Électricité pour enseignants de primaire : modèles pour y comprendre quelque chose

Bonjour,

Suite à des remarques personnelles quant à un de mes messages hors sujet sur un autre sujet, je pense que l'électricité et sa compréhension est quelque chose d'important car c'est très loin d'être trivial. Ce qui va suivre s'adresse en particuliers aux enseignants de primaire non scientifiques de formation, mais c'est ouvert à tous ! et si des collègues de physique veulent rajouter leurs points de vue, c'est ouvert aussi.

Pour ma part, c'est quand je me suis retrouvé à devoir enseigner l'électricité en 5e en tant que stagiaire que je me suis rendu compte que je n'y connaissais rien, que je n'arrivais pas à définir "tension électrique" en volts et intensité du "courant électrique" en ampères, que j'étais incapable d'expliquer sans équations ce qui se passait quand on branchait deux ampoules qui ne brillaient pas pareil... bref la galère du monde réel.

Je reprends donc le message en question et je vais tenter de poursuivre

Rikki a écrit:

Aranel53 a écrit:HS : ON

Rikki a écrit:Je vais essayer de travailler la compétence "tripote des ampoules électriques et découvre comme par magie que pour les allumer il faut de l'électricité, laquelle électricité était bien rangée dans la pile et sort quand on pose l'ampoule dessus comme çaaaaaaaa".

Alors, juste pour la ramener un peu et en annonçant au préalable que faire manipuler les enfants est de toutes façon très bien, et que ce que tu fais est certainement déjà très bien , je préférerais que le mot "électricité" soit banni du vocabulaire des enseignants, de primaire comme d'ailleurs. Au risque de passer pour un fâcheux, j'affirme qu'il ne faut pas de "l'électricité" pour faire briller une lampe, que cette "électricité" n'était pas "bien rangée" auparavant dans la pile, et que cette "électricité" ne "sort" pas quand on relie correctement la lampe à la pile...

Quand je commence l'électricité en 5e, j'écris le titre de la partie "Électricité". Puis je leur dis que c'est la dernière fois qu'ils vont l'écrire. "Électricité" c'est un titre de chapitre ou un domaine des sciences et c'est tout. Ce n'est pas un mot qui permet de décrire quoi que ce soit correctement car il renvoie à un ensemble de phénomènes extrêmement différents les uns des autres. La science a pu avancer grâce à l'utilisation de vocabulaire précis, on commence la science donc on abandonne les mots qui ne permettent pas de comprendre correctement.

Très bien, maintenant que j'ai plombé l'ambiance je vais détailler un peu.

Ce qui fait briller le filament de la lampe, c'est le passage d'un "courant électrique", formé par des "grains d'électricité" (les électrons) qui se déplacent tous ensemble dans les fils grâce à la pile qui les attire d'un côté et les pousse de l'autre. Ces "grains" sont déjà présents dans les fils et le filament et ils sortent autant de la pile que ce qu'ils y rentrent. Dans une pile neuve, il y a autant de "grains d'électricité" que dans une pile usagée (improprement appelée "vide" du coup). Donc ce n'est pas de "l'électricité" qui est stockée dans la pile, encore moins du courant électrique, c'est de l'énergie électrique, c'est à dire une "capacité" à faire se déplacer les "grains" d'un circuit en faisant se dérouler alors une réaction chimique. Et ce déplacement ne peut se faire que si on relie une borne de la pile à une des deux bornes de la lampe et en même temps l'autre borne de la pile à l'autre borne de la lampe. Ce qui est important est la notion de contact électrique (il faut que "ça se touche") et la notion de boucle fermée (il faut relier une borne du générateur à l'autre avec des matériaux conducteurs pour créer un courant électrique).

Je pense que faire ça est suffisant en primaire.
J'ajoute que depuis peu, j'insiste avec les deux bras pour dire "le courant passe..." en désignant ce qui sort du + et ce qui rentre dans le - en même temps. Depuis que je fais attention à ne plus parler du courant avec une seule main, mais toujours avec les deux, j'ai l'impression que les élèves arrivent à mieux visualiser le comportement du courant et on lutte ainsi contre l'analogie séquentielle (le courant part du + et avance dans le circuit et rencontre successivement les différents composants avant de revenir à la pile...). Cette analogie est est la plaie de l'enseignement de l’électricité car elle suffit dans des cas simple, donc se trouve validée si on n'y prend pas garde et bloque énormément de possibilité de compréhension chez les élèves par la suite (quelle lampe s'allume si je place un interrupteur ouvert entre deux lampes dans un circuit en série par exemple, problème de 5e qui plante encore plus d'un tiers d'élèves de première S si on les prend à froid).
HS : OFF

Rikki a écrit:
Je n'avais pas vu ce long message. Il me confirme une seule chose : je n'ai pas le niveau pour faire de l'électricité. Je vais donc cesser de le faire, car je n'ai pas compris la moitié de ce message.

Mais si, il faut en faire ! J'espère que mon laïus ne t'a pas froissé...
Et ce n'est pas grave si on n'a pas "le niveau" (qui l'a ?), au contraire, si les élèves arrivent en collège avec des questions, c'est très bien ! je dirais même que c'est mieux de les frustrer un peu pour titiller leur curiosité puisqu'ils en ont à cet âge-là !

Rikki a écrit:
J'ai effectivement une représentation mentale assez proche du "y'a de l'électricité dans la pile, pour sortir, il lui faut un fil et un circuit fermé, sinon, elle sort pas." Je n'ai jamais réfléchi à l'aspect simultané ou non des trucs, mais je me souviens avoir été en difficulté face à une classe de CE2 où des gamins avaient monté en série une DEL et une lampe. Dans leur tête — et dans la mienne — la DEL ne consommant pas grand'chose comme électricité devait briller normalement, et la lampe aussi. En fait, la DEL brillait, et la lampe pas.

J'ai eu l'explication par ma belle-sœur : la DEL ne bouffe pas beaucoup d'électricité, mais elle résiste beaucoup et empêche l'électricité de passer pour aller ailleurs.

Bon, maintenant, je sais que ce n'est pas de l'électricité qui passe... mais je n'ai pas bien compris ce que c'était, ni comment ça passait.

Quand je dis que "ce n'est pas de l'électricité qui passe", il faut comprendre que "quelque chose" se déplace quand même. Ce quelque chose sont les "électrons libres" du métal qui compose les fils. Ces "électrons" que nous appelleront "grains d'électricité", sont déjà présents dans les fils et dans tous les matériaux. Le courant électrique est le déplacement de ces "grains". Quand le circuit est ouvert ils sont encore là (puisqu'ils sont toujours là, c'est pas touojurs les mêmes mais il y en a toujours autant à un endroit donné) ; pourtant, malgré la présence de ces grains d'électricité, il n'y a pas de courant électrique. Il faut que la pile fasse partie d'une boucle de conducteurs (pièces du circuits dont les "grains d'électricité" peuvent se déplacer) pour que les "grains" démarrent tous ensemble et se mettent à tourner dans la boucle.

Pour les circuits en série, (avec une seule boucle) une analogie qui m'a beaucoup aidé est la "chaîne de vélo". J'en ai fait un "document prof/élève" pas encore testé avec des élèves. Si ça peut aider quelqu'un !

Pour mieux se représenter ce qu'est une pile, j'ai fait aussi une petite analogie que j'utilise en 5e puis que je reprends plus détaillée en 3e.

Enfin un prof a fait une analogie hydraulique très poussée :
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EDIT : je rajoute ma progression de 5 pour plus de clarté.

EDIT2 : je vous conseille violemment de faire mumuse avec cette petite animation de l'université du coloraado. C'est vraiment très bien !

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En effet, si c'est ça que tu veux dire, dans "déplacement", il y a ici un implicite : déplacement "ordonné" de charges électriques, ou "déplacement d'ensemble" ce qui est la définition du courant. Le déplacement désordonné en l'absence de courant n'est vu qu'en 3e. Je ne pense pas que ça pose vraiment problème sauf si ce n'est pas de ça dont tu parles ?

Pour diffuser l'analogie, c'est publié sous licence creative commons CC-BY-NC-SA, tant que tu cites l'auteur et que tu rajoutes ton nom ou ton pseudo si tu modifies, pas de problème !

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Dans l'analogie avec la chaîne de vélo, la vitesse de propagation de l'information est considérée comme infinie. Puisque soit la chaîne tourne, soit elle ne tourne pas.

En effet, dans la réalité, la vitesse d'établissement du courant n'est pas infinie mais est une fraction de la vitesse de la lumière. On n'en est pas là. Il faut d'ailleurs dire aux élèves que l'allumage est instantané pour lutter contre l'idée d'un courant qui part de la borne + et qui avance tranquillement en rencontrant les dipôles au fur et à mesure, ce qui est faux.

Par contre, la "vitesse du courant" (formulation impropre à mon avis), ce n'est pas la vitesse de propagation de l'information. Le courant est un débit de charges, donc des coulombs par seconde (avec des charges qui en effet ne vont pas bien vite), ce qui dans mon analogie se transforme en "grains par seconde", ou "maillons par seconde". La vitesse des maillons est donc directement reliée à l'intensité du courant.

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Je préfère ne pas parler de "vitesse du courant". Pour moi c'est ambigu comme formulation. Intensité du courant, débit de charges.

Pour moi, (à cette heure ci ), un déplacement de charge est un courant électrique, c'est strictement la même chose, mais ce n'est pas le même point de vue je dirais.

Peux-tu citer la ou les phrases qui te posent problème ?

Salut !

Ce que dit Aranel53 ne me pose aucun soucis.

Et vitesse du courant, c'est une expression que je n'utilise jamais, qu'il s'agisse du collège ou du niveau supérieur, je ne vois même pas à quoi cela correspond.

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Aranel, c'est très intéressant.

C'est là qu'on voit que l'usage de l'analogie est un puissant outil pédagogique en science.

En revanche, autant je pense que c'est à faire tel quel au collège, autant en primaire, cela me semble poser un problème de progression et de compréhension.

Je ne vois pas des primaires comprendre ce que sont ces grains d'électricté. Il faut bien expliquer avant la notion d'électron, non. Qu'il s'agisse de "grain" est sans doute énigmatique pour des petits bouts qui n'en auront rencontré qu'en parlant d'agriculture, et préciser que ces grains sont "d'électricité" n'évoquera pas grand chose dès lors qu'on veut justement définir l'électricité.

Or, faire protons, neutrons, électrons en primaire me semble un chouia ambitieux.

D'ailleurs, en 5è, leur as-tu déjà parlé des électrons, quand tu en arrives là ?

Je pense que des petits assimileraient ces grains à des étincelles ou à des boules de feu comme ils en voient dans les dessins animés.

Merci, doctor Who ! Tu as mis le doigt là où ça blesse.

Non, je ne suis pas vexée, Aranel, enfin, pas par toi et pas sur l'électricité ! C'est juste que je ne maîtrise pas, donc, c'est angoissant.

Exemple : en maths, je peux sans aucun état d'âme répéter à qui veut l'entendre que "4 — 6, on ne peut pas le faire". En fait, je sais très bien qu'on peut le faire, je sais aussi très bien pourquoi je ne veux pas le faire, ni dire qu'on peut le faire, et ça ne me pose pas plus de problème que d'énoncer "a et n, ça fait an" devant Rayan, Morgan et Megan. Mais j'ai plusieurs longueurs d'avance sur les élèves.

En fait, je sais assez bien calculer 4 — 6, sans réfléchir, je sais que la valeur absolue est la même, je sais que la notion de différence renvoie à des natures de problèmes mathématiques variées, etc. Et j'ai peur de chance de me retrouver face à un gamin qui me "coince" au niveau de mon savoir sur ce coup-là.

En lecture, ça va, je lis vite et bien, je sais plus ou moins pourquoi les prénoms d'origine en a + n ne font pas "an", j'ai une idée de ce qu'est une nasalisation de consonne, je vois pourquoi a et n feraient "an" et pas "oi" ou "plouf", je m'en sors plutôt bien.

En électricité, si tu me parles de tension et d'intensité, je n'ai aucune image mentale. J'ai essayé, hein ! J'ai emmené les gosses (les miens, pas ceux de l'école) à l'expo électricité de la Villette un nombre incalculable de fois. On a fait des jeux avec les conducteurs et les isolants, avec les grosses piles géantes, on a eu des mallettes "monte ton circuit", et au niveau manip, j'arrive à peu près à monter un petit circuit. Je sais même poser un domino sur un fil coupé, c'est dire combien je suis forte.

Mais si l'ampoule ne s'allume pas la lampe ne brille pas, je ne sais pas pourquoi, et je suis vachement embêtée ! En plus, je ne suis pas à l'aise avec le vocabulaire, et j'ai tout le temps l'impression de dire des conneries bêtises !

Rikki a écrit:En électricité, si tu me parles de tension et d'intensité, je n'ai aucune image mentale.

A lire absolument :
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Bon, je venais de passer trois quarts d'heure à taper une zolie réponse et puis clic, tout parti... en attendant que rage et frustration passent pour que je retape tout ça, je vous passe ma progression de 5e, basée sur des questions d'élèves. En espérant que ça permette de mieux voir certains détails. Je l'ai relue, et il y aurait pas mal de choses à revoir mais ça fais deux ans que je n'ai pas fait d'elec de 5e avec des élèves.

Les ouvrages de vulgarisation de Jean Pierre petit sont en effet très bien faits, même si le vocabulaire utilisé n'est plus en phase avec celui utilisé aujourd'hui.

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Mais si on parle d'électron, Al, le problème qui va se poser, c'est lque les gamins vont te demander où ils sont. Dans la matière ? Mais la matière, c'est plein. Et en plus ça bouge dans la matière ? Mais comment, par quelle voie circulation ? Cela s'explique logiquement (même si la réalité est plus complexe) quand on a acquis le modèle atomique de la constitution de la matière. Mais si on part là-dedans en primaire, on parle de choses imperceptibles et improuvables à ce niveau-là. L'élève doit faire confiance et c'est finalement un savoir d'autorité.

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Imperceptible, bien sûr. Mais je m'étonne que tu dises que c'est improuvable.

Toujours est-il que des élèves à qui ont dit qu'il y a des électrons (ou des grains d'électricité) dans toute matière vont te demander où on les case, obligatoirement.

Je suis bien d'accord pour dire qu'on ne peut pas prouver tout ce qu'on avance (c'est bien pourquoi on utilise l'analogie, comme le fait Aranel avec sa chaîne de vélo). Mais il faut sans doute réduire au minimum nécessaire les notions improuvables, surtout en primaire.

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Al a écrit:

doctor who a écrit:Imperceptible, bien sûr. Mais je m'étonne que tu dises que c'est improuvable.

J'ai précisé en primaire et dans le secondaire...

Et je ne suis pas de ton avis concernant l'introduction des notions "improuvables". Et c'est pour ça que je n'adhère pas du tout aux démarches d'investigation.

Je comprends. Mais je pense qu'il y a un juste milieu entre le tout démontrable (en maths, ce fut les maths modernes en 1970) et le cours purement assertorique (mot trouvé chez Bachelard et qui m'a bien fait rire). Et il reste à prouver que le fait de lier le fait étudié à sa démonstration (ou du moins, en primaire, à son explication) passe obligatoirement par une démarche d'investigation (que je rejette comme excessive et voulant calquer un ordre sur un autre, celui de la recherche et celui de la pédagogie).

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doctor who a écrit:Aranel, c'est très intéressant.

C'est là qu'on voit que l'usage de l'analogie est un puissant outil pédagogique en science.

En revanche, autant je pense que c'est à faire tel quel au collège, autant en primaire, cela me semble poser un problème de progression et de compréhension.

Je ne vois pas des primaires comprendre ce que sont ces grains d'électricité. Il faut bien expliquer avant la notion d'électron, non. Qu'il s'agisse de "grain" est sans doute énigmatique pour des petits bouts qui n'en auront rencontré qu'en parlant d'agriculture, et préciser que ces grains sont "d'électricité" n'évoquera pas grand chose dès lors qu'on veut justement définir l'électricité.

Or, faire protons, neutrons, électrons en primaire me semble un chouia ambitieux.

D'ailleurs, en 5è, leur as-tu déjà parlé des électrons, quand tu en arrives là ?

Alors, je précise que tout ce sujet est fait dans mon esprit pour que les collègues aient une vision la plus claire possible de ce qu'est le courant, électrique, la tension, la résistance, l'énergie électrique, la puissance électrique... bref à un niveau de formateur.

Pour ce qui est du discours à tenir aux enfants, parler de "grains d'électricité" ne fait que décaler le problème on est d'accord. On n'a pas besoin de pousser la description de la matière pour parler du courant électrique mais c'est à mon avis important de leur dire que le courant électrique c'est un déplacement de quelque chose et que ce "quelque chose" sont des tous petits "grains de matière", des "grains d'électricité".

doublecasquette a écrit:Je pense que des petits assimileraient ces grains à des étincelles ou à des boules de feu comme ils en voient dans les dessins animés.

Et bien, c'est très bien, ça ne gêne pas la compréhension et en plus ça peut les aider à être intéressé ! ensuite, il faut insister sur le fait que ces "grains" se déplacent comme s'ils étaient tous accrochés ensemble. C'est pour ça qu'ils ne peuvent bouger que si on fait une boucle fermée, ils tournent alors tous ensemble comme les maillons d'une chaîne de vélo.
D'ailleurs, ils ne peuvent pas sortir si on coupe le fil, ni si on le secoue, pour les bouger il faut obligatoire une pile (ou un générateur en général). Et qu'il y ait une pile ne suffit pas, il faut aussi qu'ils puissent tous bouger ensemble, il faut donc une boucle fermée.

Rikki a écrit:
Non, je ne suis pas vexée, Aranel, enfin, pas par toi et pas sur l'électricité ! C'est juste que je ne maîtrise pas, donc, c'est angoissant.
[...]
Mais si l'ampoule ne s'allume pas la lampe ne brille pas, je ne sais pas pourquoi, et je suis vachement embêtée ! En plus, je ne suis pas à l'aise avec le vocabulaire, et j'ai tout le temps l'impression de dire des conneries bêtises !

C'est normal à mon avis de ne pas être à l'aise. Déjà que nous dans notre domaine on n'est pas à l'aise sur tout, vous avec tous les domaines à aborder, c'est largement pire !
Bref, pour ma part, il a fallu que je passe des heures avec du matériel, l'aide d'autres profs, et de la violence mentale pour arriver à faire le lien entre les équations absconses qui m'ont été enseignées à la fac et le comportement réel du petit circuit récalcitrant et goguenard qui me narguait sur ma table...

Bref c'est pour ça que si on peut faire profiter du temps qu'on a passé, pour vous aider à mieux comprendre de votre côté, ça serait un petit pas non négligeable pour l'Humanité !

Al a écrit:
La notion de tension est, je trouve, très dure à comprendre. L'analogie avec l'altitude est pas mal (altitude <-> potentiel/état électrique) mais ça ne te dit pas ce qu'est un potentiel électrique... L'intensité est beaucoup plus simple à comprendre puisqu'on peut concrètement la rattacher à un débit de charges.

Je ne parle pas de grains d'électricité mais d'électrons dans un circuit métallique. Même en 5ème. Je pense que j'utiliserais ce terme aussi en primaire: après tout ces petits grains portent un nom et "électron" ça fait super scientifique on peut épater papa et maman le soir à la maison. Je sais qu'il y a d'autres grains d'électricité (les ions en solution et toutes les particules chargées) mais si je n'étudie pas la conduction en solution aqueuse, je ne le précise pas. Ce n'est pas grave si plus tard, les élèves découvrent que la réalité est plus complexe. Mais je comprends les réticences des collègues, d'une certaine façon, on raconte des bêtises aux élèves.

Le problème de parler d'électrons avant la 3e est que ça soulève d'effroyables obstacles épistémologiques euh... problèmes conceptuels chez les élèves. Car ces :colere: d'électrons sont chargés négativement ! Or on enseigne (et c'est vrai) que le courant électrique va TOUJOURS du (+) vers le (-) du générateur. Ok, c'est une convention, le courant va toujours dans ce sens. Mais si on commence par leur dire que dans les circuits le courant est formé d'électrons qui vont dans l'autre sens, on perd beaucoup de crédit pédagogique. Pour l'avoir testé, je peux vous dire que c'est une erreur.
Les élèves soit considèrent au final qu'on s'en moque du sens, ou confondent tout, soit considèrent qu'on leur ment, soit juste que "c'est nul !".

Bref, pour éviter ça, à mon avis il faut amener progressivement les choses et parler de "grains d'électricités" pour ne pas avoir à leur mentir sur le sens du courant. Ensuite, dès qu'ils ont vu en 3e la conduction dans les solutions ioniques, où il y a DEUX déplacements de charges de signe opposés (les ions positifs les cations, qui vont dans le sens du courant; et les anions, chargés négativement qui se déplacent dans l'autre sens en même temps) on peut revenir sur la convention. Le sens du "courant électrique" est le sens du déplacement de charges POSITIVES qui aurait le même effet que ce qui se passe en vrai là où on regarde. Car une charge (+) qui va dans un sens a le même effet qu'une charge (-) qui va dans l'autre...

Et ce que j'aime bien, c'est que ça ouvre énormément de très bonnes questions, que l'on peut laisser en suspend pour piquer la curiosité des élèves. Il y en a quelques unes dans ma progression, mais il faut que je la mette à jour j'en ai eu des excellentes depuis.

doctor who a écrit:

Toujours est-il que des élèves à qui ont dit qu'il y a des électrons (ou des grains d'électricité) dans toute matière vont te demander où on les case, obligatoirement.

Oui, ils demandent... On leur répond que ces grains sont déjà dans les fils, qu'ils sont partout et qu'ils forment la matière... Ça fait des "ohhh" des "ahh" et puis on avance. Ça leur suffit comme explication. Sauf pour ceux qui voudront creuser et pas de problème, qu'ils creusent...

doctor who a écrit:Je suis bien d'accord pour dire qu'on ne peut pas prouver tout ce qu'on avance (c'est bien pourquoi on utilise l'analogie, comme le fait Aranel avec sa chaîne de vélo). Mais il faut sans doute réduire au minimum nécessaire les notions improuvables, surtout en primaire.

Attention, en sciences on n'a pas à "prouver" ou à démontrer. On est d'abord là pour regarder comment ce comporte le monde. Ensuite on essaie d'expliquer et si notre explication nous permet de prévoir le comportement futur du réél, alors cette explication est valable. Il n'y a pas de "vrai" ou de "faux" absolus en sciences. Notre vision actuelle des choses est une version fausse pour celle de demain.

C'est pour ça qu'il faut essayer d'amener à trouver des conséquences de nos explications pour pouvoir les tester dans d'autres cas.

Dire : " le courant sort de la pile et arrive à la lampe pour la faire briller" est "faux", mais est validé par une expérience simple ! clic, la lampe brille donc j'ai raison. (Comme les grecs savaient que Zeus existe, la preuve, il y a de la foudre...)
Ensuite, on peut se dire : " mais alors, si je mets un interrupteur "après" la lampe, elle va briller quand même car le courant aur pu arriver à la lampe avant d'être arrêté !". On fait l'expérience et la lampe ne brille pas. Donc la première phrase est fausse aussi, alors qu'elle expliquait le monde dans le premier cas.

Suis-je clair ?

Il ne faudrait pas non plus que l'élève ait comme représentation initiale, celle qui revient spontanément au cerveau, même après des années d'étude, que un électron et chaque électron se balade tout au long du circuit, passe dans la pile, ressort de l'autre côté et fait des tours et des tours.

C'était là la représentation initiale de mon professeur agrégé de Physiologie en école véto et ça avait donné lieu à un fou-rire lors d'un TP sur la conduction nerveuse où il nous a maintenu que les électrons parcouraient les fils électriques à la vitesse de la lumière, avec pour preuve que quand on appuyait sur un interrupteur la lumière s'allumait instantanément. Après débat contradictoire, il était très vexé, forcément.

Bonne remarque, c'est pour ça que l'analogie avec la chaine de vélo, ou l'analogie hydraulique est très efficace là dessus. Les maillons ne vont pas vite, mais tous les maillons se mettent à bouger ENSEMBLE.

Pour éviter les tours et les tours, je donne mon modèle de la pile électrique pour clarifier les choses et expliquer pourquoi il y a AUTANT de "grains d'électricité" dans une pile "usée" que dans une pile "neuve".