Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η σχεδίαση και η αξιολόγηση μιας διδακτικής ακολουθίας για την κίνηση του απλού εκκρεμούς, στα πλαίσια της καινοτομικής και εποικοδομητικής αντίληψης για το αναλυτικό πρόγραμμα Φυσικών Επιστημών. Πρόκειται για έρευνα εφικτότητας η οποία διενεργείται σε τρία επίπεδα: της ανάλυσης, του σχεδιασμού και της εφαρμογής. Το επίπεδο ανάλυσης περιλαμβάνει την επιστημολογική ανάλυση του Γαλιλαϊκού πλαισίου μελέτης της κίνησης του απλού εκκρεμούς, την ανάλυση των νοητικών παραστάσεων των μαθητών για την κίνηση του απλού εκκρεμούς και την ανάλυση των απαιτήσεων της καινοτομικής και εποικοδομητικής αντίληψης για το αναλυτικό πρόγραμμα Φυσικών Επιστημών. Το επίπεδο σχεδιασμού περιλαμβάνει τη διατύπωση των διδακτικών στόχων και τη διαμόρφωση του περιεχομένου της διδακτικής ακολουθίας. Δομικά χαρακτηριστικά της ακολουθίας συνιστούν (α) η πολιτισμική επιλογή του τεχνολογικού πλαισίου λειτουργίας του ρολογιού-εκκρεμούς, (β) η εννοιολογική επιλογή της Γαλιλαϊκής προσέγγισης της μελέτης του απλού εκκρεμούς και (γ) η μεθοδολογική επιλογή της σχολικής εκδοχής της υποθετικο -παραγωγικής προσέγγισης της επιστημονικής γνώσης. Η προτεινόμενη ακολουθία απαρτίζεται από τέσσερις διδακτικές ενότητες και υλοποιείται μέσω δραστηριοτήτων - προβλημάτων, οι οποίες βασίζονται σε μετασχηματισμένο ή αυθεντικό υλικό προερχόμενο από την Ιστορία της Επιστήμης. Το επίπεδο εφαρμογής περιλαμβάνει την πειραματική εφαρμογή της διδακτικής ακολουθίας σε 36 μαθητές της Γ΄ Γυμνασίου και την αξιολόγηση της γνωστικής προόδου που υποθέτουμε ότι θα σημειώσουν. Χρησιμοποιείται η τεχνική του ερωτηματολογίου για να ανιχνευθούν οι νοητικές παραστάσεις των μαθητών πριν και μετά τη συμμετοχή τους στην εφαρμογή του προγράμματος. Η ανάλυση των δεδομένων πραγματοποιείται σε τρία επίπεδα. Στο πρώτο επίπεδο καταδεικνύεται η θετική συμβολή των δραστηριοτήτων της διδακτικής ακολουθίας στη μετακίνηση των απαντήσεων των μαθητών προς την κατεύθυνση της αποδεκτής σχολικής γνώσης για τη κίνηση του εκκρεμούς. Στο δεύτερο επίπεδο καταδεικνύεται η συνολική σημαντική γνωστική πρόοδος των μαθητών στις τρεις συνιστώσες της επιστημονικής γνώσης, την πολιτισμική, την εννοιολογική και τη μεθοδολογική. Τέλος, στο τρίτο επίπεδο καταδεικνύεται η θετική συμβολή της διδακτικής ακολουθίας στη συγκρότηση ομάδων μαθητών που χρησιμοποιούν με επαρκή και συνεκτικό τρόπο τόσο την εννοιολογική όσο και τη μεθοδολογική συνιστώσα της επιστημονικής γνώσης. / The aim of this thesis is the design and evaluation of a teaching sequence for the motion of the simple pendulum, under the innovative and constructive approach of the science curriculum. This study belongs to the ‘feasibility’ research current and was carried out at three levels: analysis, design and implementation. The level of analysis involves the analysis of Galilean epistemological framework about the motion of the pendulum, the analysis of mental representations of students about the motion of the simple pendulum and the analysis of the requirements of innovative and constructive approaches for the science curriculum. The level of design includes the formulation of learning objectives and the content development of the teaching sequence. The structural features of the sequence concern (a) the cultural dimension of scientific knowledge (the relationship between the simple pendulum and the timekeeping problem), (b) the conceptual dimension of scientific knowledge (a Galilean semi-quantitative approach of the isochronal motion of the simple pendulum) and (c) the methodological dimension of scientific knowledge (a hypothetico-deductive approach of the relation between the period of the simple pendulum, its string length and its gravitational acceleration) The proposed sequence is composed of four modules and is implemented through problem – solving activities, which are based on transformed or authentic material from the History of Science. The application level includes the experimental implementation of the teaching sequence to 36 students aged 14-15 y.o. and the evaluation of their cognitive progress that we assume took place during the teaching. A questionnaire is used to detect mental representations of students before and after having participated in the teaching intervention. Data analysis was carried out on three levels. The first level shows the positive contribution of the activities of the teaching sequence to a transformation of student responses towards the acceptable scientific school knowledge about the motion of the simple pendulum. The second level shows the overall significant cognitive progress of students in the three components of scientific knowledge, cultural, conceptual and methodological. Finally, the third level shows the positive contribution of the teaching sequence in the formation of groups of pupils using in an efficient and coherent manner both conceptual and methodological aspects of scientific knowledge.

Le suivi de la déformation de la croûte terrestre durant la phase intersismique pour la recherche des transitoires nécessite des instruments précis capables d'opérer pour de très longues durées. Le projet ANR-LINES a visé le développement de trois nouveaux instruments : un sismomètre mono-axial, un inclinomètre hydrostatique à longue base et un inclinomètre de forage pendulaire. Ces trois instruments profitent d'un capteur interférométrique de déplacement à longues fibres optiques du type Fabry-Pérot Extrinsèque (EFFPI). Leurs architectures mécaniques et l'utilisation de longues fibres permettent à ces instruments géophysiques nouvellement fabriqués d'atteindre les objectifs fixés.Le premier objectif de cette étude est de proposer des méthodes adaptées à l'estimation de la phase du chemin optique dans les cavités Fabry-Pérot. Une modulation du courant de la diode laser, suivie par une démodulation homodyne du signal d'interférence et un filtre de Kalman permettent de déterminer la phase en temps réel. Les résultats sont convaincants pour des mesures de courtes durées mais exigent des solutions complémentaires pour se prémunir des effets de la variation des phénomènes environnementaux.Le capteur EFFPI intégré dans l'inclinomètre de forage LINES lui offre l'opportunité d'établir une mesure différentielle de l'oscillation de la masselotte pendulée grâce à trois cavités Fabry-Pérot. Le sismomètre LINES utilise lui aussi le capteur de déplacement EFFPI pour la mesure du déplacement de sa bobine. Une description de l'architecture mécanique de ces instruments et une analyse des phénomènes détectés (mouvements lents, marées, séismes, microséismes . . . ) font partie de cette thèse. / Monitoring crustal deformation during the interseismic phase when searching for earth transients requires precise instruments able to operate for very long periods. The ANR-LINES project aimed to develop three new instruments: a single-axis seismometer, a hydrostatic long base tiltmeter and a borehole pendulum tiltmeter. These three instruments benefit of an extrinsic Fabry-Pérot interferometer (EFFPI) with long optic fibers for displacement detections. Their mechanical architectures and their disposal of long fibers help these newly manufactured geophysical instruments complete their goals.The first objective of this study is to propose appropriate methods for estimating the phase of the optical path in the Fabry-Pérot cavities. A modulation of the laser diode current, followed by a homodyne demodulation of the interference signal and a Kalman filter, allow determining the phase in real time. The results are convincing while taking short periods measurements but require additional solutions for protection against environmental phenomena variations. The EFFPI sensor integrated in the LINES borehole tiltmeter gives it the opportunity to establish a differential measurement of the bob's oscillation thanks to three Fabry-Perot cavities. The LINES seismometer also uses the EFFPI displacement sensor to measure its coil's displacement. A description of the two instruments' mechanical structures and an analysis of the detected phenomena (slow movements, tides, earthquakes, microseisms . . . ) are part of this thesis.Keywords: Laser interferometry, wavelength modulation, synchronous homodyne demodulation, ellipse fitting, Kalman filter, temperature compensation, borehole tiltmeter, simple pendulum, differential measurements, slow drift, seismicobservations, seismometer.

The diploma thesis is divided into five chapters. The first chapter is devoted to the history and usage of pendulums with focus on the development of measurement of time and gravitational acceleration. The second chapter deals with the concept of pendulum from a theoretical perspective at all levels of the Czech educational system, including a research in textbooks, collection of questions and problems, and scientific articles. In the third chapter, the results of the research of sources of inspiration for simple real- life experiments, applets and simulations, and laboratory work are presented. The fourth chapter is focused on the theoretical background of the four selected models of pendulums, and the last chapter is devoted to simple experiments with these selected models. For each experiment, a videorecording is available on the enclosed DVD. This thesis is suitable for all physics teachers, as well as for students of teaching physics. However, it may also serve as a motivation for students in optional courses of high school physics. 1