Résolution de problèmes
Le contexte et les objectifs
Le nouveau programme d’enseignement de spécialité de terminale S introduit l’activité « résolution de problèmes scientifiques ». L’extrait du programme ci-dessous explicite les capacités mobilisées lors de la démarche de résolution de problèmes scientifiques.
« […], l’élève analyse le problème posé pour en comprendre le sens, construit des étapes de résolution et les met en œuvre. Il porte un regard critique sur le résultat, notamment par l’évaluation d’un ordre de grandeur ou par des considérations sur l’homogénéité. Il examine la pertinence des étapes de résolution qu’il a élaborées et les modifie éventuellement en conséquence. Il ne s’agit donc pas pour lui de suivre les étapes de résolution qui seraient imposées par la rédaction d’un exercice, mais d’imaginer lui-même une ou plusieurs pistes pour répondre à la question scientifique posée. »
Enfin le programme précise que : « […] les situations rencontrées par l’élève en cours de formation ainsi qu’au baccalauréat se limiteront aux domaines d’étude des trois thèmes de l’enseignement de spécialité. Le professeur fera largement appel à des situations comportant une dimension expérimentale. ».
Les trois thèmes traités sont « l’eau », « son et musique » et « matériaux », ils sont déclinés par mots-clés. Les connaissances nouvelles associées aux thèmes ne sont pas exigibles dans le cadre du baccalauréat.
Ce document a pour objectif d’expliciter quelques caractéristiques de ce nouveau type d’activité, visant à développer l’autonomie et les prises d’initiatives chez les élèves. Plusieurs exemples de problèmes sont proposés dont la plupart ont été expérimentés avec des élèves de terminale S non formés à cette activité.
Caractéristiques de l’activité « résolution de problèmes scientifiques »
Les caractéristiques identifiées ci-dessous ne visent surtout pas à « formater » l’activité qui ne doit pas l’être par définition. Elles constituent simplement des pistes que le professeur peut suivre pour élaborer des activités sur ce thème.
En phase de formation, la liberté de l’enseignant est grande et l’interaction avec l’élève permet d’apporter une aide ciblée en fonction des besoins identifiés, tout en conservant l’authenticité de l’activité, car il ne s’agit pas de donner une solution mais d’amener l’élève à en construire une par lui-même de manière la plus autonome possible. Le travail de recherche en groupe est perçu très positivement et il peut être pertinent d’y avoir recours, car il est susceptible de motiver des élèves moins attirés par ce type de démarche et surtout de leur donner confiance dans leurs capacités à résoudre un problème nouveau sans puiser dans un répertoire de réponses « préprogrammées ». En formation, le professeur peut également utiliser des formats du type « problèmes de Fermi », des exemples sont donnés sur le site de l’Université du Maryland : http://www.physics.umd.edu/perg/fermi/fermi.htm ou bien à la rubrique « Fermi Questions » de la revue "The Physics Teacher" : http://tpt.aapt.org/.
Quelques pistes pour la construction d’activités portant sur la résolution de problème
Contextualisation par un texte d’actualité, un document, des graphes, des tableaux de mesures, des photos, une vidéo ou une expérience,... accompagnée d’une problématique ou d’une question ouverte. Il est possible de faire émerger la problématique par un travail préliminaire avec les élèves.
Les objectifs du problème doivent être clairement énoncés.
Il convient d’élaborer des énoncés attractifs et motivants amenant à mettre en œuvre des connaissances et compétences acquises dans le champ de la physique-chimie, élargi aux domaines connexes en liaison avec les trois thèmes de l’enseignement de spécialité.
Les étapes de la résolution ne sont pas fournies, elles seront toujours construites par l’élève.
Les informations utiles à la résolution peuvent être données dans des documents annexes, ils peuvent contenir des informations supplémentaires non explicitement utiles mais intrinsèquement pertinentes. L’élève sera donc conduit à « extraire et exploiter des informations », compétence largement présente dans le programme d’enseignement spécifique.
Pendant l’année, en cours de formation, il est recommandé d’envisager des situations où la mise en œuvre d’une expérience participe à la construction d’une réponse à la question posée, ceci du fait du caractère expérimental affirmé de l’enseignement de spécialité.
Toutes les données ne doivent pas forcément être présentes, certaines relèvent de la culture générale : valeur de l’intensité de la pesanteur g, durée d’une journée,… La connaissance de l’ordre de grandeur de certaines grandeurs physiques relatives à des objets du quotidien ou rencontrés tout au long de la scolarité (rayon de la Terre, taille atome, puissance d’une ampoule d’éclairage….) participe à la formation à l’analyse critique d’une situation ou d’un résultat obtenu.
La résolution de problème peut faire appel à des techniques spécifiques : d’évaluation d’ordre de grandeur à partir d’informations de natures très diverses, d’analyse dimensionnelle, de prévision de l’effet d’une grandeur d’influence présente dans une expression littérale, d’analyse d’un résultat,...
On peut aussi envisager de demander un schéma de résolution qui sera valorisé comme tel. Les étapes peuvent être pertinentes même si la mise en œuvre n’est pas menée à son terme.
Des questions préalables peuvent être posées, par exemple en lien avec les documents joints. Ces questions permettent d’inciter les élèves à s’approprier la thématique, le problème, d’évaluer directement la compétence « extraire et exploiter des informations », et éventuellement d’attirer son attention sur telle ou telle information périphérique mais utile à la résolution du problème Notons enfin que ces questions ont l’avantage de construire un exercice « à plusieurs étages » en facilitant le travail de l’élève et son évaluation, tout en gardant un caractère authentique à l’exercice de résolution de problème, l’élève ayant in fine toujours à élaborer par lui-même la démarche de résolution.
Les connaissances liées aux thèmes de l’enseignement de spécialité ne sont pas exigibles. Dans un souci d’équité, un rappel des notions scientifiques directement utiles à la résolution du problème est nécessaire et ceci d’autant plus que l’on souhaite développer l’aptitude à construire et à mettre en œuvre une démarche de résolution de problèmes.
L’élève est amené à proposer une résolution à la problématique principale, des niveaux différents de finesse dans les solutions peuvent être acceptés et une comparaison critique avec des données expérimentales ou des simulations peuvent être explicitement demandées ; ainsi, par exemple, une réponse « partielle » mais analysée avec pertinence et esprit critique serait susceptible d'être notablement valorisée. Il est clair que la démarche utilisée et la qualité du raisonnement mis en œuvre sont au cœur de cette activité.
Deux Références bibliographiques
George Polya, « Comment poser et résoudre un problème », Edition Jacques Gabay
Lawrence Weinstein & John A. Adam, « Guesstimation : Solving the World's Problems on the Back of a Cocktail Napkin », Princeton University Press
Synthèse
Le schéma suivant présente un format possible d’une activité de « résolution de problèmes scientifiques » et identifie certaines compétences mobilisées.
 
Activités proposées :
titre
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thème
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nature
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« La guitare »
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son et musique
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Activité de formation / évaluation sommative
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« la guitare : approche expérimentale »
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son et musique
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Activité de formation à caractère expérimental
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« La dilatation des océans »
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l’eau
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Activité de formation
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« La forme d’une goutte »
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l’eau
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Activité de formation / évaluation sommative
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« Quelle teneur en ammoniac dans l’eau de mer à Calvi ? » (version 1)
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l’eau
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Activité de formation / évaluation sommative
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« Quelle teneur en ammoniac dans l’eau de mer à Calvi ? » (version 2)
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l’eau
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Activité de formation
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« La voiture à panneaux solaires »
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matériaux
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Activité de formation
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« Pots catalytiques en or »
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matériaux
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Activité de formation / évaluation sommative
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« Panneaux photovoltaïques »
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matériaux
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Activité de formation/ évaluation sommative
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