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Modèles et étayages pour l’élaboration de protocoles par les élèves : cas des titrages acide-base

Models and scaffolds for the design of experiments by learners: a case on acid base titrations
Cédric D'Ham, Isabelle Girault et Agnès Berthet
p. 165-186

Résumés

Pour préparer les élèves de terminale scientifique à l’épreuve d’évaluation des compétences expérimentales (ECE) du baccalauréat, nous avons cherché à produire une séquence pédagogique au cours de laquelle ces élèves apprennent à concevoir leur propre expérimentation : un titrage acide-base. Ceci a été le point de départ d’une recherche itérative menée sur trois années consécutives selon les principes de la « Design-Based Research ». La réussite des élèves et leur compréhension des procédures expérimentales mises en jeu ont été évaluées à chaque itération afin de faire évoluer de manière informée la situation d’enseignement. Plusieurs résultats ont été obtenus à l’issue de ce processus de recherche : un modèle descriptif de la conception d’une expérimentation par des élèves – les « six clés de la conception expérimentale » – et des étayages originaux qui, appliqués à la situation pédagogique, ont permis aux élèves de terminale d’élaborer avec succès leur protocole de titrage. Les étayages consistent en une structuration de la tâche de conception expérimentale informée par le modèle précité et un logiciel d’apprentissage –  TitrAB – sur la conception des titrages acide-base.

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Texte intégral

1. Introduction : faire concevoir une expérimentation par des élèves de lycée

1.1. Un sujet issu du terrain

1Depuis 2010, l’apprentissage de la démarche scientifique tient une place prépondérante dans les programmes du lycée, avec une préconisation pour la mise en place de démarches d’investigation plus ouvertes que les travaux pratiques traditionnels. L’épreuve d’ECE (Évaluation des capacités expérimentales) du baccalauréat scientifique est devenue en 2013 une Évaluation des compétences expérimentales. Dans la perspective de la démarche d’investigation, l’item « Proposer et/ou justifier un protocole » figure dans la grille des compétences expérimentales pouvant être évaluées lors de l’épreuve pratique du baccalauréat S et du baccalauréat STL. Les candidats peuvent donc être amenés à concevoir un protocole ou un dispositif expérimental puisque « les compétences expérimentales ne sont plus centrées uniquement sur la réalisation de protocoles “clés en mains” » (Vigneron, 2013) ou ne consistent pas seulement « à réaliser des gestes techniques » (IGEN, 2014). Élaborer un protocole expérimental est de ce fait une nouvelle compétence exigible pour le baccalauréat scientifique et son acquisition doit faire l’objet d’un apprentissage particulier.

2Pour apporter une aide différenciée aux élèves lors des activités expérimentales de préparation aux ECE, les enseignants utilisent fréquemment les « TP top ». Ce type de gestion de l’activité est issu du terrain et a été conçu par deux enseignantes en lycée (Fessy & Nenan, 2001). Dans un « TP top », les tâches proposées aux élèves consistent principalement à élaborer un protocole expérimental pour atteindre un but fixé par l’enseignant (Méheut, de Hosson & Thauvin-Roy, 2006). L’enseignant a comme rôle d’aider les élèves à trouver par eux-mêmes, en leur fournissant une information brève et précise (« top », « joker », « indice » ou « coup de pouce ») au moment où ils en ont besoin.

3Le thème des titrages figure depuis plusieurs décennies dans les programmes d’enseignement de physique-chimie au lycée. Dans les anciens programmes, le temps consacré à ce thème était plus important qu’actuellement puisque les élèves découvraient les titrages colorimétriques et conductimétriques en classe de première scientifique dans le programme du ministère de l’Éducation nationale en France de 2000 (MEN, 2000), puis approfondissaient les titrages pH-métriques en terminale scientifique dans le programme de 2001 (MEN, 2001). Depuis le programme de 2011 (MEN, 2011), l’ensemble de ces notions est étudié uniquement en classe de terminale scientifique et dans un temps moindre. De plus, de nouvelles compétences sont exigibles des élèves qui doivent être capables de réaliser et exploiter un titrage, mais aussi d’élaborer le protocole de l’expérience comme le montre le sujet d’ECE « détermination du pourcentage en acide d’un vinaigre » proposé aux sessions 2013 et 2014 et mis en ligne sur le site de l’Éducation nationale1.

1.2. Travaux de recherche existants sur la conception d’expérimentations par les élèves

4Les travaux pratiques sont un élément essentiel de l’enseignement des sciences, car ils illustrent la façon dont les concepts scientifiques sont produits (expérimenter pour tester des hypothèses) et comment les concepts et méthodes scientifiques peuvent être utilisés pour répondre à des objectifs pratiques (caractériser des objets, prédire leur comportement, etc.). Dans leur deuxième revue de littérature sur les travaux pratiques, Hofstein et Lunetta (2004) indiquent que l’approche « recette de cuisine » était toujours prédominante dans les travaux pratiques au moment de leur étude. Dans cette approche traditionnelle du laboratoire, les élèves réalisent des expériences en suivant une liste de tâches fournie par l’enseignant. Cette approche est depuis longtemps critiquée pour être limitée en termes d’apprentissages. En effet, suivre des instructions n’engage pas les élèves dans un processus de réflexion sur ce qu’ils sont en train de faire et pourquoi ils le font (Millar, 2004). Or, un rôle important des travaux pratiques est d’aider les élèves à développer des liens entre les observations et les concepts explicatifs.

5De nombreuses études montrent l’intérêt des activités d’investigation qui sont, depuis plusieurs années, promues dans les programmes d’enseignement à travers le monde (Rocard, 2007). Dans ce type d’activité expérimentale, les élèves sont amenés à prendre des décisions concernant la question à résoudre, le matériel à utiliser, les données à collecter, etc. Cela favorise la réflexion des élèves et les apprentissages associés. Dans les activités d’investigation, les élèves doivent souvent concevoir une partie ou l’intégralité de leurs expérimentations (Pedaste et al., 2015). Plusieurs travaux montrent que la conception d’expériences favorise les apprentissages des concepts (Arce & Betancourt, 1997), des procédures expérimentales (Séré, 2002) et des méthodes scientifiques (Etkina, Karelina & Ruibal-Villasenor, 2010). Néanmoins, il s’agit d’une activité complexe, pour laquelle il est nécessaire d’accompagner les élèves.

6Les auteurs de cet article étudient depuis plusieurs années l’activité de conception d’expérimentations par les apprenants dans des enseignements de sciences au lycée et à l’université. Des premiers travaux ont permis de caractériser le protocole expérimental en tant qu’objet scientifique et pédagogique (Girault et al., 2012). Dans ces travaux, le protocole expérimental est modélisé par une suite d’étapes contenant des actions (et éventuellement des sous-étapes). Les actions du protocole sont constituées d’un texte et d’un jeu de paramètres dont la valeur doit être définie afin de rendre l’action exécutable. Dans ces travaux, les attentes des enseignants vis-à-vis d’un protocole expérimental produit par leurs élèves sont caractérisées, et des critères sont proposés pour évaluer l’activité de conception expérimentale à travers l’évaluation du protocole produit. D’autres travaux ont permis d’étudier l’utilité d’étayages pour accompagner les apprenants dans l’élaboration de leurs protocoles : le logiciel Copex-chimie, dédié à la conception d’un dosage spectrophotométrique par étalonnage, a permis de tester les effets de divers niveaux d’étayage sur le travail des élèves (Girault & d’Ham, 2014). Ces recherches ont été étendues au thème des titrages acide-base et font l’objet de la présente publication.

2. Problématique de la recherche et méthodologie

2.1. Problématique

7Notre recherche sur les titrages acide-base est issue d’une collaboration entre une enseignante de lycée et deux chercheurs en didactique. Le projet initial était de proposer une séquence pédagogique dans laquelle des élèves de terminale apprennent à concevoir un titrage acide-base valide et donnent du sens au concept d’équivalence, concept primordial pour la compréhension de la manipulation. Ce projet a débouché sur une recherche collaborative basée sur trois itérations au cours de trois années successives. Deux questions de recherche ont été explorées :

  • Quelles difficultés rencontrent des élèves de terminale concevant une expérimentation (cas du titrage acide-base) ?
  • Quels étayages sur l’activité de conception expérimentale (cas du titrage acide-base) permettent aux élèves de réussir la tâche proposée et de comprendre les procédures mises en œuvre ?

8La première question de recherche a été traitée lors de la première année d’expérimentation en classe et a fait l’objet de résultats publiés (Berthet, Girault & d’Ham, 2015 ; Berthet, Girault & d’Ham, 2017). La conclusion générale de cette étude est que, malgré les aides apportées à travers le dispositif « TP top », la conception d’une expérimentation reste une activité complexe pour des élèves de terminale scientifique. Il est nécessaire d’apporter des étayages plus diversifiés pour que les élèves réussissent la tâche proposée et donnent du sens aux concepts mis en jeu.

9Cet article traite de la deuxième question de recherche. Nous décrirons tout d’abord les trois situations d’enseignement successivement mises en place ainsi que leurs évolutions en regard des évaluations intermédiaires obtenues. Deux résultats issus de notre démarche itérative de recherche seront présentés :

  • un modèle – les « six clés de la conception expérimentale » – qui permet d’expliciter les tenants de la situation de conception expérimentale ;
  • deux outils pédagogiques utilisés comme étayages originaux dans notre situation d’apprentissage : une structuration de la tâche de conception expérimentale à travers le modèle précédent et le logiciel TitrAB.

2.2. Méthodologie

10Les situations d’enseignement étudiées ont un format de deux heures au cours desquelles les élèves organisés en binômes doivent proposer un protocole de titrage pH-métrique d’une solution acide, avant de réaliser le titrage selon ce protocole. Trois tests ont été menés dans la classe de terminale S de l’enseignante impliquée dans ce projet, dans un lycée ayant des élèves issus de catégories socio-professionnelles variées, en avril 2014 (situation 1), mars 2015 (situation 2) et mars 2016 (situation 3), avec un effectif de 22 à 27 élèves à chaque itération.

2.2.1. Une recherche de type « Design-Based Research »

11Notre travail s’inscrit dans le cadre des recherches de type « Design-Based Research » (DBR). Cette méthode de recherche, qui s’est considérablement développée depuis le début des années 2000, se propose d’améliorer les pratiques éducatives grâce à la conception, la mise en œuvre et l’analyse de stratégies et d’outils pour l’enseignement, tout en faisant avancer les cadres conceptuels associés. À partir d’une synthèse de la littérature, Anderson et Shattuck (2012) décrivent plusieurs caractéristiques définissant la DBR, dont les principales s’appliquent à notre recherche : (i) elle se situe dans un contexte éducatif réel ; (ii) elle met en jeu une collaboration entre chercheurs et enseignants ; (iii) elle est menée sur plusieurs itérations ; (iv) pour produire les situations pédagogiques, elle s’appuie sur des principes de conception ayant des ancrages théoriques et elle fait évoluer ces principes ; (v) elle utilise des méthodes d’évaluation diverses ; (vi) elle est suffisamment documentée pour rendre possible le passage d’une utilisation dans un contexte local à un contexte plus large.

12Trois situations différentes ont été successivement expérimentées en classe. La figure 1 résume ce processus de recherche itérative en présentant les dépendances entre les trois situations pédagogiques et les productions issues de ce travail.

Fig. 1 : schéma récapitulatif du processus de recherche itérative : situations pédagogiques et principales productions

Fig. 1 : schéma récapitulatif du processus de recherche itérative : situations pédagogiques et principales productions

2.2.2. Données recueillies pour l’évaluation de la réussite et de la compréhension des élèves

13Après chacune des situations de classe, nous avons évalué la réussite des élèves à la tâche de conception expérimentale et leur compréhension des processus expérimentaux appliqués. Notre analyse est centrée sur deux des tâches dévolues aux élèves pour lesquelles nous avons repéré des difficultés importantes (Berthet, Girault & d’Ham, 2015). Ces tâches sont (i) le choix du volume de la prise d’essai de solution à titrer et (ii) le choix du facteur de dilution de la solution titrée (une dilution est nécessaire pour les conditions expérimentales définies dans chacune des trois situations).

14La réussite des élèves a été évaluée sur la base de leurs productions écrites lors de la conception du titrage : le protocole produit et la réponse aux questions de guidage présentes dans les documents de TP. Nous avons aussi dénombré les aides de type « TP top » utilisées par les élèves pour les deux tâches considérées.

15La compréhension par les élèves des notions et des raisonnements importants mis en œuvre dans les deux tâches visées a été testée de deux façons différentes, avec une évolution au cours des itérations. En 2014 et 2015, un exercice individuel a été proposé deux jours après la séance de TP. Afin d’évaluer le réinvestissement des connaissances manipulées lors de l’activité expérimentale, cet exercice proposait de concevoir un protocole proche de celui demandé en TP, mais avec des valeurs différentes pour plusieurs variables didactiques de la situation (voir dans la section suivante l’explicitation de ces variables). En 2015 et 2016, l’évaluation de la compréhension des processus expérimentaux a été menée à partir d’entretiens semi-directifs effectués une semaine après la séance de TP. Les contraintes de la classe n’ont pas permis d’interroger tous les élèves. Nous avons choisi des élèves appartenant à des binômes différents en sélectionnant l’élève semblant être l’élément « moteur » afin de favoriser la richesse des réponses. 8 élèves sur 27 en 2015 et 12 élèves sur 22 en 2016 ont ainsi été interrogés. Ces entretiens, d’une durée de 10 à 15 minutes, se sont révélés plus riches d’enseignement que les tests individuels écrits, ce qui explique l’abandon de ces derniers lors de la dernière itération. Le guide d’entretien de 2016 a légèrement évolué par rapport à celui de 2015, en accord avec les modifications apportées à la séance de TP. Nous donnons à titre d’exemple des questions du guide d’entretien de 2016 :

  • « Comment avez-vous procédé pour déterminer le volume de la prise d’essai ? » ;
  • « Pourquoi avez-vous effectué une dilution ? » ;
  • « Avec quel facteur de dilution ? Pourquoi ? ».

3. Description des situations d’enseignement

16Trois situations d’enseignement, nommées S1, S2 et S3, ont été testées successivement en 2014, 2015 et 2016. Dans cette section, nous présentons les caractères génériques des trois situations, et la situation S1 en particulier. Les évolutions mises en place dans les situations S2 et S3 sont présentées dans la partie « Analyse des résultats et description des évolutions de la situation », à la lumière des évaluations obtenues.

17Dans chacune des situations, le but des élèves est de titrer par pH-métrie l’acide contenu dans une solution fournie dont la concentration approximative est connue. L’élaboration du protocole de titrage est à la charge des élèves. L’objectif principal d’apprentissage associé aux trois situations est la notion d’équivalence d’un titrage.

3.1. L’exercice de préparation

18Dans le lycée où ont eu lieu les expérimentations, un seul TP de titrage par pH-métrie est effectué en terminale. Cependant les élèves font de nombreux exercices sur les titrages, qui leur permettent d’en découvrir les principes avant le TP. Pour les situations S1 et S2, un exercice de préparation a été proposé par l’enseignante une semaine avant le TP. Dans cet exercice, il est demandé aux élèves d’écrire un protocole de titrage. Des questions guident le raisonnement des élèves et les amènent à considérer la nécessité de diluer une des solutions utilisées lors du titrage (solution titrée ou solution titrante).

3.2. Description du problème à résoudre : les variables didactiques

19Pour pouvoir caractériser le problème proposé aux élèves, nous utilisons le concept de variable didactique (Brousseau, 1998). Une variable didactique est un paramètre de la situation qui peut prendre plusieurs valeurs, au choix de l’enseignant. La variation de cette valeur est susceptible de modifier le processus de résolution que les élèves vont adopter et donc l’apprentissage. Nous proposons quatre variables didactiques pour définir la situation de conception d’un titrage acide-base :
V1. Nombre et natures (acide/basique) des différentes solutions titrantes disponibles ;
V2. Rapports de concentration entre la solution titrée et les solutions titrantes disponibles ;
V3. Volumes des pipettes jaugées disponibles (utiles pour déterminer le volume de la prise d’essai et les facteurs de dilution possibles) ;
V4. Volumes des fioles jaugées disponibles (utiles pour déterminer les facteurs de dilution possibles).

20Nous n’avons pas fait évoluer la variable V1 : dans chacune des trois situations, il est proposé aux élèves une seule solution basique, de nature opposée à la solution titrée, ce qui correspond au cas le plus simple d’un problème de titrage. De la même façon, le rapport de concentration entre la solution titrée et la solution titrante (V2) reste quasiment le même dans les trois situations : Ctitré/Ctitrant ≈ 10. Dans ces conditions, avec les pipettes jaugées disponibles, les élèves doivent diluer l’acide avant de le titrer. La nécessité de cette dilution force les élèves à gérer la complexité du problème du titrage et à mobiliser le concept d’équivalence, enjeu d’apprentissage.

21Les variables V3 et V4, qui définissent une partie du matériel disponible, ont pris différentes valeurs dans les trois situations. Ces valeurs sont données dans le tableau 1.

Tableau 1 : valeurs des variables didactiques V3 et V4 pour les trois situations

Situation S1 Situation S2 Situation S3
V3 : volumes des pipettes jaugées disponibles 10 mL, 20 mL 10 mL 10 mL, 20 mL
V4 : volumes des fioles jaugées disponibles 100 mL 50 mL, 100 mL, 250 mL 200 mL

22Dans la situation S1, nous proposons deux pipettes jaugées et une fiole jaugée, ce qui permet d’envisager deux facteurs de dilutions f1 = 10 et f2 = 5. Il y a donc cinq possibilités de dilution : pas de dilution, solution titrée f1, solution titrée f2, solution titrante f1 et solution titrante f2. Pour chacun de ces cas, deux volumes de prise d’essai sont possibles ce qui donne au total dix protocoles différents. Parmi ces protocoles, trois permettent de répondre au problème posé avec succès.

23Dans la situation S2, nous proposons une seule pipette jaugée mais trois fioles jaugées. Même si trois facteurs de dilution sont possibles, le problème est légèrement moins complexe car les élèves n’ont pas à choisir entre plusieurs pipettes pour déterminer le volume de la prise d’essai et le nombre de protocoles envisageables est de sept. Parmi ces protocoles, un seul permet de répondre au problème.

24La situation S3 est proche de la première situation : deux pipettes jaugées et une fiole jaugée sont fournies. Dix protocoles différents peuvent être envisagés. Cependant, dans S3, à la différence de S1, un seul protocole permet de répondre au problème posé, ce qui fait du problème de cette dernière situation le plus complexe des trois.

3.3. Les étayages

25Nous utilisons le concept d’étayage (Bruner, 1983) pour caractériser les dispositifs de la situation qui permettent la réussite des élèves, sans altérer le potentiel d’apprentissage porté par la situation. C’est en jouant sur les variables didactiques et les étayages que nous modifions la complexité de la situation dans le but de déterminer les conditions favorables à la réussite des élèves et à leur compréhension des concepts visés.

3.3.1. Le dispositif « TP top »

26Dans toutes les situations, nous avons suivi la démarche générale d’un « TP top » : l’enseignante vérifie la production des élèves à des moments spécifiques et fournit des aides aux binômes en difficulté sous la forme de petits papiers comportant un court message. Ces aides doivent permettre aux élèves de dépasser leurs difficultés afin de poursuivre la résolution du problème.

27Le contenu des messages a été produit en amont de la situation pédagogique à partir d’une analyse praxéologique (Chevallard, 1999) de la tâche de conception expérimentale. Pour chaque tâche de manipulation constitutive du protocole expérimental, nous avons identifié les types de tâches de manipulation et de conception s’y rapportant (Girault, Berthet & d’Ham, 2016). Le tableau 2 fournit un exemple de cette analyse praxéologique qui concerne une des deux tâches évaluées dans notre analyse : le choix du volume de la prise d’essai de solution à titrer. La tâche de manipulation correspond à la formulation attendue dans le protocole. Cette tâche de manipulation se rapporte à un type de tâches de manipulation. Les types de tâches de conception correspondent au travail cognitif que l’élève doit mener pour produire la description de la tâche de manipulation.

Tableau 2 : types de tâches de manipulation et de conception se rapportant à une des tâches de manipulation constitutive du protocole

Tâche de manipulation du protocole Délivrer, avec une pipette jaugée, une prise d’essai de 10 mL de la solution acide à titrer
Type de tâches de manipulation Délivrer, avec un matériel adéquat, un volume précis de liquide
Types de tâches de conception liés Identifier la solution à titrer
Choisir le type de verrerie de prélèvement
Choisir le volume de la prise d’essai
Vérifier que le volume de la prise d’essai est compatible avec le volume de la burette et les concentrations des solutions titrante et titrée, sinon modifier le volume choisi ou diluer une des solutions

28Pour les types de tâches de conception identifiés comme potentiellement difficiles, nous avons conçu une série d’aides progressives sur la base suivante : l’aide de « niveau 1 » est formulée au niveau de la connaissance qui justifie la tâche de conception (niveau technologique selon le modèle praxéologique) ; l’aide de « niveau 2 » décrit des éléments de la technique à mettre en œuvre pour réussir la tâche de conception ; l’aide de « niveau 3 » donne le résultat de la tâche de conception, c’est-à-dire qu’elle fournit la tâche de manipulation à incorporer dans le protocole. En cas de difficulté identifiée chez les élèves, l’enseignante fournit l’aide de niveau 1 puis, si elle est insuffisante, l’aide de niveau 2, et finalement l’aide de niveau 3 qui permet aux binômes en grande difficulté de continuer dans la tâche de conception. Un exemple de ces trois niveaux d’aide pour la tâche de conception « Choisir le type de verrerie de prélèvement : cas de la prise d’essai » est fourni ci-dessous :

  • niveau 1 : « Le volume de la prise d’essai de solution titrée doit-il être précis ? » ;
  • niveau 2 : « Parmi les matériels disponibles, quelle verrerie permet de délivrer un volume précis de solution pour la prise d’essai ? » ;
  • niveau 3 : « Pour la prise d’essai, utilisez une pipette jaugée qui permet de délivrer un volume précis de solution. ».

3.3.2. L’étayage par structuration de la tâche de conception expérimentale

29Pour chacune des situations, la fiche de TP rythme le travail des élèves en trois temps : élaboration du protocole de titrage, réalisation du titrage, exploitation du titrage. Dans cette étude, nous nous intéressons uniquement au temps d’élaboration du protocole.

30Dans la situation S1, le texte structurant l’élaboration du protocole comporte les items suivants :

  • une description de l’objectif du TP ;
  • des documents d’information contenant tout ce dont l’élève a besoin pour répondre au problème posé : solutions chimiques utilisées, matériel disponible et principes expérimentaux qui sous-tendent la manipulation (principe du titrage et exploitation de la courbe de titrage) ;
  • des questions préliminaires pour conduire les élèves à réfléchir sur les éléments essentiels à l’élaboration de leur protocole expérimental : équation de la réaction, choix des réactifs et de la verrerie à utiliser, choix du volume de la prise d’essai de solution titrée, description du protocole en « grandes étapes », annotation d’un schéma récapitulatif représentant le dispositif expérimental ;
  • un espace d’écriture du protocole.

31L’objectif de cette structuration du travail était d’amener les élèves à se représenter l’expérimentation à partir de plusieurs documents et questions, avant qu’ils n’en fassent la description en écrivant leur protocole. Devant les résultats décevants obtenus après analyse de la réussite et de la compréhension des processus par les élèves à l’issue de S1 (cfpartie « Résultats »), la structuration de la tâche a été fortement modifiée dans les situations S2 puis S3. Cette évolution est détaillée dans la partie « Analyse des résultats et évolutions de la situation ».

4. Résultats et analyse des résultats

4.1. Résultats des évaluations concernant la réussite des élèves

32Dans cette partie, nous présentons les résultats qui concernent la réussite des élèves. Les résultats, plus qualitatifs, sur la compréhension des procédures expérimentales par les élèves sont présentés dans la partie suivante.

33Les taux de réussite des élèves aux deux tâches clés d’élaboration du protocole de titrage (choix du volume de la prise d’essai et choix du facteur de dilution de la solution titrée) sont présentés dans le tableau 3. L’item « réussite après une ou deux aide(s) » regroupe les élèves ayant effectué la tâche après avoir reçu l’aide de niveau 1 ou successivement les aides de niveaux 1 et 2. Malgré le faible effectif des classes, nous avons exprimé les résultats à l’aide de pourcentages pour faciliter la comparaison des données d’une année sur l’autre.

Tableau 3 : réussite aux deux tâches clés d’élaboration du protocole de titrage lors des trois situations expérimentées

Situation S1
/12 binômes
Situation S2
/13 binômes
Situation S3
/11 binômes
Choix du volume de la prise d’essai
– réussite avant aide 1 (8 %) 4 (31 %) 10 (91 %)
– réussite après 1 ou 2 aide(s) 0 (0 %) 8 (62 %) 1 (9 %)
– total 1 (8 %) 12 (92 %) 11 (100 %)
Choix du facteur de dilution de la solution titrée
– réussite avant aide 1 (8 %) 10 (77 %) 8 (73 %)
– réussite après 1 ou 2 aide(s) 0 (0 %) 3 (23 %) 3 (27 %)
– total 1 (8 %) 13 (100 %) 11 (100 %)

Les résultats obtenus mettent en évidence une meilleure réussite des élèves en S2 par rapport  S1, puis en S3 par rapport à S2, et cela bien que la situation S3 soit la plus complexe des trois situations.

4.2. Analyse des résultats et description des évolutions de la situation

34Cette partie décrit et justifie à partir de l’analyse des résultats, les évolutions de la situation pédagogique. Par résultats, nous comprenons les résultats quantitatifs sur la réussite des élèves présentés dans la partie précédente mais aussi les résultats qualitatifs sur la compréhension des processus expérimentaux par les élèves, ainsi que le cadre conceptuel – le modèle des six clés de la conception expérimentale – et les dispositifs d’étayage que nous avons produits à l’issue des deux premières situations. Nous décrivons ces nouveaux résultats et les situations S2 et S3 de façon chronologique en suivant les cycles de notre recherche. Cette partie explicite et discute le processus en aval de la situation S1 tel qu’il est présenté dans la figure 1.

4.2.1. De la situation S1 à la situation S2

Évaluation de la situation S1

35La situation d’enseignement S1 s’est avérée trop complexe pour des élèves de terminale (Berthet, Girault & d’Ham, 2015) : seul un binôme a indiqué qu’il était nécessaire de diluer la solution titrée et a proposé des valeurs correctes pour le volume de la prise d’essai et le facteur de dilution. Tous les protocoles produits se sont révélés très incomplets. Le principal dispositif d’étayage prévu, les aides de type « TP top », n’a pas vraiment été efficace : pour la plupart des élèves, les aides de niveau 1 (réflexion au niveau de la connaissance sous-tendant la conception) et les aides de niveau 2 (éléments sur la technique à mettre en œuvre pour réussir la tâche de conception) n’ont pas été suffisantes pour dépasser les problèmes rencontrés dans les deux tâches clés étudiées. L’aide de niveau 3, qui donne le résultat de la tâche de conception, a dû être distribuée à presque tous les binômes. La cause de l’échec de ce dispositif d’étayage est triple : (i) les aides prévues ne correspondent pas forcément aux difficultés rencontrées par les élèves, (ii) faute de temps disponible, il n’est pas toujours facile à l’enseignante de faire un diagnostic précis des erreurs et (iii) la formulation des aides peut parfois être trop éloignée des préoccupations immédiates des élèves pour qu’ils saisissent le sens du texte. Par exemple, nous avons donné l’aide de niveau 1 suivante, à propos du choix du facteur de dilution : « Quelle relation existe-t-il entre la quantité de matière de réactif titrant versé à l’équivalence et la quantité de matière de réactif titré présent dans la prise d’essai ? ». Les élèves ont semblé éprouver des difficultés à relier cet élément théorique à leur problème pratique qui était d’avoir un volume de prise d’essai non adapté au matériel disponible. Le deuxième dispositif d’étayage, la structuration de la tâche, a probablement également contribué à l’échec des élèves : la structuration de la tâche en S1, avec ses questions préliminaires à la manipulation, était pensée pour que les élèves se fassent une image globale de l’expérimentation avant de la décrire par l’écriture de leur protocole. Cette stratégie ne semble pas fonctionner. Notamment, une consigne donnée aux élèves devait leur permettre d’anticiper l’expérimentation dans sa globalité : « Indiquer les différentes étapes du protocole ; appeler l’enseignante pour les faire vérifier ». Cette question a reçu peu de réponses et n’a pas semblé faire sens pour les élèves. L’exercice d’évaluation réalisé après le TP a confirmé les problèmes de compréhension identifiés en cours de séance, principalement au niveau de la détermination du volume de la prise d’essai et du facteur de dilution.

Un modèle issu de la situation S1 : les six clés de la conception expérimentale

36Après avoir analysé les difficultés rencontrées par les élèves au cours de la situation S1, nous avons proposé un modèle qui identifie les points d’achoppement auxquels peuvent se heurter les concepteurs d’expérimentations novices en la matière (Berthet, Girault & d’Ham, 2015). Nous présentons ainsi les six clés de la conception expérimentale, classées en deux catégories : le contexte de l’expérience et les connaissances à mobiliser. Le tableau 4 liste ces six clés.

Tableau 4 : les six clés de la conception expérimentale

Contexte de l’expérience à prendre en compte par les élèves pour élaborer le protocole
1. Comprendre l’objectif de la manipulation : questions à résoudre/hypothèses à tester
2. Identifier (et utiliser) les données du problème
3. Identifier (et utiliser) le matériel disponible
Connaissances à mobiliser par les élèves pour élaborer le protocole
4. Connaître les principes expérimentaux sous-tendant l’expérimentation à concevoir
5. Connaître les modèles permettant d’adapter les principes expérimentaux à la situation concrète
6. Connaître la forme attendue d’un protocole expérimental

37Lors de l’élaboration d’un protocole expérimental, il est nécessaire de prendre en compte le contexte de l’expérience. Ainsi, comprendre l’objectif de l’expérience est indispensable pour choisir les grandeurs à mesurer afin de résoudre le problème initial. Il faut aussi savoir identifier, pour pouvoir les utiliser, toutes les données du problème et cela même si les valeurs fournies sont approximatives : dans la situation testée, parmi les nombreuses informations contenues dans les documents, les élèves doivent sélectionner et utiliser la valeur approximative de la concentration de la solution titrée afin de mettre en œuvre leur raisonnement. L’utilisation d’une valeur approximative a déconcerté la plupart des élèves engagés dans l’activité, d’autant plus que cette valeur est celle à déterminer avec précision au cours de l’expérience. La prise en compte du matériel disponible est un autre élément indispensable pour élaborer le protocole d’une expérience. Cela permet de faire aussi bien des propositions de manipulation que des contrôles sur les manipulations proposées. Par exemple, dans la situation étudiée, les élèves doivent choisir le volume de la prise d’essai à partir des volumes des pipettes jaugées disponibles, puis vérifier que le volume choisi est compatible avec le volume de la burette disponible.

38Pour réussir à élaborer le protocole d’une expérience, il est également nécessaire de mobiliser des connaissances. Tout d’abord, les élèves doivent avoir une idée assez précise des principes expérimentaux à mettre en œuvre. Dans notre situation, ces principes concernent le titrage, la notion d’équivalence, l’utilisation de la verrerie en fonction de la précision souhaitée et la préparation de solutions par dilution. La connaissance des modèles de la chimie tels que la réaction chimique ou la notion de concentration permettent d’instancier les principes expérimentaux afin de concevoir une expérimentation répondant effectivement au problème à résoudre. Finalement, les élèves doivent connaître la forme attendue d’un protocole : éléments constitutifs et structure permettant d’assurer sa lisibilité et sa compréhension.

39Le modèle des six clés peut être utile à l’enseignant pour définir la structuration de l’activité de conception expérimentale proposée aux élèves. Lors de la conception de la situation S2, nous l’avons utilisé pour vérifier que les élèves avaient accès à toutes les clés avant de commencer à élaborer leur protocole. Ceci a permis de tester le caractère applicatif du modèle lors de la mise en place de la situation d’apprentissage. Pour la conception de la situation S3, les six clés ont servi de base à la structuration de l’activité avec pour objectif de rendre plus facilement accessibles aux élèves les informations nécessaires pour élaborer leur protocole. Cette utilisation du modèle sera explicitée ultérieurement, lors de la description de la situation S3.

Modifications apportées dans la situation S2

40La situation S1 ayant été jugée trop complexe, nous avons simplifié le problème posé dans la situation S2 par modification des variables didactiques. La seconde évolution importante a été faite au niveau de l’étayage par structuration de la tâche de conception expérimentale. Les questions préliminaires ont été reformulées, en abandonnant l’idée que les élèves se représentent l’expérimentation avant d’écrire leur protocole. La question demandant aux élèves d’anticiper les étapes du protocole a été supprimée. Une question préliminaire portant sur le volume de la prise d’essai a été précisée : « En utilisant le matériel disponible, déterminer le volume de la prise d’essai (volume de la solution titrée) ». Cette formulation a été choisie pour engager les élèves à prendre en compte le matériel disponible lors du choix du volume de la prise d’essai. Les résultats obtenus après S1 montrent, en effet, que les élèves ne se basent pas sur le matériel disponible pour conduire leurs raisonnements (Berthet, Girault & d’Ham, 2015), contrairement à ce qui a pu être évoqué par ailleurs dans la littérature (Jordan et al., 2011). Deux questions préliminaires ont été ajoutées afin d’accompagner de façon plus serrée les élèves sur la principale difficulté identifiée : le choix du volume de la prise d’essai de solution à titrer. Ces deux questions correspondent à des tâches de contrôle : « Déterminer le volume de réactif titrant versé à l’équivalence correspondant à la prise d’essai de la question précédente » et « La valeur du volume de réactif titrant versé à l’équivalence (calculée à la question précédente) vous semble-t-elle adaptée ? Justifier la réponse. Si cette valeur ne vous semble pas adaptée, que pouvez-vous faire ? ». Pour la situation S2, nous avons donc fourni une structuration de la tâche de conception beaucoup plus forte, en proposant aux élèves de suivre un raisonnement préétabli, notamment pour la tâche de conception identifiée comme étant la plus complexe.

4.2.2. De la situation S2 à la situation S3

Évaluation de la situation S2

41Pour la situation d’enseignement S2, nous constatons que pratiquement tous les binômes réussissent les deux tâches indispensables pour élaborer le protocole du titrage, éventuellement avec une ou deux aides. La détermination du volume de la prise d’essai semble plus délicate car elle a nécessité l’aide de niveau 1 (« Est-il nécessaire de connaître avec précision le volume de la prise d’essai ? ») pour 8 binômes et l’aide de niveau 2 (« Quelle verrerie disponible est utilisée pour prélever un volume avec précision ? ») pour 4 de ces binômes. Pour la détermination du facteur de dilution, 3 binômes seulement ont reçu une aide de niveau 1 (« Il faut diluer le vinaigre pour que le volume de réactif titrant versé à l’équivalence soit compris entre 10 mL et 20 mL »). La simplification du problème posé dans la situation S2 et la structuration plus serrée de la conception expérimentale par les nouvelles questions de la fiche de TP sont probablement à l’origine de cette meilleure réussite par rapport à la situation S1. Par contre, l’analyse des entretiens à l’issue de S2 montre que la compréhension des concepts et des raisonnements utilisés reste approximative. En effet, aucun des huit élèves interrogés n’a été en mesure d’expliquer comment il a procédé pour trouver la valeur correcte du volume de la prise d’essai de solution titrée. Si les élèves ont bien déterminé pendant la séance de TP qu’il fallait diluer la solution titrée d’un facteur 10, nous nous sommes rendu compte qu’ils ont probablement proposé cette valeur sans raisonnement préalable, uniquement parce qu’ils ont l’habitude de rencontrer ce facteur 10 dans les exercices et les TP (Berthet, d’Ham & Girault, 2017). Dans l’exercice réalisé après le TP, nous avons testé les élèves dans une situation proche de la situation de TP. Un seul élève sur 26 a proposé la valeur de 8 attendue pour le facteur de dilution et 19 élèves ont suggéré de diluer 10 fois la solution titrée alors qu’il était impossible de le faire avec la verrerie disponible. Il semble donc que, même si les élèves réussissent mieux aux tâches de conception étudiées, la compréhension des processus expérimentaux mis en œuvre reste très faible : les élèves appliquent le raisonnement induit par les questions préalables du document de TP sans pouvoir l’appliquer à une autre situation.

L’exercice de préparation de la situation S3 : le logiciel TitrAB

42Les résultats obtenus au cours des situations S1 et S2 montrent les difficultés des élèves à comprendre le raisonnement nécessaire à l’élaboration d’un protocole de titrage. Nous avons donc souhaité que les élèves soient mieux préparés avant de concevoir, par eux-mêmes, un titrage acide-base en TP. Les contraintes du terrain ne permettant pas d’ajouter une séance de TP, nous avons conçu et développé le logiciel TitrAB2. Ce logiciel permet aux élèves de s’entraîner à concevoir une expérimentation de titrage et à l’exploiter. Dans TitrAB, seize situations de titrages acide-base de niveaux progressifs sont proposées. Dans chacune d’elles, l’élève doit fixer les différents paramètres du titrage avant de le faire exécuter par une simulation intégrée. Un tuteur intelligent fournit des messages de rétroaction personnalisés pour permettre aux élèves de dépasser leurs difficultés. TitrAB est décrit en détail dans (Berthet, d’Ham & Girault, 2017).

43Dans la situation S3, l’exercice de préparation utilisé dans les deux précédentes situations a été abandonné pour laisser la place à l’utilisation de TitrAB. Les élèves ont ainsi pu travailler la conception expérimentale de plusieurs titrages acide-base tout en visualisant les résultats expérimentaux simulés. Grâce aux messages fournis par le tuteur intelligent, les élèves se sont entraînés aussi bien en classe que depuis leur domicile.

La structuration de la tâche dans S3 : utilisation des 6 clés de la conception expérimentale

44La situation S3 est très différente des deux autres au niveau de l’organisation des informations données aux élèves (texte de la fiche de TP fourni en annexe). Dans les situations S1 et S2, les informations sont proposées sensiblement de la même façon, par « thèmes » : la solution à titrer, les principes du titrage pH-métrique, des conseils pratiques pour mettre en œuvre et exploiter le titrage et le matériel disponible. Pour la situation S3, nous avons restructuré ces informations en utilisant notre modèle des six clés de la conception expérimentale. L’ensemble des informations est donc organisé selon les quatre premières clés de la conception expérimentale afin qu’elles soient plus facilement identifiables par les élèves. L’organisation suivante est utilisée :

  • clé 1 : l’objectif du TP est explicité en premier (c’était déjà le cas en S1 et S2) ;
  • clé 2 : les données du problème ne sont plus à rechercher dans les documents fournis mais ont une section à part avec un titre explicite ;
  • clé 3 : le matériel disponible est donné plus tôt dans la fiche de TP ;
  • clé 4 : les principes expérimentaux sont décrits après le contexte de l’expérience.

45Pour les deux dernières clés, concernant la connaissance des modèles scientifiques et de l’objet protocole, nous ne proposons pas d’information dans le document de TP, car nous considérons que ces connaissances ont déjà fait l’objet de travaux spécifiques en classe et peuvent donc être mobilisées relativement facilement par les élèves. Finalement, les informations liées à la mise en œuvre et à l’exploitation de la manipulation (initialement présentes dans les documents de la fiche TP) sont séparées de la première partie du document de TP qui devient, dans la situation S3, dédiée exclusivement à la conception de l’expérimentation. Notre hypothèse est que, en présentant les informations de façon à faire mieux (et uniquement) apparaître les clés de la conception expérimentale, nous aidons les élèves à structurer leur pensée dans le cadre d’une tâche de conception expérimentale.

46Dans la situation S3, les questions préliminaires proposées dans la fiche de TP sont placées après la présentation des informations correspondant aux clés. Le nombre de ces questions passe de cinq à deux, après suppression des questions ayant pour fonction de structurer le raisonnement des élèves. Dans cette dernière situation les élèves commencent donc à écrire plus rapidement leur protocole. Les trois questions précédemment posées avant l’écriture du protocole deviennent, dans S3, des questions de contrôle, utilisées après l’écriture d’une première version du protocole. Leur impact sur la conception de l’expérimentation devrait donc être renforcé, puisqu’il est explicitement demandé aux élèves de modifier le protocole si ces contrôles donnent des résultats négatifs.

4.2.3. Évaluation de la situation S3

47Bien qu’elle soit la plus complexe des trois, la situation S3 présente le taux de réussite le plus élevé. Les deux tâches difficiles, que quasiment aucun élève n’a terminées dans la situation S1, l’ont été par tous les binômes dans S3, pour la plupart sans aide, ou avec uniquement l’aide de niveau 1. Nous pensons que la structuration du document de TP par le modèle des six clés et surtout l’utilisation, avant la séance de TP, du logiciel TitrAB sont à l’origine de cette réussite.

48Au niveau de l’évaluation de la compréhension des procédures expérimentales mises en jeu, l’analyse des entretiens effectués après la séance de TP montre que les élèves ont toujours des difficultés à justifier la première des deux tâches étudiées : le choix du volume de la prise d’essai. Seul un élève sur douze a donné le raisonnement adéquat. Certains élèves (2 sur 12) ont dit ne pas savoir justifier leurs choix. Les autres ont donné des explications étonnantes. Ainsi, entre les deux pipettes jaugées disponibles, certains élèves (3 sur 12) ont choisi celle qui n’était pas utilisée pour la dilution de la prise d’essai : « Dans la dilution, on a utilisé la pipette jaugée de 20. On voulait utiliser une seule fois un matériel. ». Les autres élèves ont opté pour la pipette qui avait le volume le plus faible (2 sur 12) ou le volume le plus élevé (4 sur 12) : « On a mis 20 mL. On hésitait entre 10 et 20. On s’est dit que 20 c’était mieux car il y a plus de réactif titré. On ne sait pas vraiment. ». Il semble donc que, même si les élèves parviennent à réaliser la tâche de conception expérimentale sans la forte structuration utilisée au cours de la situation S2, ils ne sont toujours pas capables d’expliquer le raisonnement associé. Notre objectif initial, qui était de faire utiliser la notion d’équivalence aux élèves pour concevoir un titrage n’a donc pas été complètement atteint.

49Pour le choix du facteur de dilution de la solution, titrée, les résultats issus de la situation S2, montrent que les élèves ont souvent proposé de diluer 10 fois la solution titrée, sans mettre en œuvre un raisonnement, mais en utilisant une « coutume expérimentale ». Pour la situation S3, le guide d’entretien a été modifié et il a été demandé aux 12 élèves d’expliciter le raisonnement leur ayant permis de trouver un facteur de dilution égal à 10. Tous ont apporté la même explication : « Il faut que les concentrations des solutions soient à peu près égales donc il fallait diluer 10 fois le vinaigre. ». Même si ce raisonnement est incomplet, il semble donc que les élèves ne proposent pas un facteur de dilution dans la situation S3 sans réflexion préalable. Il semble qu’ils aient donc mieux compris le raisonnement à mettre en œuvre pour déterminer la valeur du facteur de dilution, probablement parce qu’ils ont pu s’entraîner dans des situations variées avec le logiciel TitrAB pour préparer la séance de TP.

5. Conclusions

50L’étude présentée confirme une première idée : la conception d’une expérimentation est une tâche complexe pour des élèves de terminale. Dans la première situation proposée, la quasi-totalité des élèves se sont retrouvés en échec. Cependant, grâce à la mise en place d’étayages adaptés, la réussite des élèves augmente de façon importante au cours des trois situations. Un résultat décevant de cette étude concerne la compréhension et le réinvestissement par les élèves des principes expérimentaux qui sous-tendent la conception de l’expérimentation : cette compréhension, testée par un exercice ou des entretiens une semaine après la séance de TP, reste faible dans les trois situations, et seuls quelques indices nous permettent de dire qu’elle s’améliore sensiblement dans la dernière situation. Ce résultat négatif est cependant à relativiser : les raisonnements visés ne sont pas même effleurés par les élèves au cours d’une séance de TP classique de type « recette de cuisine » (Séré & Beney, 1997). La tâche de conception expérimentale est, certes, complexe mais, avec des étayages adaptés, les élèves en viennent à bout et certains peuvent même avoir l’occasion de comprendre et de mettre en œuvre des raisonnements complexes, proches de ceux que le scientifique utilise en laboratoire.

51L’étude des trois situations successives nous a permis de caractériser l’efficacité des étayages testés pour une situation intégrant la conception d’une expérimentation par les élèves. Trois types d’étayages semblent peu efficaces. La distribution d’aides au cours du travail de conception selon le principe des « TP top » ne nous paraît pas être adaptée aux situations proposées. La difficulté à anticiper les aides nécessaires, à les formuler au mieux et à les distribuer de façon pertinente aux élèves après un diagnostic forcément rapide rend l’ensemble du processus aléatoire et apparemment peu efficace. Notre objectif que les élèves se représentent l’expérimentation dans sa globalité avant qu’ils n’en écrivent le protocole n’a pas semblé non plus être pertinent. Pour la plupart des élèves, les questions posées pour les mener sur cette voie ne font pas sens. Finalement, accompagner les élèves sur les raisonnements difficiles de conception expérimentale en leur fournissant une succession de questions logiquement articulées semble efficace pour que les élèves mènent à bien la tâche, mais ne leur permet pas d’appréhender la logique du processus. La situation telle qu’elle est présentée la troisième année nous semble être la plus aboutie. Les étayages mis en place dans cette situation et qui semblent être efficaces sont les suivants : (i) un travail préliminaire des élèves sur diverses situations proches de la situation de TP (dans notre cas, grâce au logiciel TitrAB), (ii) une organisation des informations du document de TP à partir du modèle des six clés de la conception expérimentale afin de rendre facilement identifiable les éléments nécessaires pour la tâche de conception et (iii) un nombre réduit de questions posées avant l’écriture du protocole pour que les élèves s’engagent rapidement dans la conception de l’expérimentation et des questions de contrôle qui permettent aux élèves d’évaluer une version initiale de leur protocole et de l’améliorer si besoin. Avec ces étayages, quasiment tous les élèves ont réussi à résoudre le problème de conception expérimentale de la situation S3 qui était le plus complexe des trois situations.

52La méthodologie utilisée dans un travail de type « Design-Based Research » peut sembler moins rigoureuse que d’autres méthodologies utilisées en didactique ou en sciences de l’éducation. En effet, dans l’intérêt des élèves, nous avons modifié d’une situation à l’autre, à la fois les valeurs des variables didactiques et par conséquent la situation, ainsi que les étayages proposés aux élèves. Ceci signifie qu’il est difficile de comparer de façon rigoureuse les situations et nous ne pouvons pas conclure de façon précise sur l’impact d’un étayage en particulier. Néanmoins, avoir eu accès à des conditions de classe réelle sur plusieurs années successives, nous a permis de produire des résultats de recherche de diverses natures. Tout d’abord, nous avons défini une situation qui permet à des élèves de terminale d’élaborer avec succès un protocole de titrage acide-base. Ensuite, nous avons enrichi notre modèle qui décrit l’activité de conception expérimentale en proposant les « six clés de la conception expérimentale ». Ces clés ne sont pas uniquement descriptives, puisqu’elles ont eu un impact direct sur notre façon de structurer le document utilisé par les élèves dans la dernière situation d’enseignement. Finalement, dans le cadre de cette recherche, nous avons conçu et développé le logiciel TitrAB qui peut être utilisé pour tout problème de conception expérimentale concernant les titrages. Actuellement, 16 situations de titrages pH-métriques sont proposées, mais le logiciel peut facilement être adapté aux titrages redox et à l’utilisation de la conductimétrie comme technique de détection. Le nombre d’élèves et d’étudiants utilisant TitrAB est de plus en plus important et nous cherchons maintenant à analyser les traces d’activité recueillies sur le logiciel afin d’évaluer l’impact des rétroactions fournies aux utilisateurs sur leur compréhension des modèles et des principes expérimentaux enjeu d’apprentissage.

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Annexe

Situation S3 (expérimentation de 2016)

1. Objectif du TP

Vous devez déterminer précisément la concentration d’un vinaigre commercial en réalisant un titrage pH-métrique de l’acide éthanoïque qu’il contient.

C’est à vous de concevoir l’expérimentation, de mettre en œuvre la manipulation et de déterminer le résultat attendu en traitant les données collectées lors de la manipulation.

2. Élaboration du protocole (50 min)

Données utiles

Sur l’étiquette du vinaigre on peut lire : « degré d’acidité : 8,0 ° ≈ 1,3 mol.L-1 ». Ce chiffre donne la concentration approximative en acide éthanoïque dans le vinaigre.

Matériel disponible

– vinaigre
– solution d’hydroxyde de sodium (soude) de concentration 0,10 mol.L-1
– pH-mètre + solution tampon pH = 4
– burette graduée de 25 mL
– agitateur magnétique + barreau aimanté
– 2 verres à pied
– 3 béchers de 100 mL
– 1 bécher de 250 mL
– 1 éprouvette graduée de 10 mL
– 1 éprouvette graduée de 50 mL
– 1 pipette jaugée de 10 mL
– 1 pipette jaugée de 20 mL
– 1 fiole jaugée de 200 mL
– eau distillée

Rappels sur les méthodes expérimentales à mettre en œuvre

Principe du titrage pH-métrique de l’acide éthanoïque :
– Au cours de ce titrage, on fait réagir l’acide éthanoïque CH3COOH (aq) contenu dans une quantité choisie de vinaigre (la prise d’essai) avec une espèce basique en solution aqueuse ;
– Le suivi de la réaction acido-basique est effectué à l’aide d’un pH-mètre ;
– Pour que la sonde du pH-mètre fonctionne correctement, elle doit être complètement immergée. Si le volume de la prise d’essai n’est pas suffisant, on peut ajouter de l’eau distillée ;
– Pour un titrage réalisé avec une burette graduée de 25 mL, le volume de réactif titrant versé à l’équivalence doit être compris entre 10 et 20 mL (afin de pouvoir tracer les tangentes de détermination du saut de pH).

Questions préliminaires

– Indiquez le réactif titrant et le réactif titré.

– Écrivez l’équation de la réaction support du titrage.

Appelez l’enseignante pour faire vérifier les réponses.

Écriture du protocole

– Il n’est pas nécessaire de détailler précisément les parties « ajouts successifs de solution titrante » et « traitement des résultats » : voir plus loin Mise en œuvre de la manipulation et traitement des résultats.

– Le schéma fourni ci-dessous est une aide. Il ne vous dispense pas de décrire précisément la suite d’actions que vous allez réaliser au cours de la manipulation. Vous devez indiquer tout le matériel utilisé. Vous êtes dispensés de préciser les rinçages à effectuer.

Fig. 1 : schéma du montage expérimental

Fig. 1 : schéma du montage expérimental

Contrôles à réaliser sur le protocole que vous avez conçu

– Listez la verrerie utilisée. Disposez-vous du matériel nécessaire pour mettre en œuvre votre manipulation (prise d’essai, titrage, dilutions éventuelles) ?

– Le volume de solution titrante versé à l’équivalence que vous vous attendez à obtenir est-il adapté au matériel dont vous disposez ? Justifiez en calculant une valeur approximative de résultat expérimental attendu.

Appelez l’enseignante pour faire valider vos réponses aux questions de contrôle.

Si avez répondu par la négative à une des deux questions ci-dessus, vous devez modifier votre protocole.

3. Mise en œuvre de la manipulation et traitement des résultats

Partie non détaillée.

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Table des illustrations

Titre Fig. 1 : schéma récapitulatif du processus de recherche itérative : situations pédagogiques et principales productions
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/2474/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 219k
Titre Fig. 1 : schéma du montage expérimental
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/2474/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 108k
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Pour citer cet article

Référence papier

Cédric D'Ham, Isabelle Girault et Agnès Berthet, « Modèles et étayages pour l’élaboration de protocoles par les élèves : cas des titrages acide-base », RDST, 19 | 2019, 165-186.

Référence électronique

Cédric D'Ham, Isabelle Girault et Agnès Berthet, « Modèles et étayages pour l’élaboration de protocoles par les élèves : cas des titrages acide-base », RDST [En ligne], 19 | 2019, mis en ligne le 12 novembre 2019, consulté le 04 août 2020. URL : http://journals.openedition.org/rdst/2474 ; DOI : https://doi.org/10.4000/rdst.2474

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Droits d’auteur

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