II.011Etude de la relation entre la perception sonore et la présence d’un milieu de propagation

II.1 Expérience 1 ’Expérience de la cloche à vide’

Deux expériences sont introduites successivement et sont censées aider les élèves à donner sens au savoir en jeu : le son nécessite un milieu matériel pour se propager. La réalisation de chacune des expériences conduit l’élève à suivre une démarche scientifique⁶⁷ qui se décompose en quatre étapes : prévoir le résultat de l’expérience, puis la réaliser, ensuite l’interpréter, enfin la résumer. Cette succession d’étapes qui scande l’activité de l’élève semble faire référence à la fois la ’méthode rationnelle’ (Darley, 1994) fondée sur le raisonnement (voir les tâches Prévoir et Interpréter) et à la ’méthode expérimentale ⁶⁸’ (Develay, 1989) qui donne lieu à un itinéraire rationnel bien défini, à un programme détaillé réglant d’avance une suite d’opérations à accomplir et signalant certains errements à éviter. L’étape de prédiction est censée permettre aux élèves de mettre en oeuvre leur modèle explicatif afin d’expliquer la manière dont ils perçoivent le résultat de l’expérience. La réalisation de l’expérience restreinte à son observation à partir d’une animation permet à l’élève de vérifier sa réponse et confirmer ou infirmer ses hypothèses. Enfin, lors de l’interprétation de l’expérience à partir du modèle de la chaîne sonore nous souhaitons qu’il ’mette à l’épreuve’ la validité de son modèle explicatif. Enfin le résumé, prend en charge la description de l’expérience réaliser et suggère de nouvelles hypothèses que l’élève tentera de vérifier lors de la nouvelle expérience. Chacune de ces étapes coïncide avec une page-écran.

II.1.1 Tâche 5 : ’Prévoir le résultat de l’expérience’

II.1.1.1 Enoncé

’Un réveil est placé sous une cloche à vide et sonne. Nous faisons le vide à l’aide de la pompe. Que va t-il se passer ? La sonnerie du réveil sera :

plus forte,

plus faible,

identique,

inaudible.’

L’objectif de cette tâche est de laisser les élèves mettre en oeuvre leurs connaissances premières pour prédire le résultat de l’expérience.

II.1.1.2 Les éléments de la situation

II.1.1.2.1 L’organisation de la page écran

L’analyse selon les niveaux de savoir et les systèmes sémiotiques du contenu de la tâche est proposé dans le Tableau 5.

II.1.1.2.2 Les ressources

Les ressources internes

En plus du mini-dictionnaire un onglet Aide est fourni. Le Tableau 6 détaille les informations proposées selon les niveaux de savoir et les systèmes sémiotiques.

II.1.1.2.3 Le système d’évaluation

Suite à la sélection de l’une des propositions et à la demande de validation de la réponse, nous retournons le message : ’Vous allez vérifier votre réponse dans la page suivante en réalisant l’expérience’. De ce fait, nous laissons les élèves dans le doute et nous supposons que cela peut les aider à soutenir leur attention lors de l’observation de l’expérience.

II.1.1.2.4 Divers

Fripini explique le fonctionnement de cette tâche : ’Vous allez prévoir le phénomène. Dans la page suivante vous allez vérifier votre réponse en l’observant. Alors, cliquer sur l’une des quatre propositions et valider votre réponse. Bonne chance.’

II.1.1.3 Réalisation de la tâche et activités des élèves

II.1.1.3.1 Réponses possibles

Pour répondre à cette question, nous nous attendons à ce que les élèves mettent en oeuvre le champ expérimental, niveau de la question. Cependant, il est possible que dès cette première tâche les élèves articulent le niveau de la théorie-modèle (le modèle de la chaîne sonore) et celui du champ expérimental (la perception sonore) ce qui peut correspondre à expliquer la non perception du son puisqu’il n’y a plus de milieu de propagation. Cela consiste aussi à articuler deux systèmes sémiotiques : le langage naturel associé aux propositions de réponses et la représentation symbolique pour la chaîne sonore.

Nous faisons l’hypothèse à la suite de Develay (1989) que les prédictions des élèves peuvent aussi se référer à la pensée divergente qui ’permet de produire des formes nouvelles, des relations imprévues, de lier des éléments considérés généralement comme indépendant’ et à la pensée déductive ’il ne peut pas y avoir d’hypothèse indépendamment d’une théorie de référence préalable’ qui est, dans le cas de ce TP, le modèle de la chaîne sonore. A partir d’une étude de travaux d’élèves de seconde du Lycée Aragon à Lyon (janvier 1997) en séance de TP ’classique’, nous recueillons trois types de réponses possibles :

• Pas de perception de la sonnerie du réveil puisqu’il n’y a plus d’air (niveau champ expérimental) :

• ’Non car plus d’air (ou moins)’ ; ’Non il n’y a pas de son car il n’y a pas d’air (le vide)’ ; ’Non car il y a plus d’air. Et le son ne se propage pas s’il n’y a pas d’air (exemple = espace)’ ; ’Non car comme il n’y a pas d’air les vibrations ne passeront pas’

• Pas de perception de la sonnerie du réveil à cause du matériel qui fait obstacle à la propagation du son (champ expérimental) :

• ’Non car l’effet de l’épaisseur du verre n’a pas changé’ ; ’Non l’élève n’entend plus la sonnerie du réveil car la cloche est fermée hermétiquement’ ; ’Non car le milieu de propagation, l’air, est en grande quantité et que la cloche ne laisse pas passer le son’

• On perçoit la sonnerie du réveil à cause de la disparition de l’air (ça se propage mieux)

• ’Oui car il n’y a plus d’air et ça va résonner donc on va l’entendre’ ; ’Oui il entend la sonnerie car dans la cloche il y a du vide’

II.1.1.3.2 Activités des élèves

L’activité de l’élève se résume à lire les différentes propositions, observer le dessin, et sélectionner l’une des propositions. La figure suivante présente schématiquement les niveaux de savoir de l’énoncé, les niveaux à utiliser pour résoudre la tâche et enfin les relations attendues.

II.1.1.4 Connaissances à mobiliser

Nous attendons que les élèves suggèrent que l’air est un milieu de propagation.

II.1.2 Tâche 6 : ’Réalisation de l’expérience’

II.1.2.1 Enoncé

Sous une cloche en verre, un réveil, placé sur un coussin de mousse, sonne. Actionnons la pompe à vide (on raréfie l’air sous la cloche).

Observer ce qui va se passer à partir de l’animation.

L’animation, placée dans la demi-page-écran de droite, permet à l’élève de vérifier sa prévision réalisée précédemment. Dans le cas où la prévision serait en accord avec le résultat de l’expérience, cette observation peut conforter le modèle explicatif de l’élève ; inversement, l’observation de l’expérience peut déstabiliser l’élève et l’amener à critiquer et/ou modifier son modèle interprétatif de la situation.

II.1.2.2 Les éléments de la situation

II.1.2.2.1 L’organisation de la page écran

Le Tableau 7 présente l’organisation de la page-écran selon les niveaux de savoir et les systèmes sémiotiques.

II.1.2.3 Activités des élèves

L’activité de l’élève est réduite à lire un texte et à observer l’animation.

II.1.3. Tâche 7 : ’Interprétation de l’expérience’

II.1.3.1 Enoncé

’Lorsque le vide est réalisé, construire la chaîne sonore en déplaçant les éléments de la liste ci dessous.

Chaîne sonore

Dans cette situation la chaîne sonore est constituée par :

L’objectif de cette tâche est d’amener les élèves à modéliser la situation en se référant d’une part à leur prédiction réalisé précédemment et d’autre part à la situation de l’indien aussi modélisée à partir de la chaîne sonore.

II.1.3.2 Les éléments de la situation

II.1.3.2.1 L’organisation de la page écran

Le Tableau 8 donne les niveaux de savoir et les systèmes sémiotiques contenus dans la page-écran.

II.1.3.2.1 Le système d’évaluation

• Le bouton de demande de validation de la réponse : l’évaluation de la réponse
  L’évaluation de la réponse conduit à deux feed-back simultanés :

  • Un message écrit donne une appréciation de la réponse. Dans le cas où celle-ci serait correcte, le message ’Vous avez bien construit la chaîne sonore. Cependant, il vous est conseillé de consulter la réponse du professeur pour en savoir plus’ incite les élèves à consulter la réponse du professeur. Sinon, le message retourné précise que ’La chaîne sonore est incomplète ou incorrecte’.

  • Un point lumineux indique au niveau de chacun des éléments à fournir, l’état de la réponse : un point vert si la réponse est exacte et un point rouge dans le cas contraire.

L’élève a la possibilité de demander la validation de sa réponse autant de fois qu’il le souhaite.

• Le bouton réponse (du professeur)
  Ce bouton correspond à la réponse de l’enseignant. Elle est de couleur rouge et fournit la réponse attendue : ’ La chaîne sonore est incomplète. Il semble que la présence de l’air soit nécessaire à l’existence du son.’

II.1.3.3 Réalisation de la tâche et activités des élèves

II.1.3.3.1 Réponses possibles

Lors de la réalisation de cette tâche, les élèves sont censés mettre en oeuvre le niveau de la théorie-modèle associé à la chaîne sonore, le champ expérimental correspondant à l’animation, et enfin articuler ces deux niveaux. Du point de vue de l’activité sémiotique nous supposons que la construction de la réponse nécessite que les élèves mettent en relation le langage naturel (les mots), la représentation symbolique (la chaîne sonore) et la représentation dynamique (l’animation). Cependant, en cas de difficulté, il est possible que la dyade retourne à la page-écran présentant la modélisation de la situation de l’indien et le rail enlevé, ou réalise une analogie avec la situation proposée.

II.1.3.3.2 Activités observables et didactiques

Cette question met en jeu les niveaux de la théorie-modèle et celui des objets événements simulés. La Figure 103 présente selon les niveaux de savoir de l’énoncé ceux que l’élève sont censés utiliser et mettre en relation.

II.1.3.4 Connaissances à mobiliser

Nous nous attendons à ce que les élèves mobilisent des connaissances relatives au modèle de la chaîne sonore.

II.1.4. Tâche 8 : ’En résumé’

II.1.4.1 Enoncé

’Au début, quand le réveil sonne sous la cloche, on entend bien la sonnerie.

Ensuite, lorsqu’on fait le vide, on n’entend plus rien.

Enfin, si on laisse rentrer l’air, nous entendons à nouveau la sonnerie du réveil.

Il semble donc, que la présence de l’air soit nécessaire à l’existence du son.’

Associé à l’animation de l’expérience située dans la demi-page-écran de droite, un texte reprend les différentes phases de l’expérience, et en donne une première interprétation ’il semble donc, que la présence de l’air soit nécessaire à l’existence d’un son’ que l’élève va tenter de généraliser durant la seconde expérience.

II.1.4.2 Les éléments de la situation

II.1.4.2.1 L’organisation de la page écran

Le Tableau 9 présente l’analyse du contenu de la page-écran selon les niveaux de savoir et les systèmes sémiotiques.

II.1.4.2.2 Divers

Fripini introduit la seconde expérience : ’Avant de généraliser cette première interprétation, modifions le milieu de propagation et suivons la même démarche’.

II.1.4.3 Activités des élèves

L’activité des élèves est réduite à lire et à observer l’animation.

II.2 Expérience 2 : Insérons du dihydrogène dans la cloche

Comme nous l’avons précisé précédemment, la structure de cette tâche est semblable à la précédente, seule la l’expérience fournit change. Pour éviter d’alourdir cette analyse, nous détaillerons seulement certains points : la présentation de la tâche, les réponses possibles, les connaissances en jeu et les ressources. L’objectif de cette nouvelle expérience est de donner la possibilité aux élèves de réinvestir le modèle explicatif en jeu pour interpréter la perception d’un son : l’existence d’un milieu de propagation.

II.2.1 Tâche 9 : ’Prévoir le résultat de l’expérience’

II.2.1.1 Enoncé

’Faisons pénétrer du dihydrogène dans la cloche dans laquelle on a fait le vide. Que se passe t’il ?

Nous n’entendons pas le réveil sonner

Nous entendons le réveil sonner de la même manière qu’avec l’air

Nous entendons le réveil sonner plus faiblement à cause du dihydrogène

Nous entendons le réveil sonner plus fort à cause du dihydrogène’

Le dessin placé dans la demi-page-écran de droite présente la situation expérimentale à partir de laquelle on distingue le matériel utilisé : une cloche à vide, une pompe à faire le vide, un réveil, un coussin de mousse, une bouteille contenant du dihydrogène. Celle de gauche contient l’énoncé et les différentes propositions de réponses que l’élève peut sélectionner. L’ensemble du contenu de la page-écran se réfère au champ expérimental dont les systèmes sémiotiques associés sont le langage naturel et l’image.

II.2.1.2 Réalisation de la tâche et activités des élèves

II.2.1.2.1 Réponses possibles

Nous souhaitons que les élèves mettent en relation le niveau de la théorie-modèle et celui du champ expérimental. En d’autres termes, qu’ils identifient le dihydrogène comme le milieu de propagation du son.

II.2.1..2.2 Activités des élèves

L’activité observable des élèves est réduite à lire, à cocher une des propositions, à observer l’illustration de la situation. La figure suivante présente schématiquement les niveaux de savoir de l’énoncé, les niveaux à utiliser pour résoudre la tâche et enfin les relations attendues.

II.2.1.3 Connaissances à mobiliser

Nous nous attendons à ce que les élèves mettent en oeuvre des connaissances relatives : au modèle de la chaîne sonore, à l’interprétation de l’expérience précédente, à la définition du milieu de propagation.

II.2.2 Tâche 10 : ’Réalisation de l’expérience’

II.2.2.1 Enoncé

’Faisons pénétrer du dihydrogène dans la cloche dans laquelle on avait fait préalablement le vide. Observer ce qui va se passer.’

Comme dans l’expérience précédente, cette activité permet à l’élève de vérifier sa prédiction à partir de l’animation présentée dans la tâche suivante.

II.2.3 Tâche 11 : ’Interprétation de l’expérience’

II.2.3.1 Enoncé

’Lorsque le dihydrogène est introduit, construire la chaîne sonore en déplaçant les éléments de la liste ci dessous.’

Chaîne sonore

Dans cette situation la chaîne sonore est constituée par :

A nouveau, l’interprétation de l’expérience se fait au travers de la construction de la chaîne sonore. Nous souhaitons qu’au cours de cette dernière interprétation les élèves prennent conscience du rôle du milieu de propagation dans la perception du son.

II.2.3.2 Réalisation de la tâche et activités des élèves

II.2.3.2.1 Réponses possibles

Pour répondre à cette question les élèves doivent apparier les objets de la situation aux éléments de la chaîne sonore : ils effectuent une relation entre le niveau de la théorie-modèle et celui du champ expérimental. A ce stade de la séquence, nous espérons que le modèle construit par les élèves leur permettra d’interpréter la situation. Nous supposons que certains élèves proposeront la même chaîne sonore que lors de la première expérience ce qui mettrait en évidence le contrat entre l’élève et l’hypermédia.

II.2.3.2.2 Les activités des élèves

L’activité observable se limite à lire, à glisser et lâcher les mots, observer l’animation. La Figure 105 présente les niveaux de savoir de l’énoncé que les élèves sont censés utiliser et mettre en relation.

II.2.3.3 Connaissances à mobiliser

Les connaissances à mettre en oeuvre sont relatives au modèle de la chaîne sonore, à la définition du milieu, à l’interprétation de la première expérience.

II.2.4 Tâche 12 : ’En résumé’

II.2.4.1 Enoncé

Lorsque l’on insère du dihydrogène dans la cloche, on constate que l’on entend la sonnerie du réveil, pratiquement pareil que dans le cas de l’air.

En effet, un milieu de propagation est nécessaire à la perception du son. Ici c’est le dihydrogène.

Ce résumé accompagné d’une animation détaille tout d’abord l’événement observé au niveau du champ expérimental, puis, donne une interprétation de l’expérience en articulant les niveaux de la théorie et du champ expérimental ’ En effet, un milieu de propagation est nécessaire à la perception du son. Ici c’est le dihydrogène’.

II.2.5 Tâche 13 : ’Conclusion’

II.2.5.1 Enoncé

’En comparant les deux chaînes sonores ci-dessous (avant et après avoir réalisé le vide), le milieu de propagation est différent, ainsi que la perception sonore associée. Si la matière composant le milieu de propagation est l’air (ou le dihydrogène), on entend la sonnerie du réveil : le son se propage dans l’air.

Si c’est le vide, on n’entend pas la sonnerie du réveil : il n’y a pas propagation du son. L’oreille ne peut rien recevoir.

Donc, dans notre environnement, l’air est nécessaire pour que l’on puisse entendre les sons. Les vibrations de la source se transmettent grâce à l’air. Plus généralement, il faut de la matière appelée milieu matériel pour qu’il y ait propagation du son.’

Suite à la réalisation des deux expériences, cette page-écran, intitulée conclusion, reprend les résultats obtenus lors de la première expérience 1, puis généralise ces résultats : ’Donc, dans notre environnement, l’air est nécessaire pour que l’on puisse entendre les sons (...) Plus généralement il faut de la matière appelée milieu matériel pour qu’il y ait propagation du son’.

II.2.5.2 Les ressources

Les ressources internes

Les ressources internes sont de deux types : le mini-dictionnaire et un escamot sur le terme milieu matériel.

II.2.5.3 Activités des élèves

L’activité observable de l’élève se limite à lire.

Nous présentons ci dessous la démarche que nous avons tentée de mettre en place durant ces huit tâches.