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Dossier

Compréhension du rôle du matériau dans la flottabilité des objets et dissociation de la masse et du volume en maternelle

Understanding the role of material in the buoyancy of objects and dissociation of mass and volume in preschool
Anne-Amandine Decroix et Sandra Javoy
p. 31-59

Résumés

Cet article présente les résultats d’une recherche concernant les conceptions d’élèves de cycle 1 sur les concepts de masse et de volume et sur le comportement d’objets après leur immersion dans l’eau. Les résultats obtenus montrent que les élèves de maternelle ont des difficultés à dissocier la masse du volume et associent essentiellement la flottabilité des objets à leur taille. Nous avons étudié l’impact d’activités autour de la flottabilité en mettant en œuvre deux ingénieries comparatives en classe de moyenne section de maternelle. Les résultats montrent que le niveau de conceptualisation des élèves est supérieur en ce qui concerne la dissociation de la masse et du volume chez les élèves qui ont travaillé la flottabilité en utilisant pour chaque matériau testé des objets de tailles variées.

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Texte intégral

Nous remercions les deux enseignantes qui nous ont accueillies dans leur classe et donc permis de réaliser ce travail.
Nous remercions Valérie Munier, membre du comité de rédaction de RDST, pour sa relecture attentive et ses commentaires fructueux.
Nous remercions l’INSPÉ Lille Hauts-de-France qui a soutenu financièrement ce projet de recherche.

Introduction

1En France, en fin d’école maternelle, il est attendu que les élèves soient capables de « nommer quelques formes planes (carré, triangle, cercle ou disque, rectangle) et reconnaître quelques solides (cube, pyramide, boule, cylindre) » et de « classer ou ranger des objets selon un critère de longueur ou de masse ou de contenance » (MEN, 2015). Pour cela, les textes institutionnels indiquent que l’enseignant peut s’appuyer sur le fait que « Très tôt, les jeunes enfants discernent intuitivement des formes (carré, triangle, etc.) et des grandeurs (longueur, contenance, masse, aire, etc.) » et que « Depuis leur naissance, les enfants ont une intuition des grandeurs qui leur permet de comparer et d’évaluer de manière approximative les longueurs (les tailles), les volumes » et c’est essentiellement par des observations, des comparaisons et des tris que les élèves doivent être « amenés à mieux distinguer différents types de critères : forme, longueur, masse, contenance » (MEN, 2015). Pour autant, parmi les ressources proposées par cette même institution et disponibles sur Eduscol1, la comparaison de masses n’est proposée qu’à partir du cycle 2 et le volume semble essentiellement approché par la distinction de formes solides par opposition aux formes planes (carré, triangle, etc.) ou à travers la contenance. Plusieurs études en didactique des sciences (Passelaigue, 2011 ; Javoy, Decroix & de Hosson, 2018) ont montré qu’au cycle 3, les élèves ont encore des difficultés à conceptualiser ces grandeurs. Passelaigue souligne que ces difficultés sont souvent sous estimées et elles peuvent, selon Hasweh (2016) et Javoy, Decroix & de Hosson (2018) faire obstacle à une première construction de concepts comme celui de densité, attendue en fin d’école primaire (cycle 3).

2En France, l’école maternelle n’est pas organisée en disciplines d’enseignement comme c’est le cas à des niveaux plus élevés de la scolarité. Les activités pratiquées relèvent de domaines plus vastes comme « construire les premiers outils pour structurer sa pensée » ou « explorer le monde ». Les activités proposées dans le sous domaine « explorer la matière », comme les réalisations, utilisations et manipulations d’objets contribuent aussi bien au domaine concernant le langage qu’au domaine qui les inclue (Ledrapier, 2010 ; Lebeaume, 2018). Même si le domaine « explorer le monde » semble une première approche de disciplines scolaires abordées dans le second degré : sciences de la vie et de la Terre, technologie et physique-chimie, en maternelle, l’éducation scientifique ne possède pas la forme compartimentée que peuvent prendre ces enseignements et certaines recherches actuelles en didactique envisagent ces domaines comme non disciplinaires (Bruguière & Charles, 2018 ; Chanoine & Bisault, 2018). Ledrapier (2010) souligne cependant que des recherches en didactique des sciences montrent que des activités scientifiques, plus en cohérence épistémologiquement parlant avec les sciences actuelles, sont possibles mais nécessitent une formation spécifique de haut niveau, adossée à la recherche. C’est dans cette optique que nous nous sommes interrogées sur les difficultés des élèves de maternelle à conceptualiser les grandeurs masse et volume. Nous faisons ici l’hypothèse que des activités scientifiques autour de la flottabilité des objets peuvent permettre de conceptualiser ces deux grandeurs. La flottabilité d’un objet plein dépend de la densité de celui-ci, et la densité est une grandeur qui dépend du matériau de l’objet et non de l’objet lui-même (contrairement à la masse et au volume). La masse de deux objets fabriqués à partir du même matériau (et donc de même densité) est différente si les objets n’ont pas le même volume (elle augmente avec le volume de l’objet) alors que si les objets n’ont pas la même densité, l’objet le plus petit ne sera pas forcement le plus léger. Si nous le formulons en termes de flottabilité, pour des objets pleins, la flottabilité d’un objet dépend de sa densité et donc du (ou des) matériaux de l’objet. À l’école primaire et secondaire, en France comme à l’étranger, des activités autour de la flottabilité sont proposées (Dawkins et al., 2008 ; Hashweh, 2016 ; Koliopoulos et al., 2004). Cependant, ces études montrent que ces activités visent généralement le classement d’objets selon le critère « flotte ou coule » et non à l’établissement de critères sur la flottabilité. Dans cette étude, nous souhaitons établir des premiers modèles permettant de comprendre, voire d’anticiper, les comportements d’objets immergés à partir d’activités portant sur la flottabilité et nous étudions l’impact de ces activités sur la conceptualisation des grandeurs masse et volume chez les élèves de maternelle.

3Nous nous sommes inspirées de la méthodologie d’ingénierie didactique (Artigue, 1988) pour concevoir notre dispositif. L’ingénierie didactique désigne une méthodologie de recherche apparue en didactique des mathématiques dans les années 1980, prenant en compte la complexité de la classe et étudiant les relations possibles entre recherche et action sur le système d’enseignement. L’ingénierie didactique se caractérise par un schéma expérimental basé sur la conception, la réalisation, l’observation et l’analyse de séquences d’enseignement. Les phases proposées dans cette méthodologie sont : les analyses préalables, la conception et l’analyse a priori, l’expérimentation, l’analyse a posteriori et la validation.

1. Analyses préalables

1.1. Les conceptions et raisonnements des élèves sur les concepts de masse, de volume et sur la flottabilité

4Une conception représente « les systèmes de connaissances qu’un sujet mobilise face à une question ou à une thématique, que celle-ci ait fait l’objet d’un enseignement ou pas » (Reuter et al., 2007, p. 197). Santini (2009, p. 228), en se référant aux travaux de Vosniadou (1994), considère les conceptions des élèves comme des « théories personnelles qui présentent une relative cohérence générale et une certaine stabilité ». Comme un élève construit ses connaissances en fonction de celles qu’il a déjà et de ses conceptions initiales, il est important de les prendre en compte lors de l’élaboration de séquences d’enseignement afin de lui permettre de modifier ses conceptions initiales – généralement non conformes aux connaissances scientifiques. La théorie du changement conceptuel, théorie dans laquelle nous nous positionnons ici, considère le processus d’apprentissage comme une évolution des conceptions des élèves vers un premier modèle scientifique (Santini, 2009).

5Piaget et Inhelder (1941) considèrent qu’une grandeur peut être construite chez un enfant si l’enfant est conservant pour cette grandeur. Or ces auteurs montrent qu’au cours du stade préopératoire (2-7 ans) l’enfant n’a pas acquis la notion de conservation de la quantité de substance après déformation. De même, l’enfant pense que la masse de la substance diffère après déformation. L’enfant à ce stade ne dissocie ni la masse du volume, ni la quantité de matière. En d’autres termes, selon ces auteurs, pour les élèves de cet âge, un corps est lourd s’il est gros, quel que soit le matériau qui le constitue. Concernant le comportement d’objets immergés dans un liquide, des études réalisées auprès d’élèves du primaire et du secondaire montrent que les facteurs les plus souvent évoqués par les élèves pour expliquer le fait que les objets flottent ou coulent sont essentiellement le volume et la masse (ou le poids) de l’objet (Canedo-Ibarra et al., 2010 ; Koliopoulos et al., 2004 ; Piaget, 1930 ; Rappolt-Schlichtmann et al., 2007 ; Unal, 2008). D’autres conceptions sont également mises en évidence comme le fait que la flottabilité d’un objet dépend du volume de liquide dans lequel il est immergé ou que la densité d’un objet qui flotte est supérieure à celle d’un objet qui coule (Unal, 2008).

1.2. Masses, volumes et flottabilité en maternelle, analyse d’une ressource

6Parmi les ressources du cycle 1 sur la flottabilité qui mettent en jeu la masse et le volume, il y en a une, sur le site Eduscol, qui s’intitule « Les bateaux » (MEN, 2016).). Parmi les différents enjeux de ce module, on trouve de nombreuses « premières compréhensions visées par les élèves ». Les élèves sont amenés à distinguer les objets et les matériaux qui les constituent de différents points de vue : celui des objets, celui des objets vers les matériaux qui les composent et celui des matériaux. Ils vont par exemple constater que certains objets « flottent » et d’autres « coulent », que cela ne dépend ni de la « grosseur », ni du « poids » de l’objet, que si l’on charge trop des bateaux, ils coulent et qu’il est possible d’agir sur la flottaison d’un objet en l’alourdissant ou en modifiant son volume. Les élèves sont aussi amenés à observer la perméabilité de certains objets et observent que des « objets constitués de matériaux imperméables flottent uniquement si on les façonne en forme “de bateau” ». Cette ressource implique donc de traiter en même temps le fait qu’un objet flotte ou coule selon le matériau qui le constitue (indépendamment de la masse ou du volume de l’objet), qu’un même matériau peut couler ou flotter selon la forme de l’objet qui le constitue, de travailler la perméabilité des objets et son impact sur la flottabilité, et d’observer le fait qu’à volume constant, une augmentation de la masse va modifier la flottabilité des objets. Bien que cette ressource semble viser essentiellement une familiarisation pratique, elle met en jeu de nombreux concepts scientifiques complexes pour des élèves de maternelle. Sans faire une analyse exhaustive, nous trouvons des séquences proposant des activités assez similaires dans des ressources classiques comme celles du site « La main à la pâte2 ». Comme précisé supra, l’une des premières compréhensions visées par la ressource est la prise de conscience par les élèves du fait que la flottaison d’un objet ne dépend ni de sa grosseur ni de son poids. Dans cette étude, nous souhaitons également travailler ces points précis mais aussi le fait que la flottabilité dépend du matériau de l’objet (nous négligerons ici l’influence de la tension superficielle).

1.3.  Conceptions et raisonnements d’élèves après un enseignement

7Dans une étude préliminaire, nous nous sommes intéressées à l’état conceptuel des élèves après un enseignement inspiré de certaines activités présentes sur Eduscol et sur les sites comme « La main à la pâte » mais prenant en compte le matériau de l’objet pour expliquer la flottabilité des objets. Nous voulions en effet saisir les conceptions des élèves encore présentes après un enseignement de ce type afin de concevoir une séquence d’enseignement permettant aux élèves d’établir des critères de flottabilité et de mieux prendre en compte les grandeurs masse et volume dans ce type d’activité. Un des objectifs de la séquence, construite par l’enseignante d’une classe de moyenne section (sans l’intervention du chercheur), était de mettre en évidence le fait qu’un objet « flotte » ou « coule » ne dépend ni de son volume ni de sa masse mais du matériau qui le constitue. Les élèves avaient à leur disposition des objets de forme pleine. Le déroulement des séances a été présenté en détail par l’enseignante au chercheur, mais ce dernier ne les a pas observées. La méthode d’investigation mise en œuvre pour cette enquête préliminaire après enseignement (3 mois après la fin de la séquence) consiste en entretiens individuels semi-directifs devant une situation expérimentale interrogeant l’élève sur les critères de flottabilité de certains objets. Les entretiens, intégralement filmés, ont été réalisés en juin 2017 auprès des 11 élèves encore présents dans la classe et ayant été présents à l’ensemble de la séquence d’enseignement.

8L’analyse des entretiens montre que la majorité des élèves interrogés mobilisent essentiellement des critères de taille pour justifier de la flottabilité des objets (les objets flottent car ils sont gros et coulent car ils sont petits) et ne mobilisent jamais le facteur « matériau de l’objet ».

2. Problématique

9Les analyses préalables nous conduisent à proposer, pour les élèves de cycle 1, une séquence d’enseignement sur les critères de flottabilité à partir d’un modèle précurseur (Koliopoulos et al., 2004 ; Canedo-Ibarra et al., 2010). Les modèles précurseurs sont des modèles compatibles avec les modèles scientifiques car ils s’appuient sur des éléments inclus dans les modèles scientifiques. Ces modèles ont une gamme limitée d’application mais ils permettent de préparer la pensée des enfants à la définition d’autres modèles (Lemeignan & Weil-Barais, 1993). Plusieurs recherches ont été menées auprès d’élèves de 4 à 7 ans concernant l’appropriation de ces modèles précurseurs comme l’association des fluctuations de température à la dilatation ou à la contraction d’objets métalliques (Ravanis, 2010 ; Papandreou & Terzi, 2011) ou la construction d’une interprétation des phénomènes de formation d’ombres (Delserieys et al., 2018). L’analyse des entretiens réalisés après un enseignement où l’un des objectifs de la séquence était la prise en compte du matériau de l’objet pour expliquer la flottabilité semble montrer que certaines conceptions des élèves (ici la taille de l’objet comme critère de flottabilité) « résistent » à l’apprentissage. Potvin et Cyr (2017) précisent que les connaissances scientifiques acquises n’effacent pas ou ne modifient pas nécessairement les conceptions initiales, mais coexistent avec elles. Les conflits cognitifs sont souvent nécessaires aux changements conceptuels comme l’illustrent par exemple Potvin, Sauriol et Rioppel (2015) dans une étude sur la flottabilité réalisée à l’école primaire. Cela nous conduit à envisager la construction d’une séquence d’enseignement introduisant un modèle précurseur prenant en compte le matériau mais aussi la taille de l’objet (conception qui semble particulièrement prégnante) à travers des situations faisant intervenir la flottabilité. Nous faisons en effet l’hypothèse que si les élèves, dans le contexte de la classe et suite à des confrontations dans diverses situations, manipulent des objets de forme pleine constitués du même matériau mais de tailles différentes et qu’ils observent que tous les objets fabriqués à partir du même matériau ont le même comportement dans l’eau quelle que soit leur taille, cela les déstabilisera dans un premier temps puis leur permettra de mieux comprendre que seul le facteur « matériau de l’objet » intervient dans la flottabilité d’un objet plein. De plus, nous pensons que les activités proposées devraient amener les élèves à accepter le fait que des objets de même volume mais constitués de matériaux différents ont des masses différentes. Nous faisons également l’hypothèse que les expériences menées permettront aux élèves de comprendre que si deux objets de tailles différentes sont constitués de matériaux différents, l’objet le plus gros ne sera pas forcément l’objet le plus lourd (dans cet article, nous parlerons par la suite de dissociation masse/volume).

3. Les séquences d’enseignement

10Nous avons pointé que, pour des élèves de maternelle (ici des moyennes sections), il était difficile de comprendre les mécanismes en jeu pour expliquer la flottabilité des objets. Ces résultats ainsi que ceux des études antérieures sur la flottabilité et sur les difficultés de différenciation masse/volume présentés supra conduisent à l’établissement d’une séquence d’enseignement sur le phénomène de flottabilité. Nous faisons le choix d’une séquence en classe pour introduire notre modèle précurseur car des travaux ont montré que les interactions favorisaient la construction du monde physique chez les jeunes enfants (Ravanis, 2010 ; Papandreou & Terzi, 2011) et qu’elles étaient favorisées par l’enseignant qui joue alors un rôle de médiateur (Fleer & March, 2009 ; Bisault & Rebiffé, 2011). La séquence mettra en place des situations de classe permettant aux élèves de travailler sur le matériau d’objets de forme pleine (Koliopoulos et al., 2004). Les élèves utiliseront pour chaque matériau testé des objets de tailles différentes. Afin de tester nos hypothèses, nous croiserons une méthodologie d’ingénierie didactique et une méthodologie comparative (Passelaigue, 2011). Nous analysons et comparerons deux séquences d’enseignement réalisées en parallèle dans deux classes avec des modalités de travail différentes en fin de séquence : un travail avec des objets de taille similaire et de matériaux différents dans une classe (classe témoin) et un travail avec des objets de tailles variées pour chaque matériau testé dans l’autre classe (classe test). Cela permet d’évaluer l’impact d’un travail sur le matériau des objets, en insistant sur le fait que la taille de l’objet n’a pas d’influence sur la flottabilité, sur la compréhension des élèves de maternelle. Les critères d’analyse permettant de valider de manière interne les hypothèses structurant l’ingénierie didactique sont présentés dans le tableau 1.

Tableau 1 : mise en correspondance des indicateurs choisis pour valider les hypothèses

Hypothèses de recherche Indicateurs de validité des hypothèses
Manipuler et observer, dans le contexte de la classe et suite à des confrontations dans diverses situations, que des objets immergés constitués du même matériau mais de tailles différentes ont le même comportement dans l’eau permet aux élèves, grâce aux interactions sociales et à la médiation de l’enseignant, de mieux comprendre que seul le facteur « matériau de l’objet » intervient dans la flottabilité d’un objet (objets de forme pleine). Prise en compte du critère « matériau » uniquement pour expliquer la flottabilité des objets.
Les expériences menées pendant les séances permettent aux élèves de dissocier plus facilement les grandeurs masse et volume lorsque les objets sont constitués de matériaux différents. Pas d’association masse/volume systématique pour des objets constitués de matériaux différents.

3.1. Méthodologie de recueil des données et présentation des classes concernées

11Nous avons construit deux séquences d’enseignement relativement semblables. Nous reviendrons sur les détails de ces séquences par la suite. Ces séquences ont été mises en œuvre par les enseignantes dans deux classes de moyenne section pendant l’année scolaire 2017-2018. Les enseignantes ont plus de 10 ans d’ancienneté et nous les qualifierons donc « d’expérimentées ». Ces deux classes sont situées dans la même école afin d’être les plus semblables possible. L’école est inscrite dans le programme REP et est située dans le Nord de la France. Nous avons discuté avec les enseignantes de l’organisation des différentes séances de la séquence et nous avons exposé nos attentes. Elles ont accepté de suivre le déroulé des séances et elles se sont accordées afin que les séances se déroulent de manière la plus similaire possible dans les deux classes. L’intégralité des séances (temps collectifs, expérimentations par groupes, etc.) a été filmée par une des chercheuses. Des photos ont également été prises quand cela semblait nécessaire. Les traces écrites intermédiaires ont également été analysées.

12Un pré-test a été réalisé avant enseignement de manière individuelle avec les élèves des deux classes, la classe témoin et la classe test. Cela nous a permis, dans un premier temps, de déterminer le niveau de conceptualisation de la masse et du volume des élèves et de recueillir leur conception sur les critères de flottabilité. Le pré-test a également permis de vérifier que les deux classes avaient un niveau équivalent avant enseignement. Après les séquences en classe (3 mois après la dernière séance), nous avons proposé un post-test rigoureusement identique au pré-test. Presque 5 mois se sont écoulés entre le pré-test et le post-test, aucun des élèves n’a mentionné les activités du pré-test pendant le post-test. Les pré et post-tests permettent de mettre en évidence les évolutions d’un même élève pour chaque question et de mesurer l’écart entre les performances des élèves des deux classes avant et après enseignement. Pour cela nous utilisons les tests du Khi2 de McNémar et du Khi2 d’indépendance en acceptant un seuil de 5 %. Pour le pré-test, comme pour le post-test, chaque entretien a été filmé et ensuite transcrit. 19 élèves de la classe témoin et 18 élèves de la classe test ont participé aux pré et post-tests et à l’ensemble de la séquence. Nous ne présenterons que les résultats de ces 37 élèves. Ils ont entre 4 et 5 ans, sont issus de milieux sociaux hétérogènes et ont des niveaux très variés.

3.2. Présentation des pré et post-tests et des séquences d’enseignement

3.2.1. Les pré et post-tests

13Les pré et post-tests se composent de trois parties distinctes. Les différentes étapes sont présentées dans l’encadré 1 et sont inspirés des travaux de Potvin et Cyr (2017). Lors des tests et de la séquence, les élèves sont amenés à manipuler des objets de matériaux différents : du verre, du polystyrène et du pin. En raison de l’âge des élèves, nous avons choisi d’appeler les objets en pin des objets en bois. Les objets choisis font partie du quotidien des enfants et ont des formes pleines. Ces matériaux ont déjà été travaillés en classe et sont connus des élèves. Un rappel est fait lorsque cela est nécessaire.

Encadré 1 : présentation des différentes étapes du pré-test et du post-test

Tâche 1 : comparaison de la masse de deux boules, en faisant varier le matériau et/ou la taille des boules

Le chercheur présente deux boules aux élèves. L’élève doit dire s’il pense que la masse des deux boules est égale ou différente. Le matériau des boules est apparent. Dans un premier temps l’élève doit se prononcer sans toucher les boules. Il est ensuite invité à les manipuler et à revoir sa position s’il le souhaite.
• Étape 1 : boules de tailles différentes et de même matériau
– 1 petite (1 cm de diamètre) et une grosse (8 cm de diamètre) boules de verre
– 1 petite (1 cm de diamètre) et une grosse (8 cm de diamètre) boules de polystyrène
– 1 petite (1 cm de diamètre) et une grosse (8 cm de diamètre) boules de bois
• Étape 2 : boules de tailles identiques et de matériaux différents
– 1 grosse boule de verre et une grosse boule de polystyrène (8 cm de diamètre)
• Étape 3 : boules de tailles et de matériaux différents
– 1 grosse boule de polystyrène et une petite bille de verre (la petite bille est plus lourde que la boule de polystyrène)
Tâche 2 : activité autour de la flottabilité
Le chercheur présente successivement 6 boules à l’élève :
• 1 petite boule (1 cm de diamètre) puis une grosse boule (8 cm de diamètre) de verre
• 1 petite boule (1 cm de diamètre) puis une grosse boule (8 cm de diamètre) de bois
• 1 petite boule (1 cm de diamètre) puis une grosse boule (8 cm de diamètre) de polystyrène
L’élève doit indiquer s’il pense que la boule, immergée dans l’eau, flottera ou coulera et doit justifier son choix. Dans un premier temps l’élève doit se prononcer sans toucher les boules. Il est ensuite invité à les manipuler et à revoir sa position si l’observation contredit sa prédiction.

14La tâche 1 s’intéresse à la différenciation masse/volume. Les objets proposés aux élèves sont des boules de tailles et de matériaux différents. Lors de l’étape 1, les boules sont constituées du même matériau, mais ont des tailles différentes. Comme la boule la plus grosse est la boule la plus lourde, nous pensons que cette étape ne devrait pas présenter de difficultés particulières pour l’élève (Piaget & Inhelder, 1941). Lors de l’étape 2, les élèves ont à leur disposition deux boules de même volume mais constituées de matériaux différents. Nous cherchons à voir s’ils parviennent à dissocier la masse du volume perceptif (Passelaigue, 2011). Les matériaux des boules utilisés pour cette activité de mise en relation du volume et de la masse ont des densités très différentes (du verre et du polystyrène). Nous supposons qu’une proportion non-négligeable d’élèves assimilera la masse au volume de l’objet et pensera donc que la masse des deux boules est la même. Notre objectif lors de l’étape 3 est sensiblement la même puisque les élèves auront à leur disposition deux boules de tailles et de matériaux différents (verre et polystyrène), la boule la plus lourde étant la boule la plus petite. Les élèves doivent ici associer une inégalité de volume à une inégalité de masse inverse. Quelle que soit la réponse donnée par l’élève, le chercheur lui demande de justifier sa réponse.

15La tâche 2 permet de recueillir les conceptions des élèves sur les facteurs de flottabilité. L’élève a à sa disposition des boules de tailles variées et constituées de matériaux différents (polystyrène, verre et bois). Il doit se prononcer sur le comportement des objets après immersion dans l’eau, avant et après avoir manipulé les boules. Nous cherchons ici à voir si l’élève mobilise plutôt des critères de taille, de masse ou de matériau (Canedo-Ibarra et al., 2010 ; Koliopoulos et al., 2004 ; Rappolt-Schlichtmann et al., 2007 ; Unal, 2008).

3.2.2. Les séquences d’enseignement

16Dans ce paragraphe nous présentons l’analyse a priori des deux séquences d’enseignement. Nous explicitons les enjeux des questions posées et du matériel proposé et les réponses envisagées des élèves. Les deux séquences sont réalisées dans deux classes distinctes : la classe témoin et la classe test. Le tableau 2 donne une vision comparative des deux séquences.

Tableau 2 : description succincte des deux séquences

Classe 1 : classe témoin Classe 2 : classe test
Séance 1. Séance de familiarisation. Les élèves manipulent différents objets et sont invités à les placer dans un bac rempli d’eau et à observer le comportement des objets immergés.
Séances 2 et 3. Bilan de la séance de familiarisation, puis recueil des suppositions des élèves sur les facteurs de flottabilité
Séance 4. L’influence de la taille. Les élèves manipulent des objets gros (8 à 12 cm de long) et petits (0,5 à 3 cm de long) et observent si la taille des objets influe sur la flottabilité. Les objets ont des masses et des couleurs différentes.
Séance 5. L’influence de la couleur. Les élèves manipulent des objets de quatre couleurs différentes et observent si la couleur des objets influe sur la flottabilité. Les objets ont des masses et des tailles différentes.
Séance 6. L’influence de la masse. Les élèves manipulent des objets de masses variées et observent si la masse des objets influe sur la flottabilité. Les objets ont des couleurs et des tailles différentes.
Séance 7. L’influence du matériau. Les élèves manipulent des objets de matériaux variés et observent si le matériau des objets influe sur la flottabilité.
La taille des objets n’est pas prise en compte dans cette classe. Les objets ont tous des tailles relativement similaires. Le matériau des objets est apparent.
Séance 7. L’influence du matériau. Les élèves manipulent des objets de matériaux variés et observent si le matériau des objets influe sur la flottabilité.
La taille des objets est prise en compte dans cette classe. Pour chaque matériau, le nombre d’objets choisis est important et les tailles des objets sont très variées. Le matériau des objets est apparent.
Séance 8. Séance bilan. Un bilan de l’ensemble des séances est réalisé. La séance se conclut sur le fait qu’un objet flotte ou coule selon son matériau (objets de forme pleine). « Les objets en polystyrène flottent, les objets en métal coulent, etc.) ». Séance 8. Séance bilan. Un bilan de l’ensemble des séances est réalisé. La séance se conclut sur le fait qu’un objet flotte ou coule selon son matériau (objets de forme pleine) quelle que soit la taille de l’objet. « Les objets en polystyrène, qu’ils soient petits ou grands flottent, les objets en métal, qu’ils soient petits ou grands coulent, etc. ».
Séance 9, séance évaluation : Les élèves manipulent chacun à leur tour des objets, en bois, polystyrène, verre et métal, et doivent indiquer s’ils pensent que l’objet va couler ou flotter en justifiant leurs choix. Ils peuvent ensuite immerger l’objet.

17Les deux séquences d’enseignement présentent le plus de similitudes possibles. Les six premières séances de la séquence sont rigoureusement identiques et seules les deux dernières présentent des divergences. Chaque séance alterne des moments de travail collectif et des moments de travail en groupe et est réalisée sur plusieurs temps de classe distincts. Les phases d’expérimentation sont réalisées par groupes de quatre élèves et chaque expérimentation est réalisée deux fois par chaque groupe. Les groupes sont hétérogènes et constitués par les enseignantes. Les élèves d’un groupe sont invités à échanger leurs remarques au cours de l’expérimentation, les échanges jouant un rôle important dans les apprentissages individuels (Bisault, 2005), et sont régulièrement questionnés par l’enseignante sur ce qu’ils font et sur ce qu’ils observent. L’enseignante recentre le débat dès que cela est nécessaire. Chaque séance donne lieu à une trace écrite réalisée en groupe classe conjointement entre les élèves et l’enseignante.

18Lors des premières séances, les élèves ont, par groupe, à leur disposition deux bacs remplis d’eau et divers objets que l’on trouve dans la classe ou à la cantine. Pour chaque expérience, le matériel est préparé par l’enseignante et le chercheur. Les élèves sont mis en activité après un temps collectif où l’enseignante présente le matériel et rappelle les règles de sécurité. Lors de la phase de manipulations, nous pensons que la majorité des élèves seront actifs et que le comportement de certains objets dans l’eau va troubler les élèves et que cela donnera lieu à des échanges entre eux et/ou à plusieurs tests par l’élève avec le même objet. Une fois que les élèves auront tous manipulé, un retour sur ce que les élèves ont fait sera effectué en collectif, au coin regroupement. Nous supposons que les élèves évoqueront ce qu’ils ont observé pour certains objets, ce qui donnera lieu à une première trace écrite, sous forme d’affiche et dictée par les élèves à l’enseignante, essentiellement descriptive. À la suite de ce premier bilan, le recueil des suppositions des élèves sur les facteurs de flottabilité des objets est réalisé de manière individuelle à partir d’un dessin des élèves annoté par l’enseignante. Un bilan collectif est ensuite effectué en prenant en compte l’ensemble des suppositions des élèves de la classe. Nous envisageons, au vu des études préalables mentionnées précédemment, que les critères évoqués seront essentiellement des critères de taille mais pourront également être des critères de masse, de couleur et de matériau.

19Les séances 4-5-6 doivent permettre aux élèves de tester leurs suppositions sur les critères de taille, de masse et de couleur. Pour chaque séance, les objets à tester sont choisis au préalable par l’enseignante et le chercheur et ils sont différents selon le critère à tester. Nous supposons que les élèves, à partir d’échanges argumentés avec leurs camarades et avec un guidage de l’enseignante pourront conclure, après l’étape d’expérimentation, que les critères de taille, de couleur et de masse ne permettent pas d’expliquer la flottabilité des objets. Nous pensons que le guidage de l’enseignante pendant la phase d’expérimentation sera indispensable pour recentrer l’attention des élèves sur l’objectif de la séance, c’est-à-dire d’observer le comportement des objets selon leur taille, leur couleur ou leur masse. Nous pensons également que le comportement des objets dans l’eau va, dans certains cas, déstabiliser les élèves car ils ne seront pas conformes à leurs prévisions. Les expérimentations seront réalisées plusieurs fois pour certains élèves quand nous le jugerons nécessaire.

20Lors de la séance 7 (première séance présentant des différences entre les deux classes), les élèves ont à leur disposition pendant la phase d’expérimentation des objets constitués de différents matériaux : verre, polystyrène, métal et bois. Pour la classe témoin, les objets ont tous des tailles relativement proches (de 5 à 8 cm environ). Pour la classe test, les objets ont des tailles très différentes. Pour chaque matériau les élèves ont à leur disposition une dizaine d’objets de tailles variant de 1 à 10-15 cm. Cette séance se déroule en deux temps distincts. Dans un premier temps, les élèves mettent les différents objets dans l’eau et doivent observer le comportement des objets en fonction de leur matériau. L’enseignante questionne ensuite chaque groupe afin de savoir si les objets ont flotté ou coulé selon leur matériau. Nous pensons que pour la classe test, le comportement des objets immergés sera parfois plus déstabilisant pour les élèves car ils auront tendance à vouloir remobiliser le critère de taille (les objets étant de tailles très variées). Une fois que tous les groupes sont passés, un premier bilan est effectué en classe entière. L’enseignante questionne les élèves et la discussion aura pour conclusion dans la classe témoin que tous les objets en polystyrène ont flotté, que tous les objets en verre ont coulé, etc. Dans la classe test, l’enseignante oriente également la discussion sur la taille des objets, et la conclusion sera que tous les objets en polystyrène qu’ils soient petits ou grands flottent, etc. Ce premier bilan ne donnera pas lieu à une trace écrite. Nous supposons que cette étape de bilan ne posera pas de problème particulier et que la majorité des élèves sera active. Nous envisageons aussi le fait que l’absence d’influence de la taille sur la flottabilité sera mentionnée spontanément par quelques élèves dans la classe test.

21Dans un second temps, dans les deux classes, les élèves manipulent de nouveau les mêmes objets que précédemment, mais avant de les mettre dans l’eau, un élève à tour de rôle est questionné sur le comportement de l’objet qu’il envisage. Après immersion, si le résultat n’est pas conforme à la prévision de l’élève, l’enseignant questionne l’élève sur ce qu’il s’est passé. Les trois autres élèves du groupe sont invités à donner leur point de vue également. Pour la classe 1 – la classe témoin – nous supposons que, dans un premier temps, les élèves remobiliseront essentiellement des critères de matériau pour prédire le comportement des objets immergés puisque cela aura été vu précédemment mais aussi, en proportion moindre, des critères de masse, de couleur ou de taille et que, comme pour les séances précédentes, un guidage de l’enseignante sera nécessaire pour recentrer les observations sur le matériau des objets. Suite aux interventions de l’enseignante, nous envisageons le fait que, dans un même groupe, certains élèves prendront plus rapidement en compte le critère matériau et que les échanges permettront, après un certain temps, de ne mobiliser que ce critère. Pour la classe test, nous supposons que, comme les objets sont de tailles variées, le critère de taille sera plus souvent mobilisé par les élèves que dans la classe témoin et qu’ils seront plus déstabilisés lorsque le comportement des objets immergés ne sera pas conforme à leur prévision. Le rôle de l’enseignante sera ici similaire à celui de l’autre classe, elle rappellera avec l’aide des élèves les conclusions de la séance 4 sur le critère « taille » mais aussi les premières conclusions formulées lors du bilan de la première partie de cette séance (l’influence du matériau de l’objet indépendamment de sa taille). Nous pensons que, dans les différents groupes, les échanges entre les élèves seront beaucoup centrés sur la taille des objets et que contrairement au fait qu’ils soient « petits » ou « gros » tous ceux constitués du même matériau ont le même comportement dans l’eau.

22Lors de la séance 8 (2de séance présentant des différences entre les deux classes), les deux classes font un bilan de ce qui a été fait lors de la séquence et s’intéressent ensuite particulièrement aux résultats de la séance 7. Pour la classe témoin, suite à une discussion en collectif entre la classe et l’enseignante, la séquence doit se conclure sur le fait que les objets flottent ou coulent selon le matériau de l’objet et les matériaux testés sont classés selon leur flottabilité. « Les objets en polystyrène flottent, les objets en métal coulent, etc. ». Pour la classe test, le bilan est le même mais nous supposons que la taille des objets sera amenée spontanément par certains élèves avant d’être discutée par les élèves et l’enseignante. La séquence doit se conclure sur le fait que : « Les objets en polystyrène, qu’ils soient petits ou grands flottent, les objets en métal, qu’ils soient petits ou grands coulent, etc. ». Nous rappelons ici que nous avons choisi, suite aux résultats des entretiens réalisés lors de l’analyse préalable, de mettre l’accent sur l’indépendance du facteur « taille » uniquement et de ne pas remobiliser dans cette séance d’autres facteurs comme la masse afin que cela ne soit pas trop complexe pour des élèves de moyenne section de maternelle. Nous supposons que ces autres facteurs ne seront pas ou peu évoqués par les élèves lors de cette séance. Dans les deux classes une évaluation est faite en fin de séquence, les élèves manipulent chacun leur tour les mêmes objets que dans la séance 8 et des nouveaux objets, toujours en verre, bois, polystyrène et métal et doivent indiquer s’ils pensent que l’objet va couler ou flotter en justifiant leurs choix. Ils peuvent ensuite immerger l’objet. Cette séance d’évaluation est intégralement filmée et comme cette séance a lieu juste après la séance 8, nous supposons que c’est le facteur « matériau de l’objet » qui sera majoritairement présent dans les justifications des élèves en proportion plus grande dans la classe test et que certains élèves, au vu des analyses préalables, mobiliseront également les facteurs « taille » et « poids ».

4. Résultats

4.1. Résultats au pré-test

23Les résultats étant très similaires dans les deux classes, nous avons choisi de les présenter ensemble (tableau 3). Pour la tâche 1, l’étape 1 (boules de même matériau et de tailles différentes) ne présente pas de difficulté pour les élèves. Ils indiquent majoritairement, avant et après manipulation, que la boule la plus petite est plus légère et que la boule la plus grosse est plus lourde et ils le justifient par des critères de taille uniquement : « elle est plus lourde parce qu’elle est plus grosse ». En ce qui concerne l’étape 2 (boules de taille identique et de matériaux différents), avant manipulation des boules, ils indiquent pour la plupart d’entre eux que les deux boules ont la même masse (« elles sont lourdes pareilles car elles sont grandes pareilles »), ce que nous interprétons par une tendance à associer la masse au volume. Les quelques élèves des deux classes qui n’associent pas la masse au volume ont des difficultés à désigner la boule la plus lourde, ils ne donnent pas de réponse franche, reviennent sur leur choix et ne parviennent pas à justifier leurs propos. Après manipulation des boules, la majorité des élèves restent sur leur première position, après parfois un moment d’hésitation. Ceux qui ont modifié leur position indiquent que la boule de verre est plus lourde mais ne donnent pas de justification. Lors de l’étape 3, qui demande également une dissociation masse/volume avec cette fois-ci des boules de tailles et de matériaux différents, les élèves répondent majoritairement, avant manipulation qu’« elle est plus grosse donc elle est plus lourde ». Les élèves semblent donc associer la masse au volume des boules. Les autres élèves ne parviennent pas à indiquer si une boule est plus lourde que l’autre et ne donnent pas de justification. Le discours des élèves évolue peu après manipulation des boules. Les élèves qui associaient la masse au volume des boules sans prendre en compte le matériau des boules ne voient pas leur position évoluer.

24Lors de la tâche 2, autour de la flottabilité des objets, les élèves pensent majoritairement, avant manipulation, que les petites billes vont couler et que les grosses vont flotter. Le discours des élèves n’évolue pratiquement pas après manipulation des boules. Les résultats au pré-test sont résumés dans le tableau 3 qui présente également l’analyse statistique des résultats (test du Khi2). Les résultats obtenus montrent une équivalence entre les deux classes pour chaque tâche ; nous pouvons donc affirmer que les deux classes sont équivalentes avant enseignement pour les tâches proposées.

Tableau 3A : résultats des élèves des deux classes au pré-test pour la tâche 1

Classe témoin (19 élèves) Classe test (18 élèves)
Réponse correcte Réponse fausse NSPP Réponse correcte Réponse fausse NSPP
Étape 1 : Boules de matériau identique et de tailles différentes Avant manip. 18 0 1 17 0 1
Après manip. 18 0 1 17 0 1
Étape 2 : Boules de tailles identiques et de matériaux différents Avant manip. 0 17 2 0 15 3
Après manip. 0 16 3 0 14 4
Étape 3 : Boules de tailles et de matériaux différents Avant manip. 0 17 2 0 16 2
Après manip. 0 17 2 0 16 2

Une réponse fausse aux étapes 2 et 3 peut être interprétée comme une association masse/volume. NSPP : élèves qui ne se prononcent pas ou qui ne donnent pas de justification.

Tableau 3B : résultats des élèves des deux classes au pré-test pour la tâche 2

Tâche 2
Classe témoin (19 élèves) Classe test (18 élèves)
Taille Mat. PC NSPP Taille Mat. PC NSPP
Avant Manipulation 17 0 0 2 14 0 2 2
Après Manipulation 17 0 1 1 15 0 2 1

Taille : élèves qui mobilisent un critère de taille pour prédire la flottabilité
Mat. : élèves qui mobilisent le matériau pour prédire la flottabilité
PC : élèves qui mobilisent plusieurs critères (taille, masse, couleur, matériau) pour prédire la flottabilité
NSPP : élèves qui ne se prononcent pas ou ne donnent pas de justification.

Tableau 3C : résultats des élèves des deux classes au pré-test (test du Khi2)

Tâche 1 Tâche 2
Étape 1 Étape 2 Étape 3
Khi2 0,0015 0,0052 2,0062 0,43162
Khi2 théorique 3,84 (1 degré de liberté) 5,99 (2 degrés de liberté) 5,99 (2 degrés de liberté) 7,82 (3 degrés de liberté)

Khi2 < Khi2 théorique, les deux classes sont équivalentes (seuil de 5 %).

4.2. Présentation et analyse du déroulement des séquences dans les deux classes

4.2.1. Présentation et analyse rapides des séances 1 à 6

25Comme nous l’avons indiqué précédemment, les premières séances sont conçues de façon identique. Les élèves ont tous été actifs et ont fait preuve d’un réel engagement dès la première séance. La phase de familiarisation a donné lieu à beaucoup d’échanges entre les élèves « tu as vu, quand je mets la bille dans l’eau, elle tombe au fond de l’eau », « oh la cuillère en bois elle reste au-dessus ». Certains élèves ont tenté de faire couler certains objets, à plusieurs reprises, en les maintenant au fond de l’eau, et ont semblé surpris de les voir remonter à la surface « ben pourquoi ça remonte ». Bien que cela ne soit pas mentionné explicitement par les élèves et conformément à ce que nous avions envisagé lors de l’analyse a priori, il semble donc que le comportement de certains objets immergés ne soit pas en accord avec ce que l’élève avait envisagé. Lors de la phase de bilan collectif réalisée dans les deux classes, les élèves ont essentiellement décrit ce qu’ils avaient observé : « Le ciseau était au fond de la bassine », « quand je mettais la boule blanche dans l’eau elle remontait au-dessus », etc.

26Ces échanges ont donné lieu à une affiche, écrite par l’enseignante et reprenant les propos des élèves. Les verbes couler et flotter ont progressivement été introduits par certains élèves et repris par l’enseignante. Les élèves ont ensuite été invités à dessiner de manière individuelle ce qu’ils avaient observé lors de la phase de familiarisation. L’enseignante a dessiné au préalable un modèle de bassine au tableau. Dans les deux classes, la majorité des élèves est entrée dans la tâche sans difficulté particulière. Deux élèves de la classe témoin et trois élèves de la classe test ont eu des difficultés à commencer leur dessin. Une intervention ponctuelle de l’enseignante auprès de ces élèves a permis de rapidement les mettre en activité. Une fois les dessins terminés, l’enseignante a vu de manière individuelle chaque élève et l’a interrogé sur son dessin. « Qu’as-tu dessiné », « Que fait cet objet », « Pourquoi flotte-t-il ? ». L’enseignante a annoté chaque dessin et n’a pas insisté si un élève répondait qu’il ne savait pas. Un exemple de dessin est présenté figure 1.

27L’analyse des dessins annotés a montré que les élèves mobilisaient essentiellement des critères de taille (16/19 pour la classe témoin et 16/18 pour la classe test) : « la bille a coulé car elle est grosse », « la perle a flotté car elle est toute petite ». Dans chacune des classes, une élève a mobilisé des critères de taille, mais aussi des critères de couleur pour certains objets « la craie coule parce qu’elle est jaune ». Le matériau est évoqué par plusieurs élèves (4/19 pour la classe témoin et 5/18 pour la classe test) mais sans que cela ne soit réellement un facteur de flottabilité mais une manière de décrire l’objet : « la cuillère en bois flotte car elle est grande », « La petite bille en verre a coulé », « la boule de polystyrène a flotté, elle est petite ». Les autres élèves ont décrit leur dessin mais n’ont pas donné d’explication sur les raisons de la flottabilité des objets « ça coule, mais je sais pas pourquoi ».

28Contrairement à ce que nous avions envisagé, aucun des élèves des deux classes n’a mentionné la masse des objets. Un bilan des dessins a été réalisé en classe entière. L’enseignante en a profité pour construire avec les élèves des pictogrammes « flotter » et « couler ». Une discussion entre les élèves et l’enseignante a permis de dégager trois facteurs possibles pour expliquer la flottabilité des objets : la taille, la couleur et après un guidage de l’enseignante, le matériau. Une affiche a été rédigée par les élèves et l’enseignante.

Fig. 1 : dessin d’un élève de la classe test annoté par l’enseignante

Fig. 1 : dessin d’un élève de la classe test annoté par l’enseignante

29La séance 4 a commencé par un rappel des séances précédentes en collectif. Les élèves et l’enseignante ont décidé de travailler sur le facteur « taille de l’objet ». Les élèves ont manipulé par groupes de quatre pendant que les autres ont travaillé en autonomie sur un autre domaine. Les groupes se sont succédé et ont été régulièrement questionnés par l’enseignante :« Que va-t-il se passer à ton avis si tu mets cet objet dans l’eau ? Pourquoi ? ». Dans chacune des deux classes un élève a proposé spontanément de mettre d’abord tous les gros objets dans l’eau, d’observer le comportement des objets, puis de mettre tous les petits objets dans l’eau. Cette démarche a été présentée par l’élève ayant eu cette idée et l’enseignante à toute la classe et reprise par tous les groupes avec un guidage de l’enseignante quand cela était nécessaire. Une démarche similaire a été suivie pour les séances suivantes et le déroulement a été très proche de celui envisagé dans l’analyse a priori. Les élèves ont constaté que, contrairement à leur prévision, des objets petits et grands coulent et que des objets petits et grands flottent. Un bilan a été réalisé en classe entière, la séance s’est conclue sur le fait que la taille de l’objet ne permettait pas d’expliquer la flottabilité et qu’il fallait trouver une autre explication. La séance sur le facteur « couleur de l’objet » s’est déroulée de manière similaire.

30À la fin de la séance sur le facteur « taille », une élève de la classe test a indiqué qu’elle pensait avoir compris le facteur qui permettait d’expliquer la flottabilité des objets et elle a mentionné le poids des objets « en fait je pense que c’est le poids, les objets lourds coulent et les objets légers flottent ». Ce facteur est évoqué dans la classe témoin lors de la séance « couleur » par deux élèves. Le facteur « poids » a été ajouté sur l’affiche regroupant les suppositions des élèves et a été testé dans les deux classes après la séance « couleur ». Lors de la séance sur la masse des objets, l’enseignante a choisi d’utiliser le vocabulaire utilisé par les élèves, c’est-à-dire « poids » et non « masse ». Nous avions choisi pour cette séance des objets très légers (quelques grammes) et des objets beaucoup plus lourds (plus de 500 grammes). Pendant la phase de manipulation, les élèves devaient prendre un objet, indiquer s’il était lourd ou léger et ce qu’il allait se passer selon lui lorsqu’il le mettrait dans l’eau, puis l’immerger et discuter ce qu’il observait. Cette séance a beaucoup déstabilisé certains élèves des deux classes (4/19 pour la classe témoin et 4/18 pour la classe test). Ces 8 élèves ont été surpris d’observer des objets lourds (comme un gros cube en bois) flotter et des objets légers (comme une petite bille en verre) couler. La séance s’est terminée de la même manière que les séances précédentes, avec un écrit collectif, mentionnant que « des objets lourds et des objets légers flottent » et que « des objets lourds et des objets légers coulent » et qu’il fallait donc tester un nouveau facteur pour expliquer la flottabilité des objets.

4.2.2. Présentation et analyse détaillées de la séance 7

31La séance 7, sur l’influence du matériau est la première séance qui diffère entre les deux classes. Nos analyses seront étayées par des extraits de verbatim que nous avons jugés significatifs. Dans ces extraits, nous avons indiqué PE pour les interventions des enseignantes (PE1 pour la classe témoin et PE2 pour la classe test), et E pour l’élève. Si plusieurs élèves interviennent nous les différencions à l’aide d’un numéro E1, E2, etc. Nous écrirons Es si plusieurs élèves parlent simultanément. Dans les deux classes, la première partie de la séance s’est déroulée de manière identique. La séance a commencé par un rappel des séances précédentes. L’enseignante a questionné les élèves sur ce qui a été fait puis a lancé l’activité du jour. Elle a ensuite fait un rappel avec les élèves des différents matériaux qu’ils connaissaient et a montré les matériaux des objets à tester : le bois, le verre, le métal et le polystyrène. L’enseignante a fait reformuler les élèves afin de s’assurer que tous avaient compris la consigne. Les élèves ont manipulé groupe après groupe ; pendant le temps de manipulation d’un groupe, les autres élèves ont travaillé en autonomie sur des ateliers de réinvestissement dans différents domaines sans rapport avec la séquence. Pour la classe témoin, les élèves ont eu à leur disposition des objets sensiblement de la même taille, alors que pour la classe test, les objets étaient de tailles très différentes pour chaque matériau (environ cinq objets par matériau). Dans les deux classes, pour chaque groupe, l’enseignante a montré certains objets et a demandé aux élèves de quel matériau il était constitué. Une fois que l’enseignante était sûre que les quatre matériaux étaient connus de l’ensemble des élèves du groupe, elle a lancé la tâche. Dans la majorité des groupes, un élève a proposé de tester un matériau à la fois : « moi je vais mettre que les boules en polystyrène ». Le comportement des élèves était différent dans les deux classes. Il y a eu peu d’échanges spontanés entre les élèves de la classe témoin. Ils ont mis un à un les objets dans l’eau, sans discuter du comportement de celui-ci. Les échanges spontanés ont été plus nombreux pour les élèves de la classe test qui ont constaté que, pour un même matériau, les objets gros et petits avaient le même comportement dans l’eau. Ce constat a surpris 10 élèves sur les 18 de la classe qui ont manifesté leur étonnement pendant les manipulations de manière spontanée.

E1 (à E2) : Tu as vu la petite boule de polystyrène flotte et la grosse aussi
E2 : Ah oui, le bois aussi

32La réaction des élèves, conforme à l’analyse a priori montre l’intérêt de proposer des objets de tailles variées dans cette situation.

33Un bilan est ensuite effectué en classe entière. Ce bilan ne donne pas lieu à une trace écrite. Le déroulement de cette étape est similaire à celui envisagé dans l’analyse a priori. Nous présentons dans l’encadré 2 des extraits de verbatim pour chacune des classes.

Encadré 2

Dans la classe témoin
PE1 : Est-ce que l’un d’entre vous peut me raconter ce qu’il a fait et ce qu’il a observé
E1 : On a mis des objets dans l’eau et il y en avait qui flottaient et des qui coulaient
PE1 : Oui, et est-ce que quelqu’un peut compléter ce que E1 a dit ?
E2 : Il y avait des objets en bois des objets en verre.
E3 : et des en polystyrène […]
PE1 : Oui, tous les objets en bois ils ont flotté
E6 : et ceux en verre ils étaient dans le fond de l’eau […]
E7 : et les objets en polystyrène ils flottent
PE1 : Oui, très bien E7, donc qu’est-ce qui fait qu’un objet flotte ou coule ? Ça dépend de … […]
E5 : de la matière
PE1 : Oui un objet flotte ou coule en fonction de son matériau, tout le monde est d’accord
Es : Oui ou hochement de tête
L’enseignante refait avec les élèves le bilan des matériaux qui flottent et qui coulent parmi les 4 matériaux testés.
Dans la classe test
PE2 : Qu’est-ce que vous venez de faire, est-ce que vous pouvez me raconter ?
E1 : On a mis des objets dans la bassine et ils y en avaient des qui coulaient […]
PE2 : Et est ce qu’ils étaient tous pareil ces objets en verre, oui… ?
E3 : Il y en avait de gros et des petits
PE2 : Il y en avait des gros et des petits, qu’est-ce qu’ils ont fait dans l’eau ces objets en verre gros et petits ?
E3 : Ils ont coulé […]
PE2 : Donc qu’est-ce qui fait qu’un objet flotte ou coule ?
E4 : S’il est en polystyrène ou s’il est en métal
PE2 : donc on dit que ça dépend de son
E3 : matériau
PE2 : Oui très bien, c’est le matériau de l’objet qui fait que l’objet flotte ou coule, quelle que soit sa taille

34Ces extraits de verbatim (soulignés) montrent que dans les deux classes, les élèves ne semblent pas avoir de difficultés à mobiliser le critère « matériau » pour justifier de la flottabilité des objets immergés. Les élèves de la classe test, lors des échanges lors de la phase d’expérimentation, évoquent les différentes tailles (gros et petits) d’objets constitués d’un même matériau et l’enseignante en profite pour préciser l’indépendance du facteur « taille » pour expliquer le phénomène étudié.

35Lors de la deuxième partie de cette séance, les élèves manipulent de nouveau les mêmes objets et prédisent le comportement des objets avant immersion, puis discutent du comportement de l’objet dans l’eau (encadré 3)

Encadré 3

Dans la classe témoin
PE1 (à E1) : Cet objet, si tu le mets dans l’eau, qu’est-ce qu’il va faire ?
E2 : Il va flotter […]
PE1 : Pourquoi tu penses qu’il va flotter ?
E1 : Il est en bois
PE1 : Il est en bois, vous êtes tous d’accord
Es : Oui
La même démarche est ensuite suivie pour chaque matériau.
Dans la classe test
PE2 (à E1) : Tu as pris cet objet, si tu le mets dans l’eau, il va faire quoi tu penses ?
E1 : Flotter
PE1 : Pourquoi ?
E1 : Elle est grosse
PE1 : Elle va flotter car elle est grosse, tout le monde est d’accord
E2 : Non, elle va couler parce qu’elle est en verre
PE1 : E2 dit qu’elle va couler parce qu’elle est en verre, vous en pensez quoi […]
E1 met la boule dans l’eau et elle coule.
PE1 : Elle a coulé, pourquoi elle a coulé ?
E2 : Elle est en verre […]

36Le fait que les objets soient de tailles variées pour la classe test fait resurgir les conceptions initiales des élèves sur le facteur « taille » expliquant la flottabilité des objets. La confrontation des prévisions des élèves avec l’expérience et les différents échanges dans le groupe leurs permettent cependant de mobiliser le facteur « matériau ».

4.2.3. Présentation et analyse rapides de la séance 8 et de la séance d’évaluation (séance 9)

37Pour la classe témoin, la séance 8 s’est conclue, comme nous l’avions envisagé, par une trace écrite, dictée par les élèves à l’enseignante, indiquant que les objets flottent ou coulent selon le matériau de l’objet et les matériaux testés ont été classés selon leur flottabilité « les objets en bois flottent, les objets en verre coulent, etc. ». Pour la classe test, la séance 8 s’est conclue aussi comme nous l’avions envisagé, les élèves se sont accordés en collectif sur le fait qu’un objet flotte ou coule en fonction de son matériau quelle que soit sa taille : « Les objets en polystyrène, qu’ils soient petits ou grands flottent, les objets en verre, qu’ils soient petits ou grands coulent, etc. ».

38Lors de la séance d’évaluation, les élèves ont eu à leur disposition des objets déjà utilisés dans les deux classes lors de la séance 7 et des nouveaux objets de tailles variées, toujours en verre, bois, polystyrène et métal. La figure 2 reprend l’ensemble des résultats à l’évaluation obtenus dans les deux classes et permet de les comparer.

Fig. 2 : comparaison des résultats des deux classes à l’évaluation de fin de séquence

Fig. 2 : comparaison des résultats des deux classes à l’évaluation de fin de séquence

39Nous avons constaté, dès cette séance, des résultats différents chez les élèves des deux classes. Pour la classe 1 témoin, 10 élèves sur 19 ont mobilisé essentiellement le critère « matériau de l’objet » pour expliquer la flottabilité (ou non) des objets, 5/19 reviennent essentiellement sur le critère « taille », 3 élèves mobilisent l’un ou l’autre de ces deux critères selon les objets, un élève ne se prononce pas. Pour la classe test, les élèves sont plus nombreux (14/18) à mobiliser le critère matériau, un élève mobilise le critère taille, 2/19 mobilisent l’un au l’autre de ces deux critères selon les objets et un élève ne se prononce pas. Ces résultats, bien qu’ils ne concernent qu’un nombre d’élèves restreint, permettent tout de même de donner une certaine tendance. Les élèves de la classe témoin, qui avaient travaillé avec des objets de tailles similaires lors de la séance prenant en compte le matériau de l’objet, sont plus nombreux à remobiliser le facteur « taille de l’objet » pour expliquer la flottabilité des objets. Ces résultats semblent conforter l’intérêt de travailler avec des objets de tailles variées.

4.3. Résultats obtenus au post-test et comparaison avec les résultats du pré-test

40Les post-tests sont identiques au pré-test et sont réalisés trois mois après la fin de la séquence. L’ensemble des résultats au post-test sont résumés dans le tableau 4. Ils ont évolué depuis le pré-test et sont, pour certaines étapes, très différents d’une classe à l’autre. Pour la tâche 1, l’étape 1 ne présente pas de difficulté aux élèves. En ce qui concerne l’étape 2, qui demande une dissociation masse/volume, les résultats diffèrent entre les deux classes et ont évolué par rapport au pré-test. Avant manipulation des boules, pour la classe témoin, la majorité des élèves indique de nouveau que les deux boules ont la même masse et le justifie toujours par des critères de taille. Ils sont un tiers à penser que la boule en verre est plus lourde mais seuls trois élèves justifient leur choix en évoquant le matériau de l’objet. Pour la classe test, ils sont par contre peu nombreux à penser que les deux boules ont la même masse. La majorité pense que la masse des boules est différente et le justifie en évoquant le matériau de l’objet. Après manipulation des boules, une majorité des élèves reste sur sa première position. Dans les deux classes quelques élèves qui pensaient que les deux boules avaient la même masse indiquent à présent que la boule en verre est plus lourde et le justifient par le matériau de l’objet. La figure 3 donne les résultats obtenus dans les deux classes au pré et post-tests pour cette étape, après manipulation des boules par les élèves. Les élèves classés dans la catégorie « association masse/volume » sont ceux qui pensent que les deux boules ont la même masse et qui le justifient par un volume équivalent des boules. Les élèves classés dans la catégorie « dissociation masse/volume » sont ceux qui pensent que la masse des deux boules est différente et qui le justifient par un critère « matériau de l’objet ». Les élèves qui ne justifient pas leur classement ou qui ne se prononcent pas sont classés dans la dernière catégorie.

Fig. 3 : comparaison des résultats aux pré et post-tests de la tâche 1 étape 2, après manipulation des boules, obtenus dans les deux classes

Fig. 3 : comparaison des résultats aux pré et post-tests de la tâche 1 étape 2, après manipulation des boules, obtenus dans les deux classes

41L’étape 3 qui, pour rappel, demande également une dissociation masse/volume avec des boules de tailles et de matériaux différents, pose toujours quelques difficultés à certains élèves. La majorité des élèves de la classe témoin associe toujours, avant manipulation, la masse au volume des boules. Ils ne sont qu’un tiers de la classe test à le faire et plus de la moitié pense que la masse va dépendre du matériau. Après manipulation des boules, quelques élèves des deux classes qui associaient la masse au volume indiquent à présent que la masse n’est pas la même car le matériau n’est pas le même « c’est pas pareil, car il y en a une en verre et une en polystyrène ». La figure 4 donne les résultats obtenus dans les deux classes au pré et post-tests pour cette étape, après manipulation des boules par les élèves. Les catégories sont les mêmes que pour la figure précédente.

Fig. 4 : comparaison des résultats aux pré et post-tests de la tâche 1 étape 3, après manipulation des boules, obtenus dans les 2 classes

Fig. 4 : comparaison des résultats aux pré et post-tests de la tâche 1 étape 3, après manipulation des boules, obtenus dans les 2 classes

42En ce qui concerne la tâche 2, autour de la flottabilité des objets, plus de la moitié des élèves de la classe témoin pensent, avant manipulation, que les petites billes vont couler et que les grosses vont flotter. Ils sont environ un tiers à évoquer le critère matériau pour la majorité des boules. Pour la classe test, ils sont plus nombreux à mobiliser le matériau de l’objet et moins nombreux à mobiliser la taille de l’objet. Le discours des élèves n’évolue pas après manipulation des boules. La figure 5 donne les résultats obtenus dans les deux classes au pré et post-tests pour cette étape, après manipulation des boules par les élèves. Comme pour le pré-test, nous avons réalisé des tests statistiques (test du Khi2), et les résultats obtenus montrent une différence significative au post-test entre les deux classes pour les tâches portant sur la dissociation masse/volume (tableau 4). En revanche, les analyses statistiques sur la tâche autour de la flottabilité ne permettent pas de mettre en évidence une différence significative en ce qui concerne les critères de flottabilité des objets.

Fig. 5 : comparaison des résultats aux pré et post-tests de la tâche 2, après manipulation des boules, obtenus dans les 2 classes

Fig. 5 : comparaison des résultats aux pré et post-tests de la tâche 2, après manipulation des boules, obtenus dans les 2 classes

Tableau 4A : résultats des élèves des deux classes au post-test pour la tâche 1

Tâche 1
Classe témoin (19 élèves) Classe test (18 élèves)
Réponse correcte Réponse fausse NSPP Réponse correcte Réponse fausse NSPP
Étape 1 : boules de matériau identique et de tailles différentes Avant manip. 18 0 1 18 0 0
Après manip. 18 0 1 18 0 0
Étape 2 : boules de tailles identiques et de matériaux différents Avant manip. 3 12 4 12 4 2
Après manip. 6 9 4 15 1 2
Étape 3 : boules de tailles et de matériaux différents Avant manip. 2 16 1 11 6 1
Après manip. 5 13 1 15 2 1

Une réponse fausse aux étapes 2 et 3 correspond à une association masse/volume. NSPP : élèves qui ne se prononcent pas ou qui ne donnent pas de justification.

Tableau 4B : résultats des élèves des deux classes au post-test pour la tâche 2

Tâche 2
Classe témoin (19 élèves) Classe test (18 élèves)
Taille Mat. PC NSPP Taille Mat. PC NSPP
Avant manipulation 11 6 1 1 5 11 1 1
Après manipulation 11 6 1 1 5 11 1 1

Taille : élèves qui mobilisent un critère de taille pour prédire la flottabilité
Mat. : élèves qui mobilisent le matériau pour prédire la flottabilité
PC : élèves qui mobilisent plusieurs critères (taille, masse, couleur, matériau) pour prédire la flottabilité
NSPP : élèves qui ne se prononcent pas ou ne donnent pas de justification.

Tableau 4C : analyse statistique des résultats au post-test (test du Khi2)

Tâche 1 Tâche 2
Étape 1 Étape 2 Étape 3
Khi2 0,97 10,90 13,05 3,67
Khi2 théorique 3,84
(1 degré de liberté)
5,99
(2 degrés de liberté)
5,99
(2 degrés de liberté)
7,82
(3 degrés de liberté)

Tâche 1 : étapes 2 et 3 : Khi2 > Khi2 théorique, différence significative entre les deux classes (seuil de 5 %)
Tâche 2 : Khi2 < Khi2 théorique, pas de différence significative entre les deux classes (seuil de 5 %).

5. Synthèse des résultats obtenus aux pré et post-tests et durant les séquences d’enseignement

43Les résultats au pré-test et au post-test mettent en évidence le fait que :

  • les deux classes avaient un niveau équivalent avant enseignement ;
  • les représentations initiales des élèves sur les facteurs de flottabilité sont persistantes ;
  • les élèves présentent des difficultés à dissocier la masse du volume des objets lorsque ceux-ci sont constitués de matériaux différents ;
  • travailler avec des objets de tailles différentes pour chaque matériau testé semble permettre aux élèves de mieux dissocier la masse du volume.

44L’analyse du déroulement des séquences semble montrer que :

  • les échanges pendant les phases d’expérimentation et au coin regroupement sont des moments indispensables pour permettre aux élèves de se recentrer sur l’objectif principal des différentes séances et de progressivement dépasser leurs suppositions de départ ;
  • ces échanges, pour être productifs, nécessitent un guidage et une médiation éclairés de l’enseignante ;
  • l’utilisation d’objets de tailles variés pour tester l’influence du facteur « matériau de l’objet » fait resurgir les représentations initiales des élèves sur l’influence de la taille et semble ainsi permettre plus facilement de les dépasser et donc de prendre en compte le matériau de l’objet pour justifier de la flottabilité des objets.

Conclusion

45Dans cette étude, nous avons rappelé la complexité de conceptualiser les grandeurs masse et volume chez les élèves de maternelle et de dissocier la masse du volume. Nous avons émis, suite à une analyse préalable, l’hypothèse que si les élèves manipulent des objets de même matériau mais de tailles différentes et qu’ils observent que tous les objets de même matériau ont le même comportement dans l’eau quelle que soit leur taille, cela leur permettra de mieux comprendre que seul le facteur matériau intervient dans la flottabilité d’un objet. Nous avions également supposé que les expériences menées permettraient aux élèves de dissocier plus facilement les grandeurs masse et volume lorsque les objets sont constitués de matériaux différents. Pour éprouver nos hypothèses nous avons mis en place deux ingénieries comparatives. Les résultats obtenus montrent que la construction d’un modèle précurseur, proposant des activités portant sur la flottabilité, en prenant en compte certains paramètres (la taille des objets pour les matériaux testés) permettait aux élèves de mieux dissocier la masse du volume pour des objets constitués de matériaux différents et, même si l’analyse statistique ne permet pas de l’affirmer, que les élèves parviendraient plus facilement à prendre en compte le critère « matériau » pour expliquer la flottabilité des objets.

46Les résultats demandent cependant à être approfondis avec d’autres analyses comparatives. Cette étude porte sur un faible échantillon d’élèves et elle a été réalisée dans deux classes, tenues par deux enseignantes différentes, ce qui peut induire une limite puisque des facteurs liés aux personnes elles-mêmes peuvent avoir une influence sur le déroulé des séances.

47Malgré ces limites, inhérentes aux choix et dispositifs mis en place dans ce travail, les résultats obtenus renforcent la possibilité que la recherche puisse aider à la conception de ressources pédagogiques et donc, de manière plus générale, à améliorer l’enseignement des sciences à l’école maternelle. Ce travail autour d’un modèle précurseur pourrait apporter des éléments sur la manière d’incorporer certains éléments de la recherche aux curriculums ou aux programmes scolaires. L’utilisation d’un modèle précurseur nécessite cependant une interaction importante entre le chercheur et la communauté éducative afin de sensibiliser les enseignants aux difficultés des élèves évoquées précédemment, mais aussi de leur faire prendre conscience des enjeux d’un tel modèle. Nous souhaitons en effet donner aux enseignants un rôle actif et qu’ils s’approprient les stratégies mises en place.

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Notes

1 https://eduscol.education.fr/ (consulté le 31 mai 2020).

2 https://www.fondation-lamap.org/ (consulté le 31 mai 2020).

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Table des illustrations

Titre Fig. 1 : dessin d’un élève de la classe test annoté par l’enseignante
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/3288/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 166k
Titre Fig. 2 : comparaison des résultats des deux classes à l’évaluation de fin de séquence
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/3288/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 85k
Titre Fig. 3 : comparaison des résultats aux pré et post-tests de la tâche 1 étape 2, après manipulation des boules, obtenus dans les deux classes
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/3288/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 138k
Titre Fig. 4 : comparaison des résultats aux pré et post-tests de la tâche 1 étape 3, après manipulation des boules, obtenus dans les 2 classes
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/3288/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 148k
Titre Fig. 5 : comparaison des résultats aux pré et post-tests de la tâche 2, après manipulation des boules, obtenus dans les 2 classes
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/3288/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 106k
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Pour citer cet article

Référence papier

Anne-Amandine Decroix et Sandra Javoy, « Compréhension du rôle du matériau dans la flottabilité des objets et dissociation de la masse et du volume en maternelle »RDST, 22 | 2020, 31-59.

Référence électronique

Anne-Amandine Decroix et Sandra Javoy, « Compréhension du rôle du matériau dans la flottabilité des objets et dissociation de la masse et du volume en maternelle »RDST [En ligne], 22 | 2020, mis en ligne le 24 juin 2021, consulté le 08 décembre 2021. URL : http://journals.openedition.org/rdst/3288 ; DOI : https://doi.org/10.4000/rdst.3288

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Auteurs

Anne-Amandine Decroix

INSPÉ Lille, Hauts de France, LDAR (EA 4434), Universités de Paris, Artois, CY Cergy Paris, Paris Est Créteil, Rouen

Sandra Javoy

Université d’Orléans, LDAR (EA 4434), Universités de Paris, Artois, CY Cergy Paris, Paris Est Créteil, Rouen

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Droits d’auteur

© Éditions de l’École normale supérieure de Lyon

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