Ressource | Lisa A. Ahlberg • G. Brendan Cross

STIM sur le terrain :

Ressources de chimie, physique, et autres sciences pour l’enseignement en maternelle et primaire

L’enseignement STIM (Science, Technologie, Ingénierie, Mathématiques) est indispensable pour la compréhension de la science dans la société moderne, et la préparation d’une nouvelle génération qui assumera les rôles techniques nécessaires et participera à la prise de décision et au discours sur les progrès de la science et son impact sur la société1. La science complexe de la covid-19 et de la pandémie qui en a découlé ont mis en évidence la nécessité d'une culture scientifique de base ainsi que son rôle et sa fonction dans l'enseignement primaire2. La préparation d’un matériel qui incite les étudiants à s’intéresser aux STIM peut être un défi pour les enseignants.  Cet article fournit des ressources qui aideront à rendre la préparation et la planification de ces cours plus faciles pour les enseignants du primaire et du secondaire.

Outre les besoins fondamentaux en matière de culture scientifique, un but secondaire est attaché à l’enseignement STIM : la préparation des futurs enseignants STIM qui, à leur tour, encourageront des étudiants à être curieux3. Pour que l’éducation adventiste atteigne ce but, nous avons besoin de favoriser le développement de plus de professeurs femmes dans les domaines dans lesquelles elles sont sous-représentées dans nos institutions4. Cela doit commencer à l’école secondaire car à ce niveau, c’est essentiel d’augmenter le nombre de femmes dans les domaines STIM. Pour les jeunes femmes, des expériences sur le terrain dans ces domaines pendant le secondaire ont montré qu’elles favorisaient la poursuite de carrières STIM chez les femmes5. En général, l’utilisation d'activités de recherche, d'activités pratiques conçues pour encourager chez les étudiants l’exploration des concepts enseignés, stimulent la curiosité et l’engagement de tous les étudiants6. La combinaison de ces activités avec l'apprentissage actif augmente les performances et la rétention des étudiants qui sont sous-représentés dans les STIM7.

Notre expérience

Récemment (juillet 2021), le département de Chimie et de Biochimie de l’université Andrews a accueilli un atelier d’activités de chimie pour les enseignants, financé par le biais de l’université de Loma Linda par la Versacare Foundation8. Nous avons pu organiser l’atelier à distance après avoir fourni aux enseignants qui y participaient un kit de fournitures de laboratoire en boîte. Plusieurs activités de laboratoires décrites plus bas ont fait partie de l’atelier au cours duquel les intervenants ont réalisé les expériences avec les participants tout en soulignant les façons d’aborder l’activité avec une classe d’élèves.

Sur les participants qui ont répondu à l’enquête d’après-atelier, 80 % ont indiqué : 1) il avait été utile de voir et de faire les activités en direct avec l’instructeur de l’atelier ; 2) il avait été utile d’avoir une occasion à distance de développement d’enseignant pendant l’été (80 % ont indiqué qu’ils n’auraient pas pu participer autrement). 80 % des participants ont senti que leur compétence pour partager des expériences de science et de chimie et des activités avec leurs élèves s’est améliorée pour avoir participé à l’atelier.

Les professeurs du département de Chimie et Biochimie de l’université Andrews continuent à chercher plus d’opportunités d’offrir cette expérience aux enseignants. Nous, ainsi que d’autres départements STIM, planifions une autre session d’atelier d’été alors que nous cherchons à nouveau un financement. Nous encourageons les excursions sur notre campus, et nous avons visité d’autres campus avec nos activités pratiques.

Un bon point de départ pour l'expérimentation, tant pour les éducateurs que les étudiants, est de commencer avec quelque chose de familier : la nourriture. De nombreux enseignants ont déjà commencé à explorer ce domaine en faisant pousser des plantes alimentaires bien connues avec leurs élèves.  Ces expériences peuvent être conçues non seulement pour explorer les processus biologiques de la croissance de la plante mais aussi, en ajoutant différentes substances aux plantes et en changeant leur environnement, explorer les effets de trop ou de pas assez d’eau, des nutriments fournis, des conditions de lumière ou d'air. Une autre partie du processus scientifique survient aussi quand les étudiants enregistrent des notes et des observations. Quand il y a plusieurs sujets dans le même groupe (plusieurs plantes, ou plusieurs élèves reproduisant les mêmes conditions pour leur expérience de biscuit), il y a là une occasion concrète d’aider les élèves à appliquer une analyse statistique aux résultats.

Un autre exemple d’expérience alimentaire est d’analyser différents édulcorants. On peut demander à une classe de goûter des édulcorants après avoir prédit leurs niveaux de sucre (en masquant l’identité de l’édulcorant que l’élève goûte on peut obtenir une analyse sans biais). Cette activité et une autre qui est connexe sur les enzymes (cracher dans un bol de pudding pour voir ce qui arrive à la consistance) ont été modifiées (voir cette activité à : https://sites.google.com/andrews.edu/k-12-educational-resources/resource-links) avec la permission de Cordelia Running de l’université Purdue, qui a créé un merveilleux ensemble d’expériences d'enseignement général des sciences au collège9.

Les enthousiastes de la gastronomie moléculaire seront familiers avec les polymères d’alginate de sodium et de la façon intéressante dont ils sont utilisés dans des applications alimentaires. Cela peut conduire à d’excellentes possibilités d’enseignement des sciences.  Une récente publication par Corcoran et collaborateurs10 documente quelques expériences qui peuvent être utilisées avec des élèves des niveaux primaires jusqu’aux niveaux secondaires, et qui souligne des pratiques durables à ajouter à une discussion avec les élèves. L’expérience des vers d'alginate11 de la Royal Society est une excellente activité de classe succincte.

Ressources

Ci-dessous se trouve une discussion de chaque ressource avec des liens. Ce site (https://sites.google.com/andrews.edu/k-12-educational-resources/home?authuser=0) fournit tous les liens ET essaie de corréler la ressource aux chapitres des manuels produits par la Division nord-américaine pour les niveaux 1 à 8, ByDesign : A Journey to Excellence Through Science. Il peut ne pas être nécessaire d’établir un parallèle direct avec le sujet du manuel et les activités suggérées, mais cela peut souvent être utile pour créer une connexion entre l’enseignant et les élèves. Les manuels utilisés pour les niveaux 9 à 12 sont plus variables. Il n’existe pas encore d’ ensemble de connexions curriculaires disponibles pour eux.

Les enseignants devraient se sentir équipés pour faire des expériences pratiques motivées par la curiosité. Les ressources listées plus bas sont gratuites ou disponibles à un coût modéré. Il y a des livres et d’autres matériels que l’on peut acheter, mais l’information disponible gratuitement sur le Web offre peut-être plus d’activités que le temps disponible. 

Chimie

Inquiry in Action, ce livre pour les niveaux K-512 par l’American Chemical Society (ACS), est une collection de ressources alignées sur les normes scientifiques de la prochaine génération (Next Generation Science Standards-NGSS), soit les standards de science des niveaux K-1213. Ces leçons fournissent des activités qui permettent de connecter élèves et enseignants aux choses de la vie courante. Mais plus encore, elles présentent des informations scientifiques de base pour aider les enseignants qui sentent qu’ils ont besoin d’un peu plus d’information, peut-être d’un rappel des notions.

Une activité favorite et simple utilise des bonbons M&M pour étudier les propriétés de dissolution et peut être utilisée pour de nombreux différents niveaux. Cette activité permet aux étudiants de poser leurs questions sur les M&M et les couleurs, et même explorer ces questions. Une aide complémentaire pour les enseignants K-5 est disponible sur le site Web Adventures in Chemistry, qui présentent des activités pratiques, des vidéos et des jeux14.

Une autre ressource alignée sur le NGSS de l’ACS est Middle School Chemistry, niveaux 6-815. Cette ressource Web contient de nombreux outils pour
 l’enseignant dont des informations générales, des lectures pour les élèves, des questions de contrôle, et des activités. Chaque activité comprend l’aménagement d'une expérimentation plus formelle qui inclut des objectifs, des évaluations et des informations sur la sécurité. Cette ressource en ligne est particulièrement utile car elle présente un alignement plus poussé sur les normes du Common Core en matière de littératie (English Language Arts - CCELA) pour les niveaux K-1216.

Voici un exemple tiré du chapitre 5, leçon 6, qui permet l’exploration des effets de l’énergie sur les propriétés de dissolution des bonbons M&M et pose la question : « La température affecte-t-elle la dissolution ? » Ceci pour dire que voilà une illustration de l'utilisation de matériaux de tous les jours pour quelque chose de très pertinent tant pour les enseignants que les élèves.

L’ACS fournit aussi des ressources pour les niveaux scolaires 8-12 en utilisant le magazine ChemMatters17. L’abonnement à ce magazine n’est pas gratuit, mais on peut consulter gratuitement de nombreux articles sur le site web. Ce site, outre ses articles sur certains sujets intéressants en chimie, comprend des guides de l'enseignant avec des feuilles de travail et des réponses, des liens avec les concepts et les normes scientifiques, des informations générales pour l'enseignant, et une liste de sources et d’information supplémentaire. Ces articles et les guides de l’enseignant qui les accompagnent constituent une formidable ressource pour les niveaux 7-8 ou pour l’enseignant du secondaire. Cet auteur (L.A.) a utilisé quelques-uns de ces articles dans ses cours des niveaux 7/8, mais aussi dans le cours de chimie de niveau collégial d'enseignement général. Une autre ressource est un article sur les sites web de référencement Edutopia pour les enseignants de sciences18 ; notamment, le numéro 8 est un lien vers un tableau périodique de vidéos19 !

D’autres ressources disponibles sont listées dans les références ci-dessous, et un des auteurs (L.A.) recueille toute cette information sur ce site en pleine évolution : https://sites.google.com/andrews.edu/k-12-educational-resources/home. On y trouve des liens vers des sites internet de musées, d’autres sociétés de chimie, d’individus qui ont gratuitement fournis des moyens d’inciter les enfants à faire de la science (souvent avec des objets que l’on peut acheter).

Physique

Il y a de nombreuses sources de ressources cumulées pour l'enseignement de la physique. Nous vous donnons un résumé de quelques-unes des plus intéressantes que nous avons trouvées et utilisons régulièrement.

Compadre est l’outil d’enseignement de l’American Association of Physics Teachers (AAPT)20. La bibliothèque numérique de l’AAPT a de nombreux outils et simulations qui sont gratuits pour le public. L’American Physical Society (APS) a recueilli l’information pour les enseignants de K-8 et du secondaire. Elle est l’un des centres primaires pour la recherche en physique aux États-Unis21. CyberBee est un agrégateur indépendant avec une interface simple mais un choix limité, quoiqu’il soit constitué par d'anciens enseignants22. Enfin, nous avons choisi Science Buddies comme ressource pour les enseignants de l’élémentaire. Ce site comprend des démonstrations relativement faciles à réaliser ou à diriger par les enseignants, et des discussions sur les phénomènes physiques démontrés23.

Les autres ressources de physique listées ici sont des collections de documents produits par HyperPhysics. Il s’agit d’un manuel numérique mis au point par Rod Nave de la Georgia State University. Il fournit un résumé rapide de la majorité des sujets dans le domaine. Il présente une remise à niveau rapide pour les enseignants qui préparent un exposé sur un sujet sur lequel ils se sentent rouillés. À l’origine conçu pour la physique, ce manuel numérique a été depuis élargi pour inclure la biologie, la chimie et la géologie en partenariat avec d’autres institutions24. Les PhET sont des simulations de situations physiques. Elles peuvent être utilisées comme démonstrations pendant les exposés, comme bases d’une activité d'enquête en classe, comme une expérience virtuelle permettant de collecter des données, comme un exemple auquel se référer pendant les devoirs. Ces animations versatiles ont été développées par l’université du Colorado à Boulder.  Carl Wieman, lauréat du prix Nobel, a commencé ce projet en 2002 comme un outil d’enseignement et il s’est développé en une formidable place où trouver des ressources qui aident à garder les exposés intéressants25.

Autres sciences

Comme mentionné ci-haut, HyperPhysics s’est étendu à la chimie, la biologie et la géologie, créant ainsi un excellent lien de référence permettant aux enseignants d'accéder à des sujets rafraîchissants. La National Science Foundation (NSF) fournit une liste de liens vers certains sites pour divers niveaux scolaires27. La majorité du site NSF est consacré à la recherche mais quelques documents sont écrits à un niveau vulgarisé dans l’effort d’augmenter l’appréciation publique de la science. Share My Lesson est un site Web d'échange entre enseignants. Les enseignants peuvent y télécharger leurs leçons et les partager avec d’autres28. Ce site (Partage de ma leçon) est une formidable ressource si on a besoin d’un point de départ pour planifier une leçon sur un sujet difficile, et voir comment d’autres enseignants l’ont abordé. Un autre site Common Sense Education29 offre une liste de liens et fournit des ressources en biologie, chimie et physique.


Les ressources pour cet article ont été revues par des pairs.

Lisa A. Ahlberg

Lisa A. Ahlberg, Ph.D., est professeure associée de chimie à l'université Andrews (Berrien Springs, Michigan, U.S.A.). Elle est titulaire d'une licence en biochimie de l'université d'Andrews, d'un doctorat en chimie organique de l'Université de Californie à Davis et a été boursière postdoctorale pour l'étude de la liaison ADN-carcinogène à l'université de Californie, San Francisco. Chercheuse expérimentée, le L. Ahlberg a travaillé dans le domaine de la biotechnologie industrielle dans des entreprises telles que SRI International à Menlo Park, Californie et Hermes Biosciences à San Francisco, Californie. Elle a publié des articles dans des revues scientifiques telles que le Journal of the American Chemical Society, le Journal of Organic Chemistry, Tetrahedron, et ACS Symposium Series : Engaging Students in Organic Chemistry. Elle se passionne également pour le mentorat scientifique des jeunes filles des collèges et lycées.

G. Brendan Cross

G. Brendan Cross, Ph.D., est professeur assistant de physique et directeur des entreprises de physique à l'université Andrews. G. Cross a obtenu une licence en ingénierie, avec une deuxième spécialisation en mathématiques et en physique, à l'université Andrews. Il a obtenu un master en ingénierie aérospatiale de l'université de Notre Dame à South Bend, Indiana, U.S.A., avec une spécialisation en aéro-optique. Il a ensuite obtenu son doctorat en physique à l'université d'État de Géorgie à Atlanta, Géorgie.

Référence recommandée :

Lisa A. Ahlberg et G. Brendan Cross, STIM sur le terrain : Ressources de chimie, physique, et autres sciences pour l’enseignement K-12 (de la maternelle à la douzième année), Revue de l’éducation adventiste, n°61.


NOTES ET RÉFÉRENCES

  1. Committee on Science Literacy and Public Perception of Science et coll., Science Literacy: Concepts, Contexts, and Consequences, Catherine E. Snow et Kenne A. Dibner, éds. (Washington, D.C.: National Academies Press, 2016). doi/10.17226/23595; Committee on the Call to Action for Science Education et coll., Call to Action for Science Education: Building Opportunity for the Future (Washington, D.C.: National Academies Press, 2021). doi.10.17226/26152.
  2. Bruce L. Miller, “Science Denial and COVID Conspiracy Theories: Potential Neurological Mechanisms and Possible Responses,” Journal of the American Medical Association (JAMA) 324:22 (8 décembre 2020): 2,255. doi.10.1001/jama.2020.21332.
  3. Jonathan Wai et coll., “Accomplishment in Science, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM) and Its Relation to STEM Educational Dose: A 25-year Longitudinal Study,” Journal of Educational Psychology 102:4 (2010): 860–871. doi.10.1037/a0019454; Xianglei Chen, “STEM Attrition: College Students’ Paths Into and Out of STEM Fields” (Washington, D.C.: National Center for Education Statistics, Institute of Education Services, U. S. Department of Education, 2014); Patricia K. Hunt, Michelle Dong, et Crystal M. Miller, “A Multi-year Science Research or Engineering Experience in High School Gives Women Confidence to Continue in the STEM Pipeline or Seek Advancement in Other Fields: A 20-year Longitudinal Study,” Andrew R. Dalby, éd., PLOS ONE 16:11 (3 novembre 2021): e0258717. doi.10.1371/journal.pone.0258717.
  4. Bettina J. Casad et coll., “Gender Inequality in Academia: Problems and Solutions for Women Faculty in STEM,” Journal of Neuroscience Research 99:1 (janvier 2021): 13-23;doi.10.1002/jnr.24631; Laura McCullough, “Proportions of Women in STEM Leadership in the Academy in the USA,” Education Sciences 10:1 (18 décembre 2019): 1.doi.10.3390/educsci10010001.
  5. Hunt, Dong, et Miller, “A Multi-year Science Research or Engineering Experience in High School Gives Women Confidence to Continue in the STEM Pipeline or Seek Advancement in Other Fields: A 20-year Longitudinal Study ”; J. Steinke et coll., “Effects of Diverse STEM Role Model Videos in Promoting Adolescents’ Identification,” International Journal of Science and Mathematics Education 20:2 (2022): 255-276.
  6. Rebecca L. Matz et coll., “Concurrent Enrollment in Lecture and Laboratory Enhances Student Performance and Retention,” Journal of Research in Science Teaching 49:5 (mai 2012):659-682. doi.10.1002/tea.21016; Avi Hofstein et Vincent N. Lunetta, “The Laboratory in Science Education: Foundations for the Twenty-first Century,” Science Education 88:1 (Janvier 2004): 28-54. doi.10.1002/sce.10106; Michael R. Abraham, “What Can Be Learned From Laboratory Activities? Revisiting 32 Years of Research,” Journal of Chemical Education 88:8(1e août 2011): 1,020–1,025. doi.10.1021/ed100774d.
  7. David C. Haak et coll., “Increased Structure and Active Learning Reduce the Achievement Gap in Introductory Biology,” Science 332:6034 (3 juin 2011).doi.10.1126/science.1204820; Sarah L. Eddy et Kelly A. Hogan, “Getting Under the Hood: Howand for Whom Does Increasing Course Structure Work?” CBE—Life Sciences Education 13:3 (septembre 2014): 453–468. doi.10.1187/cbe.14-03-0050; Cissy J. Ballen et coll., “Enhancing Diversity in Undergraduate Science: Self-Efficacy Drives Performance Gains With Active Learning,” ibid. 16:4 (décembre 2017): ar56. doi.10.1187/cbe.16-12-0344.
  8. Versacare Foundation est une organisation indépendante à but non lucratif qui finance des projets et des actions humanitaires pour les ministères adventistes du septième jour. Pour plus d’infos voir https://www.versacare.org/.
  9. Ryan D. Calvert, Chaylen J. Andolino, et Cordelia Running, “Food Chemistry:Experiments for Labs and Kitchens” (Department of Nutrition Science Open Education Resources, 2020), 123.
  10. Emma R. Corcoran et coll., “Thirst for a Solution: Alginate Biopolymer Experiments for the Middle and High School Classroom,” Journal of Chemical Education 99:2 (29 décembre2021): 1,021-1,025: acs.jchemed.1c00905.doi.10.1021/acs.jchemed.1c00905.
  11. “Cross-Linking Polymers—Alginate Worms,” RSC Education
     
    https://edu.rsc.org/resources/cross-linking-polymers-alginate-worms/691.article.
  12. J. H. Kessler et P. M. Galvan, “Inquiry in Action”; 3e éd., American Chemical Society: https://www.acs.org/content/acs/en/education/resources/k-8/inquiryinaction.html.
  13. Les normes scientifiques de la prochaine génération (NGSS) sont un ensemble de normes scientifiques fondées sur la recherche pour les classes de la maternelle à la 12e année, élaborées par le Conseil national de la recherche. Ces normes sont conçues pour aider les éducateurs à développer la culture scientifique, à stimuler l'intérêt pour les STIM et à préparer les élèves à l'université et aux futures professions STIM. Pour plus d’info, voir https://www.nextgenscience.org/get-to-know.
  14. ACS, “Adventures in Chemistry,” American Chemical Society: https://www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/adventures-in-chemistry.html.
  15. J. H. Kessler, P. M. Galvan, et A. M. Boyd, “Middle School Chemistry,” American Chemical Society: https://www.middleschoolchemistry.com/.
  16. Le Common Core English Language Arts (CCELA) aide les éducateurs à préparer les étudiants à réussir en tant que citoyens capables de lire, d'écrire, de parler, d'écouter et d'utiliser la langue pour communiquer dans toutes les disciplines et carrières. Pour plus d’informations voir : http://www.corestandards.org/ELA-Literacy/.
  17. ACS, “ChemMatters,” American Chemical Society :  https://www.acs.org/content/acs/en/education/resources/highschool/chemmatters.html.
  18. Eric Brunsell, “Ten Websites for Science Teachers,” Edutopia : https://www.edutopia.org/blog/websites-for-science-teachers-eric-brunsell.
  19. Brady Haran, “The Periodic Table of Videos”: http://www.periodicvideos.com/.
  20. AAPT, “Compadre,” Collection (ComPADRE Digital Library): https://www.compadre.org/.
  21. APS, “K-8,” American Physical Society: http://www.aps.org/programs/education/k8/index.cfm APS, “High School Physics Teachers,”American Physical Society: http://www.aps.org/programs/education/highschool/teachers/index.cfm.
  22. Linda Joseph, Linda Resch, et Leni Donlan, “Physics Is Phun!” CyberBee Learning: http://www.cyberbee.com/physics_sites.html.
  23. Science Buddies, “Elementary School, Physics Lesson Plans,” Science Buddies: https://www.sciencebuddies.org/teacher-resources/lessonplans/subjects/physics/elementary-school.
  24. “HyperPhysics Concepts” : http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbase/hph.html.
  25. “PhET Interactive Simulations,” PhET : https://phet.colorado.edu/.
  26. “HyperPhysics Concepts.”
  27. National Science Foundation, “Education Classroom Resources”: https://www.nsf.gov/news/classroom/education.jsp
  28. “Free Science Lesson Plans & Resources | Share My Lesson”: https://sharemylesson.com/subject/science.
  29. CSE, “Terrific Websites for Science,” Common Sense Education (19 août 2013): https://www.commonsense.org/education/top-picks/terrific-websites-for-science.