Étude des conceptions alternatives et des processus de raisonnement des étudiants de chimie du niveau collégial sur la molécule, la polarité et les phénomènes macroscopiques

La chimie est un sujet difficile étant donné ses concepts nombreux et souvent peu intuitifs. Mais au-delà de ces difficultés d’ordre épistémologique, l’apprentissage de la chimie peut être en péril lorsqu’il s’appuie sur des fondations instables, mêlées de conceptions alternatives. Les conceptions alternatives sont les représentations internes, tacites, des étudiants, qui sont en désaccord avec la théorie scientifiquement acceptée. Leur présence dans leur esprit peut nuire à la compréhension conceptuelle, et elle peut mener les étudiants à expliquer le comportement de la matière incorrectement et à faire des prédictions inexactes en chimie. Les conceptions alternatives sont réputées répandues et difficiles à repérer dans un cadre traditionnel d’enseignement. De nombreuses conceptions alternatives en chimie ont été mises en lumière par différents groupes de chercheurs internationaux, sans toutefois qu’une telle opération n’ait jamais été réalisée avec des étudiants collégiaux québécois. Le système d’éducation postsecondaire québécois représentant un contexte unique, une étude des difficultés particulières de ces étudiants était nécessaire pour tracer un portrait juste de la situation. De plus, des chercheurs proposent aujourd’hui de ne pas faire uniquement l’inventaire des conceptions, mais de s’attarder aussi à étudier comment, par quel processus, elles mènent à de mauvaises prédictions ou explications. En effet, ils soutiennent que les catalogues de conceptions ne peuvent pas être facilement utilisés par les enseignants, ce qui devrait pourtant être la raison pour les mettre en lumière : qu’elles soient prises en compte dans l’enseignement. Toutefois, aucune typologie satisfaisante des raisonnements et des conceptions alternatives en chimie, qui serait appuyée sur des résultats expérimentaux, n’existe actuellement dans les écrits de recherche. Plusieurs chercheurs en didactique de la chimie suggèrent qu’une telle typologie est nécessaire et devrait rendre explicites les modes de raisonnement qui mettent en jeu ces conceptions alternatives. L’explicitation du raisonnement employé par les étudiants serait ainsi la voie permettant de repérer la conception alternative sur laquelle ce raisonnement s’appuie. Le raisonnement est le passage des idées tacites aux réponses manifestes. Ce ne sont pas toutes les mauvaises réponses en chimie qui proviennent de conceptions alternatives : certaines proviennent d’un manque de connaissances, d’autres d’un agencement incorrect de concepts pourtant corrects. Comme toutes les sortes de mauvaises réponses d’étudiants sont problématiques lors de l’enseignement, il est pertinent de toutes les considérer. Ainsi, ces préoccupations ont inspiré la question de recherche suivante : Quelles conceptions alternatives et quels processus de raisonnement mènent les étudiants à faire de mauvaises prédictions en chimie ou à donner de mauvaises explications du comportement de la matière? C’est pour fournir une réponse à cette question que cette recherche doctorale a été menée. Au total, 2413 étudiants ont participé à la recherche, qui était divisée en trois phases : la phase préliminaire, la phase pilote et la phase principale. Des entrevues cliniques ont été menées à la phase préliminaire, pour explorer les conceptions alternatives des étudiants en chimie. Lors de la phase pilote, des questionnaires à choix multiples avec justification ouverte des réponses ont été utilisés pour délimiter le sujet, notamment à propos des notions de chimie les plus pertinentes sur lesquelles concentrer la recherche et pour mettre en lumière les façons de raisonner des étudiants à propos de ces notions. La phase principale, quant à elle, a utilisé le questionnaire à deux paliers à choix multiples « Molécules, polarité et phénomènes » (MPP) développé spécifiquement pour cette recherche. Ce questionnaire a été distribué aux étudiants via une adaptation de la plateforme Web ConSOL, développée durant la recherche par le groupe de recherche dont fait partie la chercheuse principale. Les résultats montrent que les étudiants de sciences de la nature ont de nombreuses conceptions alternatives et autres difficultés conceptuelles, certaines étant très répandues parmi leur population. En particulier, une forte proportion d’étudiants croient que l’évaporation d’un composé entraîne le bris des liaisons covalentes de ses molécules (61,1 %), que tout regroupement d’atomes est une molécule (78,9 %) et que les atomes ont des propriétés macroscopiques pareilles à celles de l’élément qu’ils constituent (66,0 %). D’un autre côté, ce ne sont pas toutes les mauvaises réponses au MPP qui montrent des conceptions alternatives. Certaines d’entre elles s’expliquent plutôt par une carence dans les connaissances antérieures (par exemple, lorsque les étudiants montrent une méconnaissance d’éléments chimiques communs, à 21,8 %) ou par un raisonnement logique incomplet (lorsqu’ils croient que le seul fait de posséder des liaisons polaires rend nécessairement une molécule polaire, ce qu’on observe chez 24,1 % d’entre eux). Les conceptions alternatives et les raisonnements qui mènent à des réponses incorrectes s’observent chez les étudiants de première année et chez ceux de deuxième année du programme de sciences, dans certains cas avec une fréquence diminuant entre les deux années, et dans d’autres, à la même fréquence chez les deux sous-populations. Ces résultats permettent de mitiger l’affirmation, généralement reconnue dans les écrits de recherche, selon laquelle les conceptions alternatives sont résistantes à l’enseignement traditionnel : selon les résultats de la présente recherche, certaines d’entre elles semblent en effet se résoudre à travers un tel contexte d’enseignement. Il demeure que plusieurs conceptions alternatives, carences dans les connaissances antérieures de base et erreurs de raisonnement ont été mises en lumière par cette recherche. Ces problèmes dans l’apprentissage mènent les étudiants collégiaux à faire des prédictions incorrectes du comportement de la matière, ou à expliquer ce comportement de façon incorrecte. Au regard de ces résultats, une réflexion sur l’enseignement de la chimie au niveau collégial, qui pourrait faire une plus grande place à la réflexion conceptuelle et à l’utilisation du raisonnement pour la prédiction et l’explication des phénomènes étudiés, serait pertinente à tenir.

Bedside Teaching and Respecting the Pediatric Patient: A Response to Verpaelst

Commentaire / Commentary

Novel Hetrocyclic Constructions Mediated by Nucleophilic Carbenes and Related Chemistry

The thesis entitled novel heterocyclic constructions mediated by nucleophilic carbenes and related chemistry, embodies the results of the investigations carried out to explore the reactivity patterns of the 1:1 zwitterions, generated in situ from various nucleophilic carbenes and DiMethyl AcetyleneDicarboxylate(DMAD) towards aldehydes and ketones. The traditional synthesis of complex organic molecules employs stepwise formation of bonds and involves multiple steps. Besides the sequential synthesis, in several instances, the desired product can also be obtained in one pot reactions of three or more starting compounds. Such reactions in which more than two starting materials react to form a product in such a way that the majority of the atoms of the starting materials can be found in the products are called multicomponent reactions(MCRs). The results of our investigations on the application of N-heterocyclic carbenes in multicomponent reaction with DMAD and aromatic aldehydes leading to the one pot synthesis of 2-oxy-maleate and furanone derivatives. It is interesting to note that dihydrofuran and lactone motifs are present in a number of biologically active natural products and other heterocyclic compounds. It is conceivable that the novel multicomponent reactions described herein will find application in the synthesis of a variety of heterocyclic compounds, and in natural product synthesis.

Studies on the Nature and Chemistry of Sediments and Water of Periyar and Chalakudy Rivers, Kerala, India

The present study is an attempt to address issues related to sediment properties like texture, mineralogy and geochemistry as well as water quality of two important rivers of central Kerala-the Periyar and the Chalakudy rivers. The main objectives of the study are to investigate the textural and mineralogical characteristics as well as transportation and depositional mechanisms of the sediments of Periyar and Chalakudy rivers, to find out the geochemical variability of organic carbon, phosphorus and certain major (Na,K,Ca and Mg) and minor/trace(Mn,Pb,Ni,Cr, and Zn) elements in the bulk sediments and mud fraction of these rivers, to evaluate the status of heavy metal pollution registered in the sediments of these rivers, to assess the physico-chemical characteristics and water quality of Periyar and Chalakudy rivers and to estimate the dissolved nutrient flux through the Periyar and Chalakudy rivers into the receiving coastal waters. The granulometric characteristics as well as statistical parameters of the sediments of Periyar and Chalakudy rivers depend on the flow pattern controlled by the gradient of the terrain. Compared to Periyar, fluctuations in the dispersal of particles are more in Chalakudy river. In Periyar river, the P and Fe in bulk sediments show a positive correlation with C-org, while in Chalakudy river, both the elements are related to THM concentration. In general, C-org, Fe and P Shows an increasing trend downstream. In Periyar river, the P and Fe in bulk sediments show a positive correlation with C-org, while in Chalakudy river, both the elements are related to THM concentration. Among these two rivers, the pollution of water is several fold higher in Periyar river due to influx due to influx of considerable quantity of liquid and solid wastes of industrial/domestic/urban origin. Nutrient analysis reveals 2-3 times increase in N and P during monsoon season whereas SiO2-Si shows a decreasing trend.

Novel1, 3-Dipolar Cycloaddition Reactions of Acyclic Carbonyl Ylides and Related Chemistry

The thesis entitled novel 1,3-dipolar cycloaddition reactions of acyclic carbonyl ylides and related chemistry embodies the results of the investigations carried out to explore the reactivity of acyclic carbonyl ylides,generated by the reaction of dicarbomethoxy carbine and aldehydes towards dipolarophiles such as activated styrenes,1,2-and 1,4-quinones. In conclusion ,we have explored the reactivity pattern of acyclic carbonyl ylides derived from dicarbomethoxycarbene and aldehyde towards activated styrenes with a view to develop a stereoselective synthesis of highly substituted tetrahydrofuran derivatives. It was also found that the ylide could be trapped by various 1,2-and 1,4-diones to form dioxolane derivatives. It is noteworthy that the cycloaddition is highly region- and stereoselective. With isatins the ylide preferentially adds to the more electrone deficient carbonyl group making it regiospecific. Hetrocyclic compounds are of pivotal importance in organic chemistry, and enormous efforts have been devoted to develop new methodologies for their synthesis. It is noteworthy in this context that, 1,3-dipolar cycloaddition reaction,otherwise called Huisgen reaction, constitutes one of the most efficient methods for the synthesis of five membered heterocycles. Among the various dipoles, carbonyl ylides have received substiancial attention in recent years largely due to their utility in the synthesis of a wide range of oxygen hetrocycles, which are often found as structural subunits of many bioactive natural products.

Sulphur Chemistry in Mangrove Systems of Tropical Cochin Estuary

Sulphur is a non conservative major element and is the most active species in the redox processes in nature, especially in aquatic environment . The varying oxidative states from-2 to +6 make it possible to enter into many of the biogeochemical processes. Thus the history, present and future of the chemical composition and behaviour of the natural aquatic systems and sediments have footprints of the sulphur chemistry.Mangroves are considered to be the most productive, fishery supportive ecosystem operating in the intertidal regions. The interlinking of the mangroves with the sulphur chemistry is attempted here.

Studies on the nutrient chemistry of a tropical estuary

The study focuses attention on the nutrient chemistry of a tropical estuary namely the cochin estuary.The investigation was planned with the objective of studying the estuarine nutrient behaviour and to assess the role of biogeochemical cycling. The distribution of parameters of interest are better explained in the light of the hydrography of the region . Largely associated with the pollution problems of Cochin estuary receiving industrial and domestic wastes, this thesis projects the role of environmental parameters modifying the nutrient content of the water body coupled with studies on their minute variability subjected to physical, chemical and biological processes. The study has incorporated parameters like temperature, salinity, pH and D0; nutrients were investigated by the study of nitrite, nitrate. ammonia, inorganic reactive phosphorus, dissolved organic phosphorus, particulate reactive phosphorus, total reactive phosphorus and inorganic reactive silicate-silicon at surface and bottom layers of the estuary. Sediment associated interstitial and adsorbed phosphorus for a period of one year (1985-1986] were also incorporated