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Geoffrey Cowell
Geoffrey Cowell suscite l'enthousiasme de ses élèves pour les sciences en appliquant à des problèmes de la vie quotidienne les principes de son cours de calcul et de statistique, un cours intégré de calcul, de statistique et de physique qui repose sur l'utilisation d'ordinateurs par les élèves doués de 12e année. « Il a la capacité étonnante de concevoir des expériences à la fois très proches de la réalité et amusantes, comme si nous étions des scientifiques sur le terrain, explique un de ses élèves. Nous savons que notre réponse est une solution concrète à un problème véritable; il ne s'agit pas d'une question artificielle dont la réponse se trouve au dos d'un livre. »
Sous la supervision de Geoffrey Cowell, le nombre d'inscriptions aux cours de physique de l'école secondaire W. J. Mouat d'Abbotsford, en Colombie-Britannique, est toujours d'environ 30 p. 100 supérieur à la moyenne provinciale. De plus, les résultats pondérés de ses élèves aux examens de la Colombie-Britannique dépassent la moyenne provinciale. La proportion de jeunes filles qui s'inscrivent à ses cours est elle aussi supérieure à la moyenne provinciale, et de loin.
Méthode d'enseignement
« Selon moi, les idées les plus stimulantes se trouvent au carrefour de plusieurs disciplines. »
Je suis convaincu qu'au moins un cours de niveau secondaire devrait être intégré et montrer les fils qui relient les sujets plutôt que le fossé qui les sépare.
Par exemple, un cours intégré de sciences, de calcul, de statistique et d'informatique peut enseigner aux jeunes à développer leurs aptitudes pour la résolution de problèmes mathématiques, mais aussi a faire face à des situations de la vie quotidienne et à utiliser des méthodes d'analyse statistique et de tableur. Dans mon cours, l'examen officiel a été remplacé en grande partie par des travaux pratiques, des expériences et des travaux de recherche qui permettent de vérifier les capacités de chacun.
De la même façon que le calcul apprend aux élèves comment résoudre des problèmes, la statistique est propice au développement de la pensée critique. Heureusement, le calcul mène directement à la statistique. Les deux disciplines enrichissent la méthode scientifique et touchent des sujets tels que la thermodynamique, la médecine légale, la lumière stroboscopique, l'économie et même l'agriculture.
La technologie a également modifié ces disciplines. Il y a quelques années, les cours de calcul et de statistique présentaient aux élèves quelques merveilleux concepts et une montagne d'aptitudes mathématiques. Aujourd'hui, le professeur peut s'attarder davantage à montrer aux élèves les possibilités et les applications du calcul et des statistiques puisque l'ordinateur se charge de nombreux calculs généralement requis dans les situations de la vie quotidienne.
Expérience pratique
J'ai recours a de nombreuses démonstrations pratiques et a des expériences en laboratoire afin d'illustrer le lien qui existe entre le calcul, la physique et la statistique. Les deux expériences décrites ci-après exigent des calculs et peuvent nécessiter l'utilisation des tableurs ainsi que des notions de statistique.
Intensité lumineuse et profondeur de pénétration
Dans le cadre de cette expérience, les élèves effectuent des calculs afin de déterminer l'intensité de la lumière qui traverse diverses profondeurs de café dans un bécher.
Les élèves montent l'expérience en plaçant une cellule photoélectrique directement sous le bécher et en mettant une source de lumière au-dessus du bécher. L'intensité de la lumière pénétrant la cellule photoélectrique est transformée en courant qui peut être mesuré à différents intervalles à mesure que le bécher se remplit de café.
Le courant (c'est-à-dire l'intensité lumineuse) diminue au fur et à mesure que se remplit le bécher. Les élèves mesurent l'intensité lumineuse à différentes profondeurs et établissent leurs résultats graphiquement afin de montrer la relation entre l'intensité lumineuse et la profondeur de café, d'une part, et entre le logarithme naturel de l'intensité — Ln ( I / Io ) — et la profondeur, d'autre part.
Sur le plan expérimental, les élèves parviennent à l'équation suivante : I = Io ekx ou encore, Ln ( I / Io ) = kx. Cette équation est obtenue en intégrant dI / dx = kI. Les élèves constatent alors que le rythme auquel l'intensité lumineuse diminue avec la profondeur ( dI / dx ) est proportionnel au niveau de l'intensité (I) — c'est-à-dire que, pour chaque quantité (x) de café ajoutée au bécher, l'intensité diminue d'une fraction (k) de sa valeur originale. À l'aide de cette équation, les élèves établissent la courbe de décroissance c1assique.
Dix petits nègres
La seconde expérience de laboratoire que j'utilise dans mon cours intégré exige du matériel facile à obtenir. Elle s'inspire du roman policier Dix petits nègres, d'Agatha Christie, dans lequel un homme conspire pour tuer toutes les personnes d'une petite île avant de se suicider. Les élèves doivent trouver le meurtrier en mesurant la température du corps des victimes afin de déterminer l'heure de la mort.
Les victimes sont en fait une collection de bouteilles de boisson décorées. On ne les choisit pas uniquement pour leur apparence. En raison de la superficie différente de leur paroi et de leurs volumes variés, les bouteilles refroidissent à des rythmes divers, tout comme le corps humain.
Chaque bouteille porte le nom d'un personnage du roman (« Vera Claythome », « le juge Wargrave », etc.). Un élève ou deux du cours de physique de 11e année se font les complices en remplissant chaque bouteille d'eau bouillante à des moments différents avant l'arrivée des élèves du cours de calcul et de statistique.
Lorsque le cours débute, les élèves se trouvent devant 10 bouteilles contenant de l'eau à différentes températures. Certaines bouteilles refroidissent rapidement et d'autres, très lentement, selon leur taille et leur volume. Pour déterminer l'ordre dans lequel les victimes sont mortes, les élèves doivent utiliser une courbe de décroissance spéciale - la Loi du refroidissement de Newton : (T - Tambiante) = (To - Tambiante) ekt — qu'ils ont calculée la veille.
La première tâche consiste à trouver la constante « k » de refroidissement pour chaque victime, en utilisant le temps entre les deux relevés de la température. Les élèves insèrent ensuite la température du corps humain dans l'équation afin de trouver l'heure de la mort. Dans ce cas précis, je crois qu'il vaut mieux commencer avec une température très élevée de 92 °C plutôt que de prendre la véritable température du corps qui est de 37 °C.
J'adore les réflexions qu'inspire cette expérience à mes élèves - « Il n'est probablement pas mort depuis longtemps, son corps est encore CHAUD ! » ou encore, lorsqu'ils établissent l'heure de la mort, « Quelques minutes plus tôt et nous aurions pu sauver le général MacArthur ! ».
