Comment enseigner la physique ?

J’envie mes collègues biologistes. Il suffit de regarder l’actualité pour créer un cours inspirant.

Une bactérie à l’arsenic ? Idéal pour un cours de biochimie. Une nouvelle espèce humaine ? Parfait pour parler de phylogénie ou de bioinformatique. Les avancées dans les cellules souches ? Formidable pour parler de développement ou de différenciation cellulaire. Et les « textbooks » dans 10 ou 20 ans seront à n’en pas douter très très différents de ceux d’aujourd’hui. Bref, la biologie, c’est fun et trendy, et on peut connecter très facilement enseignement et recherche actuelle même dans les cours introductifs.

La situation en physique est différente. Prenons par exemple la mécanique, du point ou du solide. Matière évidemment indispensable à tout physicien qui se respecte. Mais matière ancienne, extraordinairement formelle et polie par 300 ans d’usage. Songeons par exemple que le problème de la brachistochrone (trouver la forme de la piste de ski permettant de descendre le plus rapidement possible) a été proposé (et résolu) à la fin du XVIIième siècle ! Pire : comme c’est une science ancienne, il y a des « passages obligés », des exemples typiques et indispensables que tout physicien se doit de connaître, par poids de la tradition. Pour la mécanique, citons par exemple la variété de pendules, les lois de Kepler, etc… Du coup, rien ne ressemble plus à un textbook de physique qu’un autre textbook de physique, et je suis prêt à parier que les manuels de mécanique analytique dans 50 ans ressembleront comme deux gouttes d’eau à ceux d’aujourd’hui. En fait, l’enseignement de la physique doit un peu ressembler à celui de la technique artistique. La perspective, c’est admirable et technique, c’est indispensable, mais la recherche dans le domaine est plus ou moins finie, et tout le monde le sait.

De la même façon, la physique, c’est universel et joli (ainsi que le rappelle Xochipilli) et il y a peu à attendre d’innovations futures en matière de mécanique lagrangienne. Et je sais bien aussi que les étudiants en physique se sont naturellement autosélectionnés pour être sensibles à cette beauté; mais néanmoins est-il possible d’innover encore aujourd’hui en enseignant les classiques ? Est-ce souhaitable ? (i.e. ne faudrait-il pas au contraire bien mettre dans la tête des étudiants qu’une certaine technique physique, toute belle qu’elle soit, est un outil et pas une fin en soi ?)

Pour ma part, j’ai bien envie d’essayer. Au début, dans une veine Big Bang Theory, j’envisageais d’ ancrer les exemples dans la culture pop actuelle. Remplacer le pendule par Spiderman ? Le ridicule m’est vite apparu … Et comme je le dis plus haut, il y a des classiques indispensables, qui contraignent. Pour ma première année d’enseignement, tout le jeu va consister à rendre ces classiques plus funky. La solution que j’ai retenue pour l’instant : utiliser autant que possible tous les outils graphiques et informatiques disponibles. Youtube dans la salle de classe, Wolfram-Alpha pour résoudre des équations online, Mathematica pour faire des jolis portraits de phase et des apps. Enseigner non seulement la physique, mais aussi des algorithmes, donner des simulations à faire en devoir à la maison. Et dans le peu de la lattitude que j’ai pour sortir des sujets classiques, utiliser des exemples originaux et amusants (du type de ce que j’ai essayé de faire dans ce jeu Uphysique).

Le truc, c’est que je manque à la fois d’idées et d’expérience. Des suggestions ?

21 réflexions au sujet de « Comment enseigner la physique ? »

  1. Hmm… une joint-venture avec tes collègues du département d’Informatique Graphique ? La simulation des solides, c’est plus drôle en 3D avec éclairage. Pareil pour les solides articulés. Et les questions de stabilité dans les résolutions numériques, ils vont les toucher du doigt.

    Comment ça, je prèche pour ma paroisse ?

  2. @Samantha : pardon pour l’anglicisme. C’est comme un manuel ou un polycopié, sauf que c’est un vrai livre, et que ce n’est pas spécialement destiné à un niveau particulier je dirais. Typiquement, le prof conseille à ses étudiants d’acheter un livre ou de l’emprunter à la bibliothèque le temps du cours.

  3. Les images et vidéos sont effectivement un plus, mais je sais que j’ai toujours fait un peu plus attention aux cours de physique quand j’avais l’expérience sous les yeux. Certaines sont vraiment issues de la tradition de la physique, mais si en tant qu’élève on ne voit pas trop à « quoi ça peut servir » (la question redoutée des chercheurs) sur le papier, on se rend un peu mieux compte des choses quand on a un vrai pendule sous les yeux.

    Un petit ordre de grandeur devrait aussi leur permettre d’apprécier à quel point les effets idéomoteurs sont importants dans la radiesthésie.

  4. Un bon article sur des questionnements que beaucoup d’enseignants partagent ! Je me sens également en phase avec la lignée « j’ai bien envie d’essayer ». Pour le moment je cherche aussi beaucoup dans le but d’acquérir un peu plus d’expérience… Les américains sont quand même assez forts, il y a les gens comme Steve Spangler (exemple, comment revigorer l’expérience du nuage dans la bouteille http://www.youtube.com/watch?v=msSVQ903T8k ) ou Engineer Guy qu’un ami vient de me faire découvrir (exemple, comment décrire la théorie des leviers avec les ouvertures de canettes http://www.youtube.com/user/engineerguyvideo#p/u/5/ekv0kprA3AY ). En France, la rubrique « Idées de Physique » dans Pour La Science (ils ont un blog http://blog.idphys.fr/ ) donne depuis maintenant une décennie plein d’exemples pour dépoussiérer ses cours de physique et susciter l’intérêt et surtout le questionnement critique. Et rien que dans des manifestations type « Fête de la Science », certains chercheurs ont des chouettes illustrations ou expériences — pas toujours relayées par des sites web ou des petites notes malheureusement. Mais c’est vrai qu’il y aurait encore des nouvelles pistes intéressantes à développer en rebondissant beaucoup plus sur l’actualité ! Je suis tout aussi curieux de lire les diverses réponses, donc merci pour ce post.

  5. les simpsons ?

    l’art contemporain ?

    la littérature ? (SF/onirique, pour imaginer « ce qui ce passerait si cette loi physique était fausse »)

    Les mêmes ? (un genre de collection d’exemples illustratifs…comme ce qui tu avais fait pour l’évolution)

    juste des idées au hasard… parce que, en fait, j’ai du mal à m’imaginer à quoi ressemble le programme d’un cours de physique d’université…

  6. Des idées sympas pour enseigner la physique, on peut imaginer en trouver quelques unes ! Mais il me semble que ta vraie question est :

    Comment enseigner la *mécanique analytique* de manière sexy/funky

    …et là effectivement c’est un peu plus aride ! (sauf pour les fous comme nous qui trouvent une grande beauté formelle au lagrangien…)

    Voici quand même quelques suggestions :

    * pour un lien avec l’actualité : parler des effets de fronde gravitationnelle quand telle ou telle sonde passe à proximité de telle ou telle planète.

    * parler un peu de systèmes contraints dans d’autres disciplines, par exemple en économie ou on peut introduire des multiplicateurs de lagrange pour les contraintes des agents économiques

    * faire le lien entre le formalisme de la méca analytique et celui de la théorie quantique. Il me semble que j’ai relu avec grand plaisir toute la mécanique analytique quand j’ai compris le lien avec les différentes techniques de quantification : intégrale de chemin, quantification canonique des systèmes hamiltoniens contraints, crochets de Poisson et commutateurs, etc.

    * enfin si tu veux mentionner un résultat de recherche contemporain « sexy », je n’en voie qu’un seul (mais il déchire) : la construction de Z. Xia d’un système à 5 corps qui envoie une particule à l’infini en un temps fini ! Montrant ainsi l’existence de singularités non-collisionnelles même dans la « simple » mécanique newtonienne.

    Saari & Xia, Off to infinity in finite time, Notices of the AMS 42

    D’ailleurs il faut que j’écrive bientôt un billet là-dessus ;-p

  7. C’est drôle, je pensais jsutement à toi en podcastant certains cours de physique (il y a des fous comme moi pour y trouver un certain plaisir 😉 comme celui de Walter Lewin (MIT) sur la mécanique ou l’électromagnétisme. L’intérêt de ses cours ne tient pas à la grande sophistication des moyens ou à l’originalité des exemples qu’il prend mais à la passion qu’il y met:

    – il prend toujours soin d’illustrer ce qu’il raconte par une vraie manip devant sa classe (il est d’ailleurs significatif que ce qu’on appelle « démonstration » en anglais soit une manip et pas un exercice de calcul mathématique) et en s’émerveillant de ce que la théorie prédit ce que la manip montre. Comme il le dit souvent: « incredible!!! Physics work! You will tell your grand children that you saw it with your own eyes! »

    – il privilégie toujours le sens des phénomènes physiques sur les calculs, renvoyés la plupart du temps au textbook justement.

    – enfin il conclut souvent son cours avec une expérience « mind boggling » qui semblent contredire ce qu’on vient de raconter (un anagyre par exemple ou le générateur électrique à eau de Kepler) pour titiller la curiosités des élèves et les empêcher de dormir.

    Exactement comme ceux de Feynman, ces cours ressemblent à des leçons de choses, exactement comme des cours de biologie mais avec les manip en plus.

  8. Stéphane Douady fait un cours sur la physique à travers Naruto

    il me semble que Jérôme Lambert en fait un sur la physique à travers Tex Avery

    moi je fais la mécanique des plaques (flambage) à travers les empreintes digitales et la biométrie

  9. Merci pour toutes vos idées inspirantes.

    En fait, je me rends compte que d’une certaine manière, c’est plus facile d’être funky à bas niveau, avec du qualitatif assez général, qu’à relativement haut niveau, où il faut de toutes façons être assez technique. Mais connecter à des jolis exemples modernes, c’est une bonne stratégie je pense.

    Sinon, @vf, comment connecte-t-on la physique à Naruto ?

  10. Je pense que l’on peut faire de la physique exigeante avec beaucoup d’actualités, et cela sans être « funky de bas niveau » ou « outrageusement technique ». L’une des spécificités de la physique est son aspect quantitatif. Non seulement on répond à la question « Pourquoi ? » mais aussi , et surtout à la question « Combien ? » et cela on peut le faire même avec un bagage modeste.

    Je le pratique assez systématiquement dans la chronique « Idées de physique » (voir le blog http://blog.idphys.fr/ ) mais aussi lorsque je prépare de sujets d’examen. Par exemple, pour faire des bilans de quantité de mouvement et d’énergie, plutot que la lance à incendie, prenons le jet lev flyer http://www.jetlev-flyer.com/ . Avec les photos, on peut estimer le diamètre des buses, puis avec de la physique, le débit d’eau nécessaire à la sustentation et la puissance du moteur, et enfin comparer avec les chiffres du constructeur. Plus récemment, le sauvetage des mineurs au Chili a donné un sujet de partiel pour des première année, avec notamment des discussions de vitesse, de force, de puissance et de travail du treuil qui assurait la remontée.

    Mais tout cela demande pas mal de travail de préparation, afin de valider tous les chiffres proposés et de s’assurer que le modèle que l’on propose aux étudiants décrit bien la réalité et n’est pas juste un prétexte.

  11. C’est vraiment Stéphane Douady qui enseigne les aspects « psychos »? Parce que c’est pas vraiment son domaine a priori. Mais j’encourage a jeter un œil sur ses travaux (sur les termites, sur le lien entre la forme des plantes et le kirigami) en général originaux et bien présentés.

    Dans le même labo, les expériences d’Yves Couder permettent de faire des expériences de mécanique quantique (interaction onde-corpuscule) à échelle macroscopique, ou les thèses pas très orthodoxes de V. Fleury sur la morphogenese basée sur les mouvements de liquide au sein de l’embryon.

  12. « En fait, je me rends compte que d’une certaine manière, c’est plus facile d’être funky à bas niveau, avec du qualitatif assez général, qu’à relativement haut niveau, où il faut de toutes façons être assez technique.  »

    Tiens, moi j’aurais pensé que c’est au contraire à « bas niveau » qu’il faut être très précis, technique, et bien poser les bases de façon ultra-rigoureuse en évitant justement le « qualitatif avec les mains » qui, comme le disait Feynman dans la préface à ses fameux cours (preuve de lucidité assez confondante), n’intéressera de toute façon que ceux qui avaient déjà compris: pour moi, et pour prendre un exemple parlant, les cours de Feynman sont l’antithèse d’un bon cours pour freshmen. C’est génial pour ceux qui ont « déjà pigé » (ou pigé a posteriori), pour les thésards, les docteurs, pour moi maintenant, et pour les 3 mecs ultra-brillants qui pigent de toute façon tout très vite: ça permet de mettre en perspective des choses, de prendre du recul, de faire des analogies, sans trop rentrer dans des calculs dont on n’a plus besoin à ce stade.

    Pour le mec moyen qui n’a aucune fondation de raisonnements scientifiques, c’est totalement inutile (et peut être même néfaste dans la mesure où il sera tenté de croire qu’il a pigé plein de trucs: là encore, j’engage à relire la préface écrite par Feynman dans plusieurs années après).

    Pour faire une analogie, je dirais que c’est comme faire une thèse expérimentale avant d’avoir fait un projet en labo, et même sans jamais avoir fait des TPs.

    Une fois que les bases sont acquises, là on peut commencer à jouer sur le sens physique.

    Parce que, à mon sens, tant qu’on ne sait pas poser une équation proprement, avoir des notions de dimensions et d’ordres de grandeur, la « physique de Tex Avery », c’est sympa mais ça fait surtout plaisir à l’enseignant et à ses collègues.

    Moi aussi je suis tenté de faire comprendre « avec les mains » des trucs à mes élèves, parce que ça m’enthousiasme et parce que ça me semble plus intéressant que le formalisme oiseux. Je vois bien que c’est largement passé au-dessus de leur tête vu qu’à l’exam il y en a un bon paquet qui ne sait pas calculer une section…

    Un point de vue ricain ici: http://expbook.wordpress.com/2010/08/18/on-multiple-choice-tests-part-i/

  13. Tiens, j’ai retrouvé la dite préface en ligne:

    http://student.fizika.org/~jsisko/Knjige/Opca%20Fizika/Feynman%20Lectures%20on%20Physics/Vol%201%20Ch%2000%20-%20Preface.pdf

    Quelques extraits:

    In giving these lectures there was one serious difficulty: in the way the course

    was given, there wasn’t any feedback from the students to the lecturer to indicate

    how well the lectures were going over. This is indeed a very serious difficulty,

    and I don’t know how good the lectures really are. The whole thing was essentially

    an experiment. And if I did it again I wouldn’t do it the same way—I hope I

    don’t have to do it again!

    The question, of course, is how well this experiment has succeeded. My own

    point of view—which, however, does not seem to be shared by most of the people

    who worked with the students—is pessimistic. I don’t think I did very well by the

    students. When I look at the way the majority of the students handled the problems on the examinations, I think that the system is a failure. Of course, my friends point out to me that there were one or two dozen students who—very surprisingly

    —understood almost everything in all of the lectures, and who were quite active

    in working with the material and worrying about the many points in an excited

    and interested way. These people have now, I believe, a first-rate background in

    physics—and they are, after all, the ones I was trying to get at. But then, « The

    power of instruction is seldom of much efficacy except in those happy dispositions

    where it is almost superfluous. » (Gibbon)

    Still, I didn’t want to leave any student completely behind, as perhaps I did.

    I think one way we could help the students more would be by putting more hard

    work into developing a set of problems which would elucidate some of the ideas

    in the lectures. Problems give a good opportunity to fill out the material of the

    lectures and make more realistic, more complete, and more settled in the mind

    the ideas that have been exposed.

  14. Ping : Aller à l’infini en un temps fini « Science étonnante

  15. Je suis tout-à-fait d’accord avec Xochipilli (voir plus haut).

    j’ai enseigné la physique au secondaire (français)… puis la didactique des sciences (cf. Mon Website — à me demander) . J’aide à distance, par le Web, des enseignants d’école à enseigner la physique aux enfants de 3 à 11 ans.

    Aussi… comme Xochipilli, c’est le sens de la physique qu’il faut restituer…… et pas crûment les contenus seuls…… Toute la réforme Lagarrigue en France (des années 1970 – 1980) r posé la question de l’enseignement de la physique.… j’ai étudié l’historique des méthodes dans mon ouvrage de thèse PhD publié au Presses universitaires de Rennes en 2001 (nom BALPE Claudette, Enseigner la physique- approche historique). Votre façon de centrer l’enseignement sur les « outils » ne me paraît pas très efficace…… revenez sur « qu’est-ce que la science » expliqué par Feynman !! oh combien pédagogue… avec l’histoire et l’expérience pour de vrai ! Et seulement ensuite apportez les outils.

    La physique relevant de la modélisation…… il faut mettre les étudiants dans des activités de modélisation…… qui leurs paraissent authentiques…et pour cela démarrer avec des interrogations, questions, défis, etc…(du niveau cognitif de l’étudiant) qui posent un réel problème concret et expérimental à l’étudiant.… Résoudre permettra à l’étudiant et ses pairs en classe de se hisser au concept nouveau… qu’il sera facile alors de construire ou établir ou identifier……Un étudiant est un cerveau doublé d’une personnalité …… et pas un récipient qu’on remplit de contenus……J’espère vous avoir aidé…?? pour l’échange : cbalpe(at)orange(dot)fr

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