4. Les tentatives de synthèse de ces travaux

Dans le chapitre 2 de son livre « Raisonner en physique (la part du sens commun) », intitulé ’une tendance du raisonnement : matérialiser les objets de la physique, exemples en optique élémentaire’ (1996, p. 25-58), Viennot présente un premier type de synthèse sur les conceptions les plus courantes . Comme le titre du chapitre l’indique, l’analyse de ces travaux est faite par l’auteur en termes de matérialisation des rayons lumineux ou de l’image d’un objet, qu’elle oppose au point de vue physique de la transmission d’une information. Pour Viennot, on peut comprendre une bonne partie des réponses données par les élèves aux différents questionnements de ces travaux si on leur prête l’idée que l’image est un objet quasi matériel, qui part de l’objet source, traverse la lentille en se renversant, au besoin en s’écornant contre un cache, et apparaît sur l’écran d’observation. De la même façon, une tendance à la matérialisation de la lumière expliquerait qu’on accepte assez volontiers l’idée qu’on peut la voir de côté, sans l’aide d’une substance diffusante, ou que les interactions de lumières colorées différemment obéissent pour les élèves aux mêmes lois que les mélanges de peintures (cf. deux exemples, op. cit. p. 42 et 43). Viennot ne cache pas que d’autres interprétations conviendraient probablement mieux à expliquer d’autres aspects des réponses (note 6 p. 38).

Au lieu de caractériser les conceptions « de sens commun » en optique comme une matérialisation, renvoyant au fond au substantialisme dénoncé par Bachelard (1938, p. 97-129) comme obstacle épistémologique de première grandeur, Galili (1996) présente une autre direction de synthèse, légèrement différente de la précédente : la conceptualisation holistique, déjà mentionnée plus haut (Galili et al., 1993). Surtout il essaye de saisir le mouvement par lequel, à partir d’une conception de base issue du sens commun, les élèves se font un chemin vers une compréhension plus scientifique de la notion d’image, en passant par une conception hybride, qu’il appelle la conceptualisation de l’image projetée. Il formalise donc trois conceptions différentes de la formation et de l’observation d’une image optique : la conceptualisation primitive holistique ; la conceptualisation intermédiaire de l’image projetée ; et la conceptualisation scientifique, faisant intervenir une correspondance point par point entre l’objet et l’image, par l’entremise de faisceaux de lumière.

Galili caractérise la conception intermédiaire en organisant les concepts d’objet global décomposable en points, d’image globale décomposable en points, de système optique, d’oeil de l’observateur et de rayons lumineux dans un cadre fourni par six idées principales :

• la reconnaissance que la lumière, sous forme de rayons lumineux, quitte chaque point objet, mais seul un rayon lumineux partant dans une direction donnée de chaque point objet va former le point image correspondant ;

• chaque rayon partant de chaque point objet emporte avec lui l’information structurelle sur ce point objet ;

• un système optique dévie les rayons lumineux ;

• la formation et l’observation de l’image sont deux phénomènes séparés ;

• pour qu’un observateur voie une image, il faut que la lumière la fasse parvenir à son oeil ;

• un diagramme de rayons montre comment les rayons lumineux transportent l’information de chaque point objet à chaque point image.

Quant à la conceptualisation scientifique, elle organise cinq concepts fondamentaux (un point source et un point image, un système optique, des flux de lumière convergents et divergents, l’oeil comme instrument optique supplémentaire, les rayons lumineux) dans un cadre de cinq idées principales :

• un objet étendu est un ensemble de points sources ; une image complète est un ensemble de points images ;

• tout le flux de lumière divergent de chaque point source et interagissant avec le système optique contribue au point image correspondant ;

• un système optique peut transformer le flux de lumière divergent d’un point source en un autre flux qui soit converge en un point unique appelé point image réelle (la lumière divergent du point image réelle doit pénétrer dans l’oeil de l’observateur pour que l’image soit observée), soit semble diverger d’un point unique de l’espace différent du point source (si une partie de ce flux de lumière entre dans l’oeil d’un observateur, le point image virtuelle sera à la fois créé et observé) ;

• l’écran d’observation est une facilité pour observer des points image réelle dans l’espace ;

• le processus de formation des images peut être représenté par des diagrammes de rayons ; le rayon lumineux est un outil théorique pour représenter la direction de propagation de la lumière.

Comme on peut le constater, la conception intermédiaire réalise un mélange de caractéristiques de la conceptualisation naïve et de la conceptualisation scientifique (Galili affirme ‘« son trait principal est sa nature hybride »’).

Enfin, dans une publication récente, Galili et Hazan (2000) organisent autour d’un cadre théorique unique les résultats de leur étude personnelle, menée par la méthodologie des pre/post-tests, mais aussi de vingt autres études de didactique de l’optique géométrique publiées de 1984 à 1997 (la liste est fournie op.cit. p. 77).

Les résultats de l’enquête propre des auteurs portent sur 64 étudiants avant instruction (grade 9) et 102 étudiants après instruction (40 h d’enseignement classique, grade 10) auxquels ont été posées 13 questions ouvertes sur le mécanisme de la vision, les propriétés générales de la lumière, la formation des ombres, la formation des images par réfraction ou réflexion, les phénomènes colorés.

À travers les réponses à ces questions, ainsi que dans les études antérieures, les auteurs caractérisent un certain nombre de « facettes » des connaissances des élèves relatives aux phénomènes lumineux. Ils regroupent ces facettes en huit « schèmes » différents, possédant chacun une certaine cohérence : depuis la vision spontanée (c’est-à-dire ne faisant pas intervenir la lumière) jusqu’à la conception de la couleur comme pigment isolé de la lumière.

Deux schèmes sont liés à la formation des images :

• Le schème holistique de l’image, qui est basé sur l’idée que l’image est une réplication matérielle de l’objet, qui peut se déplacer, rester immobile ou se retourner ;

• Le schème projectif de l’image, qui postule que chaque point de l’image est relié au point correspondant de l’objet par un seul rayon lumineux qui en assure le transfert (idem p. 78).

D’après les auteurs, les élèves adoptent le schème projectif à la suite de l’enseignement, en particulier à la suite de l’insistance mise dans les manuels et les cours classiques sur les diagrammes de rayons (idem p. 80). Il joue alors le rôle de modèle synthétique (Vosniadou, 1994).

Les auteurs tirent de leur étude un certain nombre de conclusions pour la construction de séquences d’enseignement en optique géométrique (idem pp. 82-83) :

• Il faut aborder les phénomènes liés à la vision le plus tôt possible dans la séquence ;

• Il faut abandonner l’exclusivité des explications par les rayons lumineux au profit de l’utilisation des flux de lumière, pour éviter la formation des schèmes de la lumière matérielle et de l’image projetée ;

• Il faut introduire rapidement certains sujets non traités parce que considérés comme difficiles, tels que les effets de l’atmosphère ou les phénomènes colorés, parce qu’ils permettent de confronter les connaissances scientifiques avec la vie quotidienne, source des conceptions usuelles des élèves. Ces sujets sont par nature pluridisciplinaires.