II.011Expérience du tambourin

Cette tâche se décompose en quatre pages-écrans, dont l’objectif est d’amener l’élève à se construire une première idée de la propagation du son dans l’air en terme de vibration et de mouvement vibratoire. Pour favoriser cette construction, il est demandé à l’élève d’interpréter les deux événements observés via une vidéo, d’abord à partir du modèle de la chaîne sonore, puis en décrivant à l’écrit le comportement du milieu de propagation. La démarche proposée au cours de quatre tâches est comparable à celle donnée lors de l’’activité expérimentale’ (TP1). Nous présentons maintenant ces différentes tâches.

II.1 Tâche 2 : ’Réalisation de l’expérience’

II.1.1 Enoncé

’Pour répondre à la question posée dans l’introduction, considérons l’expérience suivante.

Frappons sur le tambourin de gauche et observons le comportement de la balle placée contre la peau du tambourin de droite.’

La vidéo fournit l’expérience à partir de laquelle les élèves observent deux événements : le son émis par le tambourin de gauche et le mouvement de la balle placée contre le tambourin de droite. L’énoncé vise à guider les élèves vers l’événement en jeu, le mouvement de la balle. De ce fait, les deux demi-pages-écrans se réfèrent au champ expérimental dont les systèmes sémiotiques sont le langage naturel et la représentation dynamique.

L’expérience utilise les mêmes objets que l’expérience précédente (tambourins). Le fait observé est sensiblement le même que dans l’expérience précédente et mis en évidence au travers du mouvement visible de la balle. Nous faisons l’hypothèse que les élèves seront à même de prédire le résultat de l’expérience (le mouvement de la balle) avant même son observation ce qui pourrait laisser supposer que les élèves prennent en charge le problème introduit dès la page-écran ’Introduction’. Ainsi, l’objectif de cette expérience est d’amener les élèves à élaborer une première explication causale vraisemblablement linéaire qu’ils seront conduits à modifier via les deux tâches suivantes.

II.1.2 Les éléments de la situation

II.2.2.1 L’organisation de la page-écran

L’analyse de cette page-écran selon les niveaux de savoir et les systèmes sémiotiques est présentée dans le Tableau 13.

Suite à l’observation de l’expérience, nous proposons aux élèves deux façons de l’interpréter : en construisant la chaîne sonore relative à la situation et en rédigeant une réponse à deux questions à propos du comportement du milieu de propagation lors de l’émission d’un son.

II.1.3 Activités des élèves

Nous supposons que l’activité observable des élèves se limite à lire un texte et à regarder la vidéo. De plus, nous souhaitons que les élèves aient comme réaction ’instinctive’ celle de décrire l’événement visualisé. Nous pouvons nous attendre alors à la mise en oeuvre de relations internes au niveau du champ expérimental entre les trois sous-niveaux : objets, événement son et événement mouvement.

II.2 Tâche 3 : ’Exploitation de l’expérience’

II.2.1 Enoncé

’Construire la chaîne sonore et déterminer ses constituants en déplaçant les éléments de la liste ci- dessous.’

Cette tâche dont l’objectif est de modéliser la situation expérimentale à partir de la chaîne sonore, est censée aider les élèves à expliciter le rôle des différents éléments la composant. Elle peut permettre aux élèves d’éviter par exemple de considérer la balle en tant que récepteur sonore à la place du tambourin ou de l’oreille : la balle permettant uniquement de mettre en évidence la vibration de la peau du tambourin de droite. Ainsi, si la détermination de l’émetteur peut paraître aisée⁶⁹, celle du récepteur reste assez complexe et peut conduire les élèves à rechercher des informations.

II.2.2 Les éléments de la situation

II.2.2.1 L’organisation de la page-écran

Les deux demi-pages-écrans sont décrites selon les niveaux de savoir et les systèmes sémiotiques dans le Tableau 2.

II.2.2.2 Le système d’évaluation

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

  • un message écrit qui donne une appréciation de la réponse. Dans le cas où celle-ci est 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 qui 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 : ’Le son émis par le tambourin de gauche se propage dans l’air jusqu’à nos oreilles. Le tambourin de droite transforme le son émis en un signal observable : le sursautement de la balle. Nous pouvons dire que le tambourin de droite est un récepteur’. Nous pouvons remarquer que nous explicitons dans la réponse les deux possibilités au niveau du récepteur.

II.2.3 Réalisation de la tâche et activités observables et didactiques

II.2.3.1 Réponses possibles

A partir de la liste de mots proposée, les élèves construisent les deux chaînes sonores. Les élèves sont censés mettre en relation les niveaux théorie-modèle et du champ expérimental. Il est possible d’élaborer deux chaînes : Tambour - Air - Tambour ou Tambour - Air - Oreille. Le choix entre les deux récepteurs peut s’expliquer selon le niveau de conceptualisation relatif au récepteur sonore :

• Il peut être vu en tant que dispositif permettant de percevoir un son.

• Il peut être interprété comme un dispositif qui transforme un bruit ou un son en un signal observable (signal électrique dans le cas d’un microphone, une sensation sonore dans le cas de l’oreille, une vibration).

Les appariements des élèves peuvent conduire à la proposition de trois chaînes ce qui laisse entrevoir différentes représentations de la façon dont le son se propage. Voici les cas que nous pouvons distinguer :

• Baguette - Air - Balle : Dans ce premier cas, l’appariement semble mettre en évidence l’explication causale linéaire de l’expérience sans prendre en compte le sens des différents éléments de la chaîne sonore : la baguette (la cause) frappe le tambour, le son se propage dans l’air (l’agent causal), la balle placée contre l’autre tambourin bouge (l’effet). De plus, ici, on relèvera l’une des conceptions des élèves qui consiste à considérer la baguette (l’actant) en tant que source de son.

• Tambour - Air - Balle : Dans ce cas là, l’élève identifie la source de son, le milieu de propagation, mais identifie le récepteur à l’effet observé (le mouvement de la balle) résultant de la vibration du tambourin, le récepteur. L’élève considère que le récepteur est la balle puisqu’elle bouge. Mais il ne remonte pas à la cause de son mouvement.

• Tambour - support (du tambour) - oreille : Cette proposition met en évidence une difficulté des élèves déjà présentée lors de l’analyse a priori de l’’introduction de la chaîne sonore’ qui consiste à identifier le milieu de propagation car il est illimité dans l’espace et composé de plusieurs objets.

II.2.3.2 Activités des élèves

Nous supposons que l’activité observable des élèves se réduit à lire, à glisser et à lâcher des mots pour compléter les chaînes et à observer la vidéo. De plus, la Figure 108 présente selon les niveaux de savoir de l’énoncé ceux que les élèves sont censés utiliser et mettre en relation.

II.2.4 Connaissances à mobiliser

Nous nous attendons à ce que les élèves mettent en oeuvre des connaissances relatives : au modèle de la chaîne sonore et aux définitions d’émetteur, de milieu et de récepteur.

II.3 Tâche 4 : ’Interprétation de l’expérience’

II.3.1 Enoncé

’Les deux questions suivantes vous guideront dans vos réponses : quel est le comportement de l’air entre les deux tambourins quand celui de gauche a été frappé ? Comment ce comportement permet-il d’interpréter que la balle sursaute ?’

L’objectif de cette tâche est d’obtenir des élèves une première interprétation de la propagation du son dans l’air en termes de vibration du milieu de propagation. La limitation de cette première interprétation de l’étude du comportement du milieu conduit par la suite à l’introduction du modèle particulaire fournissant une interprétation privilégiée du phénomène observé.

II.3.2 Les éléments de la situation

II.3.2.1 L’organisation de la page-écran

Le Tableau 15 présente les deux demi-pages-écrans selon les niveaux de savoir et les systèmes sémiotiques.

II.3.2.2 Le système d’évaluation

• Le bouton de demande de validation de la réponse
  La demande de validation conduit à un message et n’analyse pas la réponse des élèves : ’Vous pouvez consulter la réponse du professeur pour de plus amples renseignements’. Dans le cas où les élèves sélectionneraient la proposition ’je ne sais pas’ et demande une validation de la réponse, il est proposé une reformulation de la question ’Essayez d’imaginer ce qu’il peut se passer dans l’air lorsque l’on frappe le tambourin’. Enfin, si les élèves ne rédigent pas leur réponse et demande de la valider, le message suivant leur est retourné : ’ Vous n’avez rien saisi !!!!’

• Le bouton réponse (du professeur)
  Ce bouton fournit la réponse attendue : ’Le milieu entre les deux tambourins, constitué par l’air, vibre et entraîne la vibration de la peau du tambourin de droite. La vibration de la peau fait sursauter la balle.’

II.3.3 Réalisation de la tâche et activités observables et didactiques

II.3.3.1 Réponses possibles

Nous attendons que les élèves mettent en relation les événements perceptibles de la situation : la perception sonore et la vibration de la membrane du tambourin montrée par l’intermédiaire du mouvement de la balle. Une première étude des réponses des élèves réalisant la séquence en classe de TP⁷⁰ ’classique’ fournit trois types d’explication que l’on retrouve déjà décrite dans les études sur les conceptions des élèves :

• Mouvement d’ensemble du milieu : l’air va de gauche à droite lorsqu’on frappe le tambourin 1.
  ’Le choc a été propagé grâce à l’air jusqu’au deuxième tambourin où il a continué à se produire. La petite boule se met à sauter car l’air produit en tapant le tambourin 1 se déplace jusqu’au tambourin 2 : c’est ce qui la fait sauter’
  ’La petite boule se met à sauter car elle est en contact avec la membrane du tambourin 2 et l’air produit en tapant le tambourin 1 se déplace jusqu’au tambourin 2’

• Propagation d’une onde.
  ’Pour que la petite boule avec le tambourin 2 se mette à sauter quand on frappe le tambourin il y a une onde de son qui se propage du tambourin 1 au tambourin 2.’

• Propagation du son qui conduit à la vibration du second tambourin : ’son = entité en mouvement sous forme de perturbation mal définie (Vince, 2000, p.88).
  ’Le son se propage, les vibrations se répercutent sur la peau du tambourin 2 ce qui explique que le pendule se balance’
  ’On observe que le son se propage dans l’air ce qui provoque le contact de la boule sur le tambourin. Les vibrations se propagent de T1 à T2’
  Lorsqu’on frappe le tambourin 1, la petite boule bouge. Le tambourin 1 vibre l’air vibre et le tambourin 2 vibre aussi. Le son se propage dans l’air.

II.3.3.2 Activités des élèves

L’activité observable se limite à lire un texte, observer la vidéo et taper du texte. La Figure 109 présente schématiquement les niveaux de savoir de l’énoncé, les niveaux à utiliser pour résoudre la tâche et enfin les relations attendues.

II.3.4 Connaissances à mobiliser

Nous souhaitons que les élèves mobilisent les connaissances relatives : aux définitions de la vibration et de la source de son et au modèle de la chaîne sonore.

II.4 Tâche 5 : ’En résumé’

II.4.1 Enoncé

’Lorsque nous frappons sur le tambourin de gauche, la vibration de la peau du tambourin met en vibration l’air en son contact qui lui-même met en vibration la peau du second tambourin. En effet, le mouvement de la balle met en évidence la vibration de la peau du tambourin de droite.’

Cette page-écran résume l’expérience et en donne une description via le modèle de la chaîne sonore. De plus, elle précise l’utilité de la balle : elle met en évidence la vibration de la peau du tambourin. Le contenu de cette page-écran se réfère au champ expérimental.

II.4.2 Les éléments de la situation

II.4.2.1 L’organisation de la page-écran

L’organisation de cette page-écran selon les niveaux de savoir et les systèmes sémiotiques est présentée dans le Tableau 16.

II.4.2.2 Divers

Fripini introduit l’analyse à partir du modèle particulaire : ’Maintenant, essayons de comprendre ce qui se passe dans l’air lorsqu’un son est émis’.

II.4.3 Activités des élèves

L’activité observable se limite à lire un texte.