Étude de l’évolution d’une transformation chimique totale TraAM 2018-2019

, par Jean-Charles Moreau-Trouvé

Cet article illustre un exemple d’usage proposé par le GEP de l’académie de Versailles s’inscrivant dans le projet national TraAM 2018-2019 dont la thématique est :

« Le codage et l’algorithmique pour l’enseignement de la physique-chimie »

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Professeur expérimentateur

  • Jean-Charles MOREAU-TROUVÉ
  • Lycée George-Sand
  • DOMONT (Val d’Oise)

Niveau - Thèmes

  • Lycée
  • Première (Enseignement de spécialité)

Introduction

Cette séquence propose la conception d’un programme (écrit en Python) donnant, pour une transformation chimique totale comportant deux réactifs et deux produits :

  • le réactif limitant ;
  • la valeur de l’avancement maximal ;
  • la composition de l’état final du système ;
  • une représentation graphique présentant l’évolution des quantités de matières des espèces chimiques tout au long de la transformation.

Compétences

  • S’APPROPRIER : Visualisation de tutoriels vidéo pour s’approprier les éléments essentiels de syntaxe Python.
    Évaluation formative sous forme de tests pour vérifier l’appropriation des notions.
  • ANALYSER : Écriture en langage naturel de la structure du programme en se basant sur la réalisation parallèle d’un tableau d’avancement à l’écrit.
  • RÉALISER : Écriture du code permettant de répondre aux objectifs présentés en introduction.
  • VALIDER : Vérification des résultats retournés par le programme à l’aide du tableau d’avancement construit à l’écrit.
    Inter-évaluation par les pairs des différents programmes.
  • COMMUNIQUER : Publication sur un espace de dépôt.
    Inter-évaluation selon des critères prédéfinis.

CRCN - Compétences Numériques

  • 2.1. Interagir
  • 2.2. Partager et publier
  • 3.4. Programmer
  • 5.2. Évoluer dans un environnement numérique

Notions et contenus du programme

  • Notions et contenus : Évolution des quantités de matière lors d’une transformation.
    État initial, notion d’avancement (mol), tableau d’avancement, état final.
    Avancement final, avancement maximal.
    Mélanges stœchiométriques.
  • Compétences exigibles : Établir le tableau d’avancement d’une transformation chimique à partir de l’équation de la réaction et des quantités de matière initiales des espèces chimiques.
    Déterminer la composition du système dans l’état final en fonction de sa composition initiale pour une transformation considérée comme totale.
  • Capacité numérique : Déterminer la composition de l’état final d’un système siège d’une transformation chimique totale à l’aide d’un langage de programmation

Objectif(s) pédagogique(s)

  • Différencier la séquence en fonction des compétences des élèves, à travers des tutoriels et des objectifs adaptés.
  • Exercer un regard critique grâce à l’inter-évaluation finale.

Objectifs disciplinaires et/ou transversaux

  • Objectifs disciplinaires : Cette séquence doit permettre aux élèves de consolider leur maîtrise de l’outil « tableau d’avancement » grâce aux allers-retours successifs entre l’écriture du code et la construction parallèle d’un tableau d’avancement à l’écrit.
    Elle doit également permettre de mieux intégrer les différents paramètres influant sur l’état final d’une transformation chimique, en se détachant de l’outil « tableau d’avancement » pour mieux appréhender l’évolution de la transformation.
  • Objectif transversal : Mettre à profit la logique algorithmique à travers l’écriture d’un programme en Python.

Description succincte de l’activité

  • Après avoir visionné des tutoriels vidéo pour s’approprier les éléments essentiels de syntaxe Python (le nombre est variable selon le positionnement des élèves), les élèves réalisent des tests pour vérifier leurs acquis.
  • À l’aide de la construction d’un tableau d’avancement générique à l’écrit, ils écrivent dans un langage naturel la structure du programme à réaliser pour répondre aux objectifs proposés en introduction.
    Après validation par le professeur, ils écrivent en langage Python le code correspondant à ce qu’ils ont proposé.
  • Les programmes sont ensuite déposés dans un espace de partage, puis chacun teste et évalue deux projets selon des critères prédéfinis.
  • Une fois le programme fonctionnel, il sera permis aux élèves de le transférer vers une calculatrice possédant un interpréteur Python et de l’utiliser en classe et lors des évaluations.

Découpage temporel de la séquence

  • Tutoriels en amont des séances : de 30 à 40 minutes
  • Établissement du tableau d’avancement générique et écriture du programme en langage naturel : 1 heure
  • Écriture du code : 1 heure
  • Test et inter-évaluation en aval des séances : 30 minutes

Pré-requis

Dans les conditions de l’expérimentation :

  • Tableau d’avancement.
  • Aucun pré-requis en programmation Python.

Outils utilisés / Matériel

  • Plateforme de e-éducation : Éléa
  • Environnement de développement : EduPython

Gestion du groupe - Durée estimée

  • Demi-groupe
  • Présentiel (2 heures) et distanciel asynchrone (1 heure)

Déroulement de la séquence

À faire à la maison, avant ...
  • Visionner la vidéo introductive :
  • Visionner les tutoriels vidéo (variables, conditions, interactions) :
  • Réaliser les tests proposés :
    JPEG - 51 ko
    JPEG - 56.3 ko
    JPEG - 90 ko
  • Point d’étape : Se positionner sur la compréhension générale des notions présentées :
    JPEG - 58.8 ko
    JPEG - 51.2 ko
  • En fonction de la réponse à l’auto-positionnement éventuellement visionner le dernier tutoriel sur la représentation graphique en Python :
À faire en classe
  • Établir un tableau d’avancement générique à l’écrit.
  • Écrire en langage naturel une structure de programme permettant de répondre aux objectifs proposés en introduction :
    Conception d’un programme donnant, pour une transformation chimique totale comportant deux réactifs et deux produits :
    • le réactif limitant ;
    • la valeur de l’avancement maximal ;
    • la composition de l’état final du système ;
    • une représentation graphique présentant l’évolution des quantités de matières des espèces chimiques tout au long de la transformation.
  • Déposer son programme dans l’espace « base de données » d’Éléa.
À faire à la maison, après ...
  • Tests et évaluation des productions de deux autres élèves, à partir de critères prédéfinis :
    JPEG - 65.5 ko

Retour d’expérience

Production des équipes
  • Travail préliminaire : proposition de démarche et écriture des différentes étapes du programme en langage naturel :
    PNG - 9.5 ko
    Production d’élève
  • Écriture du programme :
    PNG - 38.8 ko
    Production d’élève
  • Évaluation par les pairs :
    JPEG - 35.2 ko
    JPEG - 31.7 ko
    JPEG - 31.4 ko
Analyse
  • Points positifs :
    • Travail en amont des présentiels :
      Les cases vertes représentent les activités effectuées par les élèves. Le travail en amont a donc été correctement effectué. Par ailleurs, le niveau des tutoriels et des évaluations formatives est adapté, puisque la très large majorité a choisi de suivre le dernier tutoriel sur la représentation graphique.
      PNG - 90.4 ko
      Outil de suivi
    • Points positifs liés à la programmation :
      Grâce au travail en amont sur les tutoriels proposés, et la possibilité d’y revenir lors des séances, les difficultés syntaxiques ont été assez peu nombreuses.
      Les élèves suivant l’option ISN étaient particulièrement efficaces et impliqués, et ont pu apporter un tutorat entre pairs de qualité. La transdisciplinarité prend ici tout son sens.
    • Points positifs liés à la physique-chimie :
      Le travail préalable d’écriture de la démarche en langage naturel est très fructueuse et apparaît comme indispensable. Ce travail a été l’occasion pour les élèves de formaliser les différentes étapes de la construction d’un tableau d’avancement et de son exploitation. Beaucoup ont également clarifié leurs représentations sur les paramètres influençant les différents états d’une transformation :
      - Une fois l’équation écrite avec les nombres stœchiométriques ajustés, les formules brutes des espèces chimiques n’interviennent pas.
      - À l’état initial, les nombres stœchiométriques n’interviennent pas.
      - À l’état final, l’avancement maximal peut être déterminé en posant des hypothèses.
      La plus-value a surtout été constatée pour les élèves qui avaient des difficultés pour construire et exploiter un tableau d’avancement. J’ai reçu plusieurs retours spontanés indiquant que le fait d’avoir à écrire la démarche complète leur a permis de mieux maîtriser cet outil et ainsi dresser l’état final d’une transformation.
      Par ailleurs, la construction à l’écrit d’un tableau d’avancement générique (équation de réaction du type aA + bB → cC + dD) a été fructueuse pour un certain nombre d’élèves pour structurer la démarche. Il peut être pertinent de généraliser cela sous forme d’une question préliminaire.
  • Difficultés rencontrées :
    • Difficultés liées à la programmation :
      La rigueur dans la syntaxe est absolument indispensable, ce qui a pu poser quelques difficultés à certains élèves (parenthèses à la place de crochets, problèmes d’indentation…). Le support des tutoriels est précieux pour gagner en rigueur.
      La correction d’un morceau de code par le professeur lorsqu’il contient un problème de syntaxe que l’élève ne parvient pas à identifier est parfois délicate.
    • Difficultés liées à la physique-chimie :
      Quelques difficultés pour systématiser la démarche pour déterminer l’état final. La phase préalable d’écriture en langage naturel ne doit surtout pas être négligée.
      « Fausse piste » de certains élèves de vouloir intégrer les formules des molécules dans ce travail.
      Oubli quasiment systématique du cas où les réactifs ont été introduits dans les proportions stœchiométriques : le rappeler en coup de pouce permet de mettre en lumière ce cas particulier, dans l’optique des titrages par exemple.