L’utilisation de schémas dans une étude de la reproduction humaine

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Types de données recueillies

Afin de mener ce travail de recherche, nous nous intéresserons aux écrits individuels produits par les élèves tout au long des deux séquences, la séquence d’origine (18 élèves) et celle ayant été modifiée (29 élèves), ainsi qu’aux écrits produits lors de l’évaluation.
Les écrits individuels sont de deux types : des productions écrites et des schémas, ces écrits étant répertoriés en annexe 8 pour les élèves ayant suivi la séquence d’origine et 9 ceux ayant suivi la séquence modifiée. Quant aux écrits produits lors de l’évaluation, ils ont été répertoriés en annexe 10 pour les élèves ayant suivi la séquence d’origine et en annexe 11 pour les autres. Enfin, tout au long de la séquence, des phases supplémentaires de production d’écrits sous forme de schémas cognitifs ou non ont été ajoutées, ceux-ci sont répertoriés des annexes 12 à 14.
À chaque fois que les productions des élèves étaient sous forme d’écrits, ils ont été recopiés tels quels en corrigeant les erreurs d’orthographe. Quand ils étaient sous forme de schémas, ceux-ci ont été décrits.
Afin de déterminer la validité de l’hypothèse posée par ce mémoire, concernant l’utilisation et la réalisation de schémas cognitifs par les élèves et leur impact sur l’apprentissage de concepts scientifiques, les données issues des écrits des élèves ayant suivi la séquence d’origine seront comparées à celles produites par les élèves ayant suivi la séquence de départ.
L’analyse des données se déroulera en 2 parties. Nous analyserons d’abord les conceptions initiales des élèves puis nous analyserons les résultats de l’évaluation sommative finale.
L’analyse des conceptions initiales des élèves se fera en 2 temps. Dans un premier temps, nous analyserons le contenu des ces représentations c’est à dire les explications proposées par les élèves aux questions : « D’où vient l’eau de pluie ? » et « Où va l’eau de pluie ? » posées lors des 2 premières séances. L’objet de cette analyse sera de déterminer si les 2 populations d’élèves peuvent être comparées. Puis dans un second temps, nous analyserons le mode de représentation utilisé par les élèves pour communiquer leurs explications dans le but déterminer si les élèves font des progrès dans la schématisation.
Dans la seconde partie de cette analyse, nous nous intéresserons aux réponses données lors de l’évaluation sommative. Le but de cette analyse sera de déterminer si la réalisation de schéma cognitif a eu un impact sur l’apprentissage des concepts en jeu.
L’analyse des résultats sera organisée en 2 parties : dans une première partie, les conceptions initiales des élèves seront analysées, et dans une seconde partie, nous nous intéresserons aux réponses fournies lors de l’évaluation.

Analyse des conceptions initiales des élèves

Dans cette partie, nous n’analyserons que les conceptions initiales des élèves c’est à dire les différentes productions répertoriées en annexes 8 et 9.

Différents niveaux dans les conceptions initiales des élèves

Les conceptions initiales des élèves vont être analysées et classées en plusieurs niveaux correspondant à différents degrés de conceptualisation afin de déterminer s’il est possible de comparer les 2 groupes d’élèves. Seules les réponses apportées par les élèves aux 2 premières questions seront analysées car seules ces 2 questions : « d’où vient l’eau de pluie ? et où va l’eau de pluie ? » n’ont pas été modifiées dans la nouvelle séquence.

D’où vient l’eau de pluie ?

Les 2 groupes d’élèves ont répondu à cette question au début de la première séance et aucune des réponses proposées n’était erronée. Globalement, l’ensemble des élèves sait que la pluie vient des nuages, cependant certaines réponses sont plus précises. En effet, une partie des élèves a répondu que la pluie provient de l’évaporation de l’eau de la mer, de lacs, de rivières, cette eau se retrouvant dans les nuages et retombant ensuite sous forme de pluie. Les productions des élèves ont donc été classées en 3 niveaux suivant la précision de leur réponse :
– niveau 0 : « pas de réponse précise » => les élèves n’ont pas répondu à la question ou alors ils savaient que la pluie venait du ciel sans apporter plus de précision.
– niveau 1 : « La pluie vient des nuages » => certains élèves apportaient plus d’informations en précisant que les nuages étaient remplis d’eau ou alors de vapeur.
– niveau 2 : « La pluie vient de l’évaporation d’étendues d’eau »
Les données ont été répertoriées dans les 2 graphiques suivants. Le tableau 1 correspond à la répartition des effectifs des 2 échantillons sur les 3 niveaux tandis que dans la figure 6, ces données ont été transformées en pourcentages.

Progressions des élèves dans la réalisation de schémas

Dans cette partie, nous allons nous intéresser à la forme des productions écrites des élèves, plus particulièrement à leur production de schémas.

Différents types de productions écrites

Chacune des 2 séquences a été organisée de la même manière concernant la collecte des représentations initiales des élèves. À chaque début de séance, une question a été posée et les élèves étaient libres de choisir la forme de leur réponse.

Ces réponses ont été classées en 3 types selon leur forme : texte (T), schéma ou dessin (S/D) ou les 2 (T+ S/D). Nous allons regarder plus en détail les différentes proportions de chaque type de réponses pour l’effectif total soit 217 productions réparties sur les 5 séances (figure 8) et pour les 2 types d’échantillon.

En observant plus en détail la répartition des productions des élèves, nous pouvons nous rendre compte que la proportion d’élèves ayant répondu par l’intermédiaire d’un dessin ou d’un schéma est 3 fois plus élevée chez les élèves ayant suivi la séquence modifiée que chez les élèves ayant suivi la non modifiée.

Nous allons donc nous focaliser sur les productions écrites sous forme de dessins ou de schémas.

Différents types de schémas produits

Les productions écrites des élèves sous forme de dessins ou de schémas ont été classées selon le degré d’abstraction de la production. Nous avons ainsi déterminer 4 degrés :

– Degré 0 = Dessin : pas de schématisation, la production est sous forme d’un dessin (sans légende, sans élément identifié).

Cette production a été proposée par un élève pour répondre à la question « Pouvons-nous parler de cycle pour l’eau du robinet ? ». Nous avons classé cette représentation dans la catégorie dessin car aucun élément n’est identifié et le dessin est difficile à comprendre hors contexte.

– Degré 1 = Dessin légendé : premier niveau de schématisation, la production est au-delà du dessin, des éléments sont clairement identifiés. Cela démontre un premier niveau d’abstraction de l’élève.

Cette production a été proposé à par un élève pour illustrer le devenir de l’eau de pluie. Elle est au-delà du dessin puisque certains éléments la composant sont identifiés.

– Degré 2 = Schéma figuratif : deuxième niveau d’abstraction, la production est sous la forme d’un schéma figuratif, tous les éléments le composant étant identifiés et organisés.

Ce schéma illustre le cycle de l’eau du robinet. Ici, tous les éléments le composant sont identifiés et organisés les uns par rapport aux autres. De plus, un sens de circulation est donné au schéma illustrant ainsi le trajet de l’eau. Cette représentation tient plus du schéma figuratif que du dessin.

– Degré 3 = Schéma cognitif : la production est sous forme de schéma cognitif c’est à dire d’un schéma composé uniquement de mots organisés les uns par rapport aux autres par des flèches. Une telle réalisation demande à l’élève de faire preuve d’un très haut niveau d’abstraction.

Ce schéma a été proposé par un élève afin d’illustrer le cycle de l’eau du robinet. Dans ce schéma, il n’y a plus aucun dessin mais uniquement des mots organisés les uns par rapport aux autres afin de représenter le cycle de l’eau du robinet. Parmi toutes les représentations graphiques proposées, c’est celle qui demande le plus d’abstraction.

Si nous regardons la répartition des productions des élèves ayant suivi la séquence de départ, nous remarquons que quasiment deux tiers de celles-ci sont au degré d’abstraction 0 contre 28 % uniquement pour les productions d’élèves ayant suivi la séquence modifiée. Nous pouvons donc en déduire que les élèves ayant suivi la séquence modifiée produisent des écrits d’un niveau d’abstraction plus élevé que les élèves ayant suivi la séquence de départ. Ce qui est confirmé par le fait que seuls les élèves ayant suivi la séquence modifié ont été capables de produire des schémas cognitifs.

Conclusion

L’études des différentes productions des élèves et de leur forme nous permet de tirer une première conclusion : des élèves de cycle 3 sont capables de produire eux-mêmes des schémas cognitifs. De plus, proposer systématiquement les différentes traces écrites sous forme de schémas cognitifs et organiser plusieurs activités de productions de schémas cognitifs : schémas de cycle de l’eau réalisés à partir de mots étiquettes (séance 3 – annexe 18) et reformulation d’un document en schéma (séance 4 – annexe 19) ont permis à certains élèves de faire des progrès dans la schématisation.

Nous allons maintenant tenter d’établir dans quelle mesure l’utilisation et la réalisation de schémas cognitifs permettent aux élèves de mieux comprendre des concepts scientifiques. Pour déterminer cela, nous allons analyser les évaluations des élèves.

À l’issue des 2 séquences, une évaluation pratiquement identique a été proposée aux élèves, elle est composé de 4 questions. Nous allons maintenant analyser les productions des élèves question par question. Elles sont répertoriées en annexes 10 et 11.

Changements d’états de l’eau

L’exercice consistait à identifier 2 changements d’états : la condensation et l’évaporation. La question était identique que les élèves aient suivi la séquence modifiée ou pas. Le graphique suivant répertorie les différentes réponses des élèves :

Les résultats obtenus étant relativement similaires, ils ne nous permettent pas de déterminer si l’utilisation et la réalisation de schémas cognitifs a eu un impact sur la compréhension des changements d’états de l’eau par les élèves. Nous allons donc nous intéresser aux productions correspondant à la réponse à la question portant sur la schématisation du cycle de l’eau.

Schéma de cycle(s) de l’eau

Présentation des résultats de l’évaluation

Cette question a été modifiée dans l’évaluation donnée aux élèves ayant suivi la nouvelle séquence. Il leur a été demandé de faire le schéma (cognitif) d’un ou plusieurs cycles de l’eau en utilisant des mots étiquettes (cf évaluation annexe 6) tandis que le premier groupe d’élèves devaient compléter un schéma (non cognitif), ce schéma1 étant celui qui avait été proposé comme trace écrite dans la séquence non modifiée. Les questions étant différentes, les réponses des élèves ont été répertoriées dans 2 graphiques au lieu d’un seul.

Explication sur le cycle de l’eau

Analyse des résultats

La troisième question de l’évaluation concernait aussi le cycle de l’eau, elle a été posée de la même manière pour les 2 groupes. Il était demandé aux élèves d’expliquer le concept de cycle en quelques phrases. Pour évaluer les réponses des élèves, celles-ci ont été classées en 4 groupes :

– Non – réponse (NR) : les élèves n’ont pas du tout répondu à la question

– Non acquis (NA) : les explications des élèves sont erronées

– En cours d’acquisition (ECA) : les élèves sont capables de décrire différents trajets de l’eau sans pour autant expliquer le concept de cycle.

– Acquis : les élèves expliquent correctement le concept de cycle

Les différentes réponses des élèves sont présentées sur le graphique suivant :

Plus de la moitié des élèves ayant suivi la séquence modifiée ont compris le concept de cycle et ont été capables de l’expliquer tandis que seul un tiers des élèves ayant suivi la séquence de départ a obtenu des résultats similaires. Nous pouvons donc en déduire que la nouvelle séquence a permis aux élèves de mieux comprendre le concept de cycle.

Conclusion

Nous allons maintenant tenter de déterminer plus précisément ce qui a permis aux élèves ayant suivi la séquence modifiée de mieux comprendre et assimiler le concept de cycle. Dans la séquence d’origine, le cycle de l’eau était représenté par les mouvements de l’eau entre divers éléments d’un paysage. Tandis que dans la séquence modifiée, nous avons choisi de représenter le cycle de l’eau sous forme de plusieurs cycles différents plutôt que d’un seul. De plus, ces cycles ont été construits par les élèves à partir de mots étiquettes (sol, nuage, rivière, feuilles d’arbre…) qu’ils ont organisés sous forme de schémas cognitifs cycliques. Cela a permis d’illustrer de façon très concrète le concept de cycle mettant ainsi en évidence le fait que l’eau parcourt toujours le même chemin, en boucle..

Ce travail de recherche tente de déterminer dans quelle mesure l’utilisation et surtout la réalisation de schémas cognitifs peuvent permettre aux élèves de mieux comprendre des phénomènes ou des concepts scientifiques. Au vu des résultats obtenus, nous pouvons déterminer que la présence de schémas cognitifs dans la séquence a permis aux élèves de construire et comprendre le cycle de l’eau. Par contre, nous ne pouvons pas déterminer si c’est l’utilisation de schémas cognitifs ou la réalisation de ceux-ci qui ont contribué à la construction du concept de cycle.

Nous allons maintenant analyser la dernière partie de l’évaluation pour laquelle les élèves devaient expliquer l’origine de l’eau du robinet.

Origine de l’eau du robinet

Analyse des réponses des élèves

La dernière question de l’évaluation concernait l’eau du robinet, elle a été posée de la même manière pour les 2 groupes. Il était demandé aux élèves d’expliquer la provenance de l’eau du robinet par un schéma. Pour évaluer les réponses des élèves, celles-ci ont été classées en 4 groupes :

– Non – réponse (NR) : les élèves n’ont pas du tout répondu à la question

– Non acquis (NA) : les schémas proposés par les élèves sont erronées

– En cours d’acquisition (ECA) : les schémas proposés par les élèves sont incomplets, il manque des étapes

– Acquis : les schémas proposés par les élèves sont corrects

Les résultats étant similaires que les élèves aient suivi la séquence modifiée ou non, ils ne nous permettent pas de déterminer si la séquence modifiée a eu un impact sur la construction de concepts scientifiques par les élèves.

Nous allons donc analyser plus en détail les différents schémas produits par les élèves.

Analyse de la forme de ces réponses

Il était demandé aux élèves d’expliquer l’origine de l’eau du robinet par l’intermédiaire d’un schéma. Nous allons nous intéresser plus en détail à la forme de ces schémas proposés par les élèves. Nous reprendrons la même typologie que celle proposée plus haut. Les schémas seront donc classés selon leur degré d’abstraction :

– Degré 0 = Dessin : pas de schématisation, la production est sous forme d’un dessin (sans légende, sans élément identifié).

– Degré 1 = Dessin légendé : premier niveau de schématisation, la production est au-delà du dessin, des éléments sont clairement identifiés, il y a présence de flèches représentant des mouvements …

– Degré 2 = Schéma : deuxième niveau de schématisation, la production est un schéma figuratif, tous les éléments le composant étant identifiés et organisés.

– Degré 3 = Schéma cognitif : la production est sous forme de schéma cognitif c’est à dire que le schéma n’est composé que de mots organisés les uns par rapport aux autres par des flèches. Une telle réalisation demande à l’élève de faire preuve d’un très haut niveau d’abstraction.

La majorité des élèves ayant suivi la séquence d’origine ont expliqué l’origine de l’eau du robinet sous la forme d’un schéma et le quart restant l’a expliquée sous la forme d’un dessin légendé. Tandis que les élèves ayant suivi la séquence modifiée ont répondu majoritairement sous la forme d’un schéma cognitif, le reste répondant sous la forme d’un schéma. En comparant les 2 groupes, nous pourrions conclure que le groupe d’élèves ayant suivi la séquence modifiée est capable d’un niveau d’abstraction plus élevé dans la réalisation de schémas puisque 65% des élèves ont répondu à cette question par l’intermédiaire d’un schéma cognitif et donc que cette nouvelle séquence a permis aux élèves de les faire progresser dans leur production de schémas.

CONCLUSION ET DISCUSSION

La recherche présentée par ce mémoire a une portée limitée du fait de la taille de l’effectif analysé (moins de 50 élèves) rendant ainsi impossible la généralisation des différentes conclusions tirées. De plus, il faudrait vérifier la stabilité des concepts scientifiques abordés sur une période plus longue. Il serait donc intéressant de poursuivre ce travail de recherche. Malgré cet état de fait, nous pouvons tout de même déduire quelques conclusions.

La séquence mise en place dans ce travail de recherche a permis d’augmenter la qualité des schémas réalisés par les élèves, montrant ainsi que certains élèves de cycle 3 sont capables de réaliser des schémas cognitifs. Cependant, cette recherche ne nous permet pas de déterminer précisément dans quelle mesure l’utilisation et la réalisation de schémas cognitifs permettent aux élèves de mieux comprendre des concepts scientifiques.

Si nous nous intéressons au concept de cycle de l’eau, nous pouvons affirmer que la présence de schémas cognitifs dans la séquence a permis aux élèves de construire et de mieux comprendre ce concept scientifique. Cependant, nous ne pouvons pas déterminer avec exactitude si c’est l’utilisation de schémas cognitifs, leur réalisation ou un ensemble de ces 2 facteurs qui ont permis d’atteindre ce résultat. De plus, cette recherche ne nous permet pas de déterminer si les élèves ont atteint l’étape de franchissement de leur représentation c’est à dire si le concept de cycle de l’eau a été intégré de manière durable par les élèves. Enfin, la recherche menée n’a pas permis d’analyser l’évolution des conceptions des élèves.

Pour finir, cette recherche nous amène à nous poser d’autres questions : dans quelle mesure la réalisation de schéma par un élève en évaluation sommative permet de savoir si le concept est bien compris ? Ne remobilise-t-il pas un schéma du cours appris par coeur sans avoir compris ? Ne serait-ce pas une forme plus facile à apprendre qu’un texte ? Pour répondre à ces questions, nous aurions dû demander aux élèves d’accompagner leurs schémas d’explications verbales écrites ou orales afin de pouvoir les analyser.

Pour pouvoir déterminer avec exactitude dans quelle mesure l’utilisation et la réalisation de schémas cognitifs permettent aux élèves de mieux comprendre des concepts scientifiques, il sera nécessaire de mener un nouveau travail de recherche répondant aux critères suivants :

– les élèves doivent être capables de réaliser des schémas et avoir déjà fait des schémas cognitifs

– la séquence doit mettre en place une démarche d’investigation sur plusieurs séances

– le concept scientifique sur lequel porte cette séquence devra se prêter à la réalisation de schémas cognitifs

– afin de pouvoir suivre l’évolution des conceptions de chaque élève, il est nécessaire de les interroger dessus plusieurs fois tout au long de la séquence

– pour déterminer si l’étape de franchissement est atteinte, une évaluation identique à celle donnée en fin de séquence devra être proposée 1 ou 2 mois après la première évaluation

– les évaluations proposées ne devront pas permettre aux élèves de restituer des schémas cognitifs appris par coeur ou ces schémas devront être accompagnés d’une explication orale ou écrite

– enfin, pour pouvoir tester l’hypothèse, il faudra organiser 2 séquences qui seront suivies par 2 groupes d’élèves similaires. Les 2 séquences devront être les plus proches possibles, la seule différence étant la présence ou non de schémas cognitifs.

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Table des matières

INTRODUCTION
CADRE THÉORIQUE
Partie 1 – Conceptions et obstacles
1 – Définition d’une conception
2 – Les conceptions qui font obstacles
3 – Obstacles dans l’étude des différents états de la matière
4 – Obstacles et situations didactiques

Partie 2 – Démarche d’investigation, pratiques langagières et schématisation
1 – La démarche d’investigation

1 – 1 – Définition
1 – 2 – Démarche d’investigation et pratiques langagières
2 – Construction des connaissances et pratiques d’écrits
2 – 1 – L’écrit, un outil permettant la construction de connaissances
2 – 2 – Construction de savoirs et reformulation
3 – La schématisation
3 – 1 – Différences entre dessin et schéma
3 – 2 – Les différents types de schémas
3 – 3 – Schéma cognitif et carte heuristique
3 – 4 – Les cinq fonctions du langage graphique
4 – L’utilisation de schémas dans une étude de la reproduction humaine
4 – 1 – Problématique et hypothèses de travail
4 – 2 – Dispositif pédagogique mis en place
4 – 3 – Conclusion de la recherche
Partie 3 – Conclusion
MÉTHODOLOGIE DE RECUEIL ET D’ANALYSE DES DONNÉES
Partie 1 – Méthodologie de recueil des données
1 – Séquence de départ
2 – Modifications apportées à la séquence de départ
3 – Types de données recueillies
Partie 2 – Méthodologie d’analyse des données
ANALYSE DES RÉSULTATS
Partie 1 – Analyse des conceptions initiales des élèves
1 – Différents niveaux dans les conceptions initiales des élèves
1 – 1 – D’où vient l’eau de pluie ?
1 – 2 – Que devient l’eau de pluie ?
1 – 3 – Conclusion
2 – Progressions des élèves dans la réalisation de schémas
2 – 1 – Différents types de productions écrites
2 – 2 – Différents types de schémas produits
2 – 3 – Conclusion
Partie 2 – Analyse des évaluations des élèves
1 – Changements d’états de l’eau
2 – Schéma de cycle(s) de l’eau
2 – 1 – Présentation des résultats de l’évaluation
2 – 2 – Analyse des résultats
2 – 3 – Conclusion
3 – Explication sur le cycle de l’eau
3 – 1 – Analyse des résultats
3 – 2 – Conclusion
4 – Origine de l’eau du robinet
4 – 1 – Analyse des réponses des élèves
4 – 2 – Analyse de la forme de ces réponses
CONCLUSION ET DISCUSSION
BIBLIOGRAPHIE
WEBOGRAPHIE