De nombreux concepts chimiques peuvent être représentés de plusieurs manières, chacune fournissant des informations différentes. Par exemple, la structure d’une molécule peut être représentée sous la forme d’une formule, d’un dessin structurel 2D, d’un modèle boule-et-bâton ou d’un modèle remplissant l’espace. Ces multiples représentations sont souvent source de confusion pour les élèves.
Représentations multiples
Dans certains cas, nous présentons aux élèves des schémas préconstruits à interpréter. Il peut s’agir d’équipements scientifiques pour soutenir les travaux pratiques, par exemple, ou de diagrammes au niveau des particules pour aider les étudiants à relier les domaines macroscopiques et sous-microscopiques.
Lorsque les élèves créent eux-mêmes des diagrammes, cela favorise le développement de compétences d’observation et de raisonnement. Cela peut développer leurs modèles mentaux de phénomènes scientifiques car ils doivent sélectionner des caractéristiques spatiales clés et les représenter sous une forme visuelle. Le développement de ces compétences peut être utilisé comme moyen d’évaluation.
Bien que difficile, l’utilisation de représentations multiples est bénéfique pour les élèves. Chaque formulaire a des caractéristiques différentes qui véhiculent des informations complémentaires sur un concept. Dessiner des diagrammes aide les élèves à construire, organiser et communiquer leur compréhension de ces concepts. Ils peuvent alors relever le défi d’accumuler des connaissances fragmentées, développer des stratégies de résolution de problèmes et construire une compréhension plus profonde des concepts scientifiques complexes.
Le défi des représentations multiples est considérablement plus grand lorsqu’il existe de nombreux concepts chimiques fondamentaux différents nécessaires pour en expliquer un autre – le concept de liaison hydrogène dans l’eau, par exemple. Comment encodez-vous les informations sur l’électronégativité, la forme moléculaire, l’orientation moléculaire et les paires d’électrons isolées dans un seul diagramme qui forme une explication cohérente ?
Une nouvelle étude menée par des chercheurs australiens et taïwanais répond à cette question. Dans ce document, ils utilisent des diagrammes générés par les élèves pour étudier la compréhension conceptuelle des élèves de la nature des liaisons hydrogène entre les molécules d’eau dans les flocons de neige.
Conseils pédagogiques
- Les élèves devraient être encouragés à dessiner des diagrammes plus souvent. Il peut révéler les modèles mentaux des élèves et les concepts alternatifs potentiels.
- Les diagrammes peuvent être particulièrement utiles pour les étudiants qui ne maîtrisent pas la bonne terminologie scientifique, car ils leur offrent un autre moyen de communiquer leur compréhension.
- Vous pouvez utiliser les invites d’entretien de l’article publié dans votre propre pratique pour évaluer la compréhension de vos étudiants sur la liaison hydrogène. Vous pouvez également les utiliser comme guide pour développer vos propres invites pour d’autres concepts de chimie.
- Cette recherche suggère que les éducateurs doivent être conscients des défis liés à la compréhension de la directionnalité de la liaison hydrogène, en raison de la position des paires d’électrons isolées et de la position de l’atome d’hydrogène. Vous pouvez trouver plus de conceptions sur la liaison hydrogène dans l’article.
Un défi intermoléculaire
Les chercheurs ont utilisé une série d’invites échafaudées pour interroger des étudiants universitaires de première et de deuxième année. Ces invites ont lentement rappelé aux élèves l’idée de la liaison hydrogène dans un flocon de neige, et ont été construites en une invite explicite pour illustrer un système de plusieurs molécules d’eau liées à l’hydrogène dans un diagramme.
Les schémas de 60 de ces entretiens et les transcriptions d’entretiens ont été analysés à l’aide d’une approche inductive, générant différentes catégories relatives aux conceptions des étudiants sur la liaison hydrogène dans un flocon de neige. L’analyse a révélé plusieurs difficultés auxquelles les étudiants sont confrontés et de nouveaux concepts alternatifs sur la liaison hydrogène.
La plupart des élèves ont pu représenter adéquatement la structure courbée d’une molécule d’eau dans leurs diagrammes et indiquer la nature covalente des liaisons intramoléculaires. Cependant, les diagrammes ont révélé que les étudiants conceptualisaient les liaisons hydrogène intermoléculaires de différentes manières.
Les dessins générés par les élèves ont été utilisés avec succès pour interroger la compréhension conceptuelle des élèves
La moitié des diagrammes des étudiants illustraient correctement le concept d’une liaison hydrogène, y compris la preuve qu’elle était intermoléculaire, électrostatique et directionnelle. Cependant, l’autre moitié a révélé des conceptions alternatives sur la structure de l’eau, la nature des interactions intermoléculaires et l’implication spécifique des paires d’électrons isolées. Par exemple, les diagrammes de certains élèves suggéraient que les oxygènes de deux molécules d’eau différentes pouvaient former une liaison hydrogène avec le même hydrogène.
Les diagrammes d’autres étudiants ont suggéré que les deux paires d’électrons isolés sur l’oxygène pourraient participer collectivement à une seule liaison hydrogène, sans avoir besoin d’une directionnalité précise.
Même les diagrammes qui illustraient une bonne compréhension de la liaison hydrogène ont montré que les étudiants avaient du mal à représenter les interactions moléculaires en 3D. La liaison hydrogène est un concept abstrait fondamental en chimie. Une compréhension cohérente dépend d’une bonne compréhension de la forme moléculaire, de l’électronégativité et de la distribution des électrons dans les molécules. Ainsi, les chercheurs ont utilisé avec succès des dessins générés par les étudiants sur la liaison hydrogène dans les flocons de neige pour interroger la compréhension conceptuelle des étudiants.
Une tâche post-16 utilisant des mini tableaux blancs
Vous pouvez utiliser les méthodes appliquées dans l’étude comme une activité de classe post-16 avec des mini tableaux blancs.
- Commencez par montrer aux élèves des images agrandies de flocons de neige et demandez-leur ce qu’ils remarquent sur leurs formes.
- Demandez aux élèves de dessiner une seule molécule d’eau au milieu de leur tableau blanc et de vous les montrer.
- Discutez des idées fausses, en veillant à ce que tous les élèves terminent avec la bonne géométrie en forme de V.
- Demandez-leur d’ajouter une deuxième molécule d’eau, en montrant comment elle interagit avec la première, y compris l’utilisation de paires isolées et de dipôles. Expliquez les raisons qui sous-tendent l’interaction.
- Demandez ensuite aux élèves de dessiner autant de molécules d’eau interagissant avec la molécule d’origine que possible. Lorsqu’ils ont terminé la tâche, ils doivent chacun avoir un total de quatre molécules à liaison hydrogène. Donnez des éloges supplémentaires à ceux qui transmettent des informations 3D dans leur dessin.
- Une idée fausse courante est que les liaisons hydrogène sont des liaisons intramoléculaires aux atomes d’hydrogène. Demandez aux élèves d’indiquer clairement les liaisons hydrogène dans leurs diagrammes pour éliminer cette idée fausse.
- Il est difficile de transmettre la disposition 3D des molécules d’eau dans un dessin, alors essayez d’avoir un modèle comme référence pour illustrer le réseau.
- À la fin de la tâche, les élèves devraient être en mesure d’établir un lien entre la nature cristalline des flocons de neige et l’arrangement sous-microscopique des molécules d’eau.
Référence
H Matovi et al, Chim. Éduc. Rés. Pratique.2022, 23 (DOI : 10.1039/d2rp00175f)
David Read et Fraser Scott
