Questions aux experts

Lorsqu'un enfant de quelques mois voit disparaître de sa vue l'objet de sa convoitise, il n'imagine pas que ce dernier existe encore. À l'âge adulte, nous avons conscience de la permanence et de la conservation de la matière. Si l'âge intervient dans cette maturation, l'école a un rôle à jouer, principalement à l'âge primaire. Les difficultés les plus essentielles concernent les gaz. L'objectif est de comprendre qu'ils sont de la matière au même titre que les liquides et que les solides. Comment espérer faire progresser les élèves dans cette voie ? Je présente ci-dessous quelques réflexions et quelques propositions concernant deux gaz susceptibles d'être étudiés à l'école primaire : l'air et la vapeur d'eau.

A. LE CAS DE L'AIR

1. OÙ SE SITUENT LES OBSTACLES ?
L'une des caractéristiques de la pensée enfantine est ce que les psychologues appellent "primat de la perception". Cela signifie qu'un enfant éprouve des difficultés à concevoir ce qui ne se perçoit pas et tout particulièrement ce qui ne se voit pas. En conséquence l'air, principalement lorsqu'il est immobile, n'est pas reconnu comme de la matière. Le vent est un phénomène familier dès l'école maternelle. Mais les élèves n'établissent pas facilement qu'il s'agit d'air en mouvement.
Un deuxième aspect est le langage commun qui emploie le mot "air" comme un synonyme de "vent" ou de "courant d'air" et qui laisse entendre aux jeunes enfants que l'air n'existe qu'à l'extérieur ("ferme la porte, tu fais entrer l'air...").

2. L'AIR EST-IL DE LA MATIÈRE ?
Bien sûr que oui ! Mais que signifient ces mots ? De nombreux enfants sont capables d'affirmer que dans une bouteille "vide" il y a en fait de l'air, que l'air est partout, etc. Mais au-delà des mots, comprendre que l'air est de la matière signifie :

la pleine conscience que l'air possède toutes les propriétés générales de la matière ;
l'aptitude à mener des raisonnements engageant ces propriétés pour expliquer certaines situations.

Quelles sont ces propriétés ?

À l'école, je pense qu'on peut avec profit travailler sur les suivantes.
- Permanence (non-apparition, non-disparition).
- Déplacement (l'air était ici, maintenant il est là).
-Poids (plus il y a de l'air dans un ballon, plus il est lourd).

Les deux premières propriétés sont bien sûr liées : tout déplacement d'air se fait sans apparition ni disparition. L'air, comme toute matière, obéit à une loi de conservation.

3. ACTIVITÉS POSSIBLES POUR CONSTRUIRE LA MATÉRIALITÉ DE L'AIR
1. L'objectif peut être poursuivi dès le cycle 2. Mais si aucun travail n'a été fait préalablement, il reste tout à fait adapté au cycle 3. De nombreuses situations intéressantes sont proposées dans le livre de l'élève "découverte des sciences" CP-CE1 de la collection Tavernier chez Bordas (édition de 1996), p. 61. Il est facile d'en imaginer d'autres. Si toutes s'interprètent par un raisonnement impliquant déplacement et/ou conservation de l'air, je crois que l'ordre dans lequel elles sont travaillées n'est pas anodin. L'état de ma réflexion est le suivant.

1. Commencer par des situations de transvasement entre deux récipients nettement identifiés.

2. Continuer avec des situations qui s'interprètent par la présence de l'air, mais sans déplacement.

3. Enfin, terminer par des situations où intervient l'air de la pièce.

Voici un exemple pour chaque catégorie.

3.1. Transvasement entre deux récipients nettement matérialisés.

L'enseignant orchestre une mise en scène en présentant l'objet mystérieux. Il appuie sur la bouteille (ce que les élèves ne voient pas). Le ballon de baudruche se gonfle.

Une telle situation est immédiatement interprétée par les élèves par un déplacement d'air. Cela n'a rien d'illogique, ils savent qu'on gonfle un ballon en insufflant de l'air. Ils imaginent qu'une pompe est cachée sous le tissu. Lorsqu'ils découvrent la bouteille, ils formulent aisément et avec leurs mots un raisonnement comme le suivant : "quand on appuie, l'air sort de la bouteille et entre dans le ballon".

3.2. Situations où il n'y a pas de déplacement d'air.
Considérons, pour illustrer notre propos l'expérience suivante.

Les élèves n'anticipent pas tous la bonne réponse, mais après avoir réalisé l'expérience et éprouvé l'effort qu'ils font pour enfoncer la bouteille, ils parviennent à formuler une explication comme la suivante : "l'eau n'a pas pu entrer dans la bouteille parce qu'il y a déjà de l'air".

3.3. Situations où est impliqué l'air de la pièce
Voyons ce qui se passe si l'on perce la bouteille de la figure précédente (un clou préalablement chauffé donne d'excellents résultats). L'air peut s'échapper par le trou donc l'eau peut pénétrer dans la bouteille. Certains élèves estiment que grâce au trou, l'air peut entrer dans la bouteille et ainsi aspirer l'eau... Il faut donc se demander si l'air entre ou sort et imaginer une expérience pour le savoir (bulles à l'aide de liquide vaisselle ou petit papier témoin placé près du trou).

3.4. Poids de l'air
L'expérience est classique. Il faut équilibrer une balance avec un ballon (foot ou basket) mal gonflé sur un plateau et une tare sur l'autre plateau. Il faut ensuite gonfler le ballon et comparer... Prendre soin d'opérer avec le même ballon en deux pesées et non en comparant deux ballons, l'un bien gonflé, l'autre mal gonflé (les enveloppes des deux ballons, même identiques, risquent de ne pas avoir le même poids). Ne pas opérer avec des ballons de baudruches : ils sont trop déformables ce qui expose à de mauvaises surprises dues à la poussée d'Archimède de l'air (inutile, je pense, de développer cet aspect ici).

Du point de vue pédagogique, il faut bien sûr demander aux élèves d'anticiper. L'expérience sensible des activités sportives laisse croire à certains qu'un ballon mal gonflé est plus lourd qu'un ballon bien gonflé. Normal... Il rebondit moins, il fait mal aux pieds (foot) ou aux poignets (volley)... Le déroulement suit donc le schéma classique suivant : anticipation, débat, vérification, formulation.

En résumé...
Dès l'école maternelle, les enfants n'ont aucun mal à formuler que dans une assiette pleine de soupe, on ne peut plus rajouter de lait. Pour y parvenir, il faut enlever de la soupe... L'objectif, in fine, est de les faire accéder à une formulation de même structure : "L'eau ne peut pas entrer dans la bouteille parce qu'il y a déjà de l'air". "L'eau peut pénétrer dans la bouteille, parce que l'air peut sortir par le trou". Si ce sujet est travaillé au cycle 3, il est utile de terminer par l'examen de situations courantes telles que le remplissage d'un verre d'eau. À mesure que l'eau pénètre dans le verre, l'air du verre s'en va. Où va-t-il ? Réponse : dans la pièce. Ces mouvements d'air ne sont pas visibles. Mais on sait qu'il en est ainsi parce qu'on a confiance dans le raisonnement qu'on met en œuvre. Au passage, on remarquera que l'évocation de situations de la vie courante arrive en fin de progression. Il faut en effet maîtriser le raisonnement "déplacement, conservation", pour qu'elles fassent l'objet d'une compréhension renouvelée.

B. LE CAS DE LA VAPEUR D'EAU
Le cas de la vapeur d'eau est beaucoup plus complexe que celui de l'air et il paraît raisonnable d'attendre le cycle 3 pour chercher à le traiter.

1. DES OBSTACLES TOUJOURS ET ENCORE !
Le langage commun confond "vapeur d'eau" et "brouillard" en désignant, à tort, par "vapeur d'eau" ces gouttelettes d'eau à l'état liquide, en suspension dans l'air au-dessus des casseroles d'eau bouillante ou à proximité d'une douche chaude. La vapeur d'eau ne se voit pas ! Tout comme l'air, elle est incolore et inodore.
Le primat de la perception fait donc obstacle pour accepter la présence de vapeur d'eau là où n'est visible aucun brouillard, aucune buée. Les élèves ont tendance à affecter à une substance l'état physique dans lequel elle se trouve le plus souvent. Ainsi, ils pensent que le fer est nécessairement solide et que l'air est toujours gazeux. En ce qui concerne l'eau, la conception est variable. Elle est liquide pour les plus jeunes enfants. Elle est soit liquide, soit solide, pour ceux qui ont accepté l'idée que glace et eau-liquide sont une même substance. Le langage courant conforte cette tendance. Quel scientifique ne s'est pas laissé aller à parler du changement d'état "d'eau en glace" ? Lorsque nous parlons d'air, nous sous-entendons toujours qu'il est gazeux, sinon nous précisons "air liquide".

Concevoir l'eau à l'état de gaz relève de la même difficulté que concevoir l'air à l'état liquide...

Une autre caractéristique de la pensée enfantine est le finalisme qui conduit l'enfant à considérer les événements comme déterminés par un but (une finalité), déterminé à l'avance, à l'image de ses propres actes intentionnels. Les raisonnements de cause à effet sont transformés en "pseudo-raisonnements" dans lesquels la finalité justifie la cause. Voyons quelques exemples.

La coexistence de ces obstacles conduit à des difficultés fortes. En particulier, les élèves refusent d'admettre la présence d'eau dans l'air : "ce n'est pas possible, sinon on ne pourrait pas respirer, ça nous ferait tousser..."

Peut-on traiter ces obstacles à l'école ?
Ils sont trop présents et trop forts pour espérer mener un travail productif au cycle 2. Cela devient possible au cycle 3 en sachant bien que le sujet reste difficile. La vapeur d'eau, en effet, ne peut pas s'isoler, donc ne peut pas donner lieu à des situations expérimentales où elle intervient seule (contrairement à ce qu'on pouvait faire avec l'air). Elle est toujours mélangée à l'air ce qui implique, du point de vue didactique, de s'assurer que les élèves ont déjà une bonne maîtrise des situations faisant intervenir l'air.

Cela étant dit, voici quelques propositions adaptées au cycle 3.

2. DISPARITIONS APPARENTES... APPARITIONS APPARENTES...
2.1. Comment les élèves les interprètent-ils ?
Lorsque des élèves de cycle 3, confrontés à une situation classique de séchage ou d'évaporation, doivent expliquer ce qu'est devenue l'eau, on trouve en général les trois interprétations suivantes.

a. L'eau disparaît purement et simplement (minoritaire en cycle 3).
b. L'eau s'échappe et se transforme en air (majoritaire en cycle 3).
c. L'eau se transforme en vapeur d'eau et se mélange à l'air (minoritaire).

Il serait intéressant de pouvoir les mettre à l'épreuve. Malheureusement, elles ne se prêtent guère à une vérification expérimentale. En revanche, il est très utile d'engager un débat pour que chaque élève justifie et relativise sa position en la situant explicitement par rapport à celle des autres.

2.2. Situations d'apparition apparente
Une première piste est de demander aux élèves de chercher des situations où de l'eau semble apparaître. Ils trouvent en général quelques exemples : buée sur les vitres des maisons ou des voitures ; brouillard sortant de la bouche en hiver ; buée sur les verres de lunettes L'enseignant peut amener d'autres situations. La réflexion des élèves est sollicitée en leur demandant le plus systématiquement possible d'anticiper, de justifier ou encore d'interpréter. Voici deux exemples.

Un bocal fermé contenant des glaçons se recouvre d'eau extérieurement. Que s'est-il passé ? Attention : certains élèves vont prétendre qu'elle vient des glaçons... Un débat est nécessaire, suivi de contre expériences (et si, à la place des glaçons, on met simplement de l'eau dans le bocal ?)

Dans le prolongement, une bouteille vide en verre (en fait pleine d'air !) est mise au froid (réfrigérateur). Que se passera-t-il lorsqu'on la sortira ? Les élèves réfléchissent, anticipent, justifient avant que l'expérience soit réalisée.

2.3. Vaporisation suivie de condensation
Cette expérience peut difficilement être imaginée par les élèves, et en tout cas, elle est réalisée par l'enseignant. Il s'agit de faire bouillir de l'eau dans la pièce et d'observer, peu de temps après, de la buée sur une vitre éloignée de la source de chaleur (pour réussir, procéder un jour d'hiver, dans une salle fraîche, sans soleil sur les vitres). Les élèves ne manipulent pas, mais il est nécessaire d'organiser quand même un temps d'anticipation puis de débat.

2.4. Premières conclusions
Dans un cas, l'eau semble disparaître... Dans un autre, elle semble apparaître... Dans le troisième cas, l'eau disparaît d'un lieu et réapparaît en un autre lieu...
Au cycle 3, rares sont les élèves qui se satisfont de disparitions ou d'apparitions pures et simples. Ces expériences peuvent fonder l'idée selon laquelle l'eau existe dans un état invisible Mais elles n'apportent aucune preuve. Malgré elles, certains élèves continuent à interpréter l'évaporation de l'eau comme une transformation en air, et la condensation comme la transformation d'air (ou d'une partie de celui-ci) en eau.

2.5. Pour la petite histoire...
Les élèves ne sont pas les seuls à raisonner ainsi... Que l'on écoute régulièrement les présentateurs météo des chaînes de télévision qui sont des journalistes et bien rarement des scientifiques. Il n'est pas rare de les entendre expliquer que "de l'air chaud arrive du sud, de l'air froid arrive du nord, et, qu'en conséquence, il va pleuvoir". Il est très rare de les entendre évoquer le rôle de l'humidité contenue dans l'air.

3. ANALOGIES ET MISES EN RELATION
3.1. Idées générales
Les activités expérimentales, on vient de le voir, ne suffisent pas à apporter la preuve de l'existence de la vapeur d'eau en la distinguant bien de l'air. En revanche, la pensée d'élèves de cycle 3 (et tout particulièrement de CM) a majoritairement perdu ses caractéristiques enfantines et évolue à grands pas vers la cohérence et la rationalité. On va ainsi pouvoir prendre appui sur cette "pensée scientifique naissante" pour faire accepter les changements d'état comme une propriété générale de la matière qui obéit dans tous les cas à une loi de conservation. Il s'agit en somme de se défaire des cas particuliers pour construire, en interaction avec d'autres transformations de la matière, un cadre de pensée plus général, qui permettra une compréhension renouvelée du cas de la vapeur d'eau.

3.2. Toutes les substances changent d'état
Travailler sur le changement d'eau liquide en glace (et réciproquement) est utile, mais insuffisant pour fonder l'idée d'une propriété générale. D'autres changements d'état sont indispensables à envisager.
Liquide-solide. Le chocolat et le beurre sont deux exemples classiques et utilisables. Ils sont toutefois situés à la limite car le chauffage tend à provoquer une transformation chimique qui rend la réversibilité imparfaite. La paraffine (bougie) est un exemple intéressant (attention cependant, car l'expérience peut présenter des dangers si la montée en température n'est pas maîtrisée). La soudure d'électricien nous donne une occasion unique de voir de nos propres yeux la fusion puis la solidification d'un métal. L'expérience est à faire par le maître devant un petit groupe d'élèves. Elle consiste à mettre de la soudure dans une petite cuillère et à chauffer quelques instants sur une flamme. La goutte liquide obtenue peut être versée d'une certaine hauteur sur une planche en bois. Elle se solidifie en pleine phase d'éclaboussure et peut être touchée au bout d'une quinzaine de secondes. Les élèves, même s'ils ne réalisent pas l'expérience, ne s'en lassent pas.
Liquide-gaz. Les exemples envisageables à l'école ne sont, hélas, pas très nombreux. Hormis l'eau, on peut citer l'eau de Cologne ou d'autres liquides volatils (exclure l'éther pour des raisons de sécurité). On peut encore évoquer le butane dont tout le monde sait qu'il est gazeux dans les conditions habituelles, mais qui est conservé dans les bouteilles (ou dans les briquets) à l'état liquide.

3.3. Ce qui ne se voit pas existe quand même.
Le sel, en se dissolvant dans l'eau, disparaît de la vue. On sait qu'il n'a pas disparu car le goût atteste de sa présence.
L'eau de Cologne, en s'évaporant, se mélange à l'air. On ne la voit pas, mais l'odorat atteste qu'elle y est. Elle n'a pas disparu, elle ne s'est pas non plus transformée en air (sinon elle ne sentirait plus...).
L'analyse de ces exemples, où la perception joue encore comme point d'appui, peut conduire à étendre l'analogie : la vapeur d'eau ne se voit pas et ne se sent pas ; pourtant elle n'a pas disparu : elle s'est mélangée à l'air.

3.4. Conclusion
Aucun de ces exemples ne se suffit à lui seul. C'est leur convergence vers un objectif unique (la matière se transforme en respectant une loi de conservation) qui peut conduire à une certaine efficacité.

4. DIFFICULTÉS ET APPORTS DE LA BIOLOGIE : L'ÉVAPO-TRANSPIRATION DES PLANTES
Le rôle de l'eau est primordial dans les grandes fonctions du vivant. Malheureusement les mécanismes font presque toujours intervenir des transformations chimiques. C'est le cas par exemple de la respiration déjà évoquée : l'air expiré contient une quantité notable de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone et sa composition diffère nettement de celle de l'air inspiré. La question est difficile car la conservation a lieu au niveau des atomes, ce qu'on ne peut pas aborder à l'école.
Il y a, en revanche, un exemple tout à fait porteur : celui de l'évapotranspiration des plantes. L'eau, absorbée au niveau des racines, entraîne les sels minéraux dans la plante, et s'évapore par les feuilles. Des activités scientifiques et expérimentales sont possibles sur ce sujet. Il suffit de se demander ce que devient l'eau d'arrosage. Au cycle 2 on peut prouver qu'elle pénètre par les racines. Au cycle 3 on peut se demander si la plante conserve (ou non) toute l'eau qu'elle a absorbée. Deux expériences complémentaires nous intéressent ici. Leur principe peut être imaginé par des élèves.
On arrose une plante, puis on recouvre la terre d'un film en plastique pour s'affranchir de l'évaporation directe. L'ensemble est ensuite pesé. Au bout de quelques jours, on constate une perte de poids et la terre s'est asséchée. En entourant les feuilles d'un sac en plastique, on obtient au bout de quelques heures de la buée à l'intérieur du sac. Ces phénomènes de disparition et d'apparition apparentes sont à relier entre eux, et à ceux que nous avons déjà évoqués. Ils contribuent à comprendre ce qu'est la vapeur d'eau.

CONCLUSION
Ce rapide tour d'horizon ne prétend pas épuiser la question. On trouvera d'ailleurs des propositions complémentaires dans les articles cités en références. L'essentiel, toutefois, est que la matérialité des gaz va de paire avec la conservation de la matière. Ce pourrait être un objectif prioritaire à l'école. Cela ne peut se faire par une ou deux activités isolées. Il faudrait au contraire penser les progressions au niveau de l'école et du cycle. Si l'objectif est unique, les situations doivent être nombreuses et variées, et porter sur différentes substances (air, vapeur d'eau, soudure d'électricien, eau de Cologne...), certaines étant directement observables, d'autres non. Elles concernent de simples déplacements (cas de l'air) ou mettent en jeu des transformations (changements d'état, mélanges). Elles se situent dans le cadre disciplinaire des sciences physiques et dans celui de la biologie.

RÉFÉRENCES
Plé E., (1997), "Transformations de la matière à l'école élémentaire : des dispositifs flexibles pour franchir les obstacles", ASTER, n° 24.
Rolando J.M., (1999), "L'air, du cycle 1 au cycle 3", Grand N, n° 64, IREM de Grenoble.