Physique: une boîte noire?

Voici le principe d'utilisation d'une boîte noire en classe: les élèves essaient de deviner son contenu – préparé à l'avance par l'enseignant – sans l'ouvrir. Une fois qu'ils ont déterminé expérimentalement ce qu'il y a à l'intérieur, les élèves peuvent ouvrir la boîte et vérifier leur hypothèse. Un exemple en est donné ici pour l'enseignement des circuits électriques, qui convient aux élèves de 15 à 18 ans. Cependant, il existe beaucoup d'autres façons d'utiliser les boîtes noires, y compris avec des élèves plus jeunes et dans d'autres domaines de la physique^w1.

J'ai eu de bonnes expériences en utilisant cette méthode, que ce soit en classe ou en formation de futurs enseignants de physique. Beaucoup d'enseignants ne semblent pas familiers avec cette méthode; pourtant, elle ressemble beaucoup aux problèmes que l'on a à résoudre dans la vie de tous les jours. Ces expériences stimulent la créativité des élèves. Par ailleurs, les boîtes noires sont peu coûteuses et faciles à construire.

Construire une boîte noire

Matériel

• Un tube en plastique (par exemple un tube pour vitamine C effervescente)
• Une perceuse
• Deux fiches bananes (par exemple, des branchements de cables connectant des haut-parleurs à un appareil hi-fi)
• Des composants électroniques (résistances, condensateurs, diodes, etc.) à disposer dans le tube
• Des fils électriques flexibles

Procédure

1. Percez un trou à chaque extrémité du tube.
2. Enfoncez les fiches bananes dans les trous.
3. Connectez le(s) composant(s) electronique(s) aux fiches bananes par des fils (voir Figure 2).
4. Introduisez le tout dans le tube, et fermez-le.

Avec un couvercle amovible et des fils câbles flexibles, il est plus facile de révéler les composants et le circuit à l'intérieur de la boîte noire. Assurez-vous que la combinaison d'éléments dans la boîte soit simple et facile à détecter pour les élèves. Pour l'apparence extérieure de la boîte, à vous de choisir; quant à moi, j'enveloppe les tubes dans une feuille de papier noir.

Vous pouvez créer des boîtes noires de complexité variable – certaines comportant seulement un composant électronique (résistance, condensateur, diode, bobine, etc.), d'autres contenant plusieurs composants arrangés en circuits simples (voir Figure 4).

Expériences avec des boîtes noires

Une fois que les élèves ont reçu une introduction basique sur les circuits électriques en courant continu et alternatif, ils peuvent commencer à tester des boîtes noires en appliquant ce qu'ils ont appris pour résoudre un problème pratique. On leur donne du matériel (voir liste ci-dessous) à utiliser pour déterminer ce que contient la boîte. Ils sont informés à l'avance de toutes les configurations possibles à l'intérieur. Dans un premier temps, chaque groupe d'élèves reçoit cinq boîtes noires contenant chacune un seul composant électronique. Ensuite (pas nécessairement durant la même leçon), ils reçoivent huit boîtes avec chacune une configuration soit simple, soit plus complexe. Leur travail est de deviner les contenus d'après leur expérience, en utilisant un algorithme qu'ils développent pour l'analyse des boîtes.

Matériel pour chaque groupe

• Cinq boîtes noires numérotées contenant chacune un composant électronique (résistance, bobine, condensateur, diode, isolant)
• Huit boîtes noires numérotées contenant des circuits simples ou plus complexes (voir Figure 4)
• Des câbles
• Un ampèremètre
• Un voltmètre
• Une source de courant continu et alternatif
• Un schema de toutes les configurations internes possibles

Procédure

1. Divisez les élèves en groupes de 2-3
2. Distribuez le matériel.
3. Les élèves ont 30 minutes pour mesurer les cinq boîtes simples et déterminer leur contenu.
4. Chaque groupe fait part de ses résultats
5. Comparez les résultats, et vérifiez en ouvrant les boîtes
6. Si une hypothèse était fausse, déterminez l'origine de l'erreur. Selon mon expérience, les élèves ont un taux de réussite d'environ 80%. Ils ont souvent des difficultés pour distinguer une bobine d'une résistance, car ils se contentent généralement du fait qu'une boîte conduise le courant, sans analyser sa valeur.
7. Essayez de mettre au point le meilleur algorithme pour déterminer les éléments présents dans la boîte. Voici à quoi cet algorithme peut ressembler:
   1. Monter un circuit avec une boîte noire, une source de tension, un ampèremètre et un voltmètre.
   2. Utiliser une source de tension continue, brancher le circuit, mesurer le courant et la tension, et écrire les résultats.
   3. Changer la polarité de la source de tension, mesurer à nouveau le courant et la tension, les comparer aux résultats précédents.
   4. Utiliser une source de tension alternative, mesurer le courant et la tension, les comparer aux résultats précédents.
   5. Proposer une hypothèse sur la structure de la boîte noire.
   6. Vérifier l'hypothèse par des mesures supplémentaires.
   7. Déterminer le contenu de la boîte noire.
8. Ensuite, les élèves ont 40 minutes pour déterminer le contenu des huit boîtes, simples et complexes
9. Refaites l´évaluation précédente. Selon mon expérience, les élèves trouvent ce travail plus difficile, et tous les groupes ne parviennent pas à déterminer le contenu des boîtes dans le temps imparti. Le taux de réussite est plus bas, environ 70%. Cela reste malgré tout un très bon résultat, qui ne serait sans doute pas atteint si les élèves devaient résoudre le problème individuellement et non en groupe.

Au cours du second test, les élèves ont surtout des problèmes avec les circuits complexes, et pour distinguer entre résistance, thermistance et ampoule. Il faut qu'ils appliquent leurs connaissances théoriques; ils doivent réaliser qu'il est nécessaire de faire varier la tension, et éventuellement de tracer une courbe pour déterminer correctement quels sont les éléments contenus dans la boîte.

Qu'apportent ces expériences pour les élèves?

Manipuler des boîtes noires est une activité attrayante pour les élèves, qui peuvent ainsi tester leurs connaissances et se réjouir de leurs succès. Certains cherchent même d'autres occasions d'employer cette méthode en cours de physique. Le plus important est qu'ils apprennent à suivre une méthode de recherche systématique. L'expérience des boîtes noires les encourage à poser et résoudre leurs propres questions, formuler des prédictions, tester leurs hypothèses et communiquer leurs résultats aux autres élèves. Un telle méthode active aide aussi à mieux percevoir la nature de la science. De plus, c'est un bon moyen de résoudre certains problèmes dans la vraie vie, par exemple trouver comment fonctionne un appareil (la boîte noire) dont on a perdu la notice.

Un point crucial dans la réalisation de ce travail est la quantité d'information à fournir. L'enseignant doit s'assurer que les élèves ont une base de connaissances suffisante, et donner des instructions claires sur la façon de procéder. Moins d'instructions permet plus de créativité, mais s'ils ne sont pas assez guidés, les élèves se sentent dépassés par la tâche et s'en désintéressent.