Une corrélation systématique entre le niveau en mathématiques et les résultats en physique
Les étudiants ne sont pas assez bons en mathématiques pour réussir en physique… On passe notre temps à revenir aux bases! Les enseignants de physique de tous niveaux le disent souvent en se basant sur leurs observations en classe, sur leur ressenti. Et on le sait, pour qu’une affirmation devienne un fait scientifique, il faut l’objectiver. De nombreux enseignants-chercheurs de physique à l’université se sont donc penchés sur cette question en étudiant la corrélation entre le niveau en mathématiques des étudiants à l’entrée à l’université et leur réussite au premier cours de physique. J’ai recensé plus de 25 publications sur le sujet, majoritairement sur des étudiants étasuniens.
Les études sur le sujet regardent en général la corrélation de plusieurs facteurs, dont le niveau en mathématiques, avec les résultats en physique au premier semestre universitaire.
- Le niveau en mathématiques est mesuré différemment selon les études : notes au lycée en mathématiques (high-school), rang au lycée, résultats à un test passé par beaucoup d’étudiants américains avant l’entrée à l’université (SAT maths), résultats à un test réalisé à l’entrée à l’université par les chercheurs.
- La réussite en physique est mesurée la plupart du temps par les notes à l’examen (ou la moyenne) du premier enseignement de physique dans l’enseignement supérieur. Certaines études utilisent un test pour mesurer la compréhension des concepts de physique (et non l’examen classique final).
Les résultats sont analysés soit en regardant les corrélations entre les différents facteurs possibles de réussite (notes en mathématiques, résultats à un test de logique, rang, nombre d’enseignement de physique suivi dans le secondaire, …) et les résultats en physique en première année. Certaines études choisissent plutôt de construire une régression multiple.
Ce qui est intéressant, c’est que quelque soient les indicateurs utilisés ou le nombre d’étudiants de l’étude, les chercheurs trouvent une corrélation moyenne (entre 0,4 et 0,7) entre le niveau en mathématiques à l’entrée à l’université et la réussite en physique en première année universitaire.
Certains travaux montrent que les bons résultats en mathématiques ne sont pas prédictifs de la réussite en mathématiques mais qu’à l’inverse, de mauvais résultats en mathématiques sont relativement prédictifs de mauvais résultats en physique.
D’autres facteurs
Les chercheurs ont aussi étudié l’influence d’autres facteurs sur la réussite des étudiants en première année de physique.
- Nombre de cours de physique suivi au lycée : pas de corrélation
- Test de logique à l’entrée à l’université : de l’absence de corrélation à une corrélation de 0,78
- Maîtrise des concepts de physique : d’une absence de corrélation (test en élec) à une courrélation de 0,5. Moyenne plutôt autour de 0,2.
Discussion
La corrélation entre le niveau en mathématiques à l’entrée à l’université et la réussite en physique est une constante remarquable dans l’ensemble des articles étudiés pour cette synthèse. Il y a une très faible sensibilité à l’instrument de mesure utilisé, ou aux caractéristiques de l’échantillon d’étudiants choisis. Pour autant cette corrélation est moyenne et ne permet pas de prédire sans autre forme de procès si un étudiant va réussir ou non en physique.
Si la corrélation est donc bien démontrée, il faut se poser la question de la causalité. L’une des études (Hudson 1986) est menée avec une méthodologie un peu différente : à la fin du pré-test de mathématiques, les résultats sont donnés aux étudiants en identifiant leurs points faibles. La corrélation entre les résultats au pré-test de mathématiques et les résultats au test de mathématiques est moins forte que ce qui est observé habituellement (0,2-0,3 au lieu de 0,4-0,6). L’auteur explique cette différence par la remise à niveau qu’a pu mettre en œuvre l’étudiant au courant de ses lacunes.
Dans un prochain article de blog nous verrons comment les chercheurs ont étudié le transfert des connaissances et compétences entre les mathématiques et la physique, ce qui pourra étayer, ou au contraire réfuter, l’hypothèse de causalité entre les connaissances que l’on possède en mathématiques et la réussite en physique.
Bibliographie
Adams, S., & Garrett, H. L. (1954). Scholastic Background as Related to Success in College Physics.
The Journal of Educational Research,
47(7), 545‑550.
https://doi.org/10.1080/00220671.1954.10882139Barnes, G. (1977). Scores on a Piaget‐type questionnaire versus semester grades for lower‐division college physics students.
American Journal of Physics,
45(9), 841‑847.
https://doi.org/10.1119/1.11059
Blumenthal, R. H. (1961). Multiple instruction and other factors related to achievement in college physics.
Science Education,
45(4), 336‑342.
https://doi.org/10.1002/sce.3730450409
Bolte, J. R. (1966). Background factors and success in college physics.
Journal of Research in Science Teaching,
4(2), 74‑78.
https://doi.org/10.1002/tea.3660040204
Champagne, A. B., & Klopfer, L. E. (1982). A causal model of students’ achievement in a college physics course. Journal of Research in Science Teaching, 19(4), 299–309.
Champagne, A. B., Klopfer, L. E., & Anderson, J. H. (1980). Factors influencing the learning of classical mechanics.
American Journal of Physics,
48(12), 1074‑1079.
https://doi.org/10.1119/1.12290
Cohen, H. D., Hillman, D. F., & Agne, R. M. (1978). Cognitive level and college physics achievement.
American Journal of Physics,
46(10), 1026‑1029.
https://doi.org/10.1119/1.11422
Derrick, M. E., & Derrick, F. W. (2002). Predictors of Success in Physical Chemistry.
Journal of Chemical Education,
79(8), 1013.
https://doi.org/10.1021/ed079p1013
Enyeart, M. A., Baker, D., & Vanharlingen, D. (1980). Correlation of inductive and deductive logical reasoning to college physics achievement.
Journal of Research in Science Teaching,
17(3), 263‑267.
https://doi.org/10.1002/tea.3660170311
Finger, J. A., Dillon, J. A., & Corbin, F. (1965). Performance in introductory college physics and previous instruction in physics.
Journal of Research in Science Teaching,
3(1), 61‑65.
https://doi.org/10.1002/tea.3660030110
Griffith, W. T. (1985). Factors affecting performance in introductory physics courses.
American Journal of Physics,
53(9), 839‑842.
https://doi.org/10.1119/1.14348
Halloun, I. A., & Hestenes, D. (1985). The initial knowledge state of college physics students.
American Journal of Physics,
53(11), 1043‑1055.
https://doi.org/10.1119/1.14030
Hart, G. E., & Cottle, P. D. (1993). Academic backgrounds and achievement in college physics.
The Physics Teacher,
31(8), 470‑475.
https://doi.org/10.1119/1.2343848
Hudson, H. T. (1986). A comparison of cognitive skills between completes and dropouts in a college physics course.
Journal of Research in Science Teaching,
23(1), 41‑50.
https://doi.org/10.1002/tea.3660230105
Hudson, H. T., & Liberman, D. (1982). The combined effect of mathematics skills and formal operational reasoning on student performance in the general physics course.
American Journal of Physics,
50(12), 1117‑1119.
https://doi.org/10.1119/1.12895
Hudson, H. T., & Rottmann, R. M. (1981). Correlation between performance in physics and prior mathematics knowledge.
Journal of Research in Science Teaching,
18(4), 291‑294.
https://doi.org/10.1002/tea.3660180403
Hudson, H., & McIntire, W. (1977). Correlation between mathematical skills and success in physics. American Journal of Physics, 45(5), 470‑471.
Liberman, D., & Hudson, H. T. (1979). Correlation between logical abilities and success in physics.
American Journal of Physics,
47(9), 784‑786.
https://doi.org/10.1119/1.11929
Meltzer, D. E. (2002). The relationship between mathematics preparation and conceptual learning gains in physics: A possible “hidden variable” in diagnostic pretest scores.
American Journal of Physics,
70(12), 1259‑1268.
https://doi.org/10.1119/1.1514215
Nicoll, G., & Francisco, J. S. (2001). An Investigation of the Factors Influencing Student Performance in Physical Chemistry.
Journal of Chemical Education,
78(1), 99.
https://doi.org/10.1021/ed078p99
Sadler, P. M., & Tai, R. H. (2001). Success in introductory college physics: The role of high school preparation.
Science Education,
85(2), 111‑136.
https://doi.org/10.1002/1098-237X(200103)85:2<111::AID-SCE20>3.0.CO;2-O
Schwartz, M. S., Sadler, P. M., Sonnert, G., & Tai, R. H. (2009). Depth versus breadth: How content coverage in high school science courses relates to later success in college science coursework.
Science Education,
93(5), 798‑826.
https://doi.org/10.1002/sce.20328
Under, C. J., & Hudson, H. T. (1989). A comparison of mathematics backgrounds between American and South African physics students.
Science Education,
73(4), 459‑465.
https://doi.org/10.1002/sce.3730730407
von Rhöneck, C., Grob, K., Schnaitmann, G. W., & Völker, B. (1998). Learning in basic electricity: how do motivation, cognitive and classroom climate factors influence achievement in physics?
International Journal of Science Education,
20(5), 551‑565.
https://doi.org/10.1080/0950069980200504
Yeany, R. H., & Miller, P. A. (1983). Effects of diagnostic/remedial instruction on science learning: A meta analysis.
Journal of Research in Science Teaching,
20(1), 19‑26.
https://doi.org/10.1002/tea.3660200103
OpenEdition vous propose de citer ce billet de la manière suivante :
Aude Caussarieu (20 août 2018). La faute aux maths? Vous avez dit ... dactique? Des sciences. Consulté le 14 janvier 2025 à l’adresse https://ditdactique.hypotheses.org/67
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