque symbole ou signe de l’équation de réaction est associé à de nombreuses significations chez les élèves sondés. On observe ainsi pas moins de sept catégories de réponses pour le coefficient stœchiométrique, le signe « + » et la flèche de réaction. Ce résultat souligne la diversité des conceptions construites par les élèves autour de l’équation de réaction malgré un enseignement sous-tendu par un programme commun. Cette variété trouve son origine dans plusieurs sources. La polysémie intrinsèque à certains symboles tels que la flèche de réaction ou le signe « + » en est une (figures 5 et 6).

Figure 5 : schéma des niveaux de signification et exemples de significations associés au signe « + » dans une équation de réaction

Figure 5 : schéma des niveaux de signification et exemples de significations associés au signe « + » dans une équation de réaction

Figure 6 : schéma des niveaux de signification et exemples de significations associés à la flèche dans une équation de réaction

Figure 6 : schéma des niveaux de signification et exemples de significations associés à la flèche dans une équation de réaction

38En effet, l’usage intensif de ces signes dans d’autres domaines que la chimie est susceptible de parasiter le sens dans lequel les chimistes l’utilisent habituellement. Une telle concurrence est d’ailleurs inévitable et ne peut faire a priori l’objet d’aucune remédiation menant à une inhibition totale. Il est à noter également que des termes similaires, utilisés dans les productions des élèves, peuvent référer à deux niveaux de signification différents selon qu’ils sont explicitement associés à des particules ou à des substances. C’est par exemple le cas des termes « mélange » ou « réaction chimique » dans le cadre des significations générées par le signe « + » (figure 5).

39Ensuite, le rôle joué par des chiffres comme le coefficient stœchiométrique ou l’indice est également la cause d’interprétations diverses, principalement celle d’un rapprochement forcé avec des procédures calculatoires. Par exemple, le coefficient stœchiométrique est lié, pour certains élèves, à la seule démarche de pondération, dont il constitue le résultat « mathématique ». Enfin, les significations des symboles de l’équation de réaction diffèrent selon les niveaux auxquels elles sont associées. Un signe comme le coefficient stœchiométrique est ainsi ancré au carrefour des trois niveaux de signification (Mzoughi-Khadraoui & Dumon, 2012) et peut de ce fait générer des significations très différentes (figure 7) : simple chiffre (nombre de Na), nombre de particules (molécules, atomes, ions), proportion, etc.

Figure 7 : schéma des niveaux de signification et exemples de significations associés au coefficient stœchiométrique dans une équation de réaction

Figure 7 : schéma des niveaux de signification et exemples de significations associés au coefficient stœchiométrique dans une équation de réaction

40Deuxièmement, si les trois niveaux de signification sont représentés dans la quasi-totalité des propositions des élèves, on peut néanmoins observer que l’un ou l’autre niveau se trouve plus fréquemment évoqué selon le symbole considéré. Les réactifs et les produits sont ainsi exclusivement reliés au niveau symbolique, spécialement dans notre cas où ils sont décrits à partir d’une équation de réaction. Les élèves utilisent massivement les symboles atomiques et les coefficients stœchiométriques pour préciser l’identité des réactifs et produits sans jamais faire référence aux substances ou aux structures moléculaires. Cette difficulté de relier les formules moléculaires et les substances (et plus largement d’identifier ce qu’est une substance) avait déjà été mise en évidence dans de précédents travaux (Johnson, 1996, 2000). Par ailleurs, les apprenants semblent préférer traduire certains signes particuliers dans le langage naturel. Ainsi, la flèche de réaction est plus fréquemment traduite en une expression verbale que significativement explicitée dans les réponses d’élèves. Le recours à la lecture littérale des équations de réaction dans les pratiques enseignantes renforce ce comportement. Par contre, certains signes initialement à forte teneur symbolique, comme le coefficient stœchiométrique, véhiculent majoritairement des interprétations portant sur les niveaux microscopique et macroscopique. Vu la multiplicité des significations véhiculées par le coefficient stœchiométrique, l’enjeu didactique portera surtout sur la pertinence de l’utilisation d’une acception plutôt que d’une autre, et donc sur la capacité des élèves à reconnaître le niveau de signification associé au contexte. On voit par exemple que le coefficient est le plus souvent associé à un nombre de molécules ou d’atomes chez les élèves sondés. Si cette interprétation peut être pertinente pour un exercice de pondération d’une équation chimique, elle sera peu utile dans le cadre de problèmes stœchiométriques.

41Troisièmement, alors que l’interprétation de symboles comme la flèche de réaction pose peu de problèmes, certaines confusions très ancrées dans l’esprit des élèves ont des répercussions lourdes sur la compréhension experte de l’équation de réaction. Ainsi, la confusion entre molécules et atomes est très fréquente : un élève sur trois traduit l’expression symbolique « 4 Na » par « 4 molécules de sodium ». On observe également ce phénomène quand les élèves doivent exprimer la signification d’un indice : un quart des élèves sondés répondent que l’on trouve deux molécules de sodium dans une « molécule » de Na2O. Ce résultat interpellant nous informe sur leur niveau approximatif de maîtrise du vocabulaire propre à la chimie, et plus encore sur leur faible capacité de tirer une information au niveau microscopique à partir d’un symbole. Une analyse du cursus de sciences fournit une hypothèse susceptible d’expliquer au moins en partie ce constat : en Belgique francophone, le concept de molécule est enseigné avant le concept d’atome, tout en recouvrant une même réalité (« unités » composant la matière). Ainsi, à l’âge de 12 ans, les élèves parlent de molécules d’eau et de sel, mais aussi de molécules de fer ou d’hélium. On comprend dès lors la difficulté de certains élèves à distinguer molécule et atome, et ce même après la redéfinition de la molécule comme assemblage neutre d’au moins deux atomes. Parallèlement à la confusion molécule/atome, les élèves présentent une forte tendance à permuter les rôles du coefficient stœchiométrique et de l’indice. Nous rejoignons en cela des constats posés dans d’autres études (Friedel & Maloney, 1992 ; Sanger, 2005 ; Mzoughi-Khadraoui & Dumon, 2012). Il est évident que la non maîtrise de la distinction entre molécules et atomes ne peut qu’influer sur la signification donnée au coefficient et à l’indice.

42Enfin, les élèves de 16-17 ans testés dans notre étude semblent éprouver des difficultés à expliciter ce qu’ils entendent par « réaction chimique ». Plus particulièrement, les représentations de la réaction chimique au niveau microscopique sont marginales : seulement un élève sur dix fait référence aux liaisons ou aux atomes. En conséquence, les élèves ne peuvent produire qu’une explication pauvre du processus réactionnel, limités par une boucle langagière (les réactifs réagissent) et des verbes peu précis (les réactifs s’assemblent), voire incorrects (les réactifs s’additionnent). L’absence de représentations au niveau microscopique peut donc avoir des conséquences importantes sur la conceptualisation de la réaction chimique, comme défendu par certains auteurs (Gabel, 1999 ; De Jong & Van Driel, 2004).

43Cependant, l’utilisation des seules productions écrites ne peut nous permettre de statuer sur les connaissances réelles ou les capacités des élèves. En effet, on ne peut nier la difficulté d’interpréter le sens que les étudiants prêtent à certains termes, leur expression écrite ne rendant peut-être pas compte de la représentation mentale qu’ils ont construite (Laugier & Dumon, 2000 ; Johnson, 2000). Une des solutions proposées pour s’assurer de la cohérence entre leur représentation mentale et l’expression de celle-ci serait de demander aux élèves de réaliser des représentations moléculaires iconiques ou schémas particulaires à partir des informations présentes dans l’équation de réaction (Sanger, 2005 ; Dawidowitz, Chittleborough & Murray, 2010). De la même manière, de telles représentations à dominante iconique ne pourront que nourrir et enrichir le concept de réaction chimique chez les élèves et éviter une dépendance trop importante des élèves vis-à-vis d’un registre de représentation spécifique, mise en évidence par une étude de Keig et Rubba (1993). Ce changement de registre de représentation peut également être travaillé lors d’entretiens individuels dans le cadre d’une étude de cas.

6. Conclusions et perspectives

44Les conceptions d’élèves de 16-17 ans associées aux symboles contenus dans l’équation de réaction ont été sondées à l’aide d’un test constitué de questions ouvertes.

45Nous proposons l’existence de trois niveaux de signification pour une visualisation donnée : un niveau de signification macroscopique dans lequel l’élève fait référence à l’observable via des observations empiriques ou via des concepts macroscoscopiques, un niveau de signification microscopique dans lequel l’élève fait référence aux entités constitutives de la matière et un niveau de signification symbolique dans lequel l’élève se limite par exemple à une lecture du signe en tant que signifiant ou en tant que signifié hors du cadre de la chimie. L’analyse de ces données dans ce cadre théorique nous permet de mettre en lumière trois constats principaux. Chaque symbole fait l’objet de nombreuses significations, reliées directement ou indirectement à l’un des trois niveaux préalablement définis. Ensuite, selon le symbole considéré, les propositions des élèves semblent se situer a priori dans un niveau de signification préférentiel (recours massif aux symboles pour décrire réactifs et produits, référence majoritaire au niveau microscopique pour le coefficient stœchiométrique, termes à dominante macroscopique pour la réaction chimique). Enfin, les confusions molécule/atome et indice/coefficient viennent parasiter les informations que communique l’équation de réaction.

46Les résultats de cette étude doivent interpeller les acteurs de l’enseignement actuel de la chimie. En effet, ces phénomènes trouvent leurs sources à la fois dans des manquements imputables aux étudiants mais également aux pratiques enseignantes, parfois suggérées par les programmes. Peu d’enseignants sont ainsi conscients de l’importance d’expliciter clairement dans quel niveau se situe leur discours. En plus de générer chez les élèves des interprétations non souhaitées pour un même symbole, il est fréquent que les pratiques de professeurs conduisent les apprenants à éprouver des difficultés à utiliser de manière pertinente les différentes significations d’un symbole selon le niveau identifié. En outre, le niveau symbolique est de loin le niveau le plus approfondi au début du cursus, au détriment des deux autres niveaux de signification. Ce constat est particulièrement alarmant en ce qu’il suggère des visualisations vidées de leur aspect chimique, uniquement efficientes dans le cadre d’une combinaison de symboles. Aujourd’hui, l’équation de réaction ne peut pas être enseignée dans un simple objectif de mise en œuvre d’une démarche algorithmique de pondération ou pour son statut de « formule simple » remplaçant avantageusement un long paragraphe littéral. Elle doit également, comme le rappellent Fourcroy et Vauquelin (1797), être apprise comme un « raisonnement », certes « mis en forme serrée », mais riche de significations qui nécessitent d’être repérées, discutées et utilisées dans des contextes variés.

47Par ailleurs, il est regrettable de constater le peu de place donnée à l’heure actuelle à l’utilisation de représentations moléculaires iconiques dans les manuels scolaires en Belgique francophone, et ce au profit d’un langage plus formel (nomenclature, équations de réaction). Souvent employées comme simples illustrations après les activités d’apprentissage, ces visualisations « microscopiques » présentent pourtant un intérêt certain en tant qu’outil d’apprentissage, mais aussi en tant qu’outil diagnostique. À l’avenir, nous testerons cette hypothèse de travail en construisant une séquence d’apprentissage contenant des visualisations empruntant au registre iconique à même de renforcer certaines significations pertinentes associées aux symboles contenus dans l’équation de réaction, tout en permettant de discuter la double face conservation/transformation de la réaction chimique. En parallèle, nous utiliserons ces visualisations iconiques afin de révéler, d’une part, et de lever, d’autre part, les confusions entre molécule et atome ainsi qu’entre indice et coefficient stœchiométrique.

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Annexe

Test soumis aux élèves de cinquième secondaire (16-17 ans)

Pendant le cours, nous avons observé les réactions de combustion du carbone et du magnésium et nous les avons représentées par une équation de réaction. Le sodium (Na) réalise aussi une réaction de combustion en présence de dioxygène (O2). Cette réaction chimique est représentée selon l’équation de réaction suivante :
4Na(s) + O2(g) → 2Na2O(s)
a) Quels sont les réactifs ?
b) Quels sont les produits ?
c) Que signifie le « + » à gauche de la flèche ?
d) Que signifie la flèche ?
e) Que signifie le chiffre 4 devant le symbole Na
f) Que signifie le chiffre 2 dans Na2O ?
f) Pourquoi écrit-on les symboles (s) et (g) dans cette réaction ?
h) Selon toi, que se passe-t-il chez les réactifs pendant la réaction chimique ?

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Notes

1 Fourcroy utilise le terme « formule simple » pour décrire l’équation littérale proposée précédemment par Lavoisier, et non l’équation symbolique telle que nous la connaissons aujourd’hui. Les formules moléculaires avec symboles atomiques et indices ne seront introduites que durant la deuxième décennie du XIXe siècle par J. J. Berzelius (Berzelius, 1813).

2 Moût de raisin = acide carbonique + alcool.

3 En cinquième année de l’enseignement secondaire général de transition en Belgique francophone (élèves de 16-17 ans), on distingue deux orientations spécifiques qui se caractérisent par le nombre de périodes par semaine allouées aux sciences (biologie, chimie, physique) : les élèves en orientation « sciences de base » ont ainsi trois périodes de sciences par semaine, contre six pour les élèves en orientation « sciences générales ».

4 Nous nous basons sur des indices socio-économiques portant sur les établissements scolaires (ISE) déterminés selon les critères de la Fédération Wallonie-Bruxelles en 2011.

5 Contrairement à la France, les concepteurs des programmes belges n’ont jamais privilégié la réintroduction du signe égal dans l’équation de réaction. C’est donc la flèche de réaction qui reste enseignée pendant tout le cursus dans la totalité des établissements scolaires en Belgique francophone.

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Table des illustrations

Titre Figure 1 : triangle de Johnstone (ou chemistry triplet) représentant les trois niveaux de savoir (levels of knowledge) en chimie : macroscopique, microscopique et symbolique (Johnstone, 1993)
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1174/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 32k
Titre Figure 2 : schéma des niveaux de savoir en chimie (levels of chemical knowledge) : phénomène chimique, conceptualisation macroscopique et conceptualisation submicroscopique (Taber, 2013)
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1174/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 108k
Titre Figure 3 : schéma des niveaux de signification associés à une visualisation pour un élève de l’enseignement secondaire
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1174/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 128k
Titre Figure 4 : schéma des niveaux de signification et exemples de significations associés au symbole « Na »
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1174/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 93k
Titre Figure 5 : schéma des niveaux de signification et exemples de significations associés au signe « + » dans une équation de réaction
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1174/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 100k
Titre Figure 6 : schéma des niveaux de signification et exemples de significations associés à la flèche dans une équation de réaction
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1174/img-6.jpg
Fichier image/jpeg, 106k
Titre Figure 7 : schéma des niveaux de signification et exemples de significations associés au coefficient stœchiométrique dans une équation de réaction
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1174/img-7.jpg
Fichier image/jpeg, 82k
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Pour citer cet article

Référence papier

Jérémy Dehon et Philippe Snauwaert, « L’équation de réaction : une équation à plusieurs inconnues. Étude de productions d’élèves de 16-17 ans (grade 11) en Belgique francophone »RDST, 12 | 2015, 209-235.

Référence électronique

Jérémy Dehon et Philippe Snauwaert, « L’équation de réaction : une équation à plusieurs inconnues. Étude de productions d’élèves de 16-17 ans (grade 11) en Belgique francophone »RDST [En ligne], 12 | 2015, mis en ligne le 15 novembre 2017, consulté le 22 juin 2024. URL : http://journals.openedition.org/rdst/1174 ; DOI : https://doi.org/10.4000/rdst.1174

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Auteurs

Jérémy Dehon

Université de Namur, unité de didactique de la chimie

Philippe Snauwaert

Université de Namur, unité de didactique de la chimie

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Droits d’auteur

CC-BY-NC-ND-4.0

Le texte seul est utilisable sous licence CC BY-NC-ND 4.0. Les autres éléments (illustrations, fichiers annexes importés) sont « Tous droits réservés », sauf mention contraire.

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