THESE présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur

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THESE présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur Strasbourg I Discipline : Sciences de l'éducation Option : Didactique des Sciences Par Kemal YÜRÜMEZO?LU UNE ETUDE SUR LES MODES DE RAISONNEMENT DES ETUDIANTS EN PHYSIQUE ACTUELLE Formation et développement du contenu conceptuel: du sensoriel au catégoriel et des particules aux phénomènes Soutenue publiquement le 14 décembre 2004 Membres du Jury : Directrice de Thèse : Mme Michèle KIRCH, Pr., Université Louis Pasteur Rapporteur Interne : Mme Marie-José REMIGY, Pr., IUFM d'Alsace Rapporteur Externe : M. Alain DUMON, Pr., IUFM d'Aquitaine Rapporteur Externe : M. Mahir ALKAN, Pr., Université Balikesir, Turquie Laboratoire des sciences de l'éducation et de la communication

  • sciences de l'éducation option

  • immense capacité de pensée libre des êtres humains

  • milet

  • êtres humains

  • compétence scientifique


Publié le : mercredi 1 décembre 2004
Lecture(s) : 37
Source : scd-theses.u-strasbg.fr
Nombre de pages : 601
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THESE présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Louis Pasteur
Strasbourg I
Discipline : Sciences de l’éducation
Option : Didactique des Sciences
Par Kemal YÜRÜMEZO ĞLU
UNE ETUDE SUR LES MODES DE RAISONNEMENT DES ETUDIANTS
EN PHYSIQUE ACTUELLE
Formation et développement du contenu conceptuel:
du sensoriel au catégoriel et des particules aux phénomènes
Soutenue publiquement le 14 décembre 2004
Membres du Jury :
Directrice de Thèse : Mme Michèle KIRCH, Pr., Université Louis Pasteur
Rapporteur Interne : Mme Marie-José REMIGY, Pr., IUFM d’Alsace
Rapporteur Externe : M. Alain DUMON, Pr., IUFM d'Aquitaine
Rapporteur Externe : M. Mahir ALKAN, Pr., Université Balikesir, Turquie
Laboratoire des sciences de l’éducation et de la communicationA ma famille et ma future épouse, Havva
1REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier très sincèrement
M. le Professeur A. Dumon,
qui m’a fait l’honneur de présider le jury de cette thèse,
Mme le Professeur M.J. Remigy et
M. le Professeur M. Alkan,
qui ont bien voulu consacrer leur temps et leur compétence au jugement de ce travail.
Je voudrais exprimer ma reconnaissance aux élèves et aux étudiants pour leur aimable collaboration
et également aux enseignants pour l’intérêt qu’ils ont porté à cette recherche.
Je remercie chaleureusement les membres de l’équipe du laboratoire de Sciences de l’Education et
Communication pour m’avoir accueilli dans leur laboratoire. Je remercie tout particulièrement N.
Hedjerassi pour ses précieux conseils et nos échanges
Mes remerciements à Mme Riff pour sa relecture patiente du manuscrit.
Je dois une reconnaissance particulière à Mme Michèle Kirch, qui a dirigé ce travail. Je tiens à la
remercier très vivement pour sa compétence scientifique et didactique qui m’a aidé à construire un
pont entre la science et leur enseignement. Son soutien amical et enthousiaste, sa collaboration
toujours fructueuse, ont joué un rôle déterminant dans l’élaboration de ce travail.
Mes remerciements s’adressent également à mes amis Havvanur et Kudret pour leur soutien
particulier.
Je remercie chaleureusement Claire Argyris pour son rôle familial et amical au cours de mon
séjour en France.
Enfin, je remercie vivement toutes les personnes qui m’ont aidé à construire ce travail.
2EN GUISE DE PREFACE
Un héritage riche, une histoire de pensée, un passage d’une théorie au
concret
Aujourd’hui, nous parlons encore de l’atome, peut-être tous les jours un peu plus, un discours qui
prolonge vers l’antiquité à l’école de Thalès à Milet, la côte de la mer Egée. L’idée de l’atome est
un des plus beaux trésors de l’antiquité, une des plus brillantes créations des êtres humains et aussi
un des plus beaux mots employés dans le discours de l’humanité de tous les temps. L’importance de
cette idée vaut un immense atelier qui provoque tous les jours, à chaque moment, des œuvres d’arts
par les scientifiques.
Nous apprenons sans cesse chaque jour une nouvelle dans le monde microscopique, une propriété
différente de l’atome ou bien une autre composante de l’atome, plutôt des sub-particules de
l’atome. Aujourd’hui l’idée de l’atome est remplacée par une entité concrète à la place d’une entité
abstraite. Jusqu’à la découverte de l’électron l’atome était une idée, une théorie et une entité
abstraite, invisible et indivisible pour les humains alors que de nos jours, dans certains discours
scientifiques, il s’agit de la possibilité de voir ou de toucher l’atome. D’où la construction en cours
de nanotechnologie qui parle de la manipulation d’atome.
L’atome est un très bon exemple dans l’histoire des sciences, c’est pourquoi, il est très important,
un passage de l’abstrait au concret, d’une idée à une fabrication, d’une théorie au concret. En
même temps, l’atome est une épreuve pour les scientifiques, une preuve et une argumentation de
leurs idées. Une preuve et une argumentation pour le passé et aussi un courage et une motivation
pour l’avenir. Les êtres humains ont vécu beaucoup de faits tant bien que mal dans leur histoire.
L’atome comprend une grande quantité d’énergie mais nous n’en avons pas très bien profité,
même de temps en temps, l’atome est devenu une des plus dangereuses armes contre l’humanité.
Quand je suis allé à Milet, j’ai été très ému par deux choses : d’une part, les philosophes et les
grands hommes de l’école de Milet, et leur grand constructeur Thalès étaient tous là, ils avaient
tous vécu ici, peut-être dormaient-ils encore ici sous le sol de cette terre, d’autre part en tant que
chercheur qui tente de travailler sous la lumière de ces grands hommes de l’antiquité. J’ai visité
tous les monuments historiques des alentours, je les regardais de différents angles de vue, tantôt
vers la mer, tantôt vers la plaine, tantôt vers le ciel sous le soleil de l’Egée. Ce que je cherchais
dans ces ruines, c’était trouver quelque chose, au moins un petit signe ou bien une petite idée qui
pourrait m’aider à avancer dans mon travail.
Quand je me suis assis sur un siège en pierre dans le théâtre antique de Milet, je me suis rendu
compte que tous les éléments de l’antiquité étaient sous mes yeux en même temps, l’air (le ciel
bleu), l’eau (la mer Egée), la terre ( la plaine « Méandre », qui est la plus riche de la terre de
3l’Anatolie ), le feu (le soleil). Il semble que la première raison de la réflexion sur l’atome c’est la
nature, la deuxième, la ville de Milet, une des villes les plus populaires de l’antiquité (une des 12
grandes villes de l’antiquité), Milet est une ville de commerce entre l’Orient (surtout l’Egypte et
l’Inde) et l’Occident, c’est-à-dire c’est une porte qui ouvre toutes les civilisations, évidement une
porte des échanges entre ces civilisations ; troisième raison, l’importance d’une construction d’une
école et la valeur de la pensée libre. L’école de Milet a valorisé tous ces assemblages en tant
qu’idées immortelles de tous les temps.
L’esprit de toutes les préoccupations des scientifiques contemporains autour des objets minuscules a
recours à la conception de l’atome, autrement dit, à la pensée libre de l’école de Milet. Il me
semble, chaque activité à laquelle nous nous intéressons nous fera toujours rappeler à l’immense
capacité de pensée libre des êtres humains et aidera à la transporter au futur. Enfin, pour moi, naître
dans ces sols est une chance et poursuivre une thèse autour de ces idées, est un devoir culturel, et la
somme de l’ensemble est un immense plaisir.
4INTRODUCTION
0.1 Question de recherches, réflexions et intentions
Mieux percevoir le monde auquel nous appartenons, rend intelligible un certain nombre d’activités
mentales et physiques. La question de mieux connaître ce qui se passe autour de nous, est cachée
derrière les limites de notre perception habituelle: il s’agit là du cœur du questionnement de cette
thèse. Rendre visible, rendre perceptible, et plus particulièrement rendre compréhensible nécessite
un processus expérimental, tant au niveau mental qu’au niveau de nos percepts. Comment mieux
utiliser nos percepts, comment mieux traiter des données provenant de nos percepts et comment
peut-on rendre intelligible ces derniers pour que l’interaction entre le connu et l’inconnu produise la
connaissance ? Pour répondre à cette question, nous devons mieux connaître le processus de nos
activités mentales à travers un certain nombre de questionnements et d’expériences. C’est le but de
notre recherche.
Etablir une relation entre le conçu et le perçu nous pousse à faire une recherche sur le
fonctionnement intellectuel des individus. De ce fait, le but principal de cette recherche est focalisé
sur les modes de raisonnement et les modes de perception des étudiants à toutes les étapes, depuis la
première année universitaire jusqu’à la fin de leur formation autour des concepts de base des
sciences physiques. Dans cette thèse, le groupe d’étudiants ciblé est surtout celui des futurs
enseignants, de différents niveaux et de deux cultures différentes (en France et en Turquie).
L’intention ici est d’analyser dans une perspective didactique des modes de raisonnement
d’individus face à des événements contextualisés dans la science, dans leur vie quotidienne et dans
l’enchaînement des concepts dans une période donnée.
Nous considérons que les concepts sont une construction théorique avec leur théorie, leurs
composantes et qui sont en lien avec les phénomènes (Chalmers 1991 ; Kuhn 1990). Mais en
réalité, ils sont souvent loin de leur propre nature, soit intégrés à notre activité quotidienne et
indépendante de leur origine, soit une composante qui est mal construite au cours de l’instruction
scolaire. Dans la physique actuelle, même si les concepts de base ont l’air d’être simples parce que
nous les utilisons fréquemment, au fond ils sont souvent réellement complexes. Ils sont tellement
présents dans notre langage quotidien qu’ils ont pris un air tout à fait ordinaire : d’une manière ou
d’une autre. Nous entendons et utilisons les mots de la physique dans des contextes divers:
quantum, énergie, atome, molécule, lumière, nanomonde… Notre piste durant cette recherche est
d’examiner ces concepts dans la perspective de la physique actuelle, ainsi que de déterminer quels
types de rapport il existe entre l’observabilité des phénomènes, la perceptibilité des objets, de leurs
propriétés et le processus d’abstraction.
5Aujourd’hui la position d’un certain nombre de chercheurs en didactique est que les travaux
effectués dans les sciences actuelles ne sont pas suffisamment présents dans les programmes
scolaires. Ceci est en fait un problème général de « transposition didactique » (Fischler 1992;
Fischler 1992); (Mashhadi 1996). Ces auteurs constatent que « bien que soixante cinq années
auparavant la physique quantique ait pris la place de la physique, dans beaucoup de livres
d’aujourd’hui nous pouvons voir que la physique classique est toujours dominante ». Les
paradigmes de la physique classique créent un obstacle dans l’apprentissage de la physique
quantique (Petri 1998) qui est la physique d’aujourd’hui : la physique quantique, ou bien les
sciences physiques basées sur la physique quantique, sont noyées dans l’idée de la ressemblance
avec la physique classique. Si la « transposition didactique » ne peut pas résoudre ce problème,
celui-ci va perdurer encore longtemps.

Un enseignement de la physique qui prendra forme avec la physique quantique aura besoin d’un
nouveau paradigme scientifique et bien évidement aussi d’un paradigme de didactique.
Dans la science d’aujourd’hui, le fait que tout le monde étudie dans de nombreux domaines
spécifiques empêche dans beaucoup de situations les personnes d’atteindre une vision plus profonde
de la science générale. Par exemple, lorsque nous demandons à une personne qui étudie les
molécules pendant une longue période dans plusieurs expériences qu’elle nous explique ce qu’est
une molécule, il n’est pas difficile de voir que cette personne rencontre des difficultés à donner une
réponse claire et distincte. Dans le milieu éducatif nous pouvons voir certaines personnes ayant des
affinités avec certains travaux scientifiques, mais qui sont loin de l’univers expérimental et dont les
travaux sont donc centrés sur des prévisions ou sur les expériences d’autres personnes. De ce fait,
malgré une réflexion plus profonde que l’expérimentateur ne peut avoir, elles n’arrivent jamais à
atteindre la réalisation des expériences scientifiques. Et en contre partie, l’expérimentateur ne
pourra jamais demander à savoir la manière avec laquelle les autres percevaient ce qu’il a fait.
Celui-ci publie son expérience qui est lue par de fins experts. Ceci permet à l’auteur d’être fier de
son travail ainsi de suite…mais cet enchaînement ne se referme jamais en continu. Ainsi le savoir se
retrouve toujours prisonnier de la subjectivité des chercheurs. Le vrai savoir se trouve en réalité
entre les mains de personnes qui sont dans le vif de ces travaux.

Souvent la vulgarisation du savoir est vue comme une méthode efficace pour atteindre des critères
objectifs, mais la vraie forme de la vulgarisation scientifique étant de simplifier et d’ôter tout ce qui
est mathématique et montre en fait que la vulgarisation rend impossible le transfert du savoir
véritable. Les livres scolaires, ou bien même beaucoup d’ouvrages universitaires sont sous l’effet de
cette logique de vulgarisation et s’éloignent ainsi de la source du savoir et ceci sans forcément s’en
rendre compte. Dans certaines situations, nous pouvons voir que le savoir réel de fond se contredit.
Il est possible de voir, néanmoins, de bons exemples dans la vulgarisation scientifique de la
physique quantique de Jean Marc Lévy -Leblond.

6Bien sûr la physique quantique ou bien la physique moderne n’ont pas évolué si rapidement, nous
pouvons trouver des traces tout au long du chemin de l’histoire des sciences ; des dates qui
changent les paradigmes de la science, des réflexions qui ouvrent des perspectives vers de
l’inconnu, des savants inoubliables depuis l’antiquité et des philosophes enracinés dans l’histoire,
mais malgré un siècle passé, je pense que nous n’avons pas encore beaucoup évolué en matière de
conception de la physique actuelle. Superficiellement, nous avons beaucoup d’informations sur
cette matière, par contre nous ne possédons pas de vraie connaissance sur celle-ci. Le vrai problème
est là.

L’objet de recherche de la physique s’appuie fréquemment sur les entités invisibles,
imperceptibles, parfois inconcevables. C’est pourquoi, faire un raisonnement et une argumentation
appropriée à ce raisonnement au sein de cette discipline rendent indispensable un certain nombre
d’activités mentales et sensorielles au cours des passages des données à partir des qualités des
objets aux registres conceptuels. Dans le cas échéant, nous nous retrouvons facilement dans les
limités de la métaphysique.

Beaucoup d’événements se déroulent autour de nous, qui sont basés sur une racine scientifique et
sont en dehors de notre compréhension de base. Par exemple, nous ne pouvons pas de suite dire par
simple toucher si c’est de l’eau ou non, personne jusqu’à aujourd’hui n’a vu deux molécules l’une
contre l’autre. Il y a tant d’autres exemples de ce même genre à donner.

En fait nous devons nous libérer des conceptions qui ont évolué et pris forme avec la physique
classique. Cette vision que nous devons avoir doit concerner tous nos sens. Une observation qui a
pour seul but la vision nous empêche d’atteindre les objets, plus particulièrement la qualité des
objets dans le monde microscopique.

De nos jours, la logique d’observation et d’expérimentation parmi les scientifiques a complètement
changé, mais nous essayons de résoudre cet univers complexe dans les programmes scolaires par
l’intermédiaire d’une logique simple, expérimentale et observatrice. Pour que l’enseignement
scientifique soit significatif autour de la science d’aujourd’hui, nous avons deux solutions possibles;
soit mettre en œuvre dans l’enseignement toute la méthode scientifique et les démarches qui sont
utilisés par les chercheurs (comme ce qui se passe autour du projet « la main à la pâte »), soit
supprimer ou reconstruire certaines parties des programmes scolaires qui sont incompréhensibles et
inaccessibles pour les élèves et étudiants dans le cadre de programmes actuels. Dans l’éducation
d’aujourd’hui, ce type d’approche n’est pas une obligation, mais une nécessité indispensable.

Par la suite, une autre question importante qui a commencé à se poser est la suivante : est-ce que
les concepts utilisés dans les sciences physiques peuvent être appris par tout le monde ? (Le
questionnement de Michel Hulin :Peut-on apprendre la physique ?, Le mirage et la nécessité 1992)
Je pense qu’avant de commencer quoi que ce soit, nous devons bien faire la différence entre ces
7deux faits. On a besoin de réfléchir sur chaque enseignement de la physique et sur les différentes
populations en cause. Si Piaget s’est autant attardé sur les niveaux intellectuels des étudiants (plus
particulièrement la notion d’ « épistémologie génétique » de Piaget) au cours de l’apprentissage, il
serait tout à fait compréhensible que nous (les didacticiens de sciences) devons consacrer aussi un
effort dans ce domaine.

0.2 Méthodologie générale
Dans cette étude, mon approche est de montrer les modes de raisonnement des étudiants lorsque
nous sommes face à la physique et aux concepts physiques d’aujourd’hui. Bien sûr, lorsque nous
devons faire ceci, il est inévitable de passer par une phase d’observation, d’expérimentation et de
développement intellectuel des étudiants.

Avant tout, il faut délimiter les objets qui vont être nécessaires aux individus lors de leur
observation dans l’univers physique de nos jours et aussi délimiter le cadre dans lequel ils vont
utiliser leur logique d’observation.

En réalité, l’observation et l’expérimentation d’aujourd’hui sont deux parties inséparables de la
science, elles sont indispensables pour l’acquisition des savoirs scientifiques. La question suivante
va se poser : « comment utilisons-nous nos perceptions ? ».Nos perceptions sont en quelque sorte
notre fenêtre qui s’ouvre au monde extérieur, c’est en même temps un processus complexe dans le
fond mais qui parait simple, qui permet la communication entre nos pensées et le monde extérieur.
Quel lien y –a-t-il entre nos perceptions et les inséparables pierres fondamentales de la science que
sont l’observation et l’expérimentation ? Ou bien quel lien pourrait-on créer pour établir un transfert
de savoir continu pour ainsi créer un circuit complet ?

0.2.1 Population
Dans ce travail, j’ai préféré choisir, comme objet d’étude, les individus qui visent à être
enseignants, les futurs professeurs de physique et de chimie en Turquie, et de Sciences Physiques en
France. Car dans ce type de recherche, les concepts et le mode de raisonnement et le mode de
perception des étudiants étaient très importants afin de connaître leur fonctionnement intellectuel
face à des faits qui s’installent au domaine de la physique d’aujourd’hui.. Quand à l’enseignant,
que sait-il ?, Comment réfléchit-il ? De quelle manière développe-t-il sa logique ? Et adopte-t-il
les différents niveaux d’enseignements, dans les différentes classes où il se trouve ? Et c’est sur ceci
que j’ai préféré m’attarder : « y a-t-il des changements dans leurs raisonnements ? » Bien
évidement, toutes ces situations, recherches, questions posées ont été choisies parmi des situations
réelles ou bien proches de la réalité.

8 Tout au long de leur formation est-ce que les enseignants ou bien les futurs enseignants ont bien la
capacité de développer un raisonnement pluriel ? Sont-ils débarrassés de tout obstacle ? Et sont-ils
prêts à s’adapter aux nouvelles situations scolaires et extrascolaires pour réaliser leur métier
d’enseignant ?

Ici je décris la personne qui serait capable de créer un pont entre la science active et le cerveau de
l’étudiant qui serait conscient de la nécessité d’une formation régulière, qui serait ouvert à
apprendre, et flexible, pouvant s’adapter aux différentes formes de raisonnements… La situation
idéale est d’être une personne qui a des connaissances bien acquises sur ses propres disciplines. Ces
qualités ne devraient pas être les qualités d’un enseignant idéal, mais des qualités que l’on trouve
chez chaque enseignant. Si nous réussissons à établir une chaîne de formation en toute conscience
de ces notions, je pense que nous pourrons alors nous sentir prêt à réussir beaucoup de choses.

Ici le problème de base est de voir comment nous pourrons créer un lien entre le monde
microscopique et le monde macroscopique, d’ailleurs ces deux mondes différents ne font qu’un.
Nous qui sommes dans les sciences physiques d’aujourd’hui ou bien dans la physique moderne,
comment percevons-nous et expliquons-nous ce qui est unique dans le fond. Dans cette thèse, j’ai
voulu voir plus précisément ce que pensent les groupes que j’ai étudiés, et comment ces derniers
interprètent ces deux mondes.

Parce que de nos jours, que ce soit dans le monde microscopique ou dans le monde macroscopique,
il y a beaucoup de points que nous n’avons pas encore pu atteindre. Dans ces deux mondes, il y a
tellement de choses que nous n’arrivons pas à voir et à percevoir. Le monde pensé, ainsi le vrai
monde que nous percevons est le monde de réflexion. Entre ces trois mondes (micro, macro et le
monde pensé ); comment voyageons-nous de l’un à l’autre ? D’ailleurs, je pense que la source de
notre savoir ne va pas au-delà des trois que nous avons créés. Nous réussissons plus ou moins bien
à considérer le monde que nous percevons, mais le vrai monde et le monde de la réflexion restent
dans la théorie ou bien au-delà.

0.2.2 Enquête et contenu
Dans ce travail, dans un cadre théorique, j’ai choisi deux modes de recueils de données pour
réaliser ma recherche. L’un est un questionnaire ouvert et l’autre, l’entretien. Mes interrogations qui
ont créé le fond de cette recherche ont donné forme aux questionnaires et au guide d’entretien.

J’ai consacré la plus grande partie du temps à cette étape, au choix des questions. En commençant
par les publications étrangères, j’ai analysé de nombreux ouvrages et publications sur le sujet de la
physique moderne et de la physique d’aujourd’hui autour des concepts des sciences d’aujourd’hui.
J’ai aussi étudié sur les publications qui sont faites au sein des médias, comme des revues de
vulgarisation scientifique, comme des articles sur l’Internet, et comme les sites éducatifs et
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