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Enquête sur le raisonnement des étudiants face aux réactions acidobasiques

Investigating Students’ Reasoning about Acid–Base Reactions Melanie M. Cooper, Hovig Kouyoumdjian, and Sonia M. Underwood, J. Chem. Educ., 2016, 93 (10), pp 1703–1712 DOI: 10.1021/acs.jchemed.6b00417 Résumé de S.C., 2016-2017

Introduction

Les réactions acide-base représentent une matière importante en chimie. Si les étudiants comprennent ces réactions, ils auront les bases pour comprendre beaucoup d’autres réactions.

Pour comprendre comment les étudiants perçoivent ces réactions acide-base, une série d’évaluations a été mise sur pied pour que ceux-ci expriment leur compréhension du phénomène. Dans cet article on étudie les réponses des étudiants au travers trois grandes questions.

La compréhension des élèves des réactions acide-base

Des études ont déjà été menées pour déterminer les difficultés rencontrées par les étudiants lors de l’apprentissage des réactions acide-base. Certains ont des difficultés avec la mesure du pH, d’autres n’arrivent pas à bien distinguer une molécule d’un atome, ou d’un ion. Certains prennent des “raccourcis” pour établir un degré d’acidité et un inventaire de mauvaises conceptions de l’acidité a été dressé. Cependant l’article se consacre sur les réactions acide-base, et non sur les acides ou les bases.

Normalement après un cursus complet les étudiants doivent connaître les 3 modèles communs qui décrivent les réactions acide-base en chimie ; Arrhenius, Bronsted-Lowry et Lewis. Ces 3 modèles sont enseignés dans l’ordre Arrhenius > Bronsted-Lowry > Lewis. Si les étudiants ont compris Lewis, cela ouvre la porte à bon nombre d’autres réactions.

Souvent les jeunes étudiants cherchent des représentations pour comprendre les réactions acide-base alors qu’avec plus de réflexion ils devraient scientifiquement comprendre les modèles et leurs limitations. En passant d’Arrhenius à Bronsted on introduit le transfert de protons. Pour les étudiants on introduit les réactions en passant de sujet (acide, base) à un processus (réactions), et c’est là qu’est la difficulté. En passant de Bronsted à Lewis on reste dans les réactions acide-base, tout en nécessitant une meilleure compréhension (plus seulement le fait que le proton est transféré, mais comment). Certains avancent que les étudiants utilisant Lewis pour comprendre les réactions acide-base développeront plus de connaissances dans le domaine. Une autre raison de commencer au plus tôt l’apprentissage avec Lewis est que cela force rapidement à réfléchir et expliquer comment les réactions se produisent d’un point de vue mécanique.

En chimie organique, les raisonnements mécaniques sont normalement mis en forme avec des flèches indiquant le déplacement des charges. Même s’il s’agit d’un moyen très efficace, des études ont montré que la plupart des étudiants n’utilisent pas correctement les flèches. Ils mémorisent les représentations et ne réalisent pas la signification des flèches et leur potentiel. Par exemple beaucoup d’étudiants utilisent les flèches pour décrire le mouvement de l’atome d’hydrogène, et non l’attraction des électrons.

Pour déterminer le niveau de compréhension des étudiants dans les réactions acide-base, un canevas (ECD) a été mis en place. Pour utiliser cette approche il y a 4 grandes étapes :

  1. Définir le modèle, non seulement pour déterminer les connaissances, mais aussi la manière de raisonner.
  2. Décider des évidences qui permettent de mettre en lumière que l’étudiant comprenne ou pas.
  3. Définir les tâches et évaluer en montrant les évidences du point 2.
  4. Décider comment analyser les évidences évaluées en 3. Le but n’est pas d’avoir une réponse bonne ou mauvaise, mais un degré de sophistication de la réponse.

Méthodes

Deux groupes d’étudiants provenant de 2 universités ont été sélectionnés :

Pour SP12 une évaluation a été délivrée dans le cadre du cours, pour SP15 il s’agissait d’une évaluation optionnelle hors cadre du cours. Aucune différence significative n’a été perçue entre ceux ayant passé ou non l’évaluation.

Les 2 groupes ont suivi au second semestre le même programme avec les méthodes d’Arrhenius, de Bronsted-Lowry et de Lewis, et l’utilisation de flèches indiquant le déplacement des charges.

Les deux groupes ont été évalués en utilisant l’analyse Mann-Whitney pour déterminer leur score ACT, sans grande différence (ACT 28 pour SP12 contre ACT 26 pou SP15).

En ayant comparé les différences démographiques des 2 groupes et la proportion garçons/filles, et au vu des scores ACT (à l’avantage de SP12, mais SP15 est OC2, donc plus à l’aise avec la méthode de Lewis), les deux groupes représentent une bonne base de comparaison.

La réaction type a été présentée à SP12 en 2012 comme première itération d’une série d’expériences, au travers un questionnaire écrit en ligne (SurveyMonkey), à savoir une réaction acide-base entre H2O et HCl.

En analysant les réponses des étudiants, il est clairement apparu que les réponses décrivaient plutôt le “ce qui se passe”, et non le “comment et pourquoi”, pouvant mettre en évidence leur compréhension. Les étudiants expliquent que des atomes ont été réarrangés mais pas pourquoi. La manière de répondre des étudiants est cruciale et il faut récupérer un maximum d’information pour analyser leur compréhension. En établissant les questions il ne faut cependant pas donner trop d’information, ce qui aurait l’effet d’influencer, voire de fausser les résultats.

La même itération a été soumise en ligne à SP15 en 2015 avec beSocratic2, en demandant de considérer l’électronégativité, enlevant du sens à certaines réponses fournies par le groupe SP12. De plus une question couvrait l’utilisation de flèches indiquant le déplacement des charges.

Avant de soumettre le test au groupe SP15, 5 étudiants ont été interviewés pour s’assurer qu’ils avaient bien compris le sens des questions.

Analyse des données

Les réponses ont été catégorisées dans le tableau 1, avec 3 groupes de réponses :

Un échantillon aléatoire de 20% des réponses a été pris dans les 3 groupes de réponses pour effectuer une analyse des relations conduisant à une valeur Kappa de 0.90. De plus le dessin avec les flèches a été analysé pour voir si elles étaient dans le bon sens, et si le mécanisme complet était correct (SP15 uniquement).

Résultats et discussion

La plupart des étudiants ont reconnu la RAB (81% pour SP12 et 94% pour SP15).

La tendance est claire : quand les étudiants passent de Bronsted à Lewis, ils ont 3 fois plus de chances de dessiner correctement le mécanisme.

Conclusions et implications

L’étude a démontré les points suivants :

  1. La nature des questions a fortement influencé les types de réponses (quoi – comment - pourquoi).
  2. Les étudiants utilisant Lewis étaient plus à même de fournir le modèle correct en utilisant les flèches.
  3. Les étudiants avec une approche causale avaient plus de chances de construire le modèle correct en utilisant les flèches. De plus les étudiants utilisant Lewis étaient plus aptes à raisonner sur les réactions, et ne se limitaient pas à mémoriser des réactions avec des flèches “décoratives”. Les professeurs devraient considérer ce point dans leur enseignement.

Présentation synthétique

Les réactions acidobasiques

La compréhension des étudiants

Déterminer la compréhension des étudiants

La méthode

Les résultats

Observations

ils ont 3 fois plus de chance de comprendre et de décrire correctement ce qui se passe.

Conclusion

L’étude a montré que :