Les champs conceptuels de l’élément chimique

La science est ainsi construite que chaque concept scientifique qui sert à sa description se retrouve lié à une variété de situations expérimentales et théoriques. Celles-ci sont bien en relation dans la tête des enseignants, mais les élèves les découvrent de façon segmentée. Pour aider ces derniers à s’y retrouver, il faut de temps en temps impliquer ces concepts dans une réflexion aussi globale que possible. Dans le cas de l’élément chimique, la difficulté pour l’enseignant d’organiser cette réflexion est accrue par les finesses qui entourent sa définition. Viovy et Martinand ont montré la difficulté (historique et pédagogique) de distinguer cette notion de celle du corps simple (Martinaud et Viovy, 1979 ; Viovy, 1984). Il nous est apparu opportun de revenir sur ces difficultés avec un nouveau point de vue. Nous allons les considérer en relation avec la classification périodique, c’est-à-dire à la fin de la partie 2 du programme de Seconde sur la structure de la matière.

De notre point de vue, la difficulté essentielle d’enseigner la notion d’élément chimique tient au fait que trois approches différentes se succèdent, en classe de Seconde. Chacune d’elles met en jeu un ensemble de concepts appelé champ conceptuel. Nous pouvons imaginer qu’un élève est susceptible d’apprendre à utiliser la notion d’élément chimique dans chaque champ conceptuel sans pour autant être capable de les relier entre eux. Il appartient à l’enseignant lors du débriefing de prendre en charge les relations entre ces différents champs qui peuvent être définis comme suit :

• Le premier d’entre eux est celui de la conservation au cours d’une transformation chimique, connaissance fort utile quand, à la fin de l’année de Seconde, l’étude de la réaction chimique est abordée avec une approche quantitative. De nombreux concepts sont liés à cette conservation, par exemple : si l’élément chimique est initialement présent, il l’est à la fin de la transformation ; s’il est absent en fin de transformation, c’est qu’il n’était pas initialement présent ; les symboles des éléments chimiques servent pour cette raison à représenter les réactions chimiques, etc. Apprendre ces concepts et notions s’accompagne d’une série d’exercices d’application ciblés.
• Un deuxième champ conceptuel concerne la structure de l’atome, reliée au concept d’élément chimique via le nombre de protons contenus dans le noyau. Cela implique qu’il faut savoir raisonner sur les nucléons et leur masse. L’élève dispose pour cela d’une autre série d’exercices.
• Le troisième champ conceptuel impliquant l’élément chimique est lié à la classification périodique, dont l’objet est d’ordonner les éléments chimiques de façon à proposer au chimiste un outil de prédiction et d’interprétation performant. L’élève doit donc apprendre à ce sujet les notions de ligne et de colonne, de relation avec la charge des ions monoatomiques, et de similarité des comportements au cours des réactions chimiques. Il dispose pour cela d’une troisième série d’exercices.

La difficulté majeure de l’apprentissage est, selon nous, de savoir si l’élève peut parfaire ses connaissances sur la notion d’élément chimique sans mettre en relation ces trois séries d’exercices. Notre réponse est « non », sans hésiter car une notion appartenant à différents champs conceptuels ne prend son sens, pendant l’apprentissage, que lorsque l’élève établit suffisamment de relations entre toutes les connaissances concernées.