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Analyse des conceptions d’élèves sur le vivant, dans une situation de conception expérimentale avec un environnement informatique

Analysis of students misconceptions on the living, in an experimental design situation that includes a computer environment
Catherine Bonnat, Patricia Marzin-janvier et Isabelle Girault
p. 149-173

Résumés

Nous présentons des résultats issus d’un travail mené sur l’activité de conception expérimentale en biologie par des élèves de terminale scientifique (17-18 ans), avec un environnement informatique (LabBook) qui structure cette activité. Le premier objectif de recherche est d’identifier, à partir d’un questionnaire, les conceptions initiales des élèves sur le concept du vivant, à partir de l’étude d’une de ses manifestations, le métabolisme de la fermentation alcoolique, en lien avec les conceptions d’élèves identifiées dans la littérature. Le deuxième objectif consiste à étudier l’influence de l’activité de rédaction du protocole expérimental lors de la conception expérimentale, sur les conceptions initiales des élèves. Pour cela, une analyse des protocoles produits nous informe des connaissances sur le vivant mobilisées par les élèves, contextualisées à la conception expérimentale sur la fermentation alcoolique. Ensuite, les réponses des élèves au même questionnaire après l’activité nous permettent d’analyser le changement des connaissances initiales des élèves, en lien avec les connaissances mobilisées dans un contexte expérimental.

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Texte intégral

Introduction

1Ce travail se place dans le contexte général de la démarche d’investigation et plus précisément celui du rôle des activités expérimentales dans l’apprentissage des sciences (Karelina & Etkina, 2007 ; Millar, 2004 ; Tiberghien, 1994). De très nombreux travaux en didactique des sciences ont mis en lumière les enjeux et l’intérêt de la démarche d’investigation (Calmettes & Boilevin, 2014). Plusieurs auteurs ont notamment montré que le fait de concevoir un protocole expérimental implique davantage les élèves dans la démarche et les aide à faire des liens entre les activités pratiques et les concepts en jeu (Coquidé, 2000 ; Etkina, Karelina & Ruibal-Villasenor, 2010). Cependant, les élèves rencontrent des difficultés pour mener cette démarche qualifiée d’expérimentale (Marzin-Janvier, 2013). En effet, la résolution de problèmes par la démarche expérimentale est une tâche complexe (Girault & d’Ham, 2014 ; Hmelo-Silver, Duncan & Chinn, 2007), où les élèves perdent de vue le problème posé, les objectifs à atteindre, et rencontrent des difficultés dans l’écriture des protocoles (Marzin & De Vries, 2008). Ces difficultés, à la fois méthodologiques et de nature épistémologique, nécessitent des aides (Azevedo, Cromley & Seibert, 2004 ; Puntambekar & Kolodner, 2005 ; Saavedra, 2015) qui peuvent être élaborées à partir de l’identification de ces difficultés des élèves (Quintana et al. 2004). De très nombreux travaux portent sur l’identification des obstacles épistémologiques et des conceptions des élèves en situation didactique et proposent un état des lieux sur la plupart des concepts de sciences enseignés de la maternelle à l’université, sur lequel nous nous appuyons.

2Dans notre étude, l’activité proposée aux élèves de 17-18 ans, consiste à mener une démarche expérimentale et plus particulièrement à concevoir et rédiger un protocole expérimental à l’aide d’une plateforme informatique pour dégager les caractéristiques de la fermentation alcoolique, dans le cadre de l’enseignement de spécialité sciences de la vie et de la Terre (SVT) au lycée en France (Bulletin officiel de l’Éducation nationale no 8 du 13 octobre 2011). Cette activité a la particularité de pouvoir être abordée par le biais d’expérimentations. Dans les programmes scolaires en France, la notion de métabolisme est travaillée dès l’école élémentaire pour définir les caractéristiques du vivant, puis elle est explicitement introduite en classe de seconde pour être développée au niveau moléculaire en terminale scientifique de spécialité. La fermentation alcoolique est un des métabolismes étudiés. La réaction se caractérise par une consommation de glucose et une production d’alcool et de dioxyde de carbone par les levures. La réalisation optimale de la fermentation alcoolique par cet organisme unicellulaire est dépendante de deux conditions du milieu qui sont la température et l’anaérobie stricte.

3Les objectifs du travail de recherche présenté ici sont :
1/ d’identifier les conceptions initiales des élèves sur le concept du vivant, et plus particulièrement celles en lien avec le métabolisme de la fermentation alcoolique ;
2/ d’étudier l’influence d’une activité de conception expérimentale sur les conceptions initiales des élèves.

4L’originalité du travail présenté réside dans le suivi individuel des changements de conceptions des élèves lors d’une activité de conception expérimentale sur le thème de la fermentation alcoolique.

5Dans le texte de cet article nous présentons le cadre théorique sur lequel nous avons construit les questions de recherche, puis la situation d’apprentissage étudiée. Nous précisons ensuite la méthodologie utilisée, les principaux résultats obtenus que nous discutons à la lueur de la littérature.

1. Cadre théorique

6Nous présentons dans ce paragraphe le cadre théorique sur lequel s’appuie notre étude pour identifier les conceptions et obstacles sur le thème de la fermentation alcoolique.

1.1. Conceptions, obstacles, nœuds d’obstacles

7Nos travaux se situent dans le contexte de l’étude des conceptions des élèves et des obstacles à la construction de savoirs scientifiques. Orange (2000), propose de dépasser l’idée d’un apprentissage scientifique comme une évolution progressive et continue des conceptions des élèves et que « problématiser serait le moyen de faire passer les élèves d’une opinion à un savoir scientifique » (Lhoste, 2017, p. 17). Il s’agit donc pour nous de situer les idées des élèves par rapport aux savoirs à construire. Pour cela nous utilisons la notion de conception, définie comme ce qui présente des écarts par rapport aux connaissances scientifiques de référence (Giordan, Girault & Clément, 1994). Les conceptions sont contextualisées à la situation dans laquelle l’apprenant se trouve. En effet, selon Astolfi et al. (1997) les conceptions sont mobilisées dans une situation et un contexte donné et elles peuvent évoluer (ou être construites) quand les élèves sont confrontés à cette situation (ibid., p. 147).

8Plusieurs conceptions peuvent également avoir pour origine un même obstacle qui empêche la compréhension d’un phénomène. L’obstacle peut cependant provoquer une difficulté conceptuelle ou bien une facilité de pensée (Astolfi & Peterfalvi, 1993, p. 105). Les auteurs soulignent l’importance des obstacles épistémologiques dans l’accès aux connaissances scientifiques. En effet, il existe une « parenté entre les représentations des élèves avec les obstacles épistémologiques que l’histoire des sciences à dû surmonter » (ibid., p. 105). Dans ce cadre, l’erreur est considérée comme un symptôme d’obstacle. La prise en charge des obstacles à l’accès à des savoirs scientifiques dans les situations didactiques est essentielle pour que les élèves construisent ces savoirs. L’élaboration de situations didactiques intègre donc des obstacles qui auront été préalablement identifiés.

9Par ailleurs, Astolfi et Peterfalvi (1993) ont mis en évidence le caractère transversal de certains obstacles et le fait que plusieurs obstacles peuvent être imbriqués sur un même contenu de savoir, qu’ils ont alors décrits comme des nœuds d’obstacles. Ces auteurs les définissent comme « faisant système entre eux – permet de rendre compte de représentations situées dans des champs notionnels variés, leur donnant ainsi sens et cohérence » (ibid., p. 108). Ils ont identifié cinq obstacles épistémologiques majeurs transversaux en biologie comme le primat du perçu sur le conçu, la pensée catégorielle (excès de valorisation/dévalorisation), l’analogie naïve, l’anthropomorphisme et la conception restreinte des transformations.

10Depuis les années quatre-vingt, beaucoup d’études ont permis d’identifier les conceptions des élèves en sciences et de suivre les changements selon les situations d’enseignement proposées. Nous avons sélectionné les principaux éléments issus de cette littérature afin de dégager les conceptions, obstacles et nœuds d’obstacles relatifs au concept de la fermentation alcoolique et que nous organisons selon les concepts enjeux d’apprentissage. Nous appelons concepts, les connaissances scientifiques de référence, formulées au niveau scolaire étudié.

1.2. Un microorganisme vivant à l’origine de la fermentation alcoolique

  • 1 « les organismes unicellulaires respirent en anaérobie car ce sont des organismes simples ».

11Différentes études ont mis en évidence les principales conceptions d’élèves sur le concept de fermentation alcoolique. Celle de Flores, Tovar et Gallegos (2003), par exemple, présente les résultats d’une analyse comparative obtenue à l’aide de 1 200 questionnaires proposés à des élèves à Mexico (12-15 ans). Ce questionnaire porte sur la représentation que les élèves se font de la cellule, et sur les relations entre la structure et les fonctions cellulaires d’un organisme. Les résultats montrent que les élèves associent les organismes simples à un métabolisme simple et anaérobie « unicellular organisms respire anaerobically because they are simple » (ibid., p. 274)1, ce qui soulève des questions sur la construction du concept de microorganisme.

  • 2 « la levure […] est une bactérie qui s’étend lorsqu’elle se multiplie, ce qui permet la levée du p (...)

12L’étude de Songer et Mintzes (1994) met en avant le fait que les élèves confondent différents types de microorganismes, notamment les levures et les bactéries « Yeast […] is a bacteria and when it multiplies it has to expand which in turn bread to rise » (ibid., p. 630)2. Cette idée de multiplication cellulaire qui explique la levée de la pâte à pain est également mise en évidence dans les travaux de Loubaki, Potvin et Vasquez-Abad (2012). Ils montrent, par une étude internationale et comparative des performances d’élèves de 15 ans, l’influence du milieu sur leurs conceptions initiales. En effet, ils relèvent chez les élèves québécois, qui ne fabriquent pas le pain, la conception qui associe multiplication cellulaire et levée de la pâte à pain, alors qu’elle est quasi absente chez des élèves marocains qui produisent eux-mêmes leur pain. Dans ces travaux, les auteurs ne relèvent pas pour autant une confusion sur les microorganismes impliqués.

  • 3 « Le CO2 est un produit des réactions de fermentations lactique et alcoolique ».

13Cependant, dans leur étude sur les changements de cartes mentales des élèves de 16-17 ans sur la respiration, Al Khawaldeh et Al Olaimat (2010) proposent une explication à l’origine de cette confusion entre les microorganismes impliqués. En effet, ils relèvent une conception reliant les métabolismes lactiques et fermentaires « CO2 is released during both lactic acid and alcoholic fermentations reactions as an end product » (ibid., p. 122)3 plaçant ainsi le CO2 comme un produit commun des deux fermentations. Cette confusion n’est pas uniquement contemporaine et peut trouver son origine dans les obstacles épistémologiques historiques sur le vivant (Simard, Harvey & Samson, 2014, p. 84).

14En effet, dans ses mémoires sur les différentes fermentations, publiés en 1857, Pasteur identifie deux sortes de levures responsables respectivement des fermentations lactique et alcoolique. Précédemment, quand en 1854 Pasteur travaille sur la fermentation, deux conceptions, vitaliste et matérialiste, s’affrontent (Simard, Harvey & Samson, 2014). Pasteur insiste sur le fait que la fermentation alcoolique est un processus dans lequel la levure de bière agit en tant qu’être vivant et non en tant que matière organique en décomposition. Il réfuta l’idée que des « ferments solubles » qualifiés de substance « non vivante » soient à l’origine de la fermentation. Cette dernière proposition issue des travaux de Berthelot en 1860 a à l’époque fait l’objet d’une controverse.

15Plus tard la découverte des « zymases » qui sont en fait un complexe d’enzymes, par le biologiste Wolff en 1978, montra que ces deux conceptions n’étaient pas fausses mais partielles. Cette controverse a pour origine deux obstacles épistémologiques sur la nature du vivant que l’on retrouve dans des travaux plus contemporains. En effet, Schneeberger et Rodriguez (1999) notent que « certains élèves ne font pas la distinction entre une substance et les levures, êtres vivants unicellulaires » (p. 98). Certains élèves cherchent par exemple « quelle est la partie vivante de la levure ? » (ibid., p. 98), ce qui implique que le vivant est associé à une structure cellulaire que pourrait posséder ou pas la levure. La place de la levure dans le monde vivant reste donc complexe pour certains élèves.

1.3. La transformation de la matière et le rôle des gaz dans les échanges cellulaires

  • 4 « Les gaz proviennent des gaz ».

16La fermentation alcoolique se définit entre autres par une transformation de la matière, ce qui constitue selon Astolfi et Peterfalvi (1993) un nœud d’obstacles. En effet, ce processus fait intervenir différentes conceptions, avec tout d’abord l’idée que pour les élèves « la matière est envisagée comme de nature solide ou liquide, mais certainement pas gazeuse » (Astolfi & Peterfalvi, 1993, p. 198), et que l’air est synonyme de vide. Ces auteurs expliquent que « l’origine de cet obstacle résulte du caractère aperceptif de l’air et des gaz, ce qui conduit régulièrement à les oublier quand on cherche à comprendre et à interpréter divers phénomènes » (ibid., p. 202). Par ailleurs, des études sur la nutrition des plantes révèlent que les échanges gazeux ne sont que très rarement associés à cette fonction (Astolfi & Peterfalvi, 1993 ; Brown & Schwartz, 2009 ; Campestrini, 1992 ; Özay & Östaş, 2003). Les élèves n’associent pas le dioxyde de carbone (gazeux) comme une source de carbone constitutive de la matière organique « solide » vivante. Ils catégorisent les éléments « gases are the source of other gases » (Marmaroti & Galanopoulou, 2006, p. 384)4, « non-vivant (CO2) et vivant (glucose) » (Monchamp, 1997, p. 65), ce qui leur pose des difficultés pour établir les liens entre les concepts de chimie et de biologie spécifiques de l’étude des métabolismes.

17Toujours dans le domaine de la chimie, Stavy (1990) s’est intéressé aux changements d’état de la matière et au phénomène de dissolution des gaz. Il relève chez les élèves des difficultés à expliciter l’existence d’une dissolution des gaz du fait de l’invisibilité de ce processus. Laugier et Dumont (2004) identifient le phénomène de dissolution comme étant un obstacle aperceptif du fait que « l’idée de conservation est directement liée à la perception. Lorsqu’il n’y a plus d’évidence perceptive, la substance est ignorée » (ibid., p. 62). À cela nous ajouterons des travaux plus anciens (Séré, 1986) qui ont montré que, pour les élèves de sixième, les gaz agissent uniquement lorsqu’ils sont en mouvement, et donc pour eux les gaz présents dans une enceinte fermée n’agissent pas spontanément, et donc ne se dissolvent pas.

18Un autre obstacle concerne la fonction spécifique des gaz dans les échanges réalisés entre le vivant et le milieu. En effet le CO2 est associé à l’idée de « mauvais gaz » et s’oppose à celle de « bon gaz » pour l’O2. Nous pouvons ainsi le relier aux études sur la respiration cellulaire (Flores, Tovar & Gallegos, 2003 ; Özay & Östaş, 2003). Guyon (1987), dans une étude réalisée auprès d’élèves de lycée, montre qu’ils associent les concepts de respiration et de vie : « C’est un phénomène naturel, indispensable à la vie, l’oxygène sert à faire vivre les cellules » (ibid., p. 168). Flores, Tovar et Gallegos (2003) montrent également que les élèves confondent les métabolismes, la respiration serait le métabolisme des cellules vivantes, et la photosynthèse celui utilisé pour les plantes pour respirer. Ces résultats rejoignent une étude plus ancienne de Stavy, Eisen et Yaakobi (1987), reprise par Marmaroti et Galanopoulou (2006) dans lesquelles les auteurs distinguent une conception majeure en biologie qui consiste à placer la respiration et l’oxygène au cœur du processus de vie.

19Ces études nous permettent de relever trois des cinq obstacles épistémologiques identifiés dans les travaux d’Astolfi et Peterfalvi (1993) : la survalorisation du vivant et de l’O2, la conception restreinte de la fermentation comme une respiration sans oxygène, ainsi que « l’usage de la pensée catégorielle voire de la pensée par couple (les gaz/pas les gaz) » (ibid., p. 110). Cela constitue, selon ces mêmes auteurs, un nœud d’obstacles à partir duquel peuvent se construire les stratégies didactiques.

1.4. Synthèse et questions de recherche

20Afin d’identifier les conceptions et obstacles au regard des éléments de la littérature, nous proposons dans le tableau 1 une synthèse des conceptions d’élèves autour du métabolisme de la fermentation alcoolique, regroupées selon trois concepts enjeux d’apprentissage. N’ayant pas trouvé dans la littérature de travaux autour du rôle de la température, nous avons formulé une nouvelle conception en lien avec ce concept important dans le métabolisme étudié. Pour faciliter la lecture dans la suite du document, nous numérotons les conceptions de C1 à C7.

Tableau 1 : synthèse des conceptions des élèves concernant l’étude de la fermentation alcoolique

Concepts Conceptions
Conditions du milieu :
- Température
- Anaérobie
C1 : la réaction optimale de fermentation est indépendante de la température du milieu
C2 : la respiration est un phénomène naturel, indispensable à la vie
Microorganismes :
- Vivant
- Type de microorganisme (levure)
C3 : la réaction de fermentation alcoolique se déroule indépendamment d’un organisme vivant
C4 : les levures sont des bactéries
Caractérisation de la réaction :
- Échanges gazeux avec le milieu
C5 : l’air est « vide »
C6 : les gaz n’agissent que s’ils sont en mouvement
C7 : les gaz ne se dissolvent pas dans le milieu

21Notre étude vise à répondre aux questions de recherche suivantes :
- Quelles sont les conceptions initiales des élèves sur le concept du vivant, lors de l’étude du métabolisme de la fermentation alcoolique ?
- Comment les élèves mobilisent-ils leurs connaissances lors de l’activité de conception expérimentale ? Les conceptions des élèves sont-elles modifiées par l’activité mise en jeu pour concevoir un protocole expérimental sur le métabolisme de la fermentation alcoolique ?

2. Situation d’apprentissage proposée aux élèves

22Dans ce paragraphe nous justifions tout d’abord le choix du type de situation proposée aux élèves au regard des éléments de la littérature sur la conception expérimentale, puis nous présentons notre situation d’apprentissage sur la fermentation alcoolique en indiquant les aides apportées par la plateforme LabBook.

2.1. Autour de la conception expérimentale

23Depuis 2010, les programmes incitent les enseignants à mettre en place des démarches d’investigation pour structurer les situations d’apprentissage en science, avec éventuellement recours à des expériences dans le cadre de démarches expérimentales. Quand ils sont impliqués dans de telles démarches, les élèves mobilisent des connaissances pour répondre à un problème, ce qui contribue à donner du sens aux connaissances. C’est ce que favorise la conception expérimentale qui est une des phases de la démarche expérimentale. La conception expérimentale consiste donc à imaginer, concevoir une expérience qui peut être rédigée sous la forme d’un protocole. Elle favorise alors l’acquisition de procédures expérimentales (Séré, 2002), car elle mobilise des activités métacognitives comme planifier, anticiper, questionner, justifier, contrôler, évaluer (Marzin-Janvier, 2013). Cette activité incite les élèves à avoir une réflexion plus approfondie à la fois sur les expériences à réaliser mais aussi sur les connaissances en jeu. En effet, l’explicitation de sa pensée permet à l’élève de progresser dans sa résolution de problème (Etkina, Karelina & Ruibal-Villasenor, 2010). Ces auteurs ont également montré que les élèves ont une meilleure appropriation des pratiques expérimentales.

24Cependant, la conception expérimentale sur le vivant est une tâche complexe à l’origine d’erreurs chez les élèves car ils doivent prendre en compte la variabilité, la spécificité, la diversité et la complexité propres au vivant (Coquidé, Bourgeois-Victor & Desbeaux-Salviat, 1999). La forte sollicitation de la matrice cognitive dans cette activité révèle des difficultés « liées à la non-maîtrise d’outils théoriques ou de formes de raisonnement » (ibid., p. 65) qui nécessite des aides appropriées. Les élèves ont également besoin d’aide pour structurer et rédiger les protocoles (Girault & d’Ham, 2014). La situation conçue décrite ci-dessous intègre ces résultats.

2.2. Situation de conception expérimentale sur la fermentation alcoolique

25Il s’agit d’une situation d’apprentissage étudiée en terminale scientifique de spécialité SVT. La tâche proposée aux élèves consiste à utiliser une démarche expérimentale afin de mettre en évidence le métabolisme de la fermentation alcoolique chez les levures.

26Dans la situation que nous proposons, les élèves réalisent l’activité avec l’environnement informatique LabBook : <https://labnbook.fr> (Girault et al., 2017). Ce cahier de laboratoire numérique structure un rapport expérimental, qui donne aux élèves un support que nous avons scindé en quatre parties, qui correspondent à une sélection d’étapes dans une démarche expérimentale. Dans cet article, nous nous intéressons à la première partie du rapport intitulée « Concevoir un protocole expérimental de mise en évidence de la fermentation alcoolique », dans laquelle l’élève rédige un protocole, appelé « mode opératoire » dans LabBook (figure 1). Les élèves exécuteront ensuite ce protocole.

Fig. 1 : extrait de la situation proposée dans la plateforme LabBook sur la fermentation alcoolique, qui montre la tâche d’écriture d’un protocole (copie d’écran)

Fig. 1 : extrait de la situation proposée dans la plateforme LabBook sur la fermentation alcoolique, qui montre la tâche d’écriture d’un protocole (copie d’écran)

27Dans le modèle du protocole expérimental décrit par Girault et al. (2012), une procédure complète inclut des étapes et des actions, ces dernières étant décrites avec l’aide de paramètres. Afin d’aider les élèves dans cette tâche d’écriture du protocole, nous proposons une pré-structuration du protocole à deux niveaux. Le premier niveau concerne les étapes du protocole. En effet, cinq étapes sont imposées à l’élève par l’enseignant (cf. figure 1). La première étape est intitulée « Placer les microorganismes dans les conditions du milieu ». Le deuxième niveau concerne les actions du protocole qui se présentent sous la forme d’une liste de dix actions définies à l’avance. L’élève écrit son protocole en sélectionnant des actions ; quand une action est choisie, une phrase apparaît alors dans son protocole sous la forme d’un texte à « trous » dans lequel il doit préciser des valeurs de paramètres. Par exemple pour l’action « Porter et maintenir une solution à température » (cf. figure 1), l’élève peut soit compléter un champ libre lorsqu’il s’agit de valeurs numériques (comme le volume de solution à prélever), soit sélectionner un paramètre dans une liste comme celle de solutions montrées dans la figure 1.

28Cette pré-structuration a été proposée à partir d’une modélisation didactique, croisée avec l’analyse épistémologique présentée dans le cadre théorique. Nous utilisons le modèle de la praxéologie introduit par Bosch et Chevallard (1999) qui s’inscrit dans la théorie anthropologique du didactique (TAD) (Chevallard, 1989). Cette approche permet de décrire l’activité à l’aide d’une organisation praxéologique qui se compose d’un bloc pratico-technique (le savoir-faire) et d’un bloc technico-théorique (le savoir). Nous avons décrit l’activité de conception expérimentale sous la forme de tâches à accomplir au moyen d’une technique (le savoir-faire), en lien avec un savoir permettant de justifier la technique. Cette modélisation a permis dans un premier temps de proposer un protocole expérimental de référence pour mettre en évidence la fermentation alcoolique, et c’est à partir de ce protocole de référence que nous avons défini les tâches sur lesquelles les élèves devaient travailler dans la classe de terminale concernée par notre étude. Puis, nous avons transposé ces tâches dans LabBook en étapes et actions du protocole. Cette modélisation déjà publiée (Bonnat, Marzin & Girault, 2016) ne sera pas détaillée davantage ici.

29Les listes à choix des valeurs de paramètres ont été élaborées à partir de l’analyse épistémologique. Par exemple, dans l’action précédemment citée, les élèves ont à leur disposition une liste à choix de valeurs de paramètres en lien avec les solutions. Si les élèves choisissent une solution dépourvue de microorganismes (comme une solution de glucose, saccharose, amidon, de l’eau de chaux, ou de l’eau), cette action révèle une erreur qui nous associons à la conception C3 (la réaction de fermentation se déroule indépendamment d’un organisme vivant).

3. Méthodologie

30La recherche que nous présentons est une recherche exploratoire qui suit une méthode s’approchant des recherches de type « recherche action » (Cohen, Manion & Morrison, 2007). Une situation de conception expérimentale a été conçue avec des enseignants de sciences de la vie et de la Terre, puis testée avec des élèves de leurs classes de terminale S. Deux types de données ont été collectées : des questionnaires posés à deux reprises pour avoir une dimension temporelle (pré-test et post-test) et la production des élèves concevant une expérience dans LabBook.

31Dans cette partie, nous présentons le plan expérimental utilisé, ainsi que la méthodologie d’analyse des questionnaires et des productions d’élèves qui ont permis d’identifier leurs conceptions en lien avec celles identifiées dans la littérature.

3.1. Plan expérimental

32L’expérimentation a été menée dans cinq classes de terminale scientifique (82 élèves) dans deux lycées en mai 2016. En amont de la séance incluant la situation de conception expérimentale dans LabBook, les élèves ont répondu à un questionnaire individuel de quinze minutes (pré-test), composé de douze questions élaborées en lien avec les difficultés identifiées a priori sur le métabolisme de la fermentation alcoolique (annexe 1).

33Puis, la séance de 90 minutes s’est déroulée en trois phases 
– phase 1 : un temps individuel de conception expérimentale d’une durée de quarante minutes avec écriture du protocole avec la plateforme LabBook ;
– phase 2 : un temps de réponse au questionnaire (post-test) dont la formulation des questions est la même que celle proposée au pré-test ;
– phase 3 : un temps d’exécution du protocole au laboratoire de SVT.

34Notre analyse porte sur les réponses aux pré-test et post-test, ainsi que sur les productions des élèves recueillies dans LabBook à l’issue de la phase 1. L’étude décrite ici ne prend pas en compte la phase 3, d’exécution du protocole. Pendant la phase 1, l’enseignant(e) et une chercheuse étaient présents comme observateurs et ont uniquement répondu à des questions techniques autour de LabBook.

35Nous avons recueilli pour l’ensemble des classes, 82 réponses au pré-test. L’analyse de ces questionnaires nous permet de répondre à la première question de recherche, en modélisant les conceptions des élèves à partir de l’analyse de leurs erreurs.

36Afin de répondre à la deuxième question de recherche, nous suivons les conceptions des élèves pendant et après la conception expérimentale (phases 1 et 2). Pour cela, nous utilisons les questionnaires et les protocoles produits par les élèves présents à l’ensemble des phases de l’expérimentation (pré-test, protocole, post-test), soit seulement 54 élèves sur les 82 impliqués. Nous présentons ci-après la méthodologie d’analyse des données.

3.2. Analyse des réponses au questionnaire (pré-test)

37Le questionnaire regroupe douze questions réparties en trois questions ouvertes (Q1, Q2, Q3) et neuf questions à choix multiples (Q4 à Q12). Nous avons également choisi de proposer plusieurs questions pour un même concept, afin de vérifier la cohérence des réponses des élèves.

38Dans cet article, nous analysons seulement les réponses à six des douze questions qui portent sur des concepts relatifs au vivant (Q2, Q4, Q5, Q6, Q7, Q11) ; nous ne prenons pas en compte les réponses à la question huit car l’analyse des réponses a révélé un biais dans la formulation des questions. Les autres questions (Q1, Q3, Q9, Q10 et Q12) ne seront pas traitées ici car elles ne sont pas en lien avec les conceptions que nous cherchons à identifier.

39La grille d’analyse présentée ci-dessous (tableau 2) met en relation les conceptions et les indicateurs utilisés pour analyser les réponses des élèves au questionnaire.

40Concernant la question ouverte (Q2), nous avons relevé les termes proposés par les élèves et les avons considérés, soit comme des termes attendus par l’institution, soit comme révélateurs d’une ou plusieurs conception(s) identifiée(s) a priori. Pour les questions à choix multiples (Q4, Q5, Q6, Q7, Q11) nous avons classé les réponses possibles selon ces mêmes conceptions. Nous avons croisé les réponses des élèves aux questions relevant d’une même conception.

Tableau 2 : critères d’analyse du questionnaire

Conceptions Cx (concept relatif) Questions du test Indicateurs
C1 (Température) Q2 (question ouverte sur la fermentation alcoolique) Absence de termes cités en lien avec la température du milieu
Q6 6b : la vitesse est ralentie
6c : la réaction s’arrête
C2 (Anaérobie) Q2 Termes cités en lien avec la respiration
Q5
Q11
5b : milieu oxygéné
11b : utilisation d’un bulleur
C3 (Vivant) Q4 4c : absence de microorganismes
4a : organisme mort
C4 (Type de microorganisme) Q2 Terme cité : bactérie
C5, C6, C7 (Échanges gazeux avec le milieu) Q11 11b : utilisation d’un bulleur
11d : enlever une quantité de suspension de levures du contenant

Indicateurs : en italique sont données les réponses incorrectes aux questions fermées.

3.3. Analyse comparative des questionnaires et des protocoles

41Nous décrivons dans un premier temps les indicateurs qui nous permettent d’identifier dans les protocoles les mêmes conceptions que celles décrites dans le tableau 2, dans le but de comparer les conceptions des élèves identifiées dans les questionnaires avec celles des protocoles produits par les élèves. Pour cela, nous présentons pour chaque conception, les actions et les paramètres recherchés dans les protocoles des élèves. De plus nous précisons les indicateurs utilisés à partir des actions du protocole et des valeurs de paramètres choisies par les élèves (voir tableau 3).

42Pour effectuer cette comparaison nous avons procédé de la façon suivante : lorsque dans le questionnaire, plusieurs indicateurs ont été utilisés pour identifier une conception (c’est le cas des deux conceptions en lien avec les conditions du milieu), nous avons conservé un seul indicateur, celui qui était le plus en lien avec l’écriture du protocole. Par exemple, pour la conception « La respiration est un phénomène naturel, indispensable à la vie », la seule action qui permette de contextualiser cette difficulté liée à la présence d’oxygène est le fait de mettre un bouchon sur le tube utilisé. Parmi les questions du questionnaire, seule Q11 fait intervenir le fait d’utiliser un bouchon. Par conséquent, nous avons seulement gardé la réponse à Q11 comme indicateur (et non la réponse à Q2 et Q5). Comme les élèves n’avaient pas à leur disposition de bulleur dans la liste du matériel fourni pour écrire leur protocole, nous ne pouvons pas comparer leur protocole avec l’indicateur « présence de la réponse 11b (placer un bulleur) » comme dans le questionnaire. Nous utiliserons seulement l’absence de réponse 11a (placer un bouchon hermétique) comme indicateur de cette conception.

43Au final, le tableau 3 décrit pour chaque conception, les indicateurs liés à l’analyse du protocole ainsi que les indicateurs que nous avons conservés de l’analyse du questionnaire.

Tableau 3 : indicateurs utilisés pour l’analyse comparative des questionnaires (pré et post-test) et du protocole

Conceptions Cx (concept relatif) Indicateurs dans les protocoles :
action et/ou valeurs de paramètre incorrectes présentes et choisies dans les protocoles (les mots en italique sont les paramètres corrects que l’élève devrait choisir)
Indicateurs dans les questionnaires :
réponses incorrectes
(réponse correcte en italique)
C1
(Température)
Absence de l’action :
« Je place la suspension de levures à 25 °C. J’utilise pour cela un bain-marie. »
Q2 : absence de termes cités en lien avec la température du milieu
(température citée)
C2
(Anaérobie)
Absence de l’action : « Je place un bouchon hermétique sur la suspension de levures. » ou présence de l’action mais valeur de paramètre incorrecte : pas de bouchon Q11 : réponse 11a non sélectionnée (utilisation d’un bouchon hermétique
(11a sélectionnée : placer un bouchon)
C3
(Vivant)
Action présente : « Je prélève 36 mL de suspension de levures et je les verse dans un tube à essai de 40 mL »
avec valeur de paramètre incorrecte : solution dépourvue de microorganismes : uniquement du glucose, saccharose, eau, amidon…
Q4 : réponse 4c sélectionnée (absence de microorganismes)
(4b sélectionnée : microorganisme vivant)
C4
(Type de microorganisme)
Action présente :
« Je prélève 36 mL de suspension de levures et je les verse dans un tube à essai de 40 mL »
avec valeur de paramètre incorrecte : suspension de bactéries
Q2 : terme cité « bactérie »
(levure citée)
C5, C6, C7 (Échanges gazeux avec le milieu) Deux actions présentes :
« Je prélève 36 mL de suspension de levures et je les verse dans un tube à essai de 40 mL »
« Je prélève mL de glucose et je les verse dans un tube à essai de 40 mL »
avec valeurs de paramètres incorrectes : volume total des deux solutions prélevées inférieur au volume du contenant receveur
Q11 : réponse 11d sélectionnée (enlever une quantité de suspension de levures du contenant
(11c sélectionnée : ajouter une certaine quantité de suspension de levure dans le contenant)

44Nous suivons le changement dans la mobilisation des connaissances scientifiques et des conceptions associées, tout au long des activités proposées, à partir de l’ensemble des productions d’élèves (pré-test, protocole, post-test). Nous présentons les résultats du suivi individuel des 54 élèves présents à l’ensemble des phases de l’expérimentation.

45Pour cela nous proposons de relever la réponse (correcte ou incorrecte) de chaque élève, pour chaque concept, afin de définir des successions de réponses entre les trois productions (figure 2).

46Pour le protocole, les réponses incorrectes sont les actions manquantes ou les paramètres incorrects tels que spécifiés dans le tableau 3 ; les réponses correctes correspondent à la présence des actions identifiées avec les valeurs de paramètres spécifiées en italique dans le tableau 3.

47Pour le questionnaire (pré et post-test), les réponses incorrectes correspondent aux indicateurs spécifiés dans le tableau 3 ; les réponses correctes sont celles précisées en italique.

48Les réponses incorrectes sont donc les indicateurs d’une conception d’élève identifiée. Les réponses correctes sont les indicateurs d’une connaissance scientifique mobilisée par les élèves et conforme aux attentes institutionnelles.

Fig. 2 : successions de réponses possibles des élèves entre les questionnaires et le protocole

Fig. 2 : successions de réponses possibles des élèves entre les questionnaires et le protocole

49La figure 2 montre huit successions de réponses différentes. À travers l’analyse de la répartition des élèves selon ces successions de réponses, nous cherchons à identifier des profils de réponses pertinents pour notre étude. Parmi ces profils, certains peuvent apporter des éléments pour répondre à une de nos questions de recherche, à savoir « les conceptions des élèves sont-elles modifiées par l’activité mise en jeu pour concevoir un protocole expérimental sur le métabolisme de la fermentation alcoolique ? ». Ainsi, quatre profils nous semblent particulièrement intéressants, et nous avons formulé des hypothèses pour les expliquer :
– CCC : les élèves ont une connaissance relative au vivant valide et solide. Les élèves mobilisent avec succès cette connaissance lors de l’activité de conception expérimentale ;
– CIC : les élèves ont une connaissance valide mais ils n’arrivent pas à la mobiliser dans le contexte de conception expérimentale ;
– ICC : l’activité de conception expérimentale modifie la conception initiale des élèves en une connaissance attendue par l’institution ;
– III : l’activité de conception expérimentale ne modifie pas la conception initiale des élèves qui est à l’origine de difficultés. Cette conception persistante pourrait être la conséquence d’un obstacle.

50Le profil ICI peut nous apporter une information d’un point de vue méthodologique. Si l’élève mobilise correctement une connaissance dans le contexte de la conception expérimentale sans faire le lien avec la connaissance visée dans le questionnaire, il se peut alors que les connaissances testées dans les deux situations soient trop éloignées. Ceci devrait nous amener à revoir de façon critique notre questionnaire.

51Les autres profils (CII, CCI et IIC) sont plus difficiles à interpréter au regard de l’impact de l’activité de conception expérimentale sur les conceptions des élèves. Ces profils semblent correspondre à des connaissances non stabilisées, et la méthodologie que nous mettons en place n’est pas suffisante pour leur donner du sens.

4. Résultats et discussion

52Nous présentons les résultats permettant de répondre à la première question de recherche (82 réponses au questionnaire pré-test), puis les résultats associant pré et post-test ainsi que protocoles afin de répondre à la deuxième question de recherche (54 élèves concernés). Les résultats seront discutés par concept.

4.1. Conceptions des élèves sur le vivant avant l’activité

53Nous présentons dans le tableau 4 les résultats de l’analyse des 82 questionnaires pré-tests selon les différentes conceptions identifiées dans la littérature.

Tableau 4 : résultats d’analyse des 82 pré-tests

Conceptions Indicateurs utilisés Nombre d’élèves/82
C1 (Température) Absence de termes cités liés à la température du milieu 79
Erreur sur le concept de température optimale 12
C2 (Anaérobie) Termes cités en lien avec le concept de respiration 16
Erreur sur le concept d’anaérobie (bulleur et milieu oxygéné) 17
C3 (Vivant) Erreur sur l’origine du processus de fermentation 5
Erreur sur le statut du microorganisme (mort) 3
C4 (Type de microorganisme) Erreur sur le type de microorganisme impliqué 13
C5, C6, C7 (Échanges gazeux avec le milieu) Erreur sur le volume d’air disponible pour les levures dans un contenant fermé pour la mise en anaérobie 46

4.1.1. Conceptions des élèves sur les conditions du milieu requises pour la réalisation de la fermentation alcoolique (C1 et C2)

54L’analyse des réponses à la question ouverte sur la fermentation (Q2) montre que seulement 3 élèves sur 82 associent les termes température et métabolisme de la fermentation alcoolique. Cela nous amène à conclure que les élèves n’associent pas spontanément cette condition nécessaire à la réaction optimale. Cependant, à la question (Q6), seulement 12 élèves ne savent pas définir le terme de température optimale d’une réaction. Il semblerait ainsi que la faible présence de la température dans les réponses à Q2 ne soit pas liée à une méconnaissance de la température optimale d’une réaction, mais à la contextualisation des concepts de chimie (ici la réaction) dans une situation de biologie impliquant un organisme vivant (Fortin, 2004). Ainsi, même si le concept de température du milieu à l’origine de la vitesse de réaction semble être maîtrisé, la condition de température n’est pas spontanément nommée dans le contexte de la fermentation alcoolique qui implique un être vivant. Nous regarderons si les élèves mobilisent cette condition dans leurs protocoles.

55Concernant l’anaérobie stricte du milieu, nous relevons des erreurs dans les réponses proposées par 16 élèves dans Q2. Ils associent « la respiration, l’oxygène, la nécessité de dioxygène » à la fermentation alcoolique. Ces réponses vont dans le même sens que les réponses sur l’anaérobie (Q5 et Q11) pour lesquelles 17 élèves cochent à la fois la réponse qui caractérise la fermentation alcoolique avec un milieu oxygéné (Q5) et celle qui consiste à mettre un bulleur pour oxygéner le milieu (Q11).

56Ces résultats pourraient être expliqués par la surreprésentation du dioxygène nécessaire à la vie cellulaire qui est, selon Marmaroti et Ganalopoulou (2006) et Özay et Östaş (2003) un des obstacles majeurs en biologie. Cela peut être interprété par une confusion chez les élèves entre la respiration cellulaire et la fermentation (Flores, Tovar & Gallegos, 2003).

57Le contexte scolaire, à travers la programmation du thème « énergie et cellule vivante » en terminale scientifique de spécialité, peut également conforter la conception C2 (la respiration est un phénomène naturel, indispensable à la vie) avec l’étude souvent conjointe de ces deux métabolismes à propos notamment du rendement énergétique, ce qui pourrait constituer un obstacle didactique.

4.1.2. Conceptions des élèves sur les microorganismes impliqués dans la réaction de fermentation alcoolique (C3 et C4)

58Nous analysons les réponses des élèves concernant le type de microorganismes impliqué dans la réaction. Pour cela nous identifions les réponses qui contiennent un microorganisme dans cette réaction ainsi que le type et le statut du microorganisme utilisé. L’implication d’un microorganisme dans le processus de réaction semble être acquise chez la plupart des élèves interrogés, car seulement 5 élèves ne citent pas de microorganisme à la question Q4.

59Néanmoins l’identification du type de microorganisme semble plus complexe pour les élèves. En effet, l’analyse des termes relevés dans la question ouverte sur la fermentation (Q2) révèle une confusion entre levure et bactérie. En effet 13 élèves utilisent le terme de « bactérie » alors que seulement 3 élèves citent spontanément la levure, qui est un élément de réponse attendu par l’institution. Cette erreur sur l’identification du microorganisme, ainsi que la faible représentation de la levure dans les réponses des élèves révèlent respectivement les conceptions C4 et C3. Ces erreurs pourraient être la conséquence de l’obstacle épistémologique mis en évidence par l’étude des travaux de Pasteur et plus récemment dans les travaux de Songer et Mintzes (1994) et Schneeberger et Rodriguez (1999). Or les connaissances des élèves sur les microorganismes impliqués dans les métabolismes auraient dû modifier ces conceptions, et permettre aux élèves d’associer la levure au processus de fermentation alcoolique. Cependant, il semble que la mise en relation des concepts de biologie et de chimie, dans le contexte expérimental de l’étude des métabolismes reste un obstacle pour les élèves. Ceci peut être expliqué par la sollicitation importante de la matrice cognitive.

60Enfin, de nombreux élèves répondent correctement à la question à choix multiples Q4 sur le statut vivant ou mort du microorganisme impliqué. En effet, seulement 3 élèves proposent une réponse dans le sens d’un microorganisme mort et 15 ne savent pas répondre.

4.1.3. Conceptions des élèves sur les caractérisations de la réaction de fermentation alcoolique (C5, C6, C7)

61Les résultats à la question sur les échanges gazeux avec le milieu (Q11) montrent que plus de la moitié des élèves (46/82) font des erreurs à propos du volume de suspension de levures à verser dans le tube à essai afin de les placer en anaérobie stricte. La réponse incorrecte majoritairement choisie par les élèves correspond à un volume d’air dans le tube à essai contenant la suspension de levures. Cette question fait appel à des connaissances fondamentales en biologie (concept d’anaérobie) et en chimie (dissolution des gaz) qui constituent un nœud d’obstacles. La prise en compte que les gaz présents dans le contenant fermé se dissolvent dans le milieu dans lequel les levures sont présentes, suppose la mobilisation de la notion d’échange entre les levures et le milieu environnant.

62Par ailleurs, le fait que les levures réalisent, selon les conditions du milieu, les deux métabolismes de respiration cellulaire ou fermentation alcoolique, est à l’origine de confusion par les élèves entre ces deux métabolismes (Flores, Tovar & Gallegos, 2003). La présence d’un obstacle fort lié à la survalorisation de l’oxygène (Marmaroti & Galanopoulou, 2006) pourrait être la conséquence d’une pensée catégorielle « bon gaz/mauvais gaz » (Astolfi & Peterfalvi, 1993), et ainsi expliquer que les élèves privilégient la respiration cellulaire qu’ils associent à la vie cellulaire (Guyon, 1987). De plus, cela suppose également l’existence de gaz dans un contenant fermé qui se dissolvent dans le milieu, ce que Stavy (1990) avait identifié comme un obstacle chez les élèves. Ces résultats traduisent la forte présence des conceptions C5 et C7 qui sont la conséquence d’un nœud d’obstacles sur la réaction chimique, décrit dans les travaux de Laugier et Dumon (2004). Les gaz, invisibles (obstacle aperceptif) et dépourvus de matérialité (pensée catégorielle) ne sont pas intégrés au processus réactionnel de la fermentation alcoolique. Nous analyserons pour cela, dans un deuxième temps, les successions de réponses des élèves au protocole et au post-test afin de savoir si la situation permet de lever ces obstacles.

63L’ensemble de ces résultats permet de valider la présence de certaines conceptions (C1, C2, C5, C7) sur le vivant, identifiées dans la littérature présentée au début de l’article. Nous montrons dans la partie suivante si l’activité de conception expérimentale sur la fermentation alcoolique favorise le changement de ces conceptions.

4.2. Analyse des conceptions des élèves au cours et après l’activité de conception expérimentale

64Le tableau 5 présente les résultats, pour chaque concept, des réponses des élèves dans les trois productions analysées (pré-test, protocole, post-test). Nous avons réparti les réponses des élèves selon les successions de réponses proposées dans la figure 2 afin d’identifier des profils pertinents pour notre étude.

Tableau 5 : réponses des 54 élèves aux questionnaires et au protocole produit, selon les concepts en jeu

Successions de réponses CCC CCI CIC CII ICC ICI IIC III
Concepts
Température 1 1 0 1 1 33 1 16
Anaérobie 12 2 5 2 15 5 9 4
Microorganisme vivant 31 5 5 0 8 1 1 3
Type de microorganisme 43 1 1 0 6 2 1 0
Échanges gazeux avec le milieu 0 0 2 2 0 0 12 38

Les quatre profils en gras correspondent aux profils qui nous semblent pertinents (cf. méthodologie).

4.2.1. Réponses des élèves concernant les conditions du milieu requises pour la réalisation de la fermentation alcoolique

65L’analyse des réponses des élèves à propos de la température du milieu révèle un profil majoritaire du type ICI (33 élèves). Il s’agit d’un type de profil que nous n’avions pas identifié comme intéressant a priori. Ce type de succession de réponses est lié à la contextualisation du concept de température du milieu dans la situation proposée dans LabBook. En effet, la mise à disposition des élèves d’une liste à choix d’actions, semble les inciter à proposer l’action relative à la température du milieu dans leur protocole, ce que nous identifions comme une réponse correcte. Dans ce cas, la situation aiderait les élèves à mobiliser leurs connaissances. Cependant, en dehors de la situation d’apprentissage proposée dans LabNbook, les élèves ne mobilisent pas certaines connaissances liés au métabolisme étudié. En effet dans le post-test, ils ne proposent toujours pas la température comme terme associé à la fermentation alcoolique. L’analyse des réponses au pré-test (partie 4.1.1) nous avait déjà montré la complexité de contextualiser un concept.

66Le deuxième profil identifié pour le concept de température est III (16 élèves), qui correspond à des réponses incorrectes aux questionnaires et dans le protocole produit.

67Ces résultats montrent que le concept de température du milieu reste à l’origine de difficultés chez les élèves et que l’activité proposée de conception expérimentale ne permet pas de lever leur conception initiale (C1). Nous pourrions trouver l’origine de cette difficulté conceptuelle dans la définition même de milieu qu’Astolfi et Peterfalvi (1993) qualifient d’obstacle holiste. En effet, les élèves adoptent préférentiellement un point de vue « choisiste » (milieu = suspension de levure) sans être capable d’analyser les composants du milieu comme la température.

68Les résultats sont moins marqués concernant la condition d’anaérobie. Des successions de réponses avec des effectifs hétérogènes, sont mises en évidence, néanmoins deux d’entre elles sont majoritairement représentées, CCC (12 élèves) et ICC (15 élèves). Selon nos hypothèses, cela traduit respectivement des connaissances solides dans le premier cas, et un changement de conception suite à l’activité dans le deuxième cas : la conception C2 semble avoir été déstabilisée.

69Une autre succession de réponses (IIC) est relevée chez 9 élèves. Il est difficile d’expliquer un tel profil car de nombreux facteurs pourraient en être à l’origine : par exemple, l’activité pourrait avoir modifié la conception initiale de ces élèves sans pour autant que cela se traduise par le choix de l’action concernée (fermer le contenant avec un bouchon hermétique) dans les protocoles produits. Nous suggérons que le terme de milieu proposé dans la formulation de l’étape 1 du protocole pourrait être à l’origine d’un obstacle lexical qui n’inciterait pas les élèves à choisir l’action concernée.

4.2.2. Réponses des élèves concernant les microorganismes impliqués dans la réaction de fermentation alcoolique

70Les concepts relatifs à l’implication d’un microorganisme vivant et au type de microorganisme à l’origine de la réaction de fermentation alcoolique se distinguent par un profil majoritaire d’élèves du type CCC, représenté respectivement par 31 et 43 élèves sur 54. Ces réponses traduisent une connaissance mobilisée solide car la connaissance est stable dans les trois productions. La succession de réponse du type ICC est mise en évidence chez 8 élèves concernant la nécessité d’impliquer un microorganisme et 6 élèves concernant le type de microorganisme. Ceci traduit un changement de conception pendant l’activité de conception expérimentale qui se confirme dans le post-test. Nous en concluons que les élèves ont majoritairement des connaissances solides à propos des microorganismes impliqués dans la réaction. De plus, l’activité de conception expérimentale proposée semble favoriser le changement des conceptions initiales des élèves (C3 et C4) vers des connaissances attendues par l’institution.

4.2.3. Réponses des élèves concernant la caractérisation de la réaction de fermentation alcoolique

71À l’inverse, la maîtrise du concept d’échanges gazeux entre les milieux est difficile. En effet, 38 élèves proposent les mêmes réponses incorrectes de façon récurrente ce qui se traduit par un profil majoritaire du type III et donc la présence des conceptions C5, C6 et C7 tout au long du travail des élèves. Nous retrouvons aussi le profil du type IIC (12 élèves), qui pourrait s’expliquer par des connaissances non stabilisées pour le moment. L’activité proposée semble ne pas modifier ces conceptions. En effet, le nœud d’obstacles défini par Astolfi et Peterfalvi (1993, p. 109) sur la transformation de la matière et la nécessaire mise en relation des phénomènes biologique et chimique semble résister. Contextualisé au métabolisme de la fermentation alcoolique, il se définit par :
– la catégorisation des gaz comme n’étant pas de la matière (un gaz reste un gaz) et ne participant pas aux échanges métaboliques ;
– l’obstacle aperceptif des gaz dans le phénomène de dissolution ;
– la dévalorisation des gaz comme un concept appartenant strictement au domaine de la chimie et la catégorisation des phénomènes biologiques et chimiques ;
– la catégorisation des bons gaz (O2), des mauvais gaz (CO2) et la survalorisation du dioxygène nécessaire à la vie cellulaire ;
–la conception restreinte de la fermentation alcoolique perçue comme une respiration en anaérobie.

Conclusions et perspectives

72Le premier objectif de notre travail était d’identifier des conceptions d’élèves relatives au vivant sur le thème de la fermentation alcoolique, étudié en classe de terminale scientifique de spécialité. Nous avons effectivement dégagé dans les réponses des élèves des conceptions mises en évidence dans la littérature.

73Le deuxième objectif était de suivre le changement des conceptions identifiées dans le pré-test pendant et après une activité de conception expérimentale avec une plateforme informatique. Pour chaque concept en jeu, nous avons suivi les réponses des élèves dans trois productions (pré-test, protocole et post-test). Les résultats montrent, soit des connaissances préexistantes (profil CCC), soit un impact bénéfique de l’activité de conception expérimentale à propos des concepts de microorganismes et d’anaérobie (ICC). Ils ont également permis de révéler la présence d’obstacles résistants constitutifs éventuellement d’un nœud d’obstacles (profil III). La situation proposée avec la structuration du protocole a permis de repérer des obstacles et d’en dépasser certains. Leur franchissement nécessite plusieurs opérations intellectuelles et des modalités didactiques variées (Astolfi & Peterfalvi, 1993). Il est possible que, lors de la mise en œuvre du protocole, les rétroactions apportées par l’enseignant et par le milieu, couplées aux interactions entre les élèves, permettent de franchir les obstacles non dépassés lors de la conception expérimentale. Il s’agit là d’une des limites de notre étude, car nous avions envisagé en plus, un post-test différé, après la phase 3 de l’expérimentation. Cependant les contraintes d’expérimentation ne nous ont pas permis de recueillir suffisamment de données.

74Une autre limite liée à notre méthodologie a été l’apparition significative du profil ICI pour un des concepts en jeu, ce qui nous amène à revoir notre questionnaire. En effet, l’indicateur relatif utilisé dans le questionnaire se réfère à une question ouverte pour laquelle les élèves semblent ne pas mobiliser spontanément une des connaissances visées. Une proposition de questions à choix multiples pourrait s’avérer davantage pertinente pour ce concept. À cela, s’ajoute une autre difficulté méthodologique qui a été d’identifier des indicateurs communs et pertinents qui traduisent une même conception, dans les questionnaires et les protocoles d’élèves.

75Le travail d’identification des conceptions apporte des résultats originaux qui pourront être pris en compte dans l’élaboration de situations d’enseignement portant sur les métabolismes et intégrant ou pas un EIAH. Dans le cas de la situation implémentée avec LabBook, l’analyse didactique des difficultés a priori des élèves a permis de concevoir un type d’étayage inédit, par la pré-structuration du protocole. L’identification d’obstacles résistants nécessite la conception d’aides adaptées sur la plateforme qui prendront par exemple la forme de rétroactions par l’EIAH ou par l’enseignant.

76Ce travail novateur ouvre de nouvelles perspectives de recherche en didactique des sciences dans un contexte d’EIAH.

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Annexe

Annexe 1 : questionnaire pré et post-test

Q1 : À partir de tes connaissances, donne une définition et un exemple de métabolisme cellulaire.

Q2 : Donne les 4 mots ou groupes de mots, qui définissent selon toi la fermentation alcoolique.

Q3 : À ton avis, comment peut-on mettre en évidence expérimentalement la présence de CO2 dans une solution ?

Q4 : Selon toi, la fermentation alcoolique c’est :

a- Un métabolisme réalisé par un microorganisme mort ;
b- Un métabolisme réalisé par un microorganisme vivant ;
c- Un métabolisme réalisé en l’absence de microorganismes ;
d- Je ne sais pas.

Q5 : Selon toi, la fermentation alcoolique c’est :

a- Un métabolisme réalisé dans un milieu sans oxygène ;
b- Un métabolisme réalisé dans un milieu avec oxygène ;
c- Un métabolisme qui produit du dioxyde de carbone ;
d- Un métabolisme qui produit de l’éthanol ;
e- Je ne sais pas.

Q6 : Selon toi, la température optimale d’une réaction c’est :

a- La température pour laquelle la vitesse de réaction est maximale ;
b- La température pour laquelle la vitesse de réaction est ralentie ;
c- La température pour laquelle la vitesse de réaction s’arrête ;
d- Je ne sais pas.

Q7 : Selon toi, dans une suspension de levures affamées (en absence de glucides) réalisant la fermentation alcoolique, l’ajout d’un glucide (réactif) permet :

a- De stopper la réaction ;
b- De démarrer la réaction ;
c- De ralentir la réaction ;
d- Je ne sais pas.

Q8 : Choisis, parmi les schémas ci-dessous le dispositif expérimental qui permet à des microorganismes de réaliser le métabolisme de la fermentation alcoolique dans les conditions optimales.

a- Je ne sais pas ;
b- 

Dispositifs expérimentaux

Dispositifs expérimentaux

Q9 : Choisis, parmi le/les dispositifs suivants, celui/ceux qui permet(tent) de mettre en évidence la présence d’éthanol dans une solution :

a- L’alcootest ;
b- La sonde à éthanol ;
c- La liqueur de Fehling ;
d- L’eau de chaux ;
e- Je ne sais pas.

Q10 : Choisis, parmi les affirmations suivantes, celle(s) qui selon toi, décrit(-vent) l’équation de réaction suivante : C6H12O6  2 CO2 + 2 C2H5OH (éthanol)

a- Le réactif, ici le glucose, va être consommé, ce qui va conduire à la formation de deux produits, le dioxyde de carbone et l’éthanol ;
b- Les réactifs, ici le dioxyde de carbone et l’éthanol, vont être consommés, ce qui va conduire à la formation d’un produit, le glucose ;
c- Le réactif, ici le glucose, va être consommé, ce qui va conduire à la formation de deux produits, le dioxygène et l’éthanol ;
d- Les réactifs, ici le dioxygène et l’éthanol, vont être consommés, ce qui va conduire à la formation d’un produit, le glucose ;
e- Je ne sais pas.

Q11 : Tu disposes de 60 ml de suspension de levures dans un contenant de 100 ml. Tu souhaites placer les levures dans les conditions optimales pour qu’elles réalisent la fermentation alcoolique. Que fais-tu ?

a- Je place un bouchon hermétique ;
b- Je place un bulleur (pour oxygéner la suspension) ;
c- Je rajoute une certaine quantité de suspension de levures dans le contenant ;
d- J’enlève une certaine quantité de suspension de levures du contenant ;
e- Je ne sais pas.

Q12 : Combien de mesures, au minimum, sont nécessaires, pour mettre en évidence la consommation d’un réactif ?

a- Aucune mesure ;
b- 1 mesure ;
c- 2 mesures ;
d- Plus de 2 mesures ;
e- Je ne sais pas.

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Notes

1 « les organismes unicellulaires respirent en anaérobie car ce sont des organismes simples ».

2 « la levure […] est une bactérie qui s’étend lorsqu’elle se multiplie, ce qui permet la levée du pain ».

3 « Le CO2 est un produit des réactions de fermentations lactique et alcoolique ».

4 « Les gaz proviennent des gaz ».

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Table des illustrations

Titre Fig. 1 : extrait de la situation proposée dans la plateforme LabBook sur la fermentation alcoolique, qui montre la tâche d’écriture d’un protocole (copie d’écran)
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/2786/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 205k
Titre Fig. 2 : successions de réponses possibles des élèves entre les questionnaires et le protocole
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/2786/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 187k
Titre Dispositifs expérimentaux
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/2786/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 70k
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Pour citer cet article

Référence papier

Catherine Bonnat, Patricia Marzin-janvier et Isabelle Girault, « Analyse des conceptions d’élèves sur le vivant, dans une situation de conception expérimentale avec un environnement informatique », RDST, 20 | 2019, 149-173.

Référence électronique

Catherine Bonnat, Patricia Marzin-janvier et Isabelle Girault, « Analyse des conceptions d’élèves sur le vivant, dans une situation de conception expérimentale avec un environnement informatique », RDST [En ligne], 20 | 2019, mis en ligne le 31 décembre 2019, consulté le 07 juillet 2020. URL : http://journals.openedition.org/rdst/2786 ; DOI : https://doi.org/10.4000/rdst.2786

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Auteurs

Catherine Bonnat

Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, LIG, F-38000 Grenoble France

Patricia Marzin-janvier

Université Brest, université Rennes, CREAD, F-29200 Brest, France

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Isabelle Girault

Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, LIG, F-38000 Grenoble France

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Droits d’auteur

© Éditions de l’École normale supérieure de Lyon

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