Investigating Chemistry Students’ Learning about the Relationship between the Temperature and the Pressure of a Gas Using a Microcomputer-Based Laboratory (MBL): A Word of Caution

Abstract

Learning chemistry with understanding is a challenge. From a social constructivist position, we view students’ chemistry learning from experiments as involving the shared negotiation of meaning that uses experimental data to confirm or challenge their existing scientific theories. This study focuses on the practices related to the use of a microcomputer-based laboratory (MBL) in a high school chemistry course in which students were studying gases and kinetic theory. Given the widely accepted view that the use of such technology is a ‘cure-all’ for educational problems, student learning using this technology might be considered disappointing. We find that little or no higher-order thinking was employed as students engaged in using the MBL and that some alternative conceptions were still evident. It is necessary to consider the students’ and the teacher’s use of such technology in the experimental context if the promise of its use is to be realized.

Sommaire exécutif

Apprendre la chimie et la comprendre, voilà qui constitue un défi. Un élément clé de cet apprentissage, y compris en ce qui regarde le comportement des gaz et la théorie cinétique (qui font l’objet du présent article), est à notre avis lié à la nécessité de considérer les phénomènes chimiques d’un point de vue macroscopique, moléculaire et symbolique, plutôt que d’analyser simplement les relations mathématiques et graphiques qui relient ces concepts. Comme tant d’autres domaines de la science, la chimie est fortement expérimentale. Tandis que les avantages des expériences en laboratoire dans les sciences à l’école sont largement débattus, on réévalue leur ≪ nécessité d’office ≫ et on remet en question aussi bien leur valeur intrinsèque que la place qu’ils occupent dans le curriculum scientifique. De toute évidence, il est nécessaire de se pencher d’une part sur ce que font les étudiants et les étudiantes au laboratoire et d’autre part sur l’apprentissage qui résulte de ces activités.

Les laboratoires de sciences des écoles secondaires se caractérisent de plus en plus par la présence de micro-ordinateurs, pour l’enregistrement informatisé des données. On vante partout les avantages potentiels de telles applications des ordinateurs, applications largement compatibles avec les objectifs contemporains d’une formation scientifique visant à fournir aux étudiants et aux étudiantes des occasions de développer des stratégies d’investigation, de réflexion et d’analyse. Cependant, on ne dispose guère de recherches qui analysent en détail les activités des élèves et l’apprentissage qui résulte de l’utilisation des micro-ordinateurs en laboratoire. Notre étude se propose de combler cette lacune. Elle est centrée sur l’utilisation des microordinateurs dans un laboratoire de chimie destiné aux étudiants et aux étudiantes de 1 1^e année d’une école australienne. Dans une étude précédente, nous avions conclu que l’impact des laboratoires informatisés sur l’apprentissage des élèves était minime. Au contraire, leur apprentissage avait été fortement influencé par les convictions profondes de l’enseignante sur la nature même de la science et sur la qualité de réflexion qu’elle souhaitait voir émerger dans son laboratoire de chimie. Nous adoptons ici une méthodologie interprétative afin de mieux cerner les activités, les paroles et les raisonnements des étudiants et des étudiantes qui utilisent les laboratoires informatisés. Au cours d’une période de cinq semaines, nous avons recueilli des données provenant de multiples sources: enregistrements vidéo des participants en classe; enregistrements audio de dialogues entre élèves obtenus grâce à des microphones radio; images vidéo d’élèves utilisant les laboratoires informatisés (images qui étaient ensuite superposées à des affichages à l’écran en temps réel); résultats de tests de compréhension des concepts chimiques à l’étude, soumis aux élèves avant et après la période visée; entrevues avec l’enseignante et avec les étudiants et les étudiantes.

Les pratiques des membres de la classe lorsqu’ils se servaient du laboratoire informatisé et l’apprentissage dérivé de ces pratiques se sont avérés essentiellement homogènes. Les données relatives à un groupe d’étudiants sont présentées ci-dessous sous la forme d’une analyse des tests de début et de fin, d’un extrait de leurs conversations pendant qu’ils utilisaient les micro-ordinateurs du laboratoire et d’un plan expérimental qui décrit notre interprétation de leurs activités circonstanciées en temps réel. Les trois types de présentation des données fournissent des moyens d’interpréter les réalisations et l’apprentissage des étudiants. De façon générale, notre conclusion est que l’apprentissage dérivé de l’utilisation des laboratoire informatisés est inférieur à ce que laissaient espérer leurs promoteurs. Les étudiants se sont contentés de discuter de questions de procédures; le niveau de compréhension de certains étudiants n’avait guère évolué à la fin de l’unité pédagogique. Et même lorsque la compréhension avait évolué, rien n’indique que cette évolution soit une conséquence du travail réalisé grâce au laboratoire informatisé. Aussi bien l’enseignante que ses étudiants se sont servis des micro-ordinateurs pour mesurer les liens entre la température de quantités données de gaz, à un volume constant, du point de vue macroscopique et symbolique. Le niveau moléculaire n’a pas été considéré.

La question de savoir comment le laboratoire informatisé a été utilisé peut dépendre des différentes définitions de ce qui constitue la compréhension. L’enseignante ne partageait pas notre opinion de ce que signifie apprendre la chimie et la comprendre. Par conséquent, l’utilisation qu’elle a faite du laboratoire informatisé et l’apprentissage qui en a dérivé chez ses élèves n’a pas correspondu à nos prévisions. Évidemment, il est important de distinguer l’utilisation potentielle de ces technologies dans les laboratoires de sciences à l’école et l’utilisation réelle qu’on en fait. Si le laboratoire informatisé est perçu comme un simple outil de mesure de haute précision, son plein potentiel pour l’apprentissage demeurera lettre morte. Il sera nécessaire d’effectuer des recherches qui analysent l’utilisation de ces technologies par des enseignants et des enseignantes de toutes orientations épistémologiques et pédagogiques si l’on veut fournir une base plus solide visant à mettre en valeur l’utilisation des micro-ordinateurs dans les laboratoires de sciences à l’école.