Résolution de problèmes

Résolution de problèmes Le contexte et les objectifs Le nouveau programme d'enseignement de spécialité de terminale S
introduit l'activité « résolution de problèmes scientifiques ». L'extrait
du programme ci-dessous explicite les capacités mobilisées lors de la
démarche de résolution de problèmes scientifiques.
« [...], l'élève analyse le problème posé pour en comprendre le sens,
construit des étapes de résolution et les met en ?uvre. Il porte un regard
critique sur le résultat, notamment par l'évaluation d'un ordre de grandeur
ou par des considérations sur l'homogénéité. Il examine la pertinence des
étapes de résolution qu'il a élaborées et les modifie éventuellement en
conséquence. Il ne s'agit donc pas pour lui de suivre les étapes de
résolution qui seraient imposées par la rédaction d'un exercice, mais
d'imaginer lui-même une ou plusieurs pistes pour répondre à la question
scientifique posée. » Enfin le programme précise que : « [...] les situations rencontrées par
l'élève en cours de formation ainsi qu'au baccalauréat se limiteront aux
domaines d'étude des trois thèmes de l'enseignement de spécialité. Le
professeur fera largement appel à des situations comportant une dimension
expérimentale. ».
Les trois thèmes traités sont « l'eau », « son et musique » et
« matériaux », ils sont déclinés par mots-clés. Les connaissances nouvelles
associées aux thèmes ne sont pas exigibles dans le cadre du baccalauréat. Ce document a pour objectif d'expliciter quelques caractéristiques de
ce nouveau type d'activité, visant à développer l'autonomie et les prises
d'initiatives chez les élèves. Plusieurs exemples de problèmes sont
proposés dont la plupart ont été expérimentés avec des élèves de terminale
S non formés à cette activité. Caractéristiques de l'activité « résolution de problèmes scientifiques » Les caractéristiques identifiées ci-dessous ne visent surtout pas à
« formater » l'activité qui ne doit pas l'être par définition. Elles
constituent simplement des pistes que le professeur peut suivre pour
élaborer des activités sur ce thème. En phase de formation, la liberté de l'enseignant est grande et
l'interaction avec l'élève permet d'apporter une aide ciblée en fonction
des besoins identifiés, tout en conservant l'authenticité de l'activité,
car il ne s'agit pas de donner une solution mais d'amener l'élève à en
construire une par lui-même de manière la plus autonome possible. Le
travail de recherche en groupe est perçu très positivement et il peut être
pertinent d'y avoir recours, car il est susceptible de motiver des élèves
moins attirés par ce type de démarche et surtout de leur donner confiance
dans leurs capacités à résoudre un problème nouveau sans puiser dans un
répertoire de réponses « préprogrammées ». En formation, le professeur peut
également utiliser des formats du type « problèmes de Fermi », des exemples
sont donnés sur le site de l'Université du Maryland :
http://www.physics.umd.edu/perg/fermi/fermi.htm ou bien à la rubrique
« Fermi Questions » de la revue "The Physics Teacher" :
http://tpt.aapt.org/.
Quelques pistes pour la construction d'activités portant sur la résolution
de problème
. Contextualisation par un texte d'actualité, un document, des graphes,
des tableaux de mesures, des photos, une vidéo ou une expérience,...
accompagnée d'une problématique ou d'une question ouverte. Il est
possible de faire émerger la problématique par un travail préliminaire
avec les élèves.
. Les objectifs du problème doivent être clairement énoncés.
. Il convient d'élaborer des énoncés attractifs et motivants amenant à
mettre en ?uvre des connaissances et compétences acquises dans le
champ de la physique-chimie, élargi aux domaines connexes en liaison
avec les trois thèmes de l'enseignement de spécialité.
. Les étapes de la résolution ne sont pas fournies, elles seront
toujours construites par l'élève.
. Les informations utiles à la résolution peuvent être données dans des
documents annexes, ils peuvent contenir des informations
supplémentaires non explicitement utiles mais intrinsèquement
pertinentes. L'élève sera donc conduit à « extraire et exploiter des
informations », compétence largement présente dans le programme
d'enseignement spécifique. . Pendant l'année, en cours de formation, il est recommandé d'envisager
des situations où la mise en ?uvre d'une expérience participe à la
construction d'une réponse à la question posée, ceci du fait du
caractère expérimental affirmé de l'enseignement de spécialité. . Toutes les données ne doivent pas forcément être présentes, certaines
relèvent de la culture générale : valeur de l'intensité de la
pesanteur g, durée d'une journée,... La connaissance de l'ordre de
grandeur de certaines grandeurs physiques relatives à des objets du
quotidien ou rencontrés tout au long de la scolarité (rayon de la
Terre, taille atome, puissance d'une ampoule d'éclairage....)
participe à la formation à l'analyse critique d'une situation ou d'un
résultat obtenu. . La résolution de problème peut faire appel à des techniques
spécifiques : d'évaluation d'ordre de grandeur à partir d'informations
de natures très diverses, d'analyse dimensionnelle, de prévision de
l'effet d'une grandeur d'influence présente dans une expression
littérale, d'analyse d'un résultat,... . On peut aussi envisager de demander un schéma de résolution qui sera
valorisé comme tel. Les étapes peuvent être pertinentes même si la
mise en ?uvre n'est pas menée à son terme. . Des questions préalables peuvent être posées, par exemple en lien avec
les documents joints. Ces questions permettent d'inciter les élèves à
s'approprier la thématique, le problème, d'évaluer directement la
compétence « extraire et exploiter des informations », et
éventuellement d'attirer son attention sur telle ou telle information
périphérique mais utile à la résolution du problème Notons enfin que
ces questions ont l'avantage de construire un exercice « à plusieurs
étages » en facilitant le travail de l'élève et son évaluation, tout
en gardant un caractère authentique à l'exercice de résolution de
problème, l'élève ayant in fine toujours à élaborer par lui-même la
démarche de résolution. . Les connaissances liées aux thèmes de l'enseignement de spécialité ne
sont pas exigibles. Dans un souci d'équité, un rappel des notions
scientifiques directement utiles à la résolution du problème est
nécessaire et ceci d'autant plus que l'on souhaite développer
l'aptitude à construire et à mettre en ?uvre une démarche de
résolution de problèmes.
. L'élève est amené à proposer une résolution à la problématique
principale, des niveaux différents de finesse dans les solutions
peuvent être acceptés et une comparaison critique avec des données
expérimentales ou des simulations peuvent être explicitement
demandées ; ainsi, par exemple, une réponse « partielle » mais
analysée avec pertinence et esprit critique serait susceptible d'être
notablement valorisée. Il est clair que la démarche utilisée et la
qualité du raisonnement mis en ?uvre sont au c?ur de cette activité.
Deux Références bibliographiques
> George Polya, « Comment poser et résoudre un problème », Edition Jacques
Gabay > Lawrence Weinstein & John A. Adam, « Guesstimation : Solving the World's
Problems on the Back of a Cocktail Napkin », Princeton University Press
Synthèse
Le schéma suivant présente un format possible d'une activité de
« résolution de problèmes scientifiques » et identifie certaines
compétences mobilisées. [pic] Activités proposées : |titre |thème |nature |
|« La guitare » |son et musique |Activité de formation |
| | |/ évaluation sommative|
|« la guitare : approche |son et musique |Activité de formation |
|expérimentale » | |à caractère |
| | |expérimental |
|« La dilatation des océans »|l'eau |Activité de formation |
|« La forme d'une goutte » |l'eau |Activité de formation |
| | |/ évaluation sommative|
|« Quelle teneur en ammoniac |l'eau |Activité de formation |
|dans l'eau de mer à Calvi ? | |/ évaluation sommative|
|» (version 1) | | |
|« Quelle teneur en ammoniac |l'eau |Activité de formation |
|dans l'eau de mer à Calvi ? | | |
|» (version 2) | | |
|« La voiture à panneaux |matériaux |Activité de formation |
|solaires » | | |
|« Pots catalytiques en or » |matériaux |Activité de formation |
| | |/ évaluation sommative|
|« Panneaux photovoltaïques »|matériaux |Activité de formation/|
| | |évaluation sommative | En annexe : Version guidée de l'exercice sur le thème de la guitare. Cette
annexe vise à illustr