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ATELIER : Élaborer un scénario pédagogique de dépassement des obstacles cognitifs dans sa propre discipline, en exploitant le concept de domaine de validité

Authors:
Frédéric Robert at Université Libre de Bruxelles
Frédéric Robert
Raoul Sommeillier at Ohme
Raoul Sommeillier
  • Ohme
Renaud Theunissen at Université Libre de Bruxelles
Renaud Theunissen
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Abstract

Les erreurs récurrentes observées chez les étudiants peuvent parfois, voire souvent, être expliquées en exploitant l’idée de préconception selon laquelle un étudiant construit son apprentissage en s’appuyant sur des concepts antérieurs. Les préconceptions, parce qu’elles sont susceptibles d’entrer en conflit avec l’assimilation de nouveaux savoirs, peuvent constituer des obstacles parfois sévères à l’apprentissage. Plusieurs courants de recherche ont émergé pour développer cette notion complexe. En tentant de décrypter les erreurs commises dans un cours d’électricité de BAC2 en sciences de l’ingénieur à l’École Polytechnique de Bruxelles, nous avons été amenés à proposer une modélisation particulière de ce phénomène.
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Axe 2 : Obstacles en contexte de classe. Centration sur les enseignants 175
ATELIER : Élaborer un scénario
pédagogique de dépassement des obstacles
cognitifs dans sa propre discipline, en
exploitant le concept de domaine de validité
Frédéric Robert 1?, Raoul Sommeillier, Renaud Theunissen 2
?BEAMS (BEAMS Department) – Brussels, Belgique
Les erreurs récurrentes observées chez les étudiants peuvent parfois, voire souvent, être expliquées en
exploitant l’idée de préconception selon laquelle un étudiant construit son apprentissage en s’appuyant
sur des concepts antérieurs [Bell, 1993; Bull, Jackson & Lancaster 2010; Clement, 1982; Hammer, 1996 ;
Holton, 2006 ; Vosniadou, 2012]. Les préconceptions, parce qu’elles sont susceptibles d’entrer en conflit
avec l’assimilation de nouveaux savoirs, peuvent constituer des obstacles parfois sévères à l’apprentissage.
Plusieurs courants de recherche ont émergé pour développer cette notion complexe (voir notamment
Clement, 1993; Hammer, 1996 ; Sommeillier, Quinlan & Robert, 2019 ; Vosniadou, 2011 et 2012).
En tentant de décrypter les erreurs commises dans un cours d’électricité de BAC2 en sciences de
l’ingénieur à l’École Polytechnique de Bruxelles, nous avons été amenés à proposer une modélisation
particulière de ce phénomène [Sommeillier & Robert, 2016]. Une préconception y est formée de deux
composantes : le « modèle » (le « savoir » classiquement visé : un concept, un principe, une procédure,
etc.) et le « domaine de validité » ou « DdV » (le périmètre dans lequel le « modèle » est applicable).
À ces deux composantes, nous ajoutons l’hypothèse qu’une préconception apparait lorsqu’un modèle est
associé à un domaine de validité surdimensionné, trop vaste au regard de l’applicabilité réelle du modèle.
Cette modélisation s’appuie de surcroit sur une représentation graphique particulièrement visuelle.
Ce formalisme suggère très directement une stratégie d’enseignement consistant, pour dépasser la
préconception, à identifier une « expérience paradoxale ». Celle-ci est à rechercher dans le périmètre
compris entre le DdV surdimensionné et le DdV réellement applicable. Créer une situation d’enseigne-
ment confrontant l’étudiant à une telle expérience contribue nettement, selon notre pratique de terrain,
au dépassement de la préconception qui consiste alors, selon notre modélisation, à réduire le domaine
de validité (et non à remettre en cause le modèle initial en lui-même). Si un tel propos n’est certai-
nement pas complètement neuf, il nous semble que la formalisation spécifique que nous en proposons
permet d’une part d’expliquer simplement bon nombre des propriétés classiquement citées à propos des
préconceptions (irréversibilité, continuité/discontinuité, remise en cause d’un savoir réputé valide, résis-
tance au dépassement, etc), et, d’autre part, d’opérationnaliser de manière particulièrement efficace le
concept de préconception, pour en tirer des stratégies concrètes d’enseignement spécifiquement ciblées
sur le dépassement des obstacles visés.
Ainsi nous avons pu, pour notre part, au moyen de ce formalisme, augmenter significativement la
performance de nos étudiants face à certains obstacles récurrents, mettre en évidence la notion de précon-
ception méthodologique, ou encore remettre en cause la séquence classique d’enseignement de la résolution
des circuits électriques [Sommeillier & Robert, 2016 et 2017, Theunissen, Sommeillier & Robert, 2020].
Dans l’optique de diffuser plus largement ces outils, ainsi que d’en affiner encore les limites, nous nous
proposons ici de faire vivre aux participants la mise en évidence d’un obstacle constituant une difficulté
1. frederic.robert@ulb.ac.be
2. renaud.theunissen@ulb.ac.be
Axe 2 : Obstacles en contexte de classe. Centration sur les enseignants 176
récurrente auprès de leurs étudiants, puis son décodage sous forme de préconception au moyen de notre
modèle, et enfin l’élaboration d’une stratégie de dépassement adaptée, qu’ils pourront alors tester dans
leurs propres enseignements.
L’atelier comprendra 4 temps :
– Le premier temps (20min) sera une séquence d’enseignement actif qui, au départ de quelques pro-
blématiques courantes, amènera les participants à être confrontés à et à dépasser certaines de leurs
préconceptions. Nous choisirons pour cela un domaine appréhendable pas tous (vie courante et/ou
notions élémentaires de physique de niveau secondaire). Nous suivrons pour ce faire un scénario
pédagogique non explicité vis-à-vis du public mais sous-tendu par notre modélisation.
– Le second temps (25 min) sera consacré à l’explicitation et l’explication de notre formalisation
des préconceptions et de la manière dont nous avons utilisé celle-ci pour construire le scénario
pédagogique les amenant pendant le premier temps, de manière maitrisée, à dépasser certaines de
leurs préconceptions.
– Le troisième temps (30 min) sera consacré à l’élaboration par groupes de trois participants, au
départ d’une situation vécue par un des enseignants du groupe dans sa pratique, d’une séquence
d’enseignement concrète visant à dépasser un obstacle cognitif. Pratiquement, chaque groupe sera
amené à identifier précisément les différents constituants de la situation pour le cas particulier choisi
(modèle initial, modèle final, domaines de validité réel et surdimensionné, expérience paradoxale)
puis à exploiter ceux-ci pour construire un énoncé utilisable face aux étudiants et spécifiquement
orienté vers le dépassement de l’obstacle.
– S’ensuivra un temps de partage des résultats et conclusions (15 min)
À la fin de l’atelier, chaque participant aura vécu l’expérience d’élaborer une stratégie d’enseignement
concrète au départ d’erreurs récurrentes des étudiants, et ce au moyen d’une grille de lecture explicite
indépendante de la discipline (et donc applicable en autonomie à de nouveaux cas).
L’atelier sera également l’occasion de recueillir les marques d’intérêt d’enseignants qui souhaiteraient
s’engager avec nous dans une démarche de recherche-action sur l’opportunité et l’impact potentiel de
mettre en œuvre des techniques d’enseignement spécifiquement ciblées sur le dépassement des préconcep-
tions dans le cadre de leurs enseignements, au moyen de la modélisation proposée.
Bibliographie
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115–137. https://doi.org/10.1007/BF01273297
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Clement, J. (1982). Students’ preconceptions in introductory mechanics. American Journal of Physics,
50(1), 66–71. https://doi.org/10.1119/1.12989
Clement, J. (1993). Using bridging analogies and anchoring intuitions to deal with students’ preconcep-
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Holton, D. L. (2006). Enactive modeling as a catalyst for conceptual understanding : An example with
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Sommeillier, R., Quinlan, K. M. & Robert, F. (2019). [under review] Domain of Validity Framework :
Axe 2 : Obstacles en contexte de classe. Centration sur les enseignants 177
From a review of constructs to a new theory of students’ preconceptions in science. Studies in Science
Education.
Sommeillier, R. & Robert, F. (2016). Les préconceptions en théorie des circuits électriques au niveau uni-
versitaire : développement d’une stratégie de dépassement. In 9èmes Rencontres de l’ARDiST. Université
d’Artois, Lens, France.
Sommeillier, R. & Robert, F. (2017). Misconceptions in electricity at university level : development of an
overcoming strategy. ESERA’17 conference. Dublin City University, Dublin, Ireland.
Theunissen, R., Sommeillier, R. & Robert, F. (2020). Formalisme des préconceptions méthodologiques :
analyse des erreurs rencontrées lors de la résolution de circuits électriques. In 11èmes Rencontres de
l’ARDiST. Universite libre de Bruxelles, Bruxelles, Belgique.
Vosniadou, S. (2011). International Handbook of Research on Conceptual Change. Science & Education,
20(5–6), 563–576. https://doi.org/10.1007/s11191-010-9283-6
Vosniadou, S. (2012). Reframing the Classical Approach to Conceptual Change : Preconceptions, Mis-
conceptions and Synthetic Models. In Second International Handbook of Science Education (119–130).
https://doi.org/10.1007/978-1-4020-9041-7_10
Mots-clés : préconceptions, obstacle cognitif, modélisation, scénario pédagogique, domaine de validité
Overcoming preconceptions to enhance student learning process in engineering science Domain of validity framework: a new instructional theory for designing and implementing preconception-centred teaching strategies in higher education
Thesis
Full-text available
  • Aug 2022
Each teacher can experience it every day: students come to science courses with prior knowledge which can act both as building blocks and as obstacles for new learning. It is widely acknowledged that preconceptions are present at both pre-university and university level, in particular in general physics education. These preconceptions may constitute important obstacles to learning since, successfully used in past experiences and contexts, they are considered as a priori ’always true’ by their owners and are then really difficult to overcome. As engineering teachers at university level, our practices in electricity, electromagnetism and electronics have offered many opportunities (questions in class, lab sessions, exam marking, etc) to realise that our specific context was not immune to this phenomenon. Despite our intuitive efforts and questionings about our teaching approach and material, we have been each year facing repetitive unexpected ‘mistakes’ from students in the context of electricity courses dedicated to second-year engineering students at Université Libre de Bruxelles (ULB). Frustrated that we were not able to get the messages across effectively to students and motivated by the scarcity of published works in our specific niche, we decided to investigate areas in science education related to the teaching situations and issues we used to face. This thesis was the opportunity to explore the field (model-based learning, conceptual change, epistemological obstacle and pre/misconception) with the aim to improve our understanding, practices and teaching material. One intuitive ’to-be-tested’ idea acted as a starting point: switching the focus from the models themselves, i.e. the substances and subjects we use to learn and teach, to another central concept around which this whole piece of research is gravitating: what we call the domains of validity associated with those models, i.e. the range of situations in which they can be appropriately used and applied regarding the related context and desired outcomes. By embracing a two-component view of knowledge (considered as the association of a model and a DoV), we propose a new theoretical framework: the Domain of Validity Framework (or DoV framework). This framework explains the obstacle to learning as an overgeneralised DoV. It is specifically designed for developing teaching strategies and for use in the field, with the aim of helping teachers to trigger the overcoming of students’ preconceptions. The instructional techniques derived from this practice-oriented framework confront students with a paradoxical situation so that the student realises the limits of the original DoV and subsequently both searches for a new model and reduces the domain of validity of the original model. This instructional model also emphasises the importance of teaching not just models, but their domains of validity and, then, also means being explicit about the two components of knowledge. A series of studies integrated to a mixed methods research design has been built to assess the usefulness and effectiveness of our ideas and new framework to help teachers both diagnosing students’ learning obstacles and conceiving teaching strategies, methods and tools to help students to overcome such obstacles. Those studies include analyses of past examinations (summative assessments) and lab tests (formative assessments), the conception and impact analysis of new exercises and lab sessions with pre/post-tests research design, a qualitative inquiry based on student’s interviews, a case study based on the history of Maxwell’s discoveries and an autonomous educational web app aiming to help students overcome their preconceptions in electricity and in basic mechanics. Wherever we tested it, the implementation of the DoV framework through studies have shown interesting results. Investigating the implications of the concept of Domain of Validity (or DoV) regarding the literature, we have demonstrated the integrative power of our theory in relation to other scientific constructs related to prior knowledge, firstly by resolving apparent oppositions between these constructs, and secondly by redefining (or at least linking with our model) known terms using a small set of precisely defined terms. We have shown that engineering students at university level make mistakes in electricity partly on account of preconceptions they experience in that field, but also highlighted that their preconceptions are mostly different than those provided by the literature. Characterised by its ability to help teachers develop new techniques, the DoV framework has also proven to be a useful and ready-to-use tool for teachers to diagnose difficult-to-overcome students’ learning barriers, to build effective teaching strategies and methods as well as to reconsider the chronological sequence of the contents to be taught. As experiences and results have been gained, the framework has continued to evolve through iterations and exchanges between the theoretical and on-the-field levels, progressively integrating incremental enhancements opening new doors, new understanding and new applications. It also unveiled some unexpected, interesting and surprising concerns and questions we tried to address, such as the transposition of the DoV framework from a conceptual to a methodological level or the seemingly high interconnectedness existing between our ease to overcome a learning obstacle and our ability to diversify and switch between different modes of representation we use to describe phenomena or situations. Although we claim that our theory has high integrative power and applicability, it has its own domain of validity like any other model. It does not address all the issues related to prior knowledge and conceptual change. While we have given an example from and tested the theory in our field of electrical engineering, further research is needed to demonstrate its broad applicability across fields of science, the effectiveness of different teaching strategies based on the theory, the relationship with other theories, and the socio-cultural, emotional and affective dimensions of overcoming DoV-based preconceptions.
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Préconceptions méthodologiques et formalisme du domaine de validité Analyse des erreurs d’étudiants en résolution de circuits électriques
Conference Paper
Full-text available
  • Apr 2021
Les préconceptions ont été activement étudiées en tant qu’élément-clé des difficultés d’apprentissage. Elles ont été rapportées dans une large palette de disciplines, dont l’électricité. Nous investiguons ici l’application d’une formalisation particulière de ce phénomène à l’enseignement de la théorie des circuits en école d’ingénieurs. Notre démarche se caractérise par une modélisation des préconceptions combinant deux éléments : l’explicitation du domaine de validité et l’inclusion de préconceptions méthodologiques. Au départ d’erreurs constatées dans les réponses écrites des étudiants, nous montrons que l’application des deux éléments précédents conduit d’une part à une relecture non triviale de la séquence d’enseignement des différentes méthodes de résolution des circuits, et d’autre part à la possibilité de cartographier les préconceptions méthodologiques individuelles des étudiants pour tenter d’y remédier. Mots-clés : Préconception, domaine de validité, préconception méthodologique, électricité, théorie des circuits.
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Misconceptions in electricity at university level: development of an overcoming teaching strategy
Conference Paper
Full-text available
  • Aug 2017
This communication deals with misconceptions in the cognitive structure of 2nd-year engineering students at university level, especially in Circuit Theory. An examination analysis of almost 800 students’ examination scripts confirmed that these students are prone to misconceptions. Moreover, it revealed the latter are rarely, if ever, addressed by the literature: students also seem to experience a lack of electrical circuit solving strategy, which we propose to express via “methodological misconceptions”. This diagnostic phase allowed us to develop a framework describing the misconceptions in terms of “domain of validity”, and to formalize the cognitive rupture process via simple models and representations. According to this framework, a misconception is not due to the use of an intrinsically false knowledge, but to a mismatch between the model used to understand real phenomena or to solve a problem, and the domain of validity associated by the student to this model. Based on this framework, we improved our teaching strategy: to help a student overcoming a misconception, the teaching sequence must lead him to raise doubts as to the limits of validity he associates to a model. This cognitive conflict will help the student to shrink the domain of validity of his initial model, while searching for a new more powerful model. This “shrinking operation” appears in our framework as the very nature of the cognitive rupture. This strategy has been implemented in two alternative exercises sessions. To compare the teaching efficiency of these sessions with the reference ones, students were separated into two groups (each following one session type) and a pre-/post-test assessment procedure was adopted. According to the results obtained by inferential statistics, we recommend applying this misconception counter-attack strategy in other physics fields. Keywords: Misconception, Teaching strategy, Circuit Theory
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Les préconceptions en théorie des circuits électriques au niveau universitaire : développement d’une stratégie de dépassement
Conference Paper
Full-text available
  • Apr 2016
Cette communication traite des préconceptions présentes dans la structure cognitive d'étudiants universitaires dans le domaine des sciences, en particulier en théorie des circuits électriques. Une phase de diagnostic, via l'analyse de près de 800 copies d'examens, a révélé que nos étudiants sont sujets à des préconceptions rarement évoquées dans la littérature, ce qui nous a mené à caractériser des préconceptions d'un nouveau genre : les « préconceptions méthodologiques ». Ensuite, l'élaboration d'un modèle décrivant les préconceptions en termes de domaines de validité des objets cognitifs nous a dotés d'un formalisme approprié pour développer une stratégie d'apprentissage favorisant, par rupture cognitive, le dépassement de ces préconceptions de manière efficace. La phase d'expérimentation a consisté en l'implémentation de cette stratégie par la création de nouveaux matériels didactiques à destination d'une moitié de notre population étudiante (groupe B) alors que la seconde moitié (groupe A) suivait les séances habituellement dispensées. Enfin, une évaluation par inférence statistique a révélé globalement un niveau de maîtrise et une atteinte des objectifs pédagogiques significativement plus élevés au sein du groupe B qu'au sein du groupe A.
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Reframing the Classical Approach to Conceptual Change: Preconceptions, Misconceptions and Synthetic Models
Chapter
Full-text available
  • Jan 2012
We argue that science concepts are difficult to learn because they are embedded in different explanatory frameworks from those currently accepted by science. Students mechanically employ the usual enrichment mechanisms to add scientific information to existing but incompatible knowledge structures, destroying their coherence and creating internal inconsistency and misconceptions. We explain many misconceptions to be synthetic models resulting from implicit assimilatory processes through which new information is added onto existing but incompatible stored information in the knowledge base. Effective science instruction needs to deal with the problem of conceptual change. To do so, curricula and instruction needs to be designed to provide students with all information necessary to restructure their initial ontology, whilst also developing a more sophisticated epistemology and understanding of conceptual models. This type of instruction requires substantial sociocultural support.
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Misconceptions or P-Prims: How May Alternative Perspectives of Cognitive Structure Influence Instructional Perceptions and Intentions
Article
  • Apr 1996
The notion that students come to science courses with misconceptions has become quite widely accepted by those who follow or participate in education research. DiSessa and his colleagues (diSessa, 1988, 1993; Smith, diSessa, & Roschelle, 1993/1994) have challenged the theoretical and empirical validity of this perspective and offered an alternative account of cognitive structure in phenomenological primitives or p-prims. The purpose of this article is to further clarify and contrast the two accounts: in particular, to consider their utility and generativity as conceptual tools for teachers. How may each perspective influence instructional perceptions and intentions? The article recounts a discussion about forces and motion from a high-school physics class, analyzes how a teacher may perceive students' participation in that discussion from either perspective, and considers what, based on those perceptions, the teacher may see as tasks for instruction.
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Students Preconceptions in Introductory Mechanics
Article
  • Jan 1982
Data from written tests and videotaped problem-solving interviews show that many physics students have a stable, alternative view of the relationship between force and acceleration. This ''conceptual primitive'' is misunderstood at the qualitative level in addition to any difficulties that might occur with mathematical formulation. The misconception is highly resistant to change and is remarkably similar to one discussed by Galileo, as shown by comparison of his writings with transcripts from student interviews. The source of this qualitative misunderstanding can be traced to a deep-seated preconception that makes a full understanding of Newton's first and second laws very difficult. In such cases learning becomes a process in which new concepts must displace or be remolded from stable concepts that the student has constructed over many years.
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Students' Interest in Their Misconceptions in First-Year Electrical Circuits and Mathematics Courses
Article
  • Jul 2010
Based on deployment throughout a term, this paper suggests the potential of a computerbased approach to promote learner awareness of their knowledge states. We consider in particular the extent to which students are interested in finding out about their misconceptions in the context of independent study. It was found that many first-year students held misconceptions in introductory electrical circuits and mathematics courses at some stage of their learning, and most viewed information about their misconceptions to assist them in identifying their problems. We suggest, therefore, that an approach of highlighting an individual's misconceptions can be found useful by students to help them recognise their knowledge, diffi culties and misconceptions to support selfassessment and facilitate their identifi cation of an appropriate focus of their efforts, to meet their learning needs.
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Using anchoring intuitions to deal with students' preconceptions in physics
Article
  • Dec 1993
  • J RES SCI TEACH
Lessons were designed to deal with students' alternative conceptions in three areas of mechanics: static normal forces, frictional forces, and Newton's third law for moving objects. Instructional techniques such as class discussions of the validity of an analogy between a target problem and an intuitive anchoring example, and forming a structured chain of intermediate bridging analogies were used. There were large differences in pre–posttest gains in favor of the experimental group. In formulating a model of learning processes that can explain these results, it is argued that (a) the lessons have a more complex structure than a simple model of analogy use; (b) rational methods using analogy and other plausible reasoning processes that are neither proof based nor directly empirical can play a very important role in science instruction; (c) much more effort than is usually allocated should be focused on helping students to make sense of an analogy; and (d) researchers and curriculum developers should be focusing at least as much attention on students' useful prior knowledge as they are on students' alternative conceptions.
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Some experiments in diagnostic teaching
Article
  • Mar 1993
Three teaching experiments are reported which study aspects of a diagnostic teaching methodology based on identifying key conceptual points and misconceptions, focusing on these, giving substantial open challenges, provoking cognitive conflict, and resolving it through intensive discussion. An experiment in the field of directional quantities showed a positive relation between the intensity of discussion and amount of learning; one on fractions and another on geometric reflections both showed — in comparison with individualized booklets, for which retention was very low — strikingly good two-month retention under the experimental teaching methods. The particular misconceptions found in each topic are also described.
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