176 - Mise en œuvre de l’approche par problèmes dans une école d’ingénieurs : effet cognitifs et conatifs

Bernard Blandin

CESI – LIEA ; CREF (EA 1589) ; France

 

Philippe Ageorges

CESI – LIEA ; France

 

Adriana Bacila

CESI – LIEA ; France

 

Géraldine Poutot

CESI – LIEA ; France

 

Mots clés : Apprentissage Par Problèmes (APP), Problem-Based Learning (PBL), recherche, école d’ingénieurs, enseignement de la physique

 

Résumé : Cette communication présente quelques effets cognitifs et conatifs qui ont été provoqués par la mise en œuvre de l’Apprentissage par problèmes (APP) en physique dans une école d’ingénieurs. Après avoir présenté les différences et les ressemblances entre la démarche APP et celle des situations-problèmes, la communication précise les raisons de l’introduction de cette pédagogie et la manière dont elle a été expérimentée, puis rend compte des résultats quantitatifs et qualitatifs de l’expérimentation : les objectifs d’apprentissage sont atteints par l’APP comme par le cours traditionnel ; la formation ne change pas les conceptions initiales des élèves, quelle qu’en soit la modalité ; les comportements constatés chez les élèves s’expliquent par leurs conceptions du métier d’ingénieur et de l’apprentissage. Les résultats de cette expérimentation, suivie par des chercheurs en science de l’éducation, ont permis, d’une part, de faire évoluer la démarche pédagogique expérimentée dans une perspective de généralisation ; d’autre part, ils ont fait apparaître la nécessité de mener un travail sur les conceptions des élèves qui peuvent s’avérer bloquantes, et la façon de les surmonter.

 

1.         APP / PBL et « situation problème »

L’« approche par problèmes » dont il est question dans le titre de cette communication renvoie au « Problem-Based Learning (PBL) », approche pédagogique inventée lors de la création de la Faculté de médecine de l’Université McMaster à Hamilton, en Ontario (Canada) au cours des années 1970 (Barrows & Tamblyn, 1980). Mais à peu près à la même époque, quelques pédagogues français, dont notamment Philippe Meirieu, se sont intéressés aux « situations-problèmes » (Meirieu, 1987). Les deux approches sont parfois confondues, ou considérées, en France, comme voisines, alors qu’elles ne visent pas les mêmes publics, et que les pratiques pédagogiques qu’elles recouvrent s’avèrent souvent différentes. Cette section a pour objet de clarifier les similarités et les différences d’approche des deux côtés de l’Atlantique, en s’appuyant sur quelques textes emblématiques, la longueur de cet article ne permettant pas de multiplier les références commentées.

Notons au passage que la démarche d’apprentissage par problèmes, mise en œuvre au CESI, vient en droite ligne de la tradition canadienne, puisque c’est l’Université du Québec à Montréal (UQAM), partenaire de l’école informatique du CESI (EXIA.CESI) depuis sa création en 2004, qui a été le creuset de formation des premiers praticiens de cette démarche au CESI. Personne, au CESI, ne s’était jamais posé la question abordée ici, avant qu’un des relecteurs de notre proposition de communication ne la soulève !

1.1.      Le PBL : une approche pragmatique avec de solides principes d’action

Ainsi que Barrows le rappelle dans sa préface (Barrows & Tamblyn, 1980), lors de la création de la nouvelle école de médecine à la McMaster University, l’équipe partait d’un constat fait par de nombreux enseignants : bien qu’ayant des connaissances techniques dans diverses spécialités, les futurs médecins manquaient des connaissances cliniques de base pour comprendre le « problème du patient » (« patient problem ») et faire un diagnostic, alors qu’ils étaient censés avoir acquis ces connaissances durant leurs premières années d’étude. Et lorsqu’ils les possédaient, ils n’étaient pas capables de les mobiliser dans leur relation avec le patient. D’où l’idée d’entraîner les étudiants à résoudre le « problème du patient » grâce à des « patients simulés » dont on leur soumettrait le cas sous forme d’un entretien en vidéo, accompagné d’un dossier médical… Pour créer l’école de médecine de l’Université McMaster, cette idée de simulation de résolution de problèmes réels a été mise en œuvre en combinaison avec une pédagogie individualisée, centrée sur l’apprenant, où l’enseignant n’enseigne pas, mais accompagne des travaux en petits groupes sur des cas cliniques. Expérimentée pendant deux ans dans le cours de neurosciences de Barrows, cette démarche a été généralisée aux autres champs de la médecine enseignés à l’école après avoir démontré qu’elle donnait des résultats satisfaisants.

Dès le départ, la démarche « Problem-Based Learning », destinée à des étudiants, se caractérise de la manière suivante : les apprentissages se font à travers la résolution d’un problème complexe, qui n’a généralement pas une solution unique ; les étudiants travaillent en groupe pour analyser le problème et identifier les connaissances nécessaires à sa résolution, puis ensuite, acquièrent individuellement les connaissances qu’il leur manque en apprentissage autodirigé ; ils les appliquent ensuite à la résolution du problème, puis réfléchissent collectivement à l’efficacité des stratégies d’apprentissage mises en œuvre ; l’enseignant facilite ce processus d’apprentissage, mais n’apporte pas lui-même de connaissances. Ces choix méthodologiques visent explicitement, non seulement à permettre aux étudiants d’apprendre à résoudre un problème, mais aussi d’apprendre à apprendre, de développer des capacités d’autodirection de leurs apprentissages et de collaboration, en même temps que d’augmenter leur motivation pour apprendre (Hmelo-Silver, 2004).

Dans son article introduisant le premier numéro de la revue spécialisée « The Interdisciplinary Journal of Problem-based Learning », qui fait le point sur près de trente ans de mise en œuvre, John Savery le dit clairement : le PBL est une approche d’ingénierie de formation (« approach to curriculum design ») qu’il ne faut pas confondre avec un enseignement de la résolution de problèmes (« the teaching of problem-solving »), et qui nécessite un engagement du personnel à tous les niveaux (Savery, 2006, 11). Dans cette approche, les étudiants doivent avoir la responsabilité de leur apprentissage ; les problèmes proposés comme cas d’étude doivent être mal structurés (« ill-structured ») et permettre de choisir sa démarche d’exploration (« allow for free inquiry ») ; ce qui est appris doit faire appel d’une manière intégrée à une grande variété de disciplines et de sujets ; la collaboration est essentielle ; ce qui est appris en situation d’apprentissage autodirigé doit conduire à ré-analyser le problème et la façon de le résoudre ; l’analyse réflexive a posteriori et la discussion des concepts et des principes appris sont essentielles ; une auto-évaluation et une évaluation par les pairs sont réalisées à la fin de chaque cas ; les activités réalisées pour résoudre le problème doivent avoir un sens dans le monde réel ; le PBL doit être la base pédagogique dans le curriculum, et non pas une partie d’un curriculum didactique (Savery, 2006, 12-14). Il souligne aussi clairement que la difficulté principale dans la mise en œuvre de la démarche PBL est, pour l’enseignant, de passer d’un rôle de fournisseur de connaissance (« knowledge provider ») à un rôle de tuteur dans le sens de manager et facilitateur de l’apprentissage (Savery, 2006, 15).

L’approche PBL repose donc sur une série de principes prescriptifs clairement établis, qui ont été éprouvés avec succès dans divers domaines d’études (Northwood & alii, 2003). Elle est centrée sur l’apprenant, et cette centration sur l’apprenant comme acteur principal de ses apprentissages constitue, en même temps, la principale difficulté pour la mettre en œuvre dans une institution, car porteuse d’un changement de paradigme.

1.2.      La situation-problème : une approche complexe et ambigüe

En 1987, Philippe Meirieu publie, en annexe de son ouvrage « Apprendre…oui, mais comment », un « Guide méthodologique pour l’élaboration d’une situation problème » (Meirieu, 1987, 164-179). L’auteur y « reprend, d’une manière plus systématique, un ensemble de données éparses dans l’ouvrage concernant l’élaboration d’une situation-problème » (encadré p. 164), lui permettant de proposer un « modèle d’organisation de l’enseignement à partir de la notion de situation-problème » (Meirieu, 1987, 166). Ce modèle, destiné à « l’école », s’appuie sur un principe : « toute leçon est une réponse » et entend proposer un juste milieu entre une « pédagogie de la réponse » et une « pédagogie du problème ». En résumé : dans une situation problème, le sujet réalise une tâche, et ce faisant, doit surmonter un obstacle, donc apprendre, à l’aide de ressources qu’on lui fournit (sinon, la situation-problème n’a aucun intérêt pédagogique). Cet obstacle, qui est une opération mentale, constitue l’objectif de formation de la situation-problème fixé par le formateur. Pour que l’obstacle soit franchi, la situation-problème et les ressources fournies doivent amener l’apprenant à réaliser l’acte mental attendu, en lui permettant la mise en œuvre de stratégies diverses pour y parvenir ; et pour s’assurer qu’elle fonctionne bien, la situation-problème doit être régulée par un ensemble de dispositifs d’évaluation (Meirieu, 1987, 164-179).

Les praticiens qui ont cherché à mettre en œuvre cette approche dans les domaines scientifiques, puisant, par ailleurs, pour partie, leur inspiration dans la didactique de Brousseau, ont vu dans la situation-problème une solution pour traiter les difficultés conceptuelles de leurs élèves, et donc se sont efforcés d’en bâtir autour d’obstacles épistémologiques bien identifiés (par exemple : Robardet, 1990 ; Robardet, 2001 ; Boilevin, 2005). Ce faisant, la situation-problème est devenue un outil didactique, dont la généralisation pourrait fournir une forme d’enseignement idéal, car permettant de franchir tous les obstacles, ainsi que l’a bien vu Michel Fabre (1997) : « la conception de situations-problèmes ne prend tout son sens que dans un programme de recherche visant à concevoir et à élaborer, pour chaque concept-clé, des ‘‘situations fondamentales’’ accessibles à l'élève au moment donné et lui permettant de se forger une conception correcte de la connaissance » (Fabre, 1997, 56). Une des conséquences de cette vision est que le rôle de l’enseignant dans la construction des connaissances à travers les situations-problèmes reste très proche du rôle traditionnel : c’est ce que montre le tableau des activités de l’élève et de l’enseignant dans les différentes phases de la situation établi par Boilevin (2005, 27), de même que les exemples détaillés présentés par Robardet (1990, 22-27 ; 2001, 1174-1179).

« La situation-problème se donne ainsi comme une notion complexe et ambiguë », notamment parce « la situation-problème oscille entre deux pôles: un pôle pédagogique et un pôle didactique; ou encore entre deux manières de gérer le sens dans ses trois dimensions de signification, de manifestation et de référence » (Fabre, 1997, 56). Dans la pratique, des trois « fonctions » de la situation-problème imaginées par Meirieu (1987, 179), la fonction « didactique » semble être la seule qui ait résisté à l’épreuve de la mise en œuvre : la fonction « érotique » (« susciter l’énigme qui génère le désir de savoir ») et la fonction « émancipatrice » (« permet[tre] à chaque personne d’élaborer progressivement ses procédures efficaces de résolution de problème ») sont passées aux oubliettes. Ce que ne peut que constater Philippe Meirieu, vingt ans après : « là où je suis un peu plus hésitant, c’est sur la mise en œuvre de cette réflexion dans les classes qui se heurte, elle, à deux écueils. Le premier, d’ordre technocratique, consiste en une application didacticienne de la notion de situation-problème, vidée de sa substance pédagogique, en utilisant des structures formelles en dehors de leur contexte L’autre difficulté à concrétiser au quotidien la situation-problème provient, elle, du fait que cela supposerait un changement plus large de ce que j’appellerais le paradigme éducatif. En effet, la situation-problème s’inscrit comme une sorte d’exercice sans qu’on voit [sic] nécessairement suffisamment qu’elle doit amener à repenser, de manière plus globale, l’ensemble du dispositif d’enseignement ou de formation. Par exemple, je m’inquiète lorsque je vois certains collègues utiliser la situation-problème comme une sorte de rituel obligé un peu formel, une recette systématique, sans en mesurer les enjeux. Il s’agit alors d’un simple procédé, voire d’un artefact didactique, alors que, dans mon esprit, la situation-problème implique un renversement pédagogique » (Meirieu & alii, 2007). Mais faute de l’avoir posé comme condition sine qua non, et d’en avoir fait, sans ambiguïté un principe incontournable, le changement de paradigme nécessaire à l’efficacité pédagogique de la situation-problème que Meirieu envisage est évacué avec la dimension pédagogique, et ne reste effectivement, dans la pratique, que « l’artefact didactique ».

1.3.      Similarités et différences

Le PBL et l’approche par les situations-problèmes revendiquent tous deux une origine qui puise dans la philosophie pragmatique américaine, et notamment dans l’œuvre de John Dewey (en particulier : Dewey, 1929). C’est une référence incontournable pour les auteurs travaillant sur le PBL (Hmelo-Silver, 2004, 236 ; Savery, 2006, 16), mais aussi, plus étonnamment, pour Philippe Meirieu, qui cite une phrase de Dewey dans le titre de la première section de son annexe sur la situation-problème : « Toute leçon doit être une réponse (J. Dewey) » (Meirieu, 1987, 166). La base commune aux deux approches est donc la reconnaissance de l’importance de l’expérience pratique dans l’apprentissage, incarnée dans le problème à résoudre, car c’est cette expérience qui lui donne sens ; sens dont Michel Fabre nous dit, en s’appuyant sur Deleuze (1969), qu’il « se déploie dans les trois dimensions de la signification, de la manifestation et de la référence » (Fabre, 1997, 50). Dans ce contexte, la manifestation (rapport du sujet à ses actes) renvoie à la dimension motivationnelle du problème, à sa capacité « érotique » ; la signification (rapport au concept) renvoie à la dimension épistémologique du problème, et notamment à l’obstacle éventuel à surmonter ; la référence (rapport au monde) renvoie à la dimension sociale du problème, et donc à son degré de proximité avec la réalité, à l’authenticité de la situation. Cette base commune induit aussi, l’adoption de principe d’un paradigme éducatif centré sur celui qui vit l’expérience pratique, à savoir l’apprenant, comme l’indiquent tous les auteurs cités précédemment.

Mais là s’arrêtent les points communs, car, même ce qui concerne ce dernier point, il y a des divergences entre les deux approches : la mise en œuvre du paradigme éducatif centré sur l’apprenant est une exigence pratique pour le PBL, alors qu’elle reste une pétition de principe pour les situations-problèmes. Pour le PBL, cette exigence se traduit concrètement à travers le rôle de tuteur joué par l’enseignant, les situations d’apprentissage autodirigé, les débriefings réflexifs sur les apprentissages réalisés, l’auto-évaluation… que l’on ne retrouve pas dans l’approche par les situations-problèmes. Cette exigence se traduit aussi par la nécessité, pour mettre en place le PBL, d’une transformation organisationnelle et curriculaire qui implique l’Institution au plus haut niveau… que l’on ne retrouve pas non plus dans l’approche par les situations-problèmes. Deuxième différence notable : si la dimension épistémologique du problème est importante pour le PBL comme pour les situations-problèmes, l’approche PBL n’exige pas que le problème soit construit autour d’un obstacle épistémologique, mais simplement qu’il renvoie à des concepts précis qui peuvent être acquis à travers sa résolution. C’est peut-être un point faible de l’approche PBL, mais en même temps, comme on l’a souligné plus haut, pour résoudre tous les obstacles épistémologiques avec les situations-problèmes, il faudrait développer un curriculum entier basé sur ce principe, ce qui n’a jamais été tenté, et l’on aurait alors à traiter le même problème de transformations organisationnelle et curriculaire que pour la mise en place du PBL… La troisième différence, c’est que l’approche PBL est mise en œuvre à grande échelle dans de nombreuses institutions dans le monde, fait l’objet d’une communauté internationale de chercheurs (Du & alii, 2009), a suscité la création d’une chaire Unesco (PBL in Engineering) à l’Université d’Aalborg (Danemark)… Les situations-problèmes ne peuvent présenter, aujourd’hui, autant d’éléments d’institutionnalisation !

2.         L’APP en physique à l’EI.CESI

Cette section présente d’une part les raisons pour lesquelles le CESI a décidé la mise en place de l’apprentissage par problèmes dans le curriculum de physique de son Ecole d’ingénieurs, et d’autre part le processus de mise en œuvre qui a été suivi.

2.1.      Les raisons d’une nouvelle approche pédagogique

Depuis de nombreuses années, la désaffection – voire le « désamour » – pour les sciences et le déficit de vocations scientifiques chez les jeunes, et notamment chez les filles, font l’objet de constats, d’études et de rapports (OCDE, 2006). Les raisons avancées pour expliquer cette désaffection sont de plusieurs ordres : les études scientifiques apparaissent comme longues et difficiles dans de nombreux pays ; l’image du scientifique est dévalorisée ; les carrières scientifiques et les salaires qui y correspondent se révèlent peu attractifs. Il apparaît aussi que l’enseignement des sciences tel qu’il est pratiqué aujourd’hui est majoritairement jugé inintéressant, faisant peu état des avancées de la science contemporaine, et manquant de sens : on ne sait pas à quoi il sert dans la vie réelle, ce qui contribue à détourner très tôt des sciences une partie non-négligeable des jeunes et notamment des filles.

Certains chercheurs rattachent la décroissance des effectifs dans les disciplines scientifiques aux évolutions démographiques globales, dont la forte augmentation des filles dans l’enseignement supérieur, qui sont moins intéressées par les sciences, ou au nombre croissant d’inscriptions dans des filières comme la médecine ou les professions de santé, qui ne sont pas considérées comme filières scientifiques mais demeurent des sujets d’intérêt et d’attraction.

Il semble néanmoins qu’au-delà des controverses sur les raisons de son existence, le déficit de scientifiques au regard des besoins de la société existe bien ; et de plus, en France, ce déficit est entretenu par la « catégorisation scolaire » (Las Vergnas, 2011), qui limite à environ 25% d’une classe d’âge les élèves éligibles aux études scientifiques, malgré les tentatives visant à donner du sens à l’enseignement des sciences dans l’enseignement primaire et secondaire, ou à le rendre plus attractif et plus concret.

L’Ecole d’ingénieurs du CESI (EI.CESI), bien qu’accueillant des publics qui sont du bon côté de la « catégorisation scolaire », est néanmoins confrontée à la question du « désamour » pour les sciences, ses élèves privilégiant les compétences managériales de l’ingénieur, et présentant fréquemment, du fait de leur parcours antérieur, des conceptions inexactes des phénomènes physiques (Blandin & Ouarrak, 2009).

Après avoir envisagé plusieurs évolutions possibles des cours de physique, la décision a été prise en 2010 de transposer l’apprentissage par problèmes (APP), utilisé dans l’école informatique EXIA.CESI depuis plusieurs années avec l’appui de l’UQAM (Maufette & Allard, 2005), qui donnait de bons résultats à la fois en terme de motivation et de compétences (Drohan & al., 2011). Un certain nombre de travaux faisant état de la réussite de cette approche dans les domaines liés aux sciences de l’ingénieur (Northwood & alii, 2003) ont facilité cette décision.

2.2.      La démarche expérimentale mise en œuvre

L’école informatique du CESI, l’EXIA, ouverte en 2004, a été conçue dès le départ, avec l’appui de l’UQAM, sur la base de la démarche APP (PBL), déclinée les trois premières années sous forme d’apprentissage par problèmes, et d’apprentissage par problèmes et par projets pour les deux dernières années. De ce fait, le curriculum et les rythmes y sont adaptés, et les enseignants y sont recrutés en fonction de leur intérêt pour la méthode, et sont formés pour la mettre en œuvre.

Ce n’est pas le cas pour l’EI.CESI, qui existe depuis plus de 50 ans, et dont les rythmes sont ceux des cours et travaux dirigés traditionnels, alternant avec des périodes en entreprise pour les cycles en apprentissage, et dont de nombreux enseignants ne sont pas préparés à utiliser des pédagogies actives. La mise en œuvre de la démarche APP a donc été progressive, et a commencé en s’appuyant sur quelques enseignants volontaires. Elle a pris la forme d’une recherche-action sur deux ans (2011-2012), menée notamment par des enseignants-chercheurs du Laboratoire d’ingénierie des environnements d’apprentissage (LIEA) formés à la démarche APP par leurs collègues de l’EXIA.

La première année (2011), la démarche APP a été introduite dans le cours de mécanique des deux premiers semestres de la formation d’ingénieurs en apprentissage (FIA) dans 2 centres (Nanterre et Saint-Nazaire) et dans une formation d’ingénieurs en partenariat (FIP) à Pau. La deuxième année (2012), la démarche APP a été étendue aux cours de thermodynamique et d’électricité du premier semestre dans les deux centres FIA, le cycle FIP poursuivant l’expérimentation en mécanique uniquement.

Afin de s’assurer que les problèmes proposés en place des cours permettraient d’atteindre les mêmes résultats d’apprentissage, les enseignants impliqués dans la démarche ont formalisé les référentiels d’objectifs d’apprentissage réels de chaque semestre de cours, et défini une grille de type Rubrics (Allen & Tanner, 2006) comme référentiel d’évaluation associé, pour pouvoir noter les devoirs sur table proposés en fin de semestre (Blandin, 2010).

Les problèmes proposés ont été ensuite crées de manière à ce que l’ensemble des objectifs d’apprentissage du référentiel semestriel soit couvert. Deux problèmes permettent de couvrir les objectifs d’apprentissage du premier semestre dans chaque discipline (mécanique, électricité et thermodynamique), et quatre problèmes couvrent les objectifs d’apprentissage du second semestre de mécanique. Les problèmes et les ressources associées (mini-cours en vidéo, documents multimédia incluant des simulateurs, sites web, exercices d’entrainement…) sont mis à disposition via la plateforme Moodle, choisie comme outil numérique d’appui pour l’ensemble du CESI.

Le protocole d’expérimentation pour la mécanique en 2011 a été le suivant : dans les trois centres expérimentateurs, la promotion a été divisée en deux groupes de même taille, l’un suivant le cours et les travaux dirigés traditionnels, l’autre la démarche APP. La durée des cours et TD et des sessions d’APP étaient identiques, et ont été bloquées sur deux semaines au premier semestre, et deux fois deux semaines au second semestre, ce qui a permis de traiter un problème par semaine, tout en maintenant d’autres activités en parallèle. Les acquis ont été mesurés à l’aide d’un devoir sur table construit pour vérifier l’atteinte des objectifs d’apprentissage à l’aide de la grille Rubrics élaborée, le même pour tous. Pour vérifier si la démarche pédagogique influait sur la conceptualisation, un test de conceptualisation élaboré par l’Arizona State University a été utilisé en pré-test (avant le cours ou les sessions d’APP) et en post-test (après le cours ou les sessions d’APP). Il s’agit du « Force Concept Inventory (FCI) » validé par une vingtaine d’années d’utilisation dans de nombreux pays (Hestenes, Wells & Swackhammer, 1992).

En 2012, le protocole d’expérimentation n’a pas varié pour la FIP de Pau. Les deux centres FIA, qui ont expérimenté l’APP dans les trois disciplines, ont préféré généraliser l’APP à tous les élèves, pour faciliter l’organisation des séances. Les problèmes conçus l’année précédente ont été utilisés en mécanique, et des problèmes spécifiquement conçus en fonction des objectifs d’apprentissage des cours ont été proposés en électricité et en thermodynamique. Les acquis ont été mesurés, dans chaque discipline, par des devoirs sur table conçus de la même manière que précédemment, en se basant sur les grilles Rubrics élaborées. Des tests de conceptualisation ont aussi été utilisés en mécanique (le FCI, comme l’année précédente) et en électricité, mais pas en thermodynamique, car aucun n’avait été identifié à cette époque. En électricité, le test de conceptualisation utilisé est le « Conceptual Survey in Electricity and Magnetism (CSEM) », conçu par Maloney, O’Kuma, Hieggleke & Van Heuvelen (2001).

A partir de 2013, la démarche APP améliorée par la prise en compte des leçons tirées des deux années d’expérimentation (cf. section 4), a été généralisée dans les 8 centres FIA (Angoulême, Arras, Lyon, Nancy, Nanterre, Nice, Rouen, Saint-Nazaire) et dans la FIP de Pau, s’appuyant sur les ressources développées lors de l’expérimentation, et il est envisagé d’étendre la démarche APP à de nouvelles disciplines.

3.         Résultats de l’expérimentation

L’ensemble des résultats de l’expérimentation en mécanique sont présentés d’une manière synthétique en trois parties : l’atteinte des objectifs d’apprentissage dans la modalité APP et dans la modalité traditionnelle (cours + travaux dirigés) ; l’évolution des conceptions des élèves dans les deux modalités ; le comportement des élèves face à l’introduction de la démarche APP, aspect peu étudié dans le cadre des recherches sur le sujet.

3.1.      Objectifs d’apprentissage (mécanique)

Les trois groupes ayant participé à l’expérimentation (FIA Nanterre, FIA Saint-Nazaire, FIP Pau) représentent 480 élèves sur les deux années. Pour le cours de mécanique, qui est le seul ayant été expérimenté sur les deux années dans tous les centres, chaque élève a fait deux devoirs sur table (un à la fin de chaque semestre). Compte tenu des calendriers de passation qui différaient de trois semaines, et pour éviter les fuites, deux devoirs différents ont été nécessaires chaque semestre, mais chacun d’eux couvrait au moins 80% des objectifs d’apprentissage du semestre. Les évaluations ont été réalisées sur la même grille Rubrics. Cette grille comporte deux parties : une évaluation de l’atteinte des objectifs d’apprentissage (notée sur 3), et une évaluation du comportement de l’élève (assiduité, participation, présentation… notée sur 1). La première année, seule la note globale était accessible aux chercheurs, la seconde année, le détail de chaque note a été fourni. La synthèse des notes obtenues est présentée dans le tableau 1.

Tableau 1 : synthèse des résultats aux devoirs semestriels

Une analyse de variance a été menée systématiquement pour étudier si les écarts constatés au regard des modalités à l’intérieur d’un centre ou entre les centres indépendamment des modalités, étaient significatifs. Ces analyses sont synthétisées dans le tableau 2.

 

                

Tableau 2 : Résultats des analyses de variance sur les devoirs

Au niveau de la modalité, on voit apparaître des différences à deux reprises à l’intérieur d’un même centre : en 2011, au second semestre à Nanterre, où globalement, le groupe en face-à-face a de meilleurs résultats que le groupe APP. Cela s’explique par les comportements des élèves face à l’apprentissage par problèmes, mal vécu à Nanterre, ce sur quoi nous reviendrons en section 3.4. On retrouve le phénomène inverse au premier semestre 2012 à Pau, où cette fois, c’est le groupe APP qui obtient de meilleurs résultats. Il semblerait ici que ce soit dû à « l’effet-classe » ou à « l’effet-maître » (Bressoux, 1994) – ce point n’a pas fait l’objet d’investigations ; l’enseignant du groupe en face-à-face s’étant tenu éloigné des travaux et réflexions du groupe de recherche, et ayant géré son enseignement à la marge des consignes, et notamment du référentiel d’objectifs d’apprentissage.

Les écarts significatifs entre les centres apparaissent à trois reprises. Au second semestre 2011, ce sont les problèmes liés à la démarche APP à Nanterre qui génèrent la différence constatée. C’est différent en 2012. Au premier semestre, alors qu’il n’y a pas de différence significative aux notes mesurant l’atteinte des objectifs d’apprentissage entre les centres, il y en a une qui apparaît aux notes globales, avec une moyenne significativement inférieure à Saint-Nazaire, ce qui montre que les éléments comportementaux y ont été jugés plus sévèrement. On retrouve le même effet au second semestre, auquel s’ajoutent des notes significativement plus faibles à l’atteinte des objectifs d’apprentissage à Pau.

Les effets de modalité étant dans un sens différent, et aucune autre différence significative n’étant apparue à d’autres moments, on peut donc dire que globalement, l’atteinte des objectifs d’apprentissage est indépendante de la modalité. Par contre, malgré l’utilisation de grilles Rubrics qui sont censées objectiver la notation, les facteurs comportementaux restent appréciés différemment.

3.2.      Conceptions des élèves (mécanique)

Pour le cours de mécanique, les élèves ont aussi passé le test de conception FCI avant et après le cours, sauf le groupe en face-à-face de Nanterre en 2011, car le cours avait démarré avant la mise en production de la plateforme Moodle sur laquelle sont passés les tests. La synthèse des résultats aux tests FCI est présentée dans le tableau 3.

Tableau 3 : Synthèse des résultats aux tests FCI

Comme pour les devoirs, une analyse de variance a été menée systématiquement pour étudier si les écarts constatés au regard des modalités à l’intérieur d’un centre ou entre les centres indépendamment des modalités, étaient significatifs. Ces analyses sont synthétisées dans le tableau 4.

En ce qui concerne les modalités, on retrouve un écart significatif pour le second semestre 2011 à Nanterre, au profit du face-à-face. Cela s’explique, comme pour les devoirs sur table, par le comportement des élèves face à l’APP, sur lequel nous reviendrons en section 3.4. Plus curieusement, on retrouve un écart significatif dans l’autre sens à Pau au second semestre 2011, cette fois-ci à l’inverse, au profit du groupe APP. On constate pour ce semestre des gains très faibles entre le pré-test et le post-test dans le groupe face-à-face (de l’ordre de 0,1 point en moyenne, contre plus de 3,5 points pour le groupe APP). On suppose qu’il y a là aussi un « effet-classe » ou un « effet-maître » (Bressoux, 1994), l’enseignant étant le même que l’année suivante, où l’on a constaté les écarts dans le même sens sur les devoirs. On constate d’ailleurs aussi un écart dans le même sens au post-test de 2012, la moyenne du groupe face-à-face ayant baissé (environ 1,4 point) entre le pré-test et le post-test ! Alors que cette année-là, la moyenne globale de Pau, au pré-test était significativement supérieure à celle des autres centres, ceci étant dû au hasard du recrutement régional.

 

  

Tableau 4 : Résultats des analyses de variance sur les tests FCI

Ce qu’indiquent les écarts constatés, c’est que les modalités ont peu d’effet sur la conceptualisation : les moyennes au pré-test et au post-test sont très loin du « seuil newtonien » indiqué par les auteurs du test (Hestenes, Wells & Swackhammer, 1992), qui est équivalent à 60% de réponses justes (soit une note de 17 sur 30), et les gains constatés entre le pré-test et le post-test sont très faibles. Une recherche spécifique, incluant des centres n’ayant pas participé à l’expérimentation en post-test ainsi que des données 2013 en pré-test montrent que les profils de réponse au test FCI varient peu, d’une année sur l’autre, que ce soit avant ou après le cours (Figure 1).

 

Figure 1 : Les réponses au test FCI sur 3 ans (pré-test et post-test)

Cette recherche vise à déterminer les conceptions erronées les plus fréquentes et à les relier à des classes de situations. Ce que l’on peut dire, pour l’instant, c’est que ni les cours traditionnels, ni l’apprentissage par problème ne traitent la question des erreurs conceptuelles. Cela confirme que l’apprentissage par problème est loin des situations-problèmes (cf. section 1).

3.3.      Les autres disciplines

Peu de comparaisons sont possibles pour les autres disciplines, l’APP n’ayant été introduit que pour un semestre dans deux centres (Nanterre et Saint-Nazaire), et les tests de conceptualisation n’ayant été passés qu’en électricité. Les résultats obtenus confirment toutefois ce qui a été observé pour le cours de mécanique : pas d’effet de la modalité sur l’atteinte des objectifs d’apprentissage, pas d’effets de la formation, quelles qu’en soient les modalités, sur les conceptions des élèves.

3.4.      Comportements des élèves

Au plan qualitatif, l’expérimentation a été suivie, dans le centre de Nanterre, par des élèves du Master IPFA de l’Université Paris Ouest Nanterre, ce qui a été très utile pour comprendre les comportements des élèves. En effet, à Nanterre plus qu’ailleurs, une partie des élèves a refusé d’entrer dans la démarche APP, ou n’y est entré qu’avec réticences. Globalement, ces refus ont pesé sur l’expérimentation et sur ses résultats, en particulier ceux des tests, où la participation est parfois faible.

En 2011, les élèves ont découvert l’APP en commençant les cours de mécanique, et n’y avaient pas été préparés. L’investissement demandé dans la démarche, notamment avec les séances d’apprentissage autodirigé, a démotivé certains élèves, même si d’autres ont reconnu, à la fin de l’année, l’intérêt pour la méthode qui les préparait pour les périodes d’étude en entreprise (Vicherat, 2011).

En 2012, les élèves ont été préparés à l’APP dès le début de l’année par le traitement de problèmes conçus spécialement pour leur permettre de s’entraîner à la démarche, mais certains ont continué à décrier l’approche. Les entretiens menés par l’étudiante du Master IPFA ont permis de comprendre que ces comportements étaient liés soit aux représentations que les élèves se faisaient du processus d’apprentissage (on ne peut pas apprendre sans enseignant), soit aux représentations qu’ils se faisaient du métier d’ingénieur (l’ingénieur, c’est le chef, ce n’est pas au chef de résoudre les problèmes… ou l’ingénieur résout les grands problèmes de l’humanité, votre problème n’en fait pas partie…) (Mehallel, 2012).

4.         Impact des résultats

La démarche APP a évolué tout au long de la recherche-action pour prendre en compte les réactions et les demandes des élèves et limiter les réactions négatives, tout en respectant les principes de l’APP.

4.1.      Evolution de la démarche

Les améliorations ont porté sur trois points : 1) augmentation de la variété des ressources d’apprentissage par l’introduction, en 2011, de mini-cours filmés rappelant les concepts sur Moodle, puis ajout de travaux dirigés (« workshops ») en 2012 ; 2) communication sur la démarche dès l’inscription et préparation à la démarche grâce à deux problèmes spécifiques traités en début de formation à partir de 2012 ; 3) formation renforcée des tuteurs (une semaine) pour accompagner la démarche dès 2012.

Par ailleurs, à partir de mi-2012, a été instaurée une journée semestrielle d’échange entre les tuteurs des différents centres pour partager les bonnes pratiques, notamment l’organisation, la gestion des grands groupes, les réponses aux élèves...

4.2.      Nouvelles recherches

L’absence d’évolution des conceptions des élèves, révélée par les tests, est apparue comme un point faible de la formation d’ingénieurs. Le fait que les représentations du processus d’apprentissage ou du métier d’ingénieur constituent des blocages potentiels au développement, au même titre que les concepts scientifiques, incite à regarder vers les travaux anglo-saxons sur les « concepts-seuils » (Meyer & Land, 2006), et en particulier les travaux menés en Australie pour reconcevoir une formation d’ingénieurs facilitant le passage des concepts-seuils (Male, 2012), plutôt que revenir vers les situations-problèmes.

 

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