III.1 Détermination des tâches et comparaison du fonctionnement des quatre dyades

Pour chaque TP, nous déterminons les tâches pour lesquelles les dyades mettent en oeuvre des relations qui correspondent à des connaissances non attendues. Ensuite, nous comparons le fonctionnement des quatre dyades.

III.1.1 TP0 ’Introduction de la chaîne sonore’

Cette séquence comporte cinq pages-écrans. La première (T1), qui introduit le modèle de la chaîne sonore, est suivie de quatre pages contenant chacune un exercice (de T2 à T5). La caractéristique commune des quatre tâches à partir desquelles nous identifions des connaissances non attendues est la suivante : elles sont précédées d’une tâche introductrice du modèle de la chaîne sonore (T1) et sont construites de la même manière. Le Tableau 77 donne les différentes tâches au cours desquelles les élèves ont mis en oeuvre une ou plusieurs connaissances non attendues.

Tableau 77 : Nombre de relation entre les niveaux attendus et ne correspondant pas à une connaissance attendue

Dyade, N° Tâche et Intitulée	Niveaux de savoir de la tâche	Nombre de relation entre les niveaux attendus (analyse a priori)	Nombre de relations ne correspondant pas à une connaissance attendue
Dyade 16
T2 La chanteuse	TM CE	7	3
Dyade 12
T4 l’indien	TM CE	5	2
Dyade 20
T4 l’indien	TM CE	5	3
Dyade 8
T2 La chanteuse	TM CE	8	4
T3 le public	TM CE	4	1
T4 l’indien	TM CE	4	1
Niveaux de savoir TM : théorie-modèle CE : champ expérimental OES : objets événements simulés Re : relation

D’après le Tableau 77, nous constatons que les élèves mobilisent des connaissances non attendues à différents moments :

Lors de la réalisation du premier exercice d’application.

Les deux dyades (16 et 8) mobilisent des connaissances non attendues dès le premier exercice (T2). Elles apparient le milieu de propagation à un élément visible de la situation (la salle) au lieu de l’air (élément invisible). Nous donnons ici un exemple à partir de la dyade 16.

• T2 TP0 N° TdP 60 A ’Ensuite heu / ah il faut faire chaîne sonore / ouais la chanteuse ensuite moi je dirai air non ou salle’

• 61 B ’ Air ou salle’

• 62 A ’Je ne sais pas’

• 63 B ’Moi sur mon truc (feuille de préparation) j’avais mis salle’

Durant les trois exercices d’application et dans des ’proportions’ qui diminuent.

Les connaissances non attendues mobilisées par la dyade 8 relèvent d’une même difficulté : celle de déterminer le milieu de propagation. En fait, il semble que cela soit uniquement l’élève A qui ne parvienne pas à donner sens au milieu de propagation.

• T3 TP0 N° TdP 45 A ’Chapeau on va mettre’

• 46 B ’Non c’est l’air’

• 47 A ’Oui allez vas y / vas-y / c’est pas l’air / mais bon’

C’est seulement lors de l’exercice T4, que l’élève A prendra conscience du rôle joué par le milieu de propagation.

• T4 TP0 N° TdP 55 A ’Train / ah non pas sur / c’est peut être le rail / parce que c’est le rail qui émet’

• 56 B ’Le rail c’est le moyen’

• 57 A ’Ah oui c’est le moyen / donc rail l’émetteur / oui train émetteur / rail milieu / et récepteur c’est l’indien’

Lors du troisième exercice (T4).

Les dyades 12 et 20 mobilisent des connaissances non attendues en appariant la source de son au milieu de propagation ’le rail’. Nous donnons un exemple (dyade 20) :

• T3 TP0 N° TdP 92 B ’Ensuite planches / non rail’ (à propos de l’émetteur)

• 93 A ’Oui mais c’est le train qui’

• 94 B ’Oui mais c’est par les rails qu’il entend’

• 95 A ’Oui mais ça fait train rail / et et l’indien’

III.1.1.1 En résumé

Nous retrouvons l’un des résultats de l’analyse globale : la mise en oeuvre successive d’un même modèle dans diverses situations semble favoriser l’évolution des élèves face à des difficultés (le nombre de relations correspondant à des connaissances non attendues diminue ou s’estompe). Ainsi, donner l’occasion aux élèves de réinvestir à plusieurs reprises un même modèle participe à l’appropriation du modèle en jeu. De plus, l’absence de réponse inexacte (comme par exemple la dyade 8 lors des tâches T3 et T4) n’indique pas que les élèves mobilisent des connaissances non attendues, c’est-à-dire, qu’ils ont des difficultés à réaliser la tâche. Ce dernier point montre d’une part la complémentarité entre les deux analyses, globales et locales. D’autre part, cela souligne que le fait de donner une réponse ’exacte’ n’est pas totalement significatif de l’appropriation du savoir en jeu.

III.1.2 TP1’Les différents éléments de la chaîne sonore’

Le TP1 se compose de 8 tâches. L’objectif de ce TP est d’abord d’étudier le phénomène à l’origine du son, puis de décrire ce phénomène à partir des grandeurs physiques associées (la fréquence et l’amplitude). Le Tableau 78 regroupe les différentes tâches au cours desquelles les quatre dyades ont mis en oeuvre une ou plusieurs connaissances non attendues.

Tableau 78 : Etude des relations entre les niveaux attendus et non attendus mises en oeuvre lors du TP1

Dyade, N° Tâche et Intitulée	Niveaux de savoir de la tâche	Nombre de relation entre les niveaux attendus (analyse a priori)	Nombre de relations ne correspondant pas à une connaissance attendue
Dyade 16
T1Activité expérimentale
T1b Détermination	TM CE	5	2
T1d Conclusion	CE	3	2
T8 Test 2	TM OES	8	1
Dyade 12
T3 Mesure de F	TM OES	5	1
T4 Mesure de A	TM OES	2	2
T8 Test 2	TM OES	8	1
Dyade 20
T1Activité expérimentale
T1b Détermination	TM CE	6	5
T3 Mesure de F	TM OES	18	16
T8 Test 2	TM OES	6	1
Dyade 8
T8 Test 2	TM OES	22	10
Niveaux de savoir TM : théorie-modèle OES : objets événements simulés CE : champ expérimental Re : relation

Dans la suite, nous présentons les principales difficultés des élèves en distinguant les caractéristiques principales de ces tâches.

III.1.2.1 Tâches précédées du modèle en jeu

Dans un premier temps, nous remarquons que les deux tâches T3 et T8, qui sont précédées d’une tâche introductive du modèle en jeu, sont celles qui donnent lieu à la mise en oeuvre de connaissances non attendues dans des proportions particulièrement élevées (dyade 20 T3 et dyade 8 T8). Nous rappelons que l’analyse globale (Chapitre 8), a conduit à supposer que ces deux tâches posent des problèmes aux élèves. Nous étudions succinctement les difficultés mises en oeuvre par les dyades lors de la réalisation de ces deux tâches.

Commençons par la tâche 3. Si la dyade 12 ne mobilise qu’une seule connaissance non attendue, la dyade 20, en revanche, ne mobilise que deux relations correspondant à des connaissances attendues. La connaissance non attendue de la dyade 12 qui est commune à la dyade 20 résulte de la définition d’aller-retour utilisée par les élèves : ils comptent un à chaque aller et retour. Nous donnons un exemple à partir des verbalisations de la dyade 20 (TdP 22-27).

• T3 TP1 N° TdP 22 A ’Combien il en était’

• 23 B ’5 et demi’

• 24 A ’5 et demi’

• 25 B ’Donc ça fait aller-retour bon’

• 26 A ’Bein’

• 27 B ’Donc attends ça fait douze onze / parce que moi j’ai compté combien de fois il descend et il remonte / il faut compter’

Cependant, cette difficulté peut-être expliquée par la formulation de la consigne demandant de compter le nombre d’allers et retours : ’ A l’aide du chronomètre, compter le nombre d’allers et retours effectués par la membrane du haut-parleur pendant un temps t (10 secondes par exemple). Puis donner la valeur de la fréquence de vibration’.

Tandis que la dyade 12 parvient, suite à l’appel de l’onglet Aide, à prendre conscience de l’écart entre ses connaissances et celles qui sont attendues, la dyade 20 ne reconnaîtra partiellement⁷⁹ cette difficulté qu’au bout de 14 minutes. Cette dyade mobilise différentes connaissances non attendues qu’elle mobilise même suite à l’appel de l’onglet Aide que nous recensons ci-dessous :

• apparier la fréquence de vibration au nombre d’allers-retours compté durant un temps t,

• utiliser la formule de la fréquence sans donner sens à la période T ce qui l’amène à l’identifier au nombre d’allers-retours compté ou au temps pour compter le nombre d’allers-retours .

Lors de la tâche (T8) où les élèves sont censés mettre en oeuvre la relation entre la perception sonore et les grandeurs caractéristiques de la vibration, les difficultés rencontrées sont les suivantes :

• Relation entre un son faible et une amplitude élevée (dyade 16 N° TdP 31à 33, dyade 8 N° TdP 38 et 160).

• Relation entre un son faible et une fréquence petite (Dyade 20, N° TdP 8-10 et N° TdP 15-16).

• Relation entre un son grave et une fréquence élevée (Dyade 8 N° TdP 87)

• Détermination des grandeurs caractéristiques de la vibration (fréquence et amplitude) à partir des représentations dynamiques qui présentent un mouvement flou de la membrane du haut-parleur (Dyade 12 (N°TdP 17-18), dyade 20 (N° TdP 3), dyade 8 (N° TdP 33).

III.1.2.2 Tâches se rapportant à un modèle connu présenté dans une séquence précédente

Lors de la tâche T1b ’détermination de la source de son’, nous relevons une même connaissance non attendue des dyades 16 et 20. Elles associent la source à l’objet agissant sur la source de son tel que la main, la baguette (dyade 16 (TdP 33-37), dyade 20 (TdP 45-51). Nous donnons ci-dessous un exemple à partir de la dyade 16.

• T1 TP1 N° TdP 33 B ’Déterminer directement la source de son en cliquant sur l’image / êtes vous sûr de votre réponse’

• 34 A ’Non c’est la baguette’

• 35 B ’Ah bein non bein oui je n’avais pas compris que c’était ça bon / non la baguette frappe la peau du tambourin c’est la peau qui est la source du son (lecture du feed-back)’

• 36 A ’Ah bon’

• 37 B ’Ah ah je ne savais pas / oui la peau du tambourin est la source du son / moi je croyais que c’était l’action comme si ce n’était pas si on ne tape pas dessus cela ne va pas faire de bruit +’

III.1.2.3 Autres cas

Dans le cadre des deux tâches suivantes, nous allons montrer qu’une connaissance non attendue peu perdurer suite à la réalisation de différentes tâches semblables, et suite à la consultation d’informations dans l’onglet Aide.

Lors de la tâche T1d Conclusion, nous retrouvons l’une des connaissances non attendues de l’élève B dyade 16 à propos des sources de son : elle considère que la source de son ne vibre pas, elle donne lieu à des vibrations (N° TdP 76-79 (T1c) et N° TdP 196-201 (T1d)) :

• Dyade 16 T1c ’Description’ de l’expérience du diapason

• T1 TP1 N° TdP 76 A ’Il (le diapason) vibre il vibre c’est justement ça qui fait décoller la balle’

• 77 B ’Oui mais c’est pas lui qui vibre’

• 78 A ’Bein si’

• 79 B ’Il émet des vibrations’

• Dyade 16 T1d ’Conclusion’ de l’activité expérimentale

• T1 TP1N° TdP 196 A ’Alors toutes les sources de son’

• 196 B ’Sont crées à partir d’une vibration’

• 197 A ’Heu’

Lors de la tâche 4 ’Mesure de l’amplitude’, la dyade 12 recueille des informations dès la lecture de l’énoncé. L’élève B semble avoir construit le savoir en jeu. Pour l’élève A, suite à la navigation dans l’onglet Aide, l’amplitude de vibration est définit comme le déplacement de la partie vibrante de la source entre sa position minimale et sa position maximale. Nous pouvons noter que l’élève B suite à la demande de validation de la réponse (TdP 7) justifie la réponse de l’élève A en se référant à la définition de l’amplitude (TdP 10) :

• T4 TP1 N° TdP 4 B ’L’amplitude de déplacement oui / c’est la différence entre le machin là et le maximal’

• 5 A ’Une graduation en mm’

• 6 B ’Une deux trois quatre cinq /cinq’

• 7 A ’Ça fait dix oui 10 tu vas voir / oh purée ++’

• 8 B ’Non c’est cinq’

• 9 A ’Oui

• 10 B ’C’est la différence / c’est à partir du point repos’

III.1.2.4 En résumé

Les tâches qui conduisent à la mise en oeuvre d’un nombre élevé de connaissances non attendues sont celles que nous avions identifiées comme difficile lors de l’analyse globale et sont celles qui sont précédées des tâches introductives du modèle en jeu. Au cours de la réalisation de ces tâches, les élèves se réfèrent à plusieurs reprises à l’onglet Aide (Chapitre 8). Cela peut signifier que les élèves ont des difficultés à prendre conscience de l’écart entre leurs connaissances et celles qui sont attendues. Ensuite, nous avons noté que le réinvestissement d’un modèle connu, celui de la chaîne sonore, à partir d’un dispositif expérimental nouveau, favorise l’émergence de nouvelles difficultés des élèves. Comme nous l’avons présenté dans le cadre théorique (Partie A), il est important de proposer une nouvelle situation à partir de laquelle l’élève s’assurera de la reproductibilité de sa connaissance.

III.1.3 TP2 ’Le milieu de propagation du son’

Nous rappelons que ce TP a pour objectif d’amener les élèves à prendre conscience que l’une des conditions pour percevoir un son est liée à la présence d’un milieu de propagation. Nous présentons les principales difficultés des élèves en distinguant les caractéristiques principales de ces tâches.

Tableau 79 : Etude des relations entre les niveaux attendus et non attendus mises en oeuvre lors du TP2

Dyade, N° Tâche et Intitulée	Relation entre les niveaux attendus (analyse a priori)		Nombre de relations ne correspondant pas à une connaissance attendue
	Relation	Nombre
Dyade 16
T9 Prévoir ’Introduisons de l’hydrogène’	Re(TM-CE)	3	2
Dyade 12
T7 Chaîne sonore cloche à vide	Re(TM-CE)	4	1
Dyade 20
T7 Chaîne sonore cloche à vide	Re(TM-CE)	7	3
Niveaux de savoir TM : théorie-modèle CE : champ expérimental OES : objets événements simulés Re : relation

III.1.3.1 Tâches se rapportant à un modèle connu

Nous remarquons que la modélisation de l’expérience de la cloche à vide à partir du modèle de la chaîne sonore, favorise la mise en oeuvre de connaissances non attendues par les dyades 12 et 20. Ces connaissances non attendues sont communes aux deux dyades. La construction de la chaîne sonore aide les élèves à identifier les différents lieux où ’va vivre’ le son et à leur faire prendre conscience que lorsque le vide est réalisé, il y a ’aucun’ milieu de propagation et ’aucun’ récepteur. La dyade 12 écarte sa connaissance non attendue dès le début de la réalisation de la tâche (N° TdP 23-25).

• N° TdP 23 B ’Lorsque le vide est réalisé et bein il y a juste la cloche qui est le récepteur le réveil’

• 24 A ’L’émetteur c’est le réveil’

• 25 B ’L’émetteur et aucun aucun aucun / aucun / aucun’

En revanche, la dyade 3 propose successivement différents récepteurs potentiels, puis décide de retourner dans la page-écran où le modèle est introduit (N° TdP 23-33) :

• T7 TP2 N° TdP 23 A ’Oreille c’est avec tes oreilles que tu entends’

• 24 B ’Oui’

• 25 A ’Ah’ (réponse inexacte)

• 26 B ’Essaye moi je dirais la cloche / enfin le socle / non la cloche’

• 27 A ’Bon alors cloche / oui +’

• 28 A et B ’Non’ (réponse inexacte)

• 29 A ’Bon bein c’est entre le socle alors’

• 30 B ’Attends / heu + c’est aucun c’est aucun puisqu’on n’entend pas de son’

• 31 A ’Ah y a pas’

• 32 B ’Je ne sais pas’

• 33 A ’Attends (retourne en arrière jusqu’à l’indien) / tu vois aucun’

III.1..3.2 Termes non familiers aux élèves

La dernière difficulté relevée dans le cadre de ce TP, est due au terme dihydrogène : ’Faisons pénétrer du dihydrogène dans la cloche dans laquelle on a fait le vide’. Les élèves sont alors amenés d’une part à identifier le dihydrogène en tant que gaz et d’autre part à apparier ce gaz au milieu de propagation. L’appel de l’onglet Aide favorisera la construction à la fois que le dihydrogène est un gaz et que le gaz est un milieu de propagation. Nous donnons un exemple avec la dyade 16 :

• T9 TP2 N° TdP 4 A ’Deux H je ne sais pas moi c’est un gaz’

• 5 B ’C’est un gaz ’

• 7 B ’Milieu’ (sélection de l’information Milieu dans l’onglet Aide).

• 8 A ’Non bein non ils mettent gaz là par exemple le gaz carbonique le dihydrogène’

III.1..3.3 En résumé

Nous retrouvons ici, l’intérêt de proposer aux élèves d’utiliser un modèle connu pour expliquer la situation proposée. Ensuite, nous avons noté que l’utilisation de termes non familiers ’dihydrogène’ perturbe la démarche des élèves.

III.1.4 TP3 ’La propagation du son dans l’air’

L’objectif de ce TP est d’amener les élèves à se construire un modèle explicatif de la propagation du son dans l’air à partir de deux situations expérimentales. Cette séquence est censée permettre d’établir le lien entre les phénomènes microscopiques (mouvement des particules constituant l’air lors de l’émission d’un son) et, les phénomènes macroscopiques faisant intervenir des objets matériels, utilisés ou non dans la vie quotidienne.

Tableau 80 : Etude des relations entre les niveaux attendus et non attendus mises en oeuvre lors du TP3

Dyade, N° Tâche et Intitulée	Relation entre les niveaux attendus (analyse a priori)		Nombre de relations ne correspondant pas à une connaissance attendue
	Relation	Nombre
Dyade 16
T3 Exploitation de l’expérience Chaîne sonore	Re(TM-CE)	6	1
T11 Expérience bougie (observation)	Re(TM-CE)	3	2
T12 Interprétation de l’expérience	Re(TM-CE)
T13 Interprétation macroscopique	Re(TM-CE) Re(TM-OES)	7	4
Dyade 12
T3 Exploitation de l’expérience Chaîne sonore	Re(TM-CE)	3	2
Dyade 20
T3 Exploitation de l’expérience Chaîne sonore	Re(TM-CE)	4	3
T12 Interprétation de l’expérience	Re(TM-CE)	3	2
Dyade 8
T3 Exploitation de l’expérience Chaîne sonore	Re(TM-CE)	6	4
T12 Interprétation de l’expérience (bougie)	Re(TM-CE)	2	2
Niveaux de savoir TM : théorie-modèle CE : champ expérimental OES : objets événements simulés Re : relation

III.1.4.1 Tâches se rapportant à un modèle connu présenté dans une séquence précédente

Le modèle de la chaîne sonore

Nous rappelons que la chaîne sonore est censée ici permettre aux élèves de se distancer par rapport à l’événement en jeu, ’le mouvement de la balle’ et de construire une première interprétation de son mouvement en tenant compte des différents éléments de la chaîne sonore. Cette activité est précédée d’une tâche dédiée à l’observation de l’expérience. Au cours de la réalisation de la tâche, nous retrouvons l’une des connaissances non attendues des élèves mises en oeuvre durant le TP1 : l’appariement de la source de son avec l’objet ’actant’, la baguette et l’appariement du récepteur avec l’objet associé à l’événement observable, la balle.

Si pour la dyade 1, cette connaissance semble être écartée (N° 21-25), pour les trois autres dyades c’est la solution qu’ils choisissent. Nous donnons ci-dessous un exemple à partir de la dyade 20

• T3 TP3 N° TdP 6 A ’Récepteur/ milieu / là tu as’

• 7 B ’Baguette’

• 8 A ’Ouais’

• 9 B ’Tambour / air’

• 10 A ’Heu non en premier c’est l’air et récepteur c’est la balle c’est normal’

Ensuite, via la construction de la chaîne sonore les élèves vont parvenir à se rendre compte qu’un récepteur n’est pas uniquement un dispositif permettant de percevoir un son (Dyade 1 N° TdP 29), mais est 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) (dyade 1 (N° TdP 32), dyade 3 (N°TdP 20), dyade 4 (N° TdP 17)). Nous donnons ci-dessous un exemple à partir de la dyade 1 :

• T3 TP3 N°TdP 28 A ’Air oui / et récepteur’

• 29 B ’C’est l’oreille / en fait c’est le son que l’on entend’

• 32 A ’A mon avis le récepteur c’est l’autre tambourin mais je ne suis pas sûr / essaye de toute manière’

Nous observons ici l’apport de la modélisation de la situation à partir de la chaîne sonore afin d’une part de distinguer les différents éléments de la chaîne sonore et d’autre part de prendre conscience du rôle de la balle dans l’expérience.

Le modèle de la vibration de la source de son

Au cours de la réalisation de la tâche 11 ’Observation de l’expérience’, durant laquelle les élèves sont censés observer le mouvement de la flamme de la bougie ainsi que celui de la membrane, nous constatons que l’un des élèves de la dyade 1 considère que dans le domaine des infrasons la source de son ne vibre pas ce qui va à l’encontre du modèle introduit lors du TP1 (T1) et du TP3 (T9).

• T11 TP3 N° TdP 23 B011’Oui / à très basse fréquence le son est inaudible / la membrane ne bouge pas’

• 24 A ’Si la membrane bouge’

De plus, nous retrouvons une nouvelle connaissance non attendue lors de la tâche 12 du TP3 : la dyade 16 considère que lorsque la source de son émet un son ni la source ni le milieu de propagation vibrent (N° TdP 57). Cela peut signifier que lors de la réalisation d’une tâche, les élèves se fient à ce qu’ils voient et omettent durant la réalisation de la tâche certaines de leurs connaissances : le contexte de la tâche implique un certain fonctionnement de la dyade.

• T12 TP3 N° TdP 49 B ’Lorsqu’on est / à basse fréquence / non à basse fréquence / comme ça ça non parce que sinon après c’est trop court / A basse fréquence la membrane bouge’

• 50 A ’J’allais mettre l’air vibre’

• 57 B ’ Bon ( ?) à partir de trente Hz la membrane ne bouge plus le son est audible / à partir de trente Hz la membrane / b r / ne bouge plus le son est audible’

• 58 A ’Et l’air non plus’

La dyade 20 énonce aussi lors de la tâche 12 que le milieu ne vibre pas lorsqu’il est possible de percevoir un son. Elle pointe elle-même que cette interprétation est en désaccord avec leur prédiction de la tâche 10 de ce même TP.

• T12 TP3 N° TdP 42 A ’Alors / en fait quand il y a le son le milieu ça ne bouge pas / quand il y a pas de son et bein ça bouge’

• 43 B ’Oui c’est ce que l’on vient de dire’

• 44 A ’Oui mais ce qu’il faut mettre / quand un son se propage et bien l’air ne vibre pas / mais si c’est en désaccord avec ce que l’on avait dit’

• 45 B ’Alors’

• 46 A ’Bien oui / ne vibre pas’

Remarque

Nous donnons quatre explications possibles pour de telles interprétations :

• Le questionnement est limité aux infrasons ce qui ne donne pas les moyens aux élèves d’envisager ce qu’il se passe dans le cas où ils percevraient un son.

• La vidéo de l’expérience montre que la flamme de la bougie ne vibre plus dès que l’on perçoit un son ce qui permet d’expliquer les réponses fournies.

• La réponse ne tient pas non plus compte du comportement de la flamme lorsque le son est audible : ’La flamme de la bougie est animée du même mouvement de va et vient que la membrane du haut-parleur. Quand le mouvement est visible, le son est inaudible’.
  En outre, il aurait été peut-être intéressant d’introduire le phénomène de persistance rétinienne dès le début de la séquence du TP3 afin que les élèves soient à même de comprendre que l’oeil est capable de distinguer les différents allers-retours effectués par la partie vibrante de la source de son pour un domaine de fréquence bien particulier (inférieure à 4 Hz).

• La relation entre la perception sonore et la vibration

Au cours de la tâche 13 ’Question’ (interprétation microscopique), les élèves vont mobiliser des connaissances non attendues relatives à la relation entre la perception sonore et les grandeurs caractéristiques de la vibration en tentant de vérifier si la proposition ’Le son émis par le haut-parleur se déplace d’autant mieux que le volume sonore est élevé’. Ils reconstruisent ces relations via l’utilisation du matériel.

• T13 TP3 N° TdP 11 A011’Attends attends on avait vu la fois dernière que quand la fréquence elle était basse ou haute que le son il était plus fort / la fréquence elle est haute ? ou plus basse’

• 12 B ’Bein haute / parce que regarde’

III.1.4.2 Tâches demandant de modéliser la propagation du son sans expliciter dans la consigne la mise en en oeuvre du modèle en jeu durant la séance

Lors de la tâche 12, les élèves mobilisent leurs propres connaissances pour expliquer le phénomène en jeu. Chaque dyade mobilise des connaissances non attendues et parfois reprennent le modèle qu’elles ont proposé en début de séance :

• Les dyades 16 (TdP 47-60) et 20 (TdP 42-44) considèrent que le milieu vibre uniquement lorsqu’il y a un son : modèle issu de l’observation de la vidéo lors de la tâche 11.

• T12 TP3 N° TdP 57 B ’Bon ( ?) à partir de trente Hz la membrane ne bouge plus le son est audible / à partir de trente Hz la membrane / b r / ne bouge plus le son est audible’

• 58 A ’Et l’air non plus’

• 59 B ’Et merde / plus’

• 60 A ’Et l’air non plus / c’est ça non’

• La dyade 12 considère que lorsque le son se propage il y a des vibrations dans l’air (TdP 43) : modèle proposé lors de la tâche 4 ’Interprétation de l’expérience des deux tambourins’.

• T4 TP3 N°TdP 26 A ’Oui / l’air elle vibre qui fait vibrer l’autre tambourin qui fait sursauter la balle’ 

• 43 A ’Quand le son / quand le son se propage / vas y marques / quand le son se propage / il fait vibrer / il y a des vibrations dans l’air / ce qui fait bouger la flamme / vibration / oui faites l’expérience parce que c’est mieux (il parle à l’autre groupe)’

• La dyade 8 interprète la vibration du son en tant qu’une onde sonore (N° TdP 42-46) : modèle proposé lors de la tâche 4 ’Interprétation de l’expérience des deux tambourins’.

• T4 TP3 N°TdP 26 B ’L’air il vibre pas il transporte c’est les ondes qui vibrent’

• T12 TP3 N°TdP 49 B ’L’air fait transporter les ondes émises par le haut-parleur + et font bouger la bougie +’

• 50 A ’Mais oui mais ça on l’avait dit ça + aller hop valide / mais bon’

III.1.4.3 En résumé

L’analyse des tâches conduisant à la mise en oeuvre de relations attendues nous a permis de noter dans un premier temps que les savoirs introduits lors du premier TP ne sont pas encore construits par les quatre dyades : la vibration de la source de son, la relation entre la perception sonore et les grandeurs caractéristiques du son, le modèle de la chaîne sonore. En fait, au travers de la réalisation des différentes tâches, les élèves sont amenés à mettre en oeuvre les savoirs introduits lors du premier TP et à élaborer en même temps un modèle de la propagation du son. Au cours de la tâche 12, nous retrouvons pour deux dyades sur quatre la mise en oeuvre d’un même modèle interprétatif de la propagation du son que lors de la tâche 4. Cela semble montrer que la réalisation des autres tâches n’a pas permis aux élèves de modifier leur modèle. En outre, le modèle particulaire introduit lors de la tâche 6 n’est pas utilisé jusqu’à la tâche 13: l’absence de questionnement explicite relatif au modèle particulaire durant les tâches 7 à 13 peut contribuer à ce que les élèves privilégient leur modèle à celui qui est proposé. Nous retrouvons également que l’utilisation d’un modèle connu favorise la construction de sens du phénomène en jeu. Certes, les élèves ont donné une réponse inexacte lors de la réalisation de la chaîne sonore, mais cette tâche leur a permis de pointer le rôle de la balle. L’erreur réalisée donne l’occasion aux élèves de donner sens aux éléments de la situation, elle est donc constitutive du processus d’apprentissage (Balacheff, 1994).

III.1.5 TP4 ’Deux des grandeurs caractéristiques du son’

L’objectif du TP4 est d’étudier deux des propriétés du son la hauteur et le volume (ou intensité) en relation avec les grandeurs caractéristiques de l’onde sonore la fréquence et l’amplitude. Durant cette séquence, nous donnons la possibilité aux dyades choisies d’utiliser le matériel.

Tableau 81 : Etude des relations entre les niveaux attendues et non attendues mises en oeuvre lors du TP4

Dyade, N° Tâche et Intitulée	Relation entre les niveaux attendus (analyse a priori)		Nombre de relations ne correspondant pas à une connaissance attendue
	Relation	Nombre
Dyade 16
T 12 Etude des grandeurs caractéristiques du son à l’oscilloscope	Re(TM-OES)	17	2
T24 Reproduction du son du diapason (expérience)	Re(TM-OES)	6	1
Dyade 12
T4 Première expérience : Perception sonore	Re(TM-CE)	2	1
T5 Interprétation de l’expérience	Re(TM-CE)	2	1
T16 Reproduire le même son : Question	Re(TM-CE)	2	1
T21 Expérience 2 : Emetteur -récepteur	Re(TM-CE)	1	1
T22 Expérience 3 Emetteur –récepteur	Re(TM-CE) Re(TM-OES)	5	5
Dyade 20
T9 Interprétation de l’expérience	Re(TM-CE)	3	1
Niveaux de savoir TM : théorie-modèle CE : champ expérimental OES : objets événements simulés Re : relation

Nous notons que chacune des dyades mobilisent des connaissances non attendues lors de tâches différentes et dans des proportions assez réduites (sauf pour la dyade 12). Notre étude se basera sur une étude du savoir en jeu. Nous rappelons que ce TP a pour principal objectif que les élèves réinvestissent les différents savoirs du TP1 à partir de nouvelles représentations. Nous décrivons ci-dessous les tâches au cours desquelles les élèves ont mobilisé des connaissances non attendues.

III.1.4.1 Tâches se rapportant à un modèle connu présenté dans une séquence précédente

Relation entre la perception sonore et les grandeurs caractéristiques de la vibration

Lors de la tâche T4, l’élève A de la dyade 12 semble hésiter lors de l’élaboration de la relation :

• T4 TP4 N° TdP 41 A ’Plus aigu / quand on augmente l’amplitude et bein le son il est + (...) de plus en plus fort / ah’ (A propose une première réponse qui est inexacte)

• 42 B ’De quoi /’

• 43A ’Et bein voilà’

• 44B ’Si tu augmentes la truc amplitude’

• 45 A ’Oui /oui je disais je me suis gouré’

A propos de la dyade 16, nous constatons que l’élève B ne mobilise pas lors des tâches 12 et 24 la même connaissance non attendue : la relation entre la grandeur amplitude et la hauteur.

• T12 TP4 N° TdP 64 B ’L’amplitude là elle est plus petite / donc ça va être plus grave’

• 76 B ’L’amplitude elle est plus grande donc ça va être plus aigu’

• 79 A ’Attends attends / l’amplitude ce n’est pas ça / l’amplitude c’est si c’est plus fort ou moins fort’

• T24 TP4 N° TdP 7 A ’Trop grave / c’est trop grave’

• 8 B ’Oui / donc on va monter l’ampl /’

• 9 A et B ’Non’

• 10 A ’Fréquence’

• 11 B ’Non c’est la fréquence /’

Enfin, dans le cadre de la dyade 20, au cours de tâche 9 ’Interprétation de l’expérience’ dont l’objet est de préciser de quelle manière la perception sonore évolue lorsque la fréquence de la tension électrique augmente, nous relevons une relation ne correspondant pas à une connaissance attendue de l’élève B (N° TdP 33) :

• T9 TP4 N° TdP 32 A ’Et ben c’est plus aigu plus la la fréquence est’

• 33 B ’Petite’

• 34 A ’Est grande plus c’est aigu si parce que quand on augmente la fréquence hop ça devient aigu /’

Néanmoins, la connaissance non attendue mise en oeuvre par l’élève B semble être due à la difficulté de lier la représentation du mouvement de la partie vibrante de la source à la perception sonore. La ’vibration fine’ (N° TdP 27) peut être vue comme la représentation dynamique fournit lorsque la valeur de la fréquence est élevée : c’est un mouvement flou de la membrane du haut-parleur. De plus, à partir de la vidéo ou de la simulation, nous avons la sensation que plus la fréquence augmente plus le son ’devient fort’. En fait, il nous faudrait préciser dès la tâche 9 du TP3 que notre perception sonore dépend de la fréquence de vibration de la source (voir audiogramme⁸⁰).

• T9 TP4 N° TdP 27 B ’Faire le lien entre / ben plus la vibration est fine plus le son est petit’

• 28 A ’Non la fréquence de varia- de / la fréquence de vibration est est’

• 29 B ’Ouais mais le son il est moins fort quand la vibration’

• 30 A ’est moins forte / On parle pas du son on parle de la fréquence’

• 31 B ’La perception sonore /’

III.1.4.2 Tâches nécessitant de se référer à la situation expérimentale pour mettre en oeuvre le modèle

Les deux tâches 21 et 22 au cours desquelles les élèves mettent en oeuvre des connaissances non attendues ont un même objectif : déterminer les caractéristiques de l’onde sonore selon la position du récepteur par rapport à celle de l’émetteur, dans le cadre de deux contextes distincts : une situation de la vie quotidienne pour la tâche 21 et un dispositif expérimental pour la tâche 22. De plus, les élèves sont censés mettre en oeuvre le même modèle à partir de deux systèmes sémiotiques : le langage naturel (tâche 21) et la représentation graphique (tâche 22).

Nous rappelons que, lors de la tâche 20, les élèves prédisent l’évolution de la perception sonore selon la position du récepteur dans l’espace à partir de la situation de la vie quotidienne aussi proposée dans la tâche 21.

Nous relevons que suite à la réalisation difficile de la tâche 20, les élèves parviennent à réaliser également avec difficulté les deux tâches qui suivent. En fait, il semble que les élèves ne réalisent pas le lien entre la tâche 20 et les tâches 21 et 22. En effet, lors de la tâche 21, pendant que l’élève A propose et évalue successivement ses réponses et qui sont inexactes (N°TdP 30), l’élève B utilise le matériel pour reconstruire le lien entre la perception sonore et les grandeurs caractéristiques de la vibration : il met en oeuvre le champ expérimental au travers de l’utilisation du modèle.

• T21 TP4 N° TdP 26 A ’Ah c’est en fonction de l‘amplitude et de la fréquence / plus petite / fréquence’

• 27 B ’Attends c’était regarde / l’amplitude elle est plus petite’ (utilisation du matériel)

• 28 A ’Et la fréquence’

• 29 B ’La fréquence elle est égale / attends je vais changer d’amplitude ’ (utilisation du matériel et construit la bonne relation)

• 30 A ’Ah oui c’est ça / encore plus petite / encore plus petite’ (validation et réponse inexacte)

• 31 B ’(?) / attends ++’

• T21 TP4 N° TdP 32 A ’La fréquence n’est pas la même / ah oui la fréquence elle est plus grande’ (validation et réponse inexacte)

• T21 TP4 N° TdP 33 B ’(utilisation du matériel) Ah mais quand c’est plus grand / ça fait un son plus aigu donc elle est pas plus grande l’amplitude heu la fréquence ça ne sera pas un son plus aigu / là tu dis cela sera un son plus grave (montre fréquence plus faible) / là plus aigu et la pareil / donc c’est identique et identique’ (B explique à A les choix)

Nous remarquons que là encore l’élève B se réfère continuellement au matériel pour réaliser la tâche et reconstruire les relations attendues. Il semble que le matériel permette à l’élève B de se reconstruire la situation proposée.

Toutefois, cette première situation ne permet pas aux élèves d’élaborer le savoir en jeu. En effet, au cours de la tâche 22, ils se trouvent confronter au même problème : ils sont censés réinvestir le modèle mais ne ’maîtrisent’ pas la situation expérimentale.

• T22 TP4 N° TdP 41011B ’Expérience 3 / Le microphone est un récepteur sonore il reçoit le son émis par un émetteur / et bein vas y’

• 42 A ’Oui on fait quoi on doit faire quoi’

• 43 B ’Déterminer la forme de la tension en fonction du temps aux bornes des deux microphones / il faut en mettre une là-bas’

• 44 A ’L’amplitude déjà elle ne change pas’

• 45 B ’Bein non l’amplitude reste la même’

Il faut attendre l’intervention de l’élève A (N°TdP 50) pour qu’ils construisent la relation avec la tâche précédente :

• T22 TP4 N° TdP 54 A ’La fréquence elle doit pas être identique’

• 55 B ’Je ne sais pas (retour page précédente) / identique’

• 56 A ’Fréquence identique’

L’analyse de cette dyade a montré la difficulté des élèves à passer du modèle au champ expérimental. Ainsi, l’intérêt de ces trois tâches est de donner les moyens aux élèves d’interpréter deux tâches au niveau du modèle en se référant à une tâche au niveau du champ expérimental.

III.1.4.3 En résumé

Lors de ce dernier TP, le premier point qu’il faut relever est que peu de tâches conduisent à la mise en oeuvre de connaissances non attendues et celles-ci ne sont pas communes aux dyades. Cela montre que globalement les élèves donnent sens aux savoirs en jeu durant le TP1 aux cours de la réalisation du TP2, TP3 et TP4. Toutefois, nous avons remarqué que les tâches se rapportant au savoir ’relation entre la perception sonore et les grandeurs caractéristiques de la vibration’ sont celles qui principalement donnent lieu à ces connaissances non attendues (que nous retrouvons lors du TP1 et TP3).

Ensuite, il a semblé qu’il était difficile pour des élèves de faire des allers-retours entre le modèle (niveau de la réponse) et le champ expérimental situation proposée (Tâche 21 et 22) lorsque ces derniers ont des difficultés, au départ, à décrire une situation dans les termes du champ expérimental. De ce fait, il semble qu’il leur est difficile de s’écarter du niveau de la réponse à donner.