L'enseignement-apprentissage des acides et des bases en Tunisie : une étude transversale du lycée à la première année d'université, The teaching-training of acids and bases in Tunisia : a cross-sectional study from upper-secondary school to the first university year

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Sous la direction de Alain Dumon, Malika Trabelsi-Ayadi
Thèse soutenue le 05 décembre 2009: Université de Tunis, Bordeaux 2
Notre travail constitue une analyse objective de l'évolution des connaissances relatives aux acides et aux bases construites par les élèves et les étudiants suite aux enseignements reçus et en particulier lors de la transition lycée-université. Les travaux antérieurs avaient pour objectif de faire ressortir les conceptions alternatives et les difficultés dans la compréhension de ces concepts que sont susceptible de rencontrer les élèves et étudiants concernés par notre étude. Notre cadre théorique s’articule autour de la transposition didactique, de rapport au savoir et des relations entre les phénomènes et leur modélisation dans l'enseignement de la chimie. D’où l’apparition des questions et hypothèses de recherche. Suite aux analyses effectuées, il en résulte un manque de rigueur dans l’utilisation du vocabulaire et/ou du formalisme conduisant parfois à la présentation de modèles hybrides susceptibles d’induire chez les élèves ou les étudiants des conceptions alternatives ou de conduire à des difficultés de compréhension. Plusieurs conceptions alternatives et difficultés résultent aussi de la non mise en relation claire et explicite par les enseignants des trois registres de la chimie, macroscopique, microscopique et symbolique. Enfin, la transition lycée-université ne remplit pas les conditions favorables à un approfondissement conceptuel des savoirs vus en terminale, elle permet tout au plus leur réappropriation par certains.
-Acide-base
-Transition lucée-université
-Modélisation
-Rapport institutionnel au savoir
This work consisted of a complete longitudinal study of the didactic transposition relative to the acids and base conceptual field from the upper-secondary school to the first university year in Tunisia. A literature review led to the formulation of the research questions and hypotheses and to the choice of a analysis theoretical framework, the anthropological theory of didactics of Chevallard and the link between phenomena and their modelling in the chemistry education. Having made a historical analysis of the reference knowledge construction we realized a study of the institutional relationship of the pupils/students with the objects of knowledge for the various levels of education. We found a lack of strictness in the use of the vocabulary and\or formalism sometimes leading to the presentation of hybrid models susceptible to induce pupils/ student’s alternative conceptions or to lead to difficulties of understanding. We put in evidence that the tasks and techniques which repeat during the various levels of education concern the pH calculations and titrations. In the taught knowledge we have identify some inaccuracies and some inadequacy which can be at the origin of certain difficulties or alternative conceptions. Concerning the evolution of the knowledge learnt further to the successive educations, we put in evidence that the education concerning the acid and base concepts from the second year of upper-secondary school (grade 10) to the first university year leads gradually to the passage of a phenomenological model to a symbolic model, then to a pithy formula model, but little to the integration of the Bronsted scientific model. We also showed that it is in the difficulty to linking the three registers of chemistry, macroscopic, microscopic and symbolic, that lives the main difficulties encountered by pupils/students and their tendency to have recourse to use alternative reasoning’s. Besides, the conceptions and the identified alternative reasoning’s seem due to a lack of strictness in the presentation of the taught knowledge contents. Finally, if we consider the conceptual evolution during the secondary school-university transition, we put in evidence that this transition does not perform the favourable conditions to a conceptual analysis of the knowledge’s seen in grade 12, it allows, at the most, to their another appropriation by some. Propositions for improve this evolution were formulated.
-Acid-base
-Didactic transposition
-Transition secondary school-university
-Modelling
Source: http://www.theses.fr/2009BOR24925/document
Publié le : samedi 29 octobre 2011
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Université Victor Segalen Bordeaux 2
Année 2009…………………. Thèse n°4925
THESE
pour le
DOCTORAT DE L’UNIVERSITE BORDEAUX 2
ET DE L’UNIVERSITE DE TUNIS
Mention : Sciences de l’Education et
Didactique des disciplines
Titre de la Thèse
L'ENSEIGNEMENT-APPRENTISSAGE DES ACIDES ET DES BASES
EN TUNISIE : UNE ETUDE TRANSVERSALE DU LYCÉE À LA
PREMIÈRE ANNÉE D'UNIVERSITÉ
Présentée et soutenue publiquement
Le …05/12/2009………………………
Par Latifa OUERTATANI
Devant le Jury
Mr Habib BATIS, Professeur, Université de Tunis El Manar,………………………… Président
Mme Michèle KIRCH, Professeur, Université de Strasbourg,……………………… Rapporteur
Mr Ismail KHATTECH, Professeur, Université de Tunis El Manar,………………..Rapporteur
Mme Françoise ROUQUEROL, Professeur, Université Aix Marseille,……………Examinateur
Mr Alain DUMON, Professeur, IUFM d’Aquitaine – Université Bordeaux 4,……….Directeur
Mme Malika TRABELSI-AYADI, Professeur, Université de Carthage, Directrice

12SOMMAIRE
9 INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : ANALYSE A PRIORI DU RAPPORT DES ELEVES ET
DES ETUDIANTS AUX OBJETS DE SAVOIR RELATIFS AUX
15 ACIDES ET AUX BASES
(Apport des recherches antérieures)
15 1. CONCEPTIONS DES ACIDES ET DES BASES
15 1.1. Caractérisation par leurs propriétés perceptives
17 1.2. Caractérisation dans le registre des modèles
20 2. COMPREHENSION DE LA NOTION DE pH
22 3. FORCE DES ACIDES ET DES BASES
22 4. ACTION DES ACIDES SUR LES BASES (TITRAGES)
22 4.1. Réactions en solution
24 4.2. Rôle joué par les indicateurs
24 4.3. Courbes de dosage
25 5. NEUTRALISATION
26 6. EQUILIBRES ACIDE – BASE
28 7. SOLUTIONS TAMPON
8. COMMENTAIRES CONCERNANT LES ESPECES IONIQUES ET
29 LES REACTIONS EN SOLUTION
31 9. CONCLUSION
33 CHAPITRE 2 : LE CADRE THEORIQUE D'ANALYSE
1. QUELQUES CONSIDERATIONS SUR LA TRANSPOSITION
33 DIDACTIQUE
33 1.1.- La transposition externe (ou rapport officiel au savoir)
1.2. La transposition interne, par rapport au système didactique (ou les
35 rapports institutionnels et personnels au savoir).
39 1.3. Retour sur la transposition didactique
2. LE RAPPORT AUSAVOIR ET L'APPROCHE
39 ANTHROPOLOGIQUE DU DIDACTIQUE
39 2.1. Rapport au savoir
41 2.2. Le rapport institutionnel au savoir
44 2.3. Le rapport personnel de l’élève au savoir
33. DES PHENOMENES A LEUR MODELISATION DANS
L’ENSEIGNEMENT DE LA CHIMIE 45
4. CONCLUSION 51
CHAPITRE 3 : EVOLUTION HISTORIQUE DE LA CONSTRUCTION
DES CONCEPTS D'ACIDE ET DE BASE 55
1- LES ACIDES ET LES « BASES » CARACTERISES PAR LEURS
PROPRIETES PERCEPTIVES 55
1.1. Le commencement de l'élaboration du champ empirique 55
1.2. Les premières modélisations des acides, des alkalis et de leur
interaction 56
1.3. Des règles pour prévoir l'action d'un acide sur un alkali ou un métal 57
1.4. Rouelle, la classification des sels et le concept de base 58
1.5. L'état de la question sur les acides et les "bases" avant Lavoisier 58
2- LES ACIDES ET LES BASES CARACTERISES PAR UN
« ELEMENT » ENTRANT DANS LEUR COMPOSITION 60
2.1. Le point de vue de Lavoisier : les acides sont caractérisés par le
principe oxygine 60
2.2. La remise en question de la théorie de Lavoisier 62
2.3. Le triomphe des idées de Davy et Dulong : les acides sont des
combinaisons hydrogénées 63
3- LES ACIDES ET LES BASES EN SOLUTION AQUEUSE 63
3.1. La dissociation électrolytique 64
3.2. La définition ionique des acides et des bases en solution 65
4. DE NOUVELLES DEFINITIONS INDEPENDANTES DU SOLVANT 67
4.1. Définition ionique (protonique) de Brønsted et Lowry 67
4.2. Définition électronique de Lewis 69
4.3. Définition ionique (cationo-anionique) d'Usanovich 70
5. CONCLUSION 70
CHAPITRE 4 : LE RAPPORT INSTITUTIONNEL AU SAVOIR 79
1. LE RAPPORT INSTITUTIONNEL AU SAVOIR DANS LE CADRE
DU LYCEE. 79
1.1. Les instructions officielles et le savoir à enseigner 79
41.2. Analyse du contenu des ouvrages d'enseignement 82
1.3. Analyse des tâches proposées aux élèves 92
1.4. Le savoir enseigné : une étude de cas en terminale 107
2. LE RAPPORT INSTITUTIONNEL AU SAVOIR DANS LE CADRE
DE LA PREMIERE ANNEE D'UNIVERSITE. 111
2.1. Analyse du contenu du cours (Faculté des sciences de Tunis) 112
2.2. Analyse des tâches proposées en TD 121
2.3. Le savoir enseigné en TD : deux études de cas 128
2.4. Le savoir enseigné en TP 134
3. LE RAPPORT PERSONNEL AU SAVOIR DES ENSEIGNANTS
UNIVERSITAIRES 154
3.1. Connaissances curriculaires 155
3.2. Connaissances didactiques 155
3.3. Connaissances disciplinaires 157
4. CONCLUSION 160
CHAPITRE 5 : EVOLUTION TRANSVERSALE DU RAPPORT AUX
CONNAISSANCES DE BASE DES CONCEPTS D'ACIDE ET DE
BASE 167
1. DE LA PERCEPTION COMMUNE AU REGISTRE DES MODELES 167
1.1. Les acides et les bases dans la vie quotidienne 168
1.2. Caractérisation des acides et des bases 172
1.3. Evolution des représentations concernant la caractérisation des
acides et des bases 175
2. L'APPROPRIATION DU MODELE D'ARRHENIUS PAR LES
ELEVES DE DEUXIEME ANNEE DE L'ENSEIGNEMENT
SECONDAIRE 175
2.1. Qu’est-ce qu’un acide ? Une base ? 176
2.2. Force des acides et des bases 179
2.3. Lien registre empirique – registre des modèles concernant le concept
d'acidité (basicité) 180
2.4. Réaction entre un acide et une base 185
52.5. Discussion 186
3. LE MODELE DE BRONSTED ET SON APPROPRIATION :
TRANSITION LYCEE – UNIVERSITE 187
3.1. Définition des acides et des bases 188
3.2. Exemples d'acides et de bases 192
3.3. Force des acides et des bases 194
3.4. La notion de pH 196
3.5. Discussion 197
4. CONCLUSION 198
CHAPITRE 6 : ETUDE COMPARATIVE DE L'APPROPRIATION DE
QUELQUES OBJETS DE SAVOIR RELATIFS AUX ACIDES ET AUX
BASES PAR DES ELEVES DE TERMINALE ET DES ETUDIANTS
EREDE 1 ANNEE D’UNIVERSITE 201
1. L'APPROPRIATION DES "OBJETS DE SAVOIR" RELATIFS AUX
TITRAGES ACIDE-BASE 202
1.1- Analyse et classification des objets de savoir relatifs aux tirages 202
1.2. Revue de littérature des recherches menées sur le sujet (Rappels du
chapitre 2)
1.3. Questions de recherche et méthodologie 205
1.4. Analyse des réponses des étudiants 206
1.5. Discussion 207
2. A PROPOS DES CALCULS DE pH 218
2.1. Analyse des réponses des étudiants 221
2.2. Discussion 222
3. A PROPOS DES SOLUTIONS TAMPON 229
3.1. Analyse des réponses des étudiants 230
3.2. Discussion 230
4. EVOLUTION DU RAPPORT AU SAVOIR RELATIF AUX 234
DOSAGES ET AUX PH LORS DE LA TRANSITION LYCEE –
UNIVERSITE 235
4.1. Analyse des réponses des étudiants 236
4.2. Discussion 252
65. CONCLUSION 253
257 CONCLUSION GENERALE DE LA THESE
BIBLIOGRAPHIE
Bibliographie de la partie historique
Bibliographie générale
78INTRODUCTION
La notion d’acidité fait partie du langage de tous les jours. Par exemple, à l’idée de mordre un
citron, on éprouve une sensation d’acidité. Mais, la perception commune entend l’usage des
sens de manière purement passive, alors que la perception scientifique englobe la première et
implique une activité mentale de lecture et de représentation modélisante des phénomènes
“ perçus ”. Guyton de Morveau écrivait en 1786 dans le chapitre chimie de l'Encyclopédie
Méthodique : « La définition de l’acide est, à vrai dire, la clé de la chimie, non seulement
parce que ce sont les acides qui produisent les plus beaux phénomènes, et en plus grand
nombre, mais encore parce que ce sont des agents visibles et palpables, dont les idées
frappent nos sens […] ; de sorte que l’on peut dire que c’est la chimie des acides qui a
ébauché la science, et qui sert de base au système général de nos connaissances dans cette
partie de l’étude de la nature. Cependant rien n'est plus embarrassant pour ceux qui
commencent cette étude, que de se former une juste idée de la vertu acide, d'autant plus qu'ils
ont à la concilier avec celle d'alkali, qui étant bien réellement la même dans le principe leur
paraît néanmoins opposée sous d'autres rapports…».
Pour A. L. Lavoisier (1789), cette vertu acide sera attribuée au principe oxigine ; pour H.
Davy (1810) puis J. Liebig (1840) un acide est un composé contenant de l'hydrogène
remplaçable par un métal et pouvant neutraliser les bases ; Arrhenius (1887) propose une
propriété reposant sur la dissociation électrolytique : les acides sont les substances qui,
dissoutes dans l'eau, donnent des ions hydrogène et les bases sont les substances qui donnent
des ions hydroxyde ; puis en 1923 Brønsted présente, en même temps que Lowry, une
définition des acides et des bases, indépendante de la nature du solvant : "Les acides et les
bases sont des substances (électriquement neutres ou chargées) qui sont capables de céder ou
de capter respectivement des ions hydrogène" ; enfin, toujours en 1923, Lewis remplace
l'échange de protons par l'échange d'électrons pour expliquer des réactions impliquant des
acides non hydrogénés.
Si les acides et les bases ont occupé une place importante dans l'histoire de la chimie, ce sont
également des concepts centraux dans son enseignement (Ross & Munby, 1991; Oversby &
Spear, 1997 ; Oversby, 2000). En Tunisie, sont successivement présentés les modèles
proposés à différents moments de la construction historique des concepts : modèle
d'Arrhenius en classe de deuxième année de l'enseignement secondaire, modèle de Brønsted
en quatrième scientifique, modèle repris, complété et approfondi en première année
universitaire et accompagné du modèle de Lewis. Les élèves vont donc devoir abandonner au
9cours de leur scolarité leurs perceptions communes, leur substituer progressivement
différentes modélisations, dont certaines seront à leur tour abandonnées sans réelles
justifications au profit d'autres. Quelle juste idée de la vertu acide se sont-ils construits ?
Plusieurs études ont mis en évidence que de nombreux élèves ou étudiants ayant suivi un
cursus scientifique complet donnent des réponses incorrectes à des questions reposant sur des
problèmes semblant pourtant élémentaires pour eux (Viennot sur les forces, Johsua, Closset et
Caillot sur le courant électrique, Stavridou sur le concept de réaction chimique). Concernant
les concepts d'acide et de base, des entretiens exploratoires menés auprès de 18 enseignants
tunisiens de premier cycle universitaire ont fait apparaître un certain nombre de difficultés
rencontrées par les étudiants dans la compréhension et l'utilisation des concepts, malgré les
enseignements reçus les années antérieures. A la question, "Quels sont les problèmes
rencontrés par les étudiants lors de l’enseignement des concepts d'acide et de base ?", plus de
la moitié des enseignants répondent que c'est la construction du lien entre le monde
observable (les phénomènes chimiques) et le monde théorique (les modèles chimiques) qui est
le problème principal : " Les étudiants ne savent pas ramener le problème de chimie en terme
de théorie", "Les étudiants ne savent pas exactement ce qui existe dans une solution, ils ne
voient la réaction que du point de vue équation mathématique", etc. Il en résulte diverses
difficultés que l'on peut classer en trois groupes :
- mauvaise appréhension des approximations à faire ou des formules à utiliser lors des calculs
de pH : "Pour les étudiants, le pH est un obstacle. Ils trouvent des difficultés au niveau de
l’écriture des équations chimiques, c’est à dire dans le but de savoir les espèces présentes"
(mélanges d'acide et de base, solutions tampon, influence d'une dilution importante, non prise
en compte de l'autoprotolyse de l'eau), ce qui se traduit par une application automatique de
formules sans réflexion préalable : "Pour déterminer un pH, ils ne savent pas bien établir les
relations nécessaires". Par exemple, lorsqu'on leur demande de calculer le pH d'une solution
de NH Cl : "Plus que 80% des étudiants ont répondu pH=-log c, c’est comme si c’était un 4
acide fort. Ils ont oublié que c’est un sel".
- confusions ou absences de connaissances concernant les définitions : confusion entre bases
(acides) d'Arrhenius et de Brønsted ("Les étudiants font la confusion entre la théorie
d’Arrhenius et la théorie de Brønsted. Ils trouvent aussi des difficultés pour concevoir la
théorie de Lewis"), confusion entre acide et base, confusion avec oxydant et réducteur, non
connaissance de la notion de base, du comportement des ampholytes, du caractère acide ou
basique de certains ions, de ce qu'est une solution tampon ("Ils ne savent pas ce que ça veut
10

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