Retours d’expérience

Les expériences de cours comme pédagogie active pour améliorer la motivation et la compréhension des étudiants lors des cours de physique à l’Université : comparaison avec d’autres pédagogies

Introduction

Les enseignements à l'université sont souvent associés à l'image des amphithéâtres saturés où s'effectuent des cours magistraux avec un professeur devant plusieurs centaines d'étudiants. Pour les enseignants, enseigner de manière active et interactive en cours magistral devant des centaines d'étudiants n'est pas si facile. Même si l'image des cours magistraux purement transmissifs est éloignée de la réalité du cours d'aujourd'hui, il reste difficile de maintenir l'attention et la concentration des étudiants pendant les 1h-1h30 de cours magistral, ce qui semble avoir un impact négatif sur leur compréhension des concepts et des phénomènes. Afin d'améliorer la compréhension des étudiants, plusieurs articles notamment dans le domaine de la physique ont montré que dans le cadre des cours magistraux, les étudiants tendent à mieux comprendre les concepts quand ces mêmes cours sont interactifs et quand les étudiants sont dans une attitude active (Crouch & Mazur, 2001 ; Hake, 1998 ; Lorenzo et al., 2006). Hake a ainsi réalisé une étude concernant plus de 6000 étudiants dans près de 60 cours différents et a comparé les réponses des étudiants à des tests de mécanique standardisés à l'université (notamment le FCI, « Force Concept Inventory »). Cette étude a notamment montré que le gain de compréhension normalisé entre avant (pre-test) et après le cours (post-test)1 passait en moyenne de g=0.23 avec les méthodes traditionnelles d'enseignement à g=0.48 pour les cours utilisant des méthodes actives. Ces constats ont été également étendus dans certains domaines des sciences humaines et sociales où il a été montré une amélioration de l'apprentissage des étudiants (Mollborn & Hoekstra, 2010).

Parmi les méthodes possibles d’apprentissage dites actives, et pour ne donner que quelques exemples, on peut citer par exemple l’enseignement par les pairs (« Peer Instruction », Crouch & Mazur, 2001) avec des systèmes de quiz (avec ou sans l’utilisation de boîtiers de vote interactifs, Régnier, 2013) pour poser des questions simples de compréhension directe du cours mais aussi des questions plus complexes de type conceptuel. Pour le développement d’un travail collaboratif même en cours magistral, il existe également la méthode du « Think-Pair-Share » (Réfléchir, Jumeler, Partager) qui incite les étudiants d’abord à réfléchir par eux-mêmes puis ensuite à discuter entre eux pour partager leurs options et raisonnements (King, 1993). Ces méthodes ont montré leur intérêt et permettent, d’une part, d’améliorer la compréhension des étudiants mais, d’autre part, de renverser l’image négative des cours en amphithéâtre où le fort effectif est mis au profit d’un travail collectif.

Dans le contexte de l'enseignement des sciences et technologies, les expériences ont une place privilégiée dans l'apprentissage puisque les sciences comme la physique, la chimie, la biologie, la géologie, etc. sont avant tout des sciences dites naturelles où l'observation, l'expérimentation sont essentielles pour modéliser des phénomènes observés. En dehors des travaux pratiques, plusieurs articles ont étudié l'utilisation des expériences de cours pour tester si celles-ci permettaient une réelle amélioration de la compréhension des concepts de cours et sous quelles conditions (Fagen, 2003 ; Crouch et al., 2004 ; Eastes & Pellaud, 2004 ; Sharma et al., 2010). Dans cet article, nous proposons un retour d'expérience sur l'utilisation d'expériences de cours en cours magistral pour rendre initialement ce cours plus dynamique. Nous avons sondé les étudiants pour savoir si les expériences de cours contribuaient et à quelle hauteur à une meilleure compréhension des concepts de cours. Nous effectuons également une comparaison avec d'autres modalités (questions avec boîtiers, calculs et applications directes du cours) qui ont été employées dans le cours et nous comparons les résultats obtenus avec ceux présentés dans la littérature.

1. Le contexte des sciences expérimentales : l’importance des expériences dans la formation des étudiants

Comme mentionné plus haut, les expériences ont un rôle clé dans l'enseignement des sciences. D'un point de vue pédagogique, comme rappelé dans (Eccles, 1963 ; Richard, 2018 ; Kozminski et al., 2014) l'expérimentation scientifique permet de travailler plusieurs compétences et connaissances pour les étudiants : 1) l'expérimentation scientifique développe des compétences techniques et pratiques, 2) les étudiants apprennent à concevoir des expériences en faisant varier les bons paramètres, 3) les travaux pratiques permettent de construire et de consolider les connaissances, 4) ils permettent également d'apprendre à analyser et représenter des données pour ensuite 5) apprendre à les modéliser et 6) communiquer les résultats sous forme de rapports ou de présentations tout en travaillant des compétences transversales comme le travail en équipe (voir figure 1). Les expériences peuvent donc avoir un rôle déterminant dans une séquence pédagogique et peuvent servir de levier pour améliorer la réussite des étudiants. Dans la plupart des universités françaises et des cursus, les enseignements sont alors divisés en cours magistraux (CM) (présentation des concepts), travaux dirigés (TD) (résolution d'exercices) et travaux pratiques (TP) (expérimentation). Même si ces pourcentages peuvent varier d'une université à l'autre et d'une année à l'autre, on trouve souvent une répartition autour des pourcentages suivants : 40% de cours magistraux, 40 % de TD et 20 % de TP. Les travaux pratiques restent donc largement minoritaires bien qu'ils représentent une forme d'enseignement où les étudiants sont davantage mis dans une posture active. Cette faible proportion des travaux pratiques dans nos formations s'explique pour plusieurs raisons. Une première raison provient du fait que les travaux pratiques coûtent en général cher du point de vue du matériel nécessaire (un oscilloscope ou un microscope en travaux pratiques peut coûter autour de 500-1000 euros) et nécessitent des salles spécifiques. Ils s'effectuent donc en demi-groupe ce qui nécessite un encadrement spécifique (un enseignant par demi-groupe typiquement). Une deuxième raison, reliée à la première, provient de l'organisation même de l'emploi du temps qui doit garantir les rotations de groupes pour plusieurs centaines d'étudiants. Il en découle que dans certains cas, les travaux pratiques sont effectués avant que le cours et les concepts soient présentés, ce qui peut poser certaines difficultés pour les étudiants. Il peut également en résulter que les travaux pratiques n'apparaissent dans la séquence pédagogique du cours que pour simplement vérifier les concepts et les modèles vus en cours. Les expériences proposées – faute de temps – n'apparaissent alors que comme des expériences dites « presse-bouton » où les étudiants sont en posture de techniciens et ne sont pas réellement actifs et en démarche d'investigation. On ne sera pas surpris alors que quand on interroge des étudiants, certains peuvent faire remarquer qu'ils aient une préférence pour l'enseignement théorique par rapport à l'enseignement expérimental alors même que la visualisation de certains phénomènes physiques peut être fascinante.

2. Retour d’expérience sur l’utilisation des boîtiers de vote et des expériences de cours

Nous présentons un retour d’expérience sur l’utilisation d’expériences réalisées en cours magistral. L’objectif était de savoir si les expériences de cours magistral peuvent être, d’une part, un moyen simple et efficace de travailler certains aspect associés à l’expérimentation (l’observation, le sens de la déduction pour construire et consolider des connaissances) afin de renforcer la part expérimentale dans la formation des étudiants et, d’autre part, d’utiliser les expériences de cours pour dynamiser le cours et rendre actifs les étudiants pendant la séance. D’autres modalités étaient également employées (questions interactives, calculs d’applications directes, etc.). Ainsi, au-delà des expériences de cours réalisées, plusieurs questions se posent : l’utilisation des boîtiers de vote est-elle intéressante ? Comment les étudiants perçoivent-ils leur utilisation ? Parmi différentes modalités testées (expériences, questions avec boîtiers, calculs faits en cours…), lesquelles permettent de mieux comprendre les concepts de cours ? Y a-t-il une préférence entre expériences montrées sous format vidéo ou expériences de cours en direct ? À partir des réponses des étudiants de 2016 à 2023, nous essayons de répondre à ces questions.

2.1 Contexte

Nous avons ainsi réalisé des expériences de cours lors d’un cours magistral en amphithéâtre de deuxième année d’électromagnétisme de 2017 à 2022 pour environ 100-150 étudiants par année. Dans ce cours, des boîtiers de vote interactifs sont également utilisés en début et pendant le cours pour poser des questions conceptuelles ou de compréhensions directes du cours (maximum 5 questions par cours). Des vidéos d’expériences sont également montrées pour illustrer certains phénomènes. Pour les expériences, il a été décidé de réaliser des expériences de cours presque à chacun des cours pour illustrer certains phénomènes physiques. L’idée étant 1) soit de faire une expérience de démonstration pour captiver les étudiants par un phénomène remarquable, 2) soit de faire une expérience pour comprendre un concept ou un phénomène. Il est à noter que ce cours se prête bien à la réalisation d’expériences puisque certaines expériences sont très démonstratives avec des effets parfois spectaculaires qui peuvent fasciner les étudiants. Néanmoins, des expériences relativement simples ont également été effectuées pour illustrer ou interroger les étudiants sur un phénomène. A titre d'exemple en électromagnétisme, les expériences effectuées sont des expériences en électrostatique (les expériences avec du papier sur l’électricité statique, allumer un néon par frottement), des expériences sur le claquage du champ électrique avec la génération d’étincelle dans l’air en utilisant une machine de Wimshurst ou un générateur de Van de Graaff, des expériences sur le principe de la cage de Faraday ou encore des expériences en magnétostatique sur l'orientation d'une aiguille par un champ magnétique. Les expériences de cours ont pu également servir à illustrer un équipement (exemple des bobines de Helmholtz) qui sera ultérieurement utilisé en TP.

2.2 Organisation pour l’enseignant

Pour l’utilisation des boîtiers de vote interactifs, des boîtiers QuizzBox étaient systématiquement amenés et prêtés aux étudiants le temps du cours. Après un appel rapide avec le système de boîtiers, chaque étudiant était ainsi identifié pour les réponses aux questions. En ce qui concerne la mise en place des expériences en amphithéâtre, il faut souligner que celle-ci a été relativement compliquée initialement puisque réaliser les expériences de cours en amphithéâtre nécessite d’amener du matériel scientifique mais également que ces mêmes expériences puissent être vues par l’ensemble des étudiants. Il a été choisi de s'équiper d’une caméra dite « caméra-document » pour filmer les expériences pour retransmettre en direct l’expérience sur l'écran de l’amphithéâtre et également d’équiper l’amphithéâtre d’une armoire pour stocker le matériel scientifique. De cette manière pour chaque cours, l’enseignant doit arriver 10 minutes avant le cours pour installer le matériel et préparer les expériences. Les expériences étaient réalisées à différents moments du cours avec principalement trois moments clés : soit en tout début de cours, soit au milieu du cours, soit à la fin d’un cours. En plus des aspects pédagogiques qui seront discutés ultérieurement, du point de vue de l’enseignant, il a été remarqué par exemple que commencer le cours par une expérience permettait d’attirer l’attention des étudiants très rapidement, qu’utiliser une expérience de cours au milieu du cours permettait de resynchroniser et de reconcentrer l’ensemble des étudiants ce qui permettait une meilleure attention pour la suite du cours, et enfin terminer le cours par une expérience permettait de garder l’attention des étudiants jusqu’au bout du cours.

3. Retours des étudiants

Nous présentons dans cette section les retours des étudiants ayant suivi ce cours des années 2016/2017 à 2022/2023. Le taux de réponses par rapport à la taille de la promotion varie entre 68 % (2016/2017 promotion de 95 étudiants) et 91 % (2022/2023 promotion de 125 étudiants) via la plateforme Moodle (Outil Sondage) (voir figure 2). Les données pour l’année 2020/2021 n’y figurent pas car l’enseignement était principalement effectué à distance, ce qui n’a pas permis un déroulement standard du cours.

Les premiers retours concernent la qualité globale du cours en lui-même. Les données présentées en figure 3 montrent que le cours a été présenté clairement voire très clairement à plus de 75 % quelles que soient les années. Ceci permet de valider que les explications présentées sont clairement comprises par les étudiants. Nous présentons dans la figure 4, le retour des étudiants sur l’utilisation des boîtiers de vote interactifs. À une grande majorité (82.6 % en moyenne), les étudiants trouvent que l’utilisation des questions avec les boîtiers de vote interactifs est utile. Ce résultat confirme les analyses déjà publiées par Crouch et Mazur (2001) notamment. À titre d’exemple, les commentaires des étudiants à ce sujet sont : « on est obligé de réfléchir et après on peut rapidement comprendre nos erreurs », ou « cela permet de voir où on en est », ou encore « cela permet de rester concentré ». L’utilisation des boîtiers de vote est donc très positive pour les étudiants, bien que leur utilisation puisse être plus ou moins complexe.

Nous avons ensuite sondé les préférences des étudiants dans le cours parmi cinq possibilités : a) les expériences de cours présentées, b) les questions avec boîtiers de vote, c) les concepts vus en cours, d) les équations du cours (l’aspect mathématique), e) autre. Sur la figure 5, il apparaît que quelles que soient les années, les expériences de cours (réponse a) et les concepts vus en cours (réponse c) sont préférés et mis en avant par les étudiants, avec une nette préférence pour les expériences de cours notamment devant l’utilisation des boîtiers de vote (37.6 % contre 10.2 % en moyenne sur l’ensemble des années). Nous avons ensuite interrogé les étudiants sur les modalités qui leur permettent de mieux comprendre les concepts de cours. Les résultats sont indiqués sur la figure 6. Pour cette question, il était possible pour les étudiants de sélectionner plusieurs réponses. Les résultats montrent que les exercices de TD sont clairement identifiés comme essentiels par les étudiants (62,1 % de réponse positive). Ceci n’est pas surprenant dans la mesure où les développements mathématiques et la résolution des problèmes sont essentiellement travaillés en TD. À côté des exercices de TD, on peut observer que les calculs faits en cours, les questions avec boîtier ou la présentation des expériences en cours permettent à même hauteur de mieux comprendre les concepts de cours (autour de 24-25 % en moyenne). Cela ne signifie pas que ces modalités sont équivalentes pour mieux comprendre des concepts de cours mais que ces trois modalités contribuent à même hauteur pour les étudiants pour faciliter la compréhension de certains concepts de cours. Si les TDs permettent de mieux comprendre les concepts et l’aspect mathématique des phénomènes, on peut penser que ces modalités fonctionnent de manière complémentaire comme certains étudiants le signalent en commentaire : « Les questions avec les boîtiers de vote permettent de vérifier rapidement si le cours est compris et d'avoir une explication rapide sur la réponse aux questions. Les expériences réalisées en cours rendent le contenu du cours plus concret et aident à comprendre les phénomènes étudiés. Les calculs faits en TD aident à comprendre la logique mathématique derrière les concepts du cours. »

Si d'après les études de Crouch et Mazur (2001), il est attendu que les questions avec boîtiers de vote permettent d'améliorer la compréhension des concepts de cours, on peut tout de même observer que selon les étudiants, les expériences de cours aident à un niveau équivalent à la compréhension des concepts de cours. Ce résultat est tout à fait intéressant car il incite fortement les enseignants à la réalisation d'expériences de cours. Parmi les commentaires associés, on peut trouver des commentaires tels que : « Les expériences me permettent de mieux visualiser les concepts » ou encore « les expériences réalisées en cours permettent de voir une application directe du cours, cela simplifie la compréhension de concepts qui nous sont abstraits. », ce qui illustrent les remarques effectuées en introduction sur l'intérêt de l'expérimentation pour appréhender les phénomènes physiques parfois abstraits. Sur les dernières années (2021/2022 et 2022/2023), malgré l'augmentation globale des résultats sur tous les critères (potentiellement dû à un effet post-Covid), on peut observer que les expériences de cours semblent même être légèrement préférées par les étudiants pour comprendre les concepts par rapport aux questions avec boîtiers. Il est à noter que lors de ces dernières années, les expériences n'étaient pas simplement présentées et décrites comme les années précédentes mais il était demandé aux étudiants de prédire ce qui allait se passer. Cet effort de prédiction permet aux étudiants de tester leurs conceptions initiales et leurs compréhensions des phénomènes. Cet aspect est notamment mis en avant par plusieurs publications (Fagen, 2003 ; Crouch et al., 2004 ; Sharma et al., 2010) et d'autres articles présentés sur le site physport2 (site dédié à la recherche en sciences de l'éducation en physique « Physics Education Research »). Ces études tendent à montrer que si les étudiants ne font qu'observer passivement, leur compréhension n'est pas améliorée par rapport à des étudiants qui n'auraient pas observé l'expérience. En revanche, leur compréhension et la qualité des explications données par les étudiants sont nettement améliorées (jusqu'à 80 %) s'ils doivent prédire les résultats de l'expérience d'une part, et d'autre part discuter entre eux de l'expérience avant d'entendre les explications de l'enseignant.

À la question « Souhaitez-vous voir des expériences en cours ? », les réponses des étudiants sont sans équivoque, puisqu’à plus de 86.4 % en moyenne, leur réponse est oui (voir figure 7) (sondage uniquement en 2021/2022 et 2022/2023). Nous avons néanmoins posé la question de savoir quels types d’expériences (expériences au format vidéo ou expériences réelles) les étudiants préféraient voir. Les résultats de la figure 8 suggèrent assez nettement que les expériences réalisées en direct sont préférées (à près de 58.8 % en moyenne) même si une proportion non négligeable (35.7 % en moyenne) d’étudiants ne montre pas forcément de préférence entre les deux formats d’expériences (réalisées en direct ou en vidéo) (réponse c). D’un point de vue de l’enseignant, il a été observé que les expériences réalisées en direct permettent d’avoir une attention décuplée des étudiants puisque les étudiants peuvent être captivés, ce que ne permet pas forcément une vidéo d’expérience. Il a été également remarqué que si des étudiants participent – ne serait-ce que très simplement – à l’expérience, le cours et l’expérience prennent une autre dimension (presque théâtrale) qui marquent les étudiants (applaudissement, etc.). On peut donc comprendre l’intérêt des étudiants pour les expériences en direct. Pour l’enseignant, au-delà de la réalisation des expériences, ces retours et regards attentifs des étudiants procurent du plaisir à enseigner, ce qu’apportent peut-être moins les questions avec boîtiers et l’utilisation de vidéos d’expérience. Néanmoins, ces résultats suggèrent pour les enseignants, que l’utilisation de vidéos d’expérience en cours peut être une première étape moins complexe à mettre en œuvre pour utiliser le levier des expériences scientifiques afin d’améliorer la compréhension et l’intérêt des étudiants en cours.

Conclusion

Dans cet article, nous avons présenté un retour d’expérience sur l’utilisation des boîtiers de vote et des expériences en cours magistral. Les résultats obtenus confirment que les boîtiers de vote associés à des questions de cours sont un outil pédagogique apprécié des étudiants pour améliorer leur compréhension du cours. Par ailleurs, la réalisation d’expérience de cours s’est avérée être aussi un levier pédagogique et didactique très puissant qui, d’une part, rend le cours plus dynamique et interactif et, d’autre part, permet autant que les boîtiers de vote interactif d’améliorer la compréhension des concepts de cours. Ces deux méthodes pédagogiques sont comparées aux calculs faits en cours et en TD. Les expériences de cours participent également à renforcer la part expérimentale de la formation et de créer du lien entre le cours et les travaux pratiques. L’utilisation d’expérience de cours apparaît donc comme une stratégie très intéressante pour redynamiser les cours magistraux, rendre actifs les étudiants en amphithéâtre si notamment une approche prédictive est utilisée comme le souligne la littérature.

Annexes

Figure 1 – Intérêts de l'expérimentation en physique. Adapté en français de (Kozminski et al., 2014)

Figure 2 – Pourcentage de réponses en fonction des années

Figure 3 – Question sur la clarté du cours en amphithéâtre. En moyenne, les étudiants répondent « très clair » à 31.6 %, « clair » à 52.6 % , « assez clair » à 13.8 % et « pas assez clair » à 1.75 %

Figure 4 – Question « Trouvez-vous l’utilisation des boîtiers de vote utile ? ». En moyenne, les étudiants répondent « oui » à 82.7% et « non » à 17.3%

Figure 5 – Question « Qu’est-ce que vous préférez en cours d’électromagnétisme ? » (une seule réponse possible). En moyenne les étudiants répondent « les expériences de cours » à 37.6%, « les questions avec boîtiers » à 11.4%, « les concepts vus en cours » à 32.26 %, « les équations d’électromagnétisme » à 13.25 et « autre » à 6.6%

Figure 6 – Question « Qu’est-ce qui permet de mieux comprendre les concepts du cours ? » (Plusieurs réponses possibles). Réponses en pourcentage du nombre d’étudiants dans la promotion. En moyenne, les étudiants ont répondu « boîtiers de vote » à 24.6%, les « expériences de cours » à 25.8%, les « calculs faits en cours » à 24.98 %, les « calculs faits en TD » à 62.1%

Figure 7 – Question « Souhaitez-vous voir des expériences de cours ? ». En moyenne, les étudiants ont répondu « oui » à 86.4%, « non » à 2.2% et « sans avis » à 11.3%

Figure 8 – Question « Vous préférez voir : ». En moyenne, les étudiants ont répondu « des expériences filmées (YouTube, etc.) » à 5.5%, « des expériences en direct » à 58.8% et « peu importe : les deux sont équivalentes » à 35.7%

Notes

  • Le gain normalisé est défini par g=(moy(Post)-moy(Pre))/(100-moy(Pre)), où moy(Post) désigne le pourcentage moyen de bonne réponse après le cours, et moy(Pre) le pourcentage moyen de bonne réponse avant le cours. Ce gain peut être compris comme le rapport entre ce que les étudiants ont réellement appris et ce qu’ils auraient pu apprendre.
  • Voir https://www.physport.org/

Références

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Résumé

Nous présentons un retour d'expérience sur la mise en œuvre d'expériences de physique dans des cours magistraux à environ 125 étudiants de 2016 à 2023. Nous avons interrogé les étudiants pour savoir si les expériences présentées (en direct ou sous forme de vidéo) contribuaient à une meilleure compréhension des concepts du cours. Nous avons comparé cette stratégie avec d'autres stratégies d'enseignement, telles que des questions posées à l'aide de machines à voter interactives, et des calculs effectués en classe ou lors de travaux dirigés. Les commentaires des étudiants ont montré que les expériences de cours étaient très appréciées et contribuaient autant que les questions posées à l'aide de boîtiers de vote à la compréhension des concepts du cours. Les commentaires des étudiants soulignent la complémentarité des expériences de cours avec d'autres méthodes d'enseignement, ce qui est confirmé par les résultats de la littérature, en particulier lorsqu'une approche prédictive est utilisée. Les expériences de cours apparaissent donc comme une stratégie pédagogique intéressante qui pourrait être généralisée pour rendre un cours plus dynamique et améliorer la compréhension des phénomènes.

Auteurs


Ulysse Delabre

ulysse.delabre@u-bordeaux.fr

Affiliation : Université de Bordeaux

Pays : France

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