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Epistémologie & didactique

 | 
Manuel Bächtold
, 
Viviane Durand-Guerrier
, 
Valérie Munier

Partie 1. Épistémologie et recherches didactiques sur les connaissances scientifiques enseignées

Une réflexion sur la notion d’explication au service de l’enseignement de la dynamique

Valentin Maron

Full text

1. Introduction

1La dynamique newtonienne a été l’objet de très nombreuses études depuis les débuts de la recherche en didactique de la physique. L’importance toujours actuelle des problèmes liés à son apprentissage, et l’absence de solution consensuelle, justifient la continuation de la réflexion sur son enseignement. L’approche proposée ici s’appuie sur plusieurs niveaux d’explicitation de la notion d’explication d’un phénomène, choisis pour leur intérêt potentiel vis-à-vis des difficultés d’apprentissage de la dynamique.

2. Les problèmes d’apprentissage majeurs de la dynamique newtonienne

2.1. Les tendances de raisonnement du sens commun

2Quand on demande les forces qui s’exercent sur un objet ayant été jeté verticalement vers le haut, un commentaire classique d’élève est le suivant : « Pendant la montée, il y a la force de l’objet vers le haut, transmise par le lanceur ». Il s’agit d’une réponse extrêmement répandue, encore en études supérieures, et incompatible avec le point de vue physique selon lequel seul le poids et les frottements de l’air agissent sur l’objet. Ce commentaire permet d’illustrer les tendances majeures du sens commun en dynamique (Viennot, 1979 ; Halloun, Hestenes, 1985…).

  • Penser la force comme cause du mouvement, dans la direction du mouvement, intuitivement associée à la vitesse. (Une force vers le haut pour le mouvement vers le haut).

  • La tendance à aller chercher une cause dans le passé, quand les forces connues ne semblent pas compatibles avec le mouvement. (Dans ce cas, comme le poids – dirigé vers le bas – semble incompatible avec un mouvement vers le haut, alors il faut quelque chose d’autre : la force qu’a donnée le lanceur, vers le haut).

  • Penser la force comme une quantité que possède l’objet (la force de l’objet), qui peut être transmise, stockée et s’épuiser. (La force donnée par le lanceur).

2.2. La coexistence des idées du sens commun et du sens physique

3Les idées et raisonnements du sens commun relatifs à la notion de force sont incompatibles avec la définition physique du concept, dans la dynamique newtonienne. On observe qu’ils restent très présents même après enseignement, et on constate une utilisation parallèle et parfois mixte du sens commun et du sens physique de la notion de force. Par exemple la réponse à une question donnée peut être celle du sens commun tandis que la justification se fait à partir de la définition physique (Viennot, 1979).

4Ce problème de la coexistence entre sens commun et sens physique de la notion de force est considéré comme une source de difficulté majeure pour l’apprentissage de la dynamique.

Ces modes de raisonnement constituent une « physique » implicite, très généralement pratiquée. Dans le cadre scolaire en particulier, les étudiants l’utilisent parallèlement à celle qu’on leur enseigne, inconscients de marcher sur deux pistes à la fois, bien qu’ils cherchent parfois à détourner l’une pour la ramener à l’autre (Viennot, 1979, p. 2).

2.3. Causalité et chronologie

  • 1 Une importante discussion existe au niveau épistémologique sur le statut de la force en tant que ca (...)

5L’association du terme de force à celui de cause du mouvement est considérée ici comme ayant un statut particulier1. L’idée de causalité, dans le langage courant, est associée à celle de chronologie : « les causes sont antérieures aux effets ». Ainsi, le fait de rechercher une cause dans le passé du mouvement a quelque chose de légitime, relativement aux significations du langage usuel.

6Ce problème a été soulevé en particulier dans l’article de Laurence Viennot, Temps et causalité dans les raisonnements des étudiants en physique, où elle parle de délocalisation temporelle des grandeurs et des relations.

Ces tendances communes consistent à nier, implicitement ou non, le fait que toutes les grandeurs impliquées dans des relations où ne figurent pas le temps soient à considérer au même instant (Viennot, 1993).

Pour le cas de la dynamique, elle propose dans Raisonner en physique (Viennot, 1996) de mettre en avant cette idée en promouvant l’écriture :Image 10000000000000D00000002CBB8D2E0237D50CD9.jpg.

7Du point de vue du langage du physicien, parler de force comme cause du mouvement est légitime dans la mesure où cela est implicitement entendu au sens logique : la cause comme premier terme d’une implication. Dans A⇒B, parler de A comme cause de B en tant que condition suffisante de B, ne met effectivement en jeu aucune temporalité. Cette formulation du concept de force en termes de cause se retrouve dans l’enseignement.

[…] dans un échantillon d’une centaine de manuels d’enseignement […] il a été vérifié que « la force est la cause de l’accélération » est la définition la plus commune de la force (Coelho, 2010) (notre traduction).

8Cependant, de fait, dans le langage courant partagé par les élèves, la cause précède l’effet. Laisser implicite cette ambiguïté de la notion de causalité, entre logique et chronologie, est probablement une source importante des problèmes d’apprentissages de la dynamique.

3. La force comme ce qui permet d’expliquer le mouvement

9Face au problème de l’ambiguïté de la notion de causalité, la proposition ici est de se détacher entièrement du terme de cause, pour parler plutôt de la force comme ce qui permet d’expliquer le mouvement.

10Il s’agit d’utiliser la proximité de sens entre les notions de causalité et d’explication, au sens où elles répondent au « pourquoi ? » d’un phénomène. On répond à pourquoi un phénomène est tel qu’il est en « en donnant les causes » ou en « l’expliquant ». Cette formulation va permettre d’utiliser deux réflexions concernant la notion d’explication, jugées potentiellement intéressantes relativement aux difficultés d’apprentissage de la dynamique. La première porte sur le problème de la coexistence entre sens physique et sens commun de la notion de force. La seconde permet une formulation du concept de force visant à mettre en avant sa relation non chronologique à l’accélération.

  • 2 Cette distinction est développée de manière fine par Hempel et Oppenheim (1948).

11Ces deux réflexions sont relatives à deux questions élémentaires quand on considère l’explication d’un phénomène2 : qu’est-ce qu’on explique ? et comment on l’explique ? Ces réflexions reposent sur les deux observations suivantes :

  • Ce qu’on cherche à expliquer est relatif à un état de référence qui aurait lieu de lui-même, c’est-à-dire ne nécessitant pas d’explication.

  • Dans une explication, on met en relation ce qu’on veut expliquer avec quelque chose d’autre.

4. La dépendance de l’explication à une situation de référence

12Cette première idée a pour cible le problème de la coexistence des idées du sens commun et du sens physique en dynamique. Elle vise à favoriser chez les élèves la distinction entre les idées intuitives sur les forces et le concept newtonien.

13Il s’agit d’attirer l’attention sur le fait que l’explication d’un phénomène implique la référence (la plus part du temps implicite) à un état qui aurait lieu de lui-même, c’est-à-dire qu’on ne cherche pas à expliquer.

4.1. La familiarisation via des exemples de la vie quotidienne

14Cette idée est notamment revendiquée par Klaassen et al. (2008), qui proposent différentes situations de la vie courante pouvant justifier sa pertinence. Par exemple le cas du thé, dont on explique le maintien de la température par la présence du couvercle sur la théière. On cherche à expliquer le maintien de la température relativement à une situation de référence – le fait que la température à tendance à baisser spontanément – situation que l’on ne cherche pas à expliquer : « c’est ce qui se passe naturellement ». Un autre exemple proposé ici est celui de l’explication de comportements. Dans la vie quotidienne, les comportements (d’autrui ou de soi-même) que l’on cherche à expliquer sont ceux que l’on considère comme étranges, anormaux. Cela est donc relatif aux comportements qui dans les mêmes circonstances seraient considérés comme normaux. Cette idée de dépendance à une situation de référence (ou de « normalité ») est en particulier valable pour le mouvement. Klaassen et al. (2008) proposent le cas de l’explication courante du maintien de la vitesse d’un vélo par le fait de pédaler. Cette explication repose également sur un état de mouvement de référence qui aurait lieu naturellement : le fait que sans rien faire, le vélo ralentit et s’arrête. Or dans la vie de tous les jours, on ne cherche pas d’explication à cette situation-là, qui est considérée comme normale.

4.2. La dépendance à une situation de référence dans l’histoire de la dynamique

15Cette caractéristique de la notion d’explication va au-delà de son utilisation dans le langage courant, comme on peut le voir dans cette analyse de l’épistémologue George Toulmin :

Ceux qui construisent leur science autour d’un principe de régularité ou d’une conception idéale de l’ordre naturel en viennent à l’accepter comme auto-explicatif. Précisément parce que (selon leur conception) le principe spécifie la façon dont les objets se comportent naturellement si on les abandonne à eux-mêmes, ils cessent de se poser des questions à son sujet. La conception devient un point de départ pour expliquer autre chose. Pourtant le caractère correct d’une telle conception explicative idéale ne peut jamais être, comme nous le verrons, de lui-même évident (Toulmin, 1973, p. 46).

  • 3 « Ellis développe l’idée que la loi d’inertie est un exemple de loi « cadre » définissant le compor (...)

16Pour montrer cela, Toulmin prend précisément pour exemple le cas de la dynamique, comme le fait également Brian Ellis après lui, de manière plus radicale encore (Ellis, 1965)3. Ils mettent en avant en particulier le fait suivant : puisque l’explication est relative à une situation de référence qui définit ce qui n’a pas besoin d’être expliqué, si cette situation de référence change, alors les phénomènes dont on cherche une explication changent aussi. Les apports de l’utilisation de cette idée au niveau didactique seront développés après une proposition de trame de sa présentation pour des élèves, synthétisée ci-dessous.

4.3. Premières étapes de présentation du concept de force

17Après une familiarisation avec l’idée de dépendance à une situation de référence, via les exemples de la vie quotidienne vus précédemment, il s’agit de considérer de quelle façon celle-ci se manifeste dans l’évolution des idées.

18Une façon de l’introduire est d’aborder la question : Tous les mouvements nécessitent-ils d’être expliqués par une force ? du point de vue de l’histoire des sciences. Lorsqu’elle est considérée de manière générale, la réponse intuitive des élèves à cette question a tendance à être positive : « tous les mouvements ont une cause ».

19Il s’agit alors de présenter la conception d’Aristote du mouvement, distinguant « mouvement naturel » – un mouvement qui n’a pas besoin d’être expliqué en termes de forces – et « mouvement violent », associé à une force. En particulier est abordé le fait que le mouvement de chute verticale des objets est considéré comme un « mouvement naturel », ne nécessitant aucune force pour se produire.

  • 4 « Bien que l’on ait fortement tendance à lire son analyse de la chute libre comme la description d’ (...)

20Cette interprétation peut être appuyée en ajoutant qu’elle était encore partagée par Galilée, quasiment 2000 ans plus tard, comme le souligne l’historien des sciences Richard Westfall4. Cette distinction témoigne de l’omniprésence de l’idée de dépendance à une situation de référence dans une explication. Elle amène alors à préciser la définition du concept de force, comme ce qui permet d’expliquer un mouvement qui diffère du mouvement naturel de référence, ou encore l’écart au mouvement considéré comme naturel. Il est ensuite possible de mettre en évidence de façon très explicite la dépendance de cette définition au choix du mouvement naturel de référence, avec le cas de la chute libre. En effet les élèves savent en général que la chute est associée à une force – le poids – dans le cadre de la théorie newtonienne. Cette divergence d’interprétation entre Galilée et Newton, à seulement une cinquantaine d’années d’écart, permet ainsi de rappeler l’idée – à la fois simple et fondamentale – que l’interprétation d’un phénomène dépend de la définition des concepts que l’on utilise pour l’interpréter. Cela conduit à voir la nécessité de la définition précise du concept newtonien de force, et donc du mouvement naturel de référence de cette théorie.

21La première loi de Newton peut alors être introduite comme la redéfinition du mouvement naturel de référence : le mouvement rectiligne uniforme. À noter que, dans cette approche, les trois lois du mouvement sont d’abord définies dans le référentiel terrestre, avant une discussion pour leur généralisation à d’autres référentiels.

22La force au sens de Newton est donc définie à ce stade comme ce qui permet d’expliquer l’écart par rapport au mouvement rectiligne uniforme. Une reformulation mathématique permet d’exprimer la force au sens de Newton comme ce qui permet d’expliquer l’accélération du mouvement, au sens vectoriel.

  • 5 En se basant sur le fait que le phénomène de chute soit omniprésent dans l’expérience courante, qu’ (...)

23Le choix du mouvement naturel étant posé, on peut alors revenir sur ce qui impose, par cohérence, de voir le mouvement de chute libre comme associé à une force au sens de Newton : le fait que ce mouvement soit accéléré. Caractériser ce qui permet d’expliquer cette accélération n’est cependant pas immédiat, et sera abordé par la suite via l’idée d’explication comme mise en relation. C’est aussi le fait que cette interprétation ne présente aucun caractère d’évidence5 qui justifie la légitimité d’avoir pensé la chute libre comme un mouvement naturel, pendant plus de 2000 ans.

4.4. Intérêts au niveau didactique

24Ces premières étapes d’introduction à la dynamique ont pour but d’attirer l’attention sur la définition du concept de force, afin de favoriser sa distinction des idées du sens commun sur les forces et le mouvement. Trois éléments en particulier appuient cette intention.

25• Utiliser la contradiction historique comme questionnement de la définition

26La mise en évidence de la contradiction entre l’interprétation de la chute libre par Aristote et Galilée et celle de Newton a pour but de rendre nécessaire la question de la définition du concept de force dans la théorie de Newton.

27• L’insistance sur la légitimité de l’ancienne représentation

28Le fait de revenir sur la légitimité de voir la chute libre comme mouvement naturel, a pour but de mettre en évidence le caractère construit du concept physique de force. La réaction recherchée est que si l’ancienne façon de voir est légitime, alors la nouvelle n’est pas une évidence directement induite de l’expérience. Se familiariser avec la nouvelle représentation implique donc d’être attentif à la construction de la nouvelle définition en question.

29• La distinction de terminologie force/force au sens de Newton

30Si plusieurs définitions de la notion de force sont possibles, relativement à plusieurs choix de mouvement naturel de référence, la spécification du sens employé peut apparaître comme une nécessité pour clarifier le risque d’ambiguïté. De plus, le fait d’utiliser une appellation qui ne fait pas directement écho au sens commun peut permettre de maintenir la conscience que le concept a une définition bien précise. Cela dans le but de minimiser l’impression de « savoir de quoi on parle » lorsqu’on utilise le terme de force dans l’interprétation physique. En effet, alors qu’on peut facilement avoir des idées a priori sur la « force » en jeu dans une certaine situation, se questionner sur la force au sens de Newton peut conduire à se demander comment ce concept est défini.

5. Force, explication et mise en relation

  • 6 Cette idée se retrouve chez différents auteurs, que ce soit en épistémologie chez Halbwachs (1973)  (...)

31La première idée développée correspondait à la question : qu’est-ce que l’on explique dans le mouvement ? Réponse de la théorie newtonienne : son vecteur accélération, étant donné le choix du mouvement rectiligne uniforme comme mouvement naturel de référence. La deuxième question prend alors la forme : comment explique-t-on l’accélération ? La deuxième idée présentée ici consiste à répondre à cette question en considérant le rôle de mise en relation de l’explication en général : on explique quelque chose en le mettant en relation avec quelque chose d’autre6. On explique l’accélération en la reliant à certaines circonstances physiques de la situation considérée.

32Ce point de vue va permettre notamment une approche du problème de la chronologie dans les raisonnements d’élèves en dynamique. Il s’agit en en particulier de la tendance à de rechercher une force dans le passé du mouvement d’un objet, en contradiction avec le sens physique du concept de force, et le caractère instantané de la relation F (t) = m a(même t).

5.1. La familiarisation via des exemples d’explication courants

33L’idée d’explication comme mise en relation peut être appuyée par des exemples classiques de ce qui est considéré comme des explications dans le langage scientifique courant, comme les cas suivants :

  • On explique l’extinction des dinosaures en la reliant à l’impact d’une météorite et certaines conditions climatiques défavorables.

  • En psychologie, on peut expliquer certains troubles ou comportements en les reliant à des événements ou traumatismes de l’enfance.

  • En anatomie, on explique les mouvements possibles du corps en les reliant à la description des articulations, des os, et du fonctionnement des muscles.

  • On explique que le Soleil se lève toujours à l’est et se couche à l’ouest en reliant cette observation au sens de rotation de la Terre sur elle-même.

5.2. L’intérêt : une mise en relation peut ne pas être chronologique

34L’intérêt de ces exemples est de pouvoir mettre en évidence qu’une explication n’implique pas nécessairement de chronologie entre les éléments qui sont reliés. C’est parfois le cas, comme pour les deux premiers exemples : les impacts de météorites ou les traumatismes de l’enfance sont antérieurs à ce qu’on veut expliquer. Mais les deux exemples suivants montrent que l’on parle aussi bien d’explication pour des cas de mises en relation entre différents éléments ayant lieu simultanément : il n’y a aucune notion d’antériorité entre les positions de lever et coucher du Soleil et la rotation de la Terre, ni entre le mouvement d’un membre et la forme d’une articulation. Cette idée de simultanéité peut donc déjà faire sens dans l’usage courant du terme d’explication.

La formulation en termes de mise en relation peut ensuite être appliquée à l’explication du mouvement. Par exemple on peut expliquer le mouvement d’un clou en le mettant en relation avec la présence d’un aimant. Ou encore on peut expliquer le maintien de la vitesse d’un cycliste en le reliant au fait qu’il pédale. D’une manière générale, on explique un mouvement en le mettant en relation avec certaines circonstances physiques. Cette formulation permet ainsi d’amener l’idée de simultanéité entre un mouvement – considéré à un instant donné – et les circonstances physiques auquel ce mouvement est relié, au même instant. Cela permet une première familiarisation avec cette idée de manière qualitative, avant son introduction via le formalisme newtonien, viaImage 10000000000000960000002A8D84E28168ADE2D0.jpg.

35Cette approche ne prétend pas être suffisante vis-à-vis des problèmes d’apprentissage liés au raisonnement chronologique en dynamique. Cependant, elle se présente comme une alternative à la formulation en termes de causalité « la force comme cause de l’accélération » et vise ainsi à éviter l’interprétation chronologique.

5.3. Suite des étapes de présentation du concept de force

36Avec comme point de départ la force comme ce qui permet d’expliquer le mouvement, la considération précédente – sur la dépendance de l’explication à une situation de référence – nous a amené à un stade de la définition de la force au sens de Newton, comme ce qui permet d’expliquer l’accélération.

37Les exemples courants d’explications scientifiques vus précédemment permettent d’amener l’idée d’explication comme mise en relation, et en particulier pour le cas du mouvement : on explique un mouvement en le mettant en relation avec certaines circonstances physiques.

38Étant donné la focalisation de l’explication sur le vecteur accélération, on peut voir finalement l’explication en termes de forces (au sens de Newton) comme la mise en relation entre l’accélération et les circonstances physiques qui lui sont associées. Cette notion de circonstances physiques est centrale dans cette présentation. Elle comprend les présences, positions et vitesses de certains objets alentour, à distance ou en contact avec l’objet considéré, et les propriétés physiques des objets en jeu (type de matériau, masse…).

39Une formulation possible est donc de définir la grandeur physique force au sens de Newton comme caractérisant les circonstances physiques associées à l’accélération. Il s’agit ensuite de construire explicitement cette grandeur.

40Une première étape consiste à caractériser quantitativement les circonstances physiques associées à l’accélération d’un mouvement, par le vecteur accélération lui-même. Par exemple dans le cas de l’accélération d’un clou en présence d’un aimant, avec différents aimants, on observe des accélérations différentes. On peut quantifier « le pouvoir attractif/répulsif de l’aimant », à une certaine distance à partir de l’accélération. On dirait alors qu’un aimant serait deux fois plus « efficace » qu’un autre si l’accélération du clou est deux fois plus grande. La direction du vecteur accélération peut permettre de plus de caractériser la direction du « pouvoir attractif/répulsif de l’aimant ».

41La seconde observation est que pour un même aimant, l’accélération du clou dépend de sa masse. Ce constat peut être utilisé en s’appuyant sur la considération suivante. Pour que la grandeur physique force caractérise les circonstances physiques associées à l’accélération, elle doit avoir la même valeur pour les mêmes circonstances physiques. Or l’utilisation d’exemples (bien choisis) permet de mettre en évidence que pour les mêmes circonstances, en un point donné, on observe pour différents objets : a α1/m, ce qui implique que le produit m × a est invariant pour les mêmes circonstances physiques associées à l’accélération. Ce produit peut donc être utilisé pour définir la grandeur force au sens de Newton.

La caractérisation des circonstances physiques par le vecteur accélération d’une part, et par le produit m × a, amène ainsi à introduire la 2e « loi » de Newton comme la définition quantitative de la grandeur physique force au sens de Newton Image 100000000000005E00000024EDDCA25010FAEC13.jpg

42Cette approche revient donc à définir le concept de force à partir des lois du mouvement. D’autres questions se posent vis-à-vis de l’introduction des autres notions de la dynamique relativement à ce point de départ, notamment la généralisation des définitions à d’autres référentiels, la définition d’un référentiel galiléen, la décomposition en un système de force… Ces questions ont été traitées dans le travail de thèse dont cette approche est issue (Maron, 2015, p. 70-96).

6. Intérêt d’introduire le concept de force comme défini par les lois du mouvement

  • 7 Voir en particulier (Coelho, 2010), ou cette citation tirée de Carson, Rowlands (2005) : « La forme (...)

43Dans la plupart des présentations de la dynamique, le concept de force est introduit antérieurement aux lois du mouvement, comme un concept indépendant de celles-ci. Cette approche est pourtant fortement critiquée d’un point de vue épistémologique7. Au niveau didactique, notre critique est la suivante.

44Lorsque le concept de force est implicitement vu comme indépendant des lois du mouvement, son sens est alors a priori généralisé à partir de l’idée intuitive d’action, c’est-à-dire basé sur les exemples les plus courants d’action de contact (comme la poussée ou traction d’un objet), et même d’action à distance (comme la répulsion ou l’attraction entre deux aimants). Les deux caractéristiques essentielles que l’on peut abstraire de ces exemples sont, d’une part, le caractère vectoriel – c’est-à-dire le fait que l’on puisse définir une direction de l’action et le fait que son intensité puisse varier – et, d’autre part, le fait que l’on puisse reconnaître l’agent à l’origine de cette action (ce qui apparaît dans l’étymologie même du terme d’« action »).

45Or ces deux caractéristiques, qui sont effectivement des caractéristiques du concept physique de force, n’excluent cependant pas a priori de lui associer d’autres caractéristiques intuitives de l’idée de force du sens commun. La notion de force définie au premier abord par son caractère vectoriel et le fait qu’elle soit exercée par un agent, n’exclut pas par exemple de penser que cette force soit dans la direction du mouvement, proportionnelle à la vitesse.

46Une autre façon d’exprimer cela est de dire que le concept de force de la physique d’Aristote, bien que distinct et incompatible avec celui de la physique newtonienne, partage pourtant ces premières caractéristiques (caractère vectoriel et nécessité d’un agent). Même l’idée de force comme cause interne pourrait se concilier avec ces caractéristiques, en voyant le « capital de force » comme l’agent, interne à l’objet, de la force qui le maintient en mouvement.

47Ainsi, lorsque le concept de force est présentée comme indépendant, les lois du mouvement expriment des relations entre celui-ci et le mouvement. Mais puisque la force a un statut autonome, ces relations peuvent être vues comme des caractéristiques supplémentaires du concept de force, qui n’excluent pas d’autres caractéristiques intuitives provenant des idées du sens commun. Autrement dit, le concept de force a un sens indépendant et une relation à l’accélération via la deuxième loi de Newton, ce qui a priori n’exclut pas de manière évidente que la force ait aussi une relation avec la vitesse ou la notion de capital de force.

48Par exemple, dans le cas de balles jetées en l’air, à différents stades de leur trajectoire parabolique, certains étudiants affirment que les forces sont différentes pour différents vecteurs vitesse, en le justifiant ainsi :

La force qui s’exerce sur chaque balle est F = ma. Les balles étant identiques, c’est a qui varie (Viennot, 1979, p. 20).

49Dans une reconstruction progressive et conjointe du concept de force et des lois du mouvement, le concept de force n’a pas de sens indépendant mais est défini à partir de l’accélération, et n’a donc pas plus de sens que ce qui est contenu dans sa définition, constituée par les lois du mouvement.

50Dans une telle approche, l’usage de la notion de « circonstances physiques » est central. C’est ce qui permet de s’écarter d’un sens autonome du concept de force, en évitant de baser celui-ci sur l’idée intuitive d’action. Le fait de considérer l’explication en termes de forces comme la mise en relation entre l’accélération et certaines circonstances physiques de la situation, explicite au premier abord le sens empirique de la notion d’action. En effet, définir ce que signifie « l’action » d’un aimant sur un clou, par exemple, nécessite d’expliciter qu’il s’agisse du fait que la mise en mouvement du clou soit liée à la présence de l’aimant. Ainsi la formulation proposée permet de définir le concept de force uniquement à partir de ces notions factuelles : l’accélération et les circonstances physiques qui lui sont corrélées, qui sont aussi concrètes que la position de l’aimant et du clou, leur vitesse, les matériaux dont ils sont composés.

7. Quelques retours d’élèves

51Sur la base des idées présentées ici, une séquence d’enseignement de la dynamique a été développée (Maron, 2015), d’une durée totale de 2h30, comprenant les activités associées. Cette séquence a été expérimentée avec des étudiants en première année de physique à l’université. Il ne s’agit pas de développer ici la méthodologie utilisée. Nous nous limiterons à quelques témoignages, afin de donner une idée des réactions de ces étudiants à ces propositions.

52• La légitimé de l’ancienne représentation

53La première idée avancée était d’utiliser le fait que l’explication en termes de force dépende d’un mouvement naturel de référence. Cela était mis en évidence notamment via la considération du mouvement naturel chez Aristote ou Galilée, en particulier la chute libre. La réaction recherchée était que si l’ancienne façon de voir a une certaine légitimité, alors la nouvelle n’est pas une évidence directement induite de l’expérience, et cela implique d’être attentif à la construction de la nouvelle définition en question. Ce commentaire d’élève illustre cette réaction, globalement bien observée :

Moi j’ai bien aimé le mouvement naturel, les définitions mouvement naturel et mouvement violent, je l’avais jamais vu, et c’est vrai que c’est vachement intéressant parce que du coup ça a tellement de sens quand on voit ça, que on oublie presque la suite qu’on connaît normalement déjà en fait.

54• L’explication comme mise en relation potentiellement simultanée

L’un des arguments en faveur de cette idée était qu’elle pouvait permettre une première introduction à l’idée de simultanéité des éléments reliés dans une explication, en amont de son apparition formelle dansImage 10000000000000A30000002B5DEEE05CE1C72DEE.jpg.

Des témoignages d’élèves montrent pour le moins que le lien n’est pas inaccessible pour eux, comme par exemple cet élève, au moment où est abordé la simultanéité de la relation, Image 10000000000000A30000002B53443B43EC4EBE6F.jpgqui prend la parole et fait spontanément le lien avec la première évocation de cette idée dans le cours :

Ah ouais c’est ce que vous aviez expliqué… que c’était simultané, que c’est deux phénomènes simultanés, enfin que y en a pas un qui précède l’autre.

55• Définir le concept de force à partir des lois du mouvement

56L’argument central pour cette approche résidait dans la critique de la définition de concept de force comme indépendant des lois du mouvement (section 6). Il s’agissait de constater que ce type de définition de la force n’exclut pas de lui associer a priori d’autres caractéristiques intuitives de la notion de force du sens commun. La reconstruction du concept de force à partir des lois du mouvement avait pour but de mettre en évidence la référence explicite relativement à laquelle ces idées intuitives ne peuvent pas être correctes. La déclaration d’un étudiant témoigne de sa sensibilité à cette approche :

Alors le truc important je pense que c’est ça, dire que, par rapport au mouvement naturel et violent et cetera, ça c’était intéressant de le dire, […] dans le sens de Newton on dit qu’on a faux, mais on nous dit jamais pourquoi, par rapport à quoi, et ça c’est intéressant de le savoir, par rapport à quoi on a faux en fait, parce que quand on nous explique pas pourquoi on a faux on a tendance à, ben à refaire les mêmes erreurs en fait, ouais c’est ça […] maintenant j’arrive à comprendre, moi j’arrive à comprendre pourquoi j’ai faux […].

8. Conclusion

57Deux réflexions sur la notion d’explication ont été développées, comme pouvant être mis à profit relativement aux difficultés d’apprentissage de la dynamique. Nous avons vu comment l’explicitation du rôle d’une situation de référence, via la notion de mouvement naturel, pouvait permettre d’insister sur la définition précise du concept de force. L’idée de mise en relation a ensuite a été mise en avant. Celle-ci permet une reconstruction du concept de force à partir des lois du mouvement, via la notion de circonstances physiques associées à l’accélération.

58Un aspect important reste cependant en suspens, concernant le cas du poids. L’interprétation de la chute libre en termes de force a été justifiée par le choix du mouvement naturel de la théorie newtonienne. La chute ayant elle-même été considérée pendant très longtemps comme naturelle, l’étape suivante, consistant à identifier le poids à une force d’attraction par la Terre, est loin d’être une évidence, y compris pour les élèves. La justification de cette idée ne peut pas être immédiate, et demande une certaine approche de la théorie de la gravitation. Une présentation conjointe de la dynamique et de la gravitation est l’objet du travail de thèse dont est issue cette proposition (Maron, 2015). Celle-ci permet de justifier la notion d’attraction terrestre, dans le cadre de l’approche de la dynamique présentée ici.

Bibliography

Références

Carson R., Rowlands S. (2005). Mechanics as the Logical Point of Entry for the Enculturation into Scientific Thinking. Science & Education, 14 (3-5), p. 473-492.

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Notes

1 Une importante discussion existe au niveau épistémologique sur le statut de la force en tant que cause, voir en particulier (Jammer, 1957) et (Coelho, 2011), mais ces analyses vont au-delà de notre discussion qui se limite uniquement à la question de la polysémie.

2 Cette distinction est développée de manière fine par Hempel et Oppenheim (1948).

3 « Ellis développe l’idée que la loi d’inertie est un exemple de loi « cadre » définissant le comportement « naturel » des corps, pour ce qui est du mouvement, relativement auquel on peut distinguer le comportement « non naturel » (Hunt & Suchting, 1969) (notre traduction). Voir également l’article de synthèse de Ricardo Lopez Coelho sur les différentes positions philosophiques à ce sujet (Coelho, 2010).

4 « Bien que l’on ait fortement tendance à lire son analyse de la chute libre comme la description d’une accélération uniforme produite par une force constante, Galilée ne l’a jamais traitée en ces termes. Le poids n’était pas une force agissant sur les corps pour les accélérer. Au contraire, le poids était plutôt une force statique qu’un corps exerce sur un autre pour empêcher son mouvement naturel. » (Westfall, 1971, p. 9).

5 En se basant sur le fait que le phénomène de chute soit omniprésent dans l’expérience courante, qu’il ait lieu pour (quasiment) tous types d’objet, quelles que soient les circonstances, et qu’on ne puisse pas le faire cesser (contrairement par exemple à l’attraction ou la répulsion d’aimants, dont l’éloignement suffit pour la stopper).

6 Cette idée se retrouve chez différents auteurs, que ce soit en épistémologie chez Halbwachs (1973) : « Par définition, nous ne parlerons proprement d’explication […] lorsque nous nous trouvons en présence d’un énoncé (d’une théorie) qui […] révèle un lien nouveau entre des faits qui apparaissait d’abord comme qualitativement différents. ». Ou encore du côté de la didactique chez Johsua & Dupin (1993) : « Et de la mise en relation de domaines considérés comme différents on produit une mise en ordre, qui a son propre espace de sens, et où s’organisent des connaissances nouvelles : c’est l’explication. »

7 Voir en particulier (Coelho, 2010), ou cette citation tirée de Carson, Rowlands (2005) : « La forme axiomatique de la mécanique n’est pas considérée dans la plupart des manuels d’enseignement, dont le traitement de la mécanique peut être décrit comme empirique : comme si les lois et principes de la mécanique étaient un résumé de ce qui nous est donné par la perception des sens. […] Dans cette section, nous montrerons que les lois du mouvement […] sont des axiomes qui ensemble définissent le concept de force. » (Carson, Rowlands, 2005) notre traduction.

Author

Laboratoire de Didactique André Revuz. Université Paris Diderot.

© Presses universitaires de Franche-Comté, 2018

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