1. Présentation

La séquence d’enseignement présentée dans ce travail est construite dans le cadre d’un projet achevé en juillet 2002. C’est une séquence de première S qui a été réalisée en classe réelle au lycée Branly à Lyon avec un enseignant P qui a participé au moment de sa construction. Elle présente le contenu d’enseignement qui servira comme support de l’analyse. L’architecture de la séquence est donnée dans le tableau 2 :

L’objectif essentiel que nous assignons à la séquence d’enseignement (tableau 1) est de permettre aux élèves de se construire un modèle clair, bien que partiel, de la formation des images en optique géométrique. Cela implique d’une part de cerner précisément les connaissances qui s’articulent pour former ce modèle dans l’espace théorique de la physique, d’autre part de tenir compte des conceptions que les élèves ont déjà construites, soit dans une étape antérieure de leur scolarité, soit dans leur vie quotidienne, dans ce domaine des images optiques.

Du point de vue de la physique et de l’analyse épistémologique présentée ci-dessus, les principaux points constitutifs d’un modèle de formation des images nous semblent être les suivants :

• La lumière nous apporte des informations sur des objets, soit parce qu’ils en émettent eux-mêmes, soit parce qu’ils reflètent ou diffusent une lumière venue d’ailleurs.
• Pour qu’un objet soit vu, il faut que cette lumière venue de lui pénètre dans notre œil.
• L’élément théorique élémentaire de description de la lumière est le rayon de lumière.
• Un objet lumineux peut être considéré comme constitué d’une juxtaposition de points lumineux ; de chaque point source part un faisceau de rayons ; tous les faisceaux sont indépendants entre eux.
• Quand une partie des rayons de lumière issus d’un point source traversent un système optique, et sous certaines conditions, ils se concentrent en un seul point de l’espace, appelé point image conjugué du point source à travers le système optique ; pour un observateur situé plus loin, les rayons qui lui parviennent semblent provenir du point image.
• L’image d’un objet est l’ensemble des images des points de l’objet.

Les conséquences pratiques de ces éléments du modèle sont principalement les suivantes :

• Une image est localisée ; si elle est située après le système optique, la lumière y passe réellement, on dit qu’elle est réelle ; si elle est située avant le système optique, la lumière n’y passe pas, mais elle semble en provenir aux yeux d’un observateur qui la reçoit après qu’elle ait traversé le système, on dit alors qu’elle est virtuelle.
• Notre œil ne fait pas de différence essentielle entre une image réelle et une image virtuelle, dont il fait lui-même une image sur sa rétine ; par contre on ne peut observer sur un écran diffusant qu’une image réelle.
• Un écran diffusant situé à l’endroit où se trouve l’image présente un aspect net, qui rappelle l’objet ; chaque point de l’objet apparaît sur cet écran sous la forme d’un point.
• Si l’écran est situé à un autre endroit de l’espace, l’aspect observé sera flou, ce ne sera pas l’image ; chaque point de l’objet apparaîtra sous forme d’une tache plus ou moins grande selon qu’on est plus ou moins écarté de la position où se trouve l’image.

À partir de ces bases de départ, la séquence d’enseignement de première S repose sur un certain nombre de choix qui tiennent compte des conceptions, qui nous ont conduits à ne pas respecter l’ordre du programme officiel, et si nécessaire à créer des tâches particulières :

• Ne pas considérer comme évident pour les élèves qu’on ne voit pas un objet sauf si la lumière qu’il envoie, arrive dans l’œil de l’observateur ; passer assez de temps sur des tâches élémentaires pour que les élèves tirent toutes les conclusions de ce fait ; expliciter ce qui se passe sur un écran diffusant, qui sera utilisé ensuite comme moyen d’investigation.
• Centrer la séquence sur la correspondance qu’assure un faisceau de lumière entre un point de l’objet et le point image conjugué ; cela implique de faire d’abord l’étude dans le cas d’une image réelle à travers une lentille convergente, parce que c’est dans ce cas qu’on peut le mieux réaliser des expériences mettant en valeur cet aspect central du modèle.
• Étendre ensuite cet aspect du modèle à des situations peut-être plus familières (la loupe, le miroir), mais qui présentent la difficulté de mettre en jeu des images virtuelles, donc moins facilement décomposables et analysables.

La réalisation de la séquence d’enseignement traduit la place prépondérante donnée aux processus de modélisation dans l’enseignement de la physique ce qui explique l’introduction d’un texte spécifique appelé « texte du modèle ». L’objectif de ce texte est d’aider l’élève à apprendre progressivement à distinguer ce qui se passe au niveau des objets et des événements observables de la façon de l’interpréter à l’aide des théories et des modèles. Ce texte reprend des énoncés théoriques de la physique institutionnelle. Il est présenté, formulé ou complété de façon à être compris par l’élève. De plus, il doit constituer un ensemble cohérent qui permet d'interpréter les expériences proposées dans l'enseignement, y compris dans les exercices et d’avoir un domaine de validité plus large dont il faut être conscient.