L'objectif de l'enseignement des sciences de la vie et de
la Terre est de comprendre le monde. Il s'agit d'expliquer le réel. Pour ce
faire, on s'appuie sur une démarche d'investigation fondée sur l'observation
de phénomènes perceptibles à différentes échelles d'organisation et des manipulations,
expérimentations ou modélisations permettant
de répondre à des questions, d'éprouver des hypothèses explicatives et de
développer l'esprit critique.
La connaissance est alors construite et non imposée. A tout moment de la démarche,
on s'assure que l'élève perçoit le sens de ce qu'il fait et ce pourquoi il
le fait.
B.O. spécial n°6 du 28/08/08 (Programmes SVT de Collège)
Observations, expérimentations, modélisations sont des éléments d'une démarche d'investigation [1]. Le BO op.cit. présente les étapes d'une démarche d'investigation dans l'introduction commune aux programmes de collège. Celles-ci ont été reprises de manière à peu près équivalente dans le nouveau programme de Seconde :
Il est d’usage de décrire une démarche d’investigation comme la succession d’un certain nombre d’étapes types : |
| - une situation motivante suscitant la curiosité |
| - la formulation d’une problématique précise |
| - l’énoncé d’hypothèses explicatives |
| - la conception d’une stratégie pour éprouver ces hypothèses |
| - la mise en oeuvre du projet ainsi élaboré |
| - la confrontation des résultats obtenus et des hypothèses |
| - l’élaboration d’un savoir mémorisable |
Extrait du préambule du programme de Seconde (BO spécial n°4 du 29 avril 2010)
Le programme officiel précise en outre que "Ce canevas est la conceptualisation d’une démarche type". Sa présentation linéaire ne signifie pas qu'elle doive être mise en oeuvre au cours d'une activité de la première à la dernière ligne :
Nous avons vu que le terme de modèle est polysémique (voir page Qu'est-ce qu'un modèle ?)... Avec les élèves, en situation de classe, on peut en retenir deux aspects par cette définition simple :
Un modèle correspond à l'idée - abstraite - qu'on se fait de la solution d'un problème, ainsi qu'à sa représentation concrète manipulable (maquette, logiciel de simulation...). |
La formulation de la problématique est conditionnée par les données initiales : observations, acquis, conceptions, théories, résultats d’expériences “ pour voir ” (relevant plutôt de simples manipulations dont les résultats induisent l'émergence d'un problème)...
Les
faits sont accessibles à tout individu. Pourquoi quelques individus
seulement développeront-ils alors une problématique scientifique
?
Lors d'une activité sur cette étape de la démarche d'investigation,
il est possible de faire rechercher aux élèves d'autres conditions
nécessaires... Ce sera notamment - mais pas seulement - un terrain
conceptuel balisé par les modèles didactiques construits au
cours du passé scolaire. [2]
L'hypothèse est une réponse - provisoire - à la question formulée dans le problème défini à l'étape précédente.
Lors d'une activité sur cette étape
de la démarche d'investigation, il est possible de sensibiliser les
élèves à la proximité de statut [3]
entre le modèle conceptuel et l'hypothèse : tous deux correspondent
à l' "idée qu'on se fait de la solution d'un problème".
La stratégie est classiquement résumée par la formulation d'une conséquence vérifiable de l'hypothèse : "Si mon hypothèse est correcte, je devrai voir que...". De cette conséquence vérifiable découle un protocole qui peut faire appel à des techniques d'observation, d'expérimentation ou de modélisation.
Dans ce dernier cas, il faudra mettre en
oeuvre la représentation du modèle conceptuel élaboré
à l'étape précédente (sous forme d'un modèle
artificiel, mathématique ou naturel, voir Typologie
des représentations des modèles).
Parmi les étapes du canevas de démarche-type
présentées ci-dessus (Programme de Seconde 2010), l'élaboration
d'un savoir mémorisable est sans doute la seule systématiquement
intégrée à toute séance d'activités pratiques.
Le bilan de l'activité, en général construit par les
élèves, recense, en fonction de la situation-problème
initiale, les éléments importants croisés au cours de
l'activité puis les organise en une réponse à ce problème.
Lors d'une activité sur cette étape
de la démarche d'investigation, il est possible de faire remarquer
aux élèves que le bilan final retenu comme savoir mémorisable
s'éloigne de la démarche d'investigation : il ne retiendra que
certains aspects des résultats obtenus, ceux nécessaires à
la progression pédagogique retenue par l'enseignant en fonction des
programmes officiels. Il s'agit d'un modèle qu'on peut qualifier de
"didactique". [4]
Tester l'hypothèse implique-t-il un choix entre expérimentation et modélisation?
 |
1 | Analyse de données |
Analyser des données expérimentales
à l'aide d'outils statistiques |
Calcul valeur moyenne, ecart-type... |
| 2 | Données de l'expérience =
point de départ de la modélisation |
A partir d'un problème et de données
expérimentales recueillies, choix du modèle le plus approprié
parmi une liste de modèles potentiels puis analyse du modèle
choisi dans un but explicatif |
Recherche de la signification des paramètres
du modèle choisi Ex : Déplacement des plaques lithosphériques |
|
| 3 | Allers-retours entre modèle
et expérience |
Le modèle retenu permet de proposer
de nouvelles expériences dont les résultats (les nouvelles
données) permettront d'ajuster le modèle |
Chronophage, réservée sans
doute à quelques situations de TPE ou MPS... [5] |
|
| 4 | Modèle inspiré de l'expérience |
Modèle général,
basé sur des connaissances larges, qui pourra ensuite être
adapté à un cas particulier |
Ex : Équations de Lokta-Volterra,
modèles
météorologiques... |
|
| 5 | Modèle relativement déconnecté de l'expérience |
Modèle permettant la réflexion
sur une réalité inaccessible expérimentalement |
Ex : Modèles
du noyau terrestre... |
Remarques concernant ce tableau :
"La fécondité d'un modèle est l'ensemble des résultats et des conséquences non prévus que son usage entraîne" (LEGAY, voir note 7)
Dans le tableau précédent, les activités de niveau 1
et 2 sont anciennes dans le secteur de la recherche mais présentes
depuis seulement deux ou trois décennies en lycée. Les progrès
de l'informatique ont vu dans le même temps exploser les activités
de recherche de niveau 3 à 5 : il suffit de feuilleter un magazine
scientifique comme La Recherche ou Pour la Science pour lire à chaque
page des comptes-rendus de recherches utilisant des modèles informatiques,
ce qui était exceptionnel il y a seulement vingt ou trente ans.
La puissance de calcul des ordinateurs modernes permet désormais de
construire des modèles fonctionnels complexes, intégrant de
nombreux paramètres, et permettant de mener de véritables expérimentations
: on parle alors d'expérimentation virtuelle.
Sur le site du CNDP, une page est consacrée aux "Apports de l’expérimentation virtuelle en sciences". On comprendra rapidement à la lecture de cette page et de ses compléments (Témoignages en SVT et en Sciences Physiques) que les exemples d'expérimentation virtuelle ne correspondent pas à ce que nous évoquons ici dans le cadre du parcours d'une démarche d'investigation. Que ce soit la dissection virtuelle d'une souris, la simulation numérique d'un réseau électrique ou l'usage du tableau numérique interactif (?!), ces technologies présentent des avantages en tant que TICE (exploitation de capacités de nos élèves actuels, levée de certains blocages - dissections... - ou dangers - chimie... - liés à la manipulation du réél...), mais certainement pas d'aider les élèves à comprendre comment se construit la science d'aujourd'hui : elles n'apportent rien de plus, en terme de démarche scientifique, que l'expérimentation sur le réel.
Pour approcher ce que nous entendons par "expérimentation virtuelle", on peut retenir la définition qu'en donne Jean-François COLONNA dans le compte-rendu de sa conférence de 2002 "Comprendre l'expérimentation virtuelle jusqu'à ses limites" :
| Une expérience virtuelle sera une expérience effectuée non pas sur un système "réel", mais bien plutôt sur son modèle mathématique traduit en un ou plusieurs programmes exécutés dans la mémoire d'ordinateurs (le mot virtuel ayant été choisi en tant que l'un des antonymes de réel). |
Dans cette définition, l'expérience virtuelle est définie comme ... une expérience ! Et cela a son importance : tout internaute pourra manipuler un modèle de dissection virtuelle, mais il n'expérimentera que si cette action s'inscrit dans le cadre d'une démarche d'investigation. Et dans ce cas, la virtualité n'apporte rien...
Pourquoi cette explosion d'expérimentations
virtuelles dans la recherche scientifique moderne ?
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. |
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Pourquoi continuer à expérimenter
alors qu'on peut modéliser ? "Lors d'une expérience
virtuelle nous ne faisons qu'étudier le modèle d'un système Orientée "Sciences physiques" et
(très) poussée sur le plan mathématique, cette
conférence peut néanmoins fournir des pistes de réflexion
sur les limites de l'expérimentation virtuelle au niveau du lycée.
La page
sur les limites du modèle d'agrosystème (activité
Nourrir l'humanité) montre combien il est nécessaire d'avoir
en permanence à l'esprit les limites du modèle utilisé
lors d'une expérimentation virtuelle ! Il est également important de faire remarquer aux élèves que c'est l'expérimentation (ou l'observation) qui nourrira le modèle et lui permettra d'évoluer vers une marge d'incertitude plus faible. Des modèles relativement anciens avaient permis de prévoir l'existence de planètes lointaines comparables à notre Terre ; c'est l'évolution récente des moyens d'étude des étoiles lointaines qui a permis de confirmer cette prévision. Bien entendu, si l'expérimentation / l'observation est aisée, le modèle évoluera plus vite : l'exemple le plus pédagogique en est la prévision météorologique. |
|
Depuis la circulaire d'octobre 1968, la majorité
des activités de classe en SVT est, en principe [8],
basée sur une approche hypothético-déductive inspirée
de l'Introduction à l'étude de la médecine expérimentale
de Claude Bernard (1865). Nous avons vu ci-dessus qu'expérimentation
et modélisation sont intimement liées :
"Une idée anticipée ou une hypothèse [c'est-à-dire
un modèle] est le point de départ nécessaire à
tout raisonnement expérimental. Sans cela, on ne saurait faire aucune
investigation [...], on ne pourrait qu'entasser des observations stériles."
(C. Bernard, op.cit.)
La démarche modélisante en recherche est ancienne (par exemple le modèle de Maxwell sur les matériaux viscoélastiques date de 1867). Mais la modélisation n'est apparue dans les programmes de SVT comme objectif d'enseignement qu'en 2010... Comment la mettre en oeuvre en classe ?
Dans le cas d'une activité basée sur une expérimentation
il est possible ... de ne rien changer à l'activité habituelle
! La composante modélisation sera simplement évoquée
par quelques incises dans le discours de l'enseignant (par exemple sur la
diversité des hypothèses - donc des modèles - émises
par les élèves, le domaine de validité ou la relativité
des conclusions tirées de l'expérience, l'insistance sur une
caractéristique des modèles croisée au fil de l'activité...).
Le concept de modèle s'insérera alors progressivement dans la
réflexion des élèves.
Cela nécessite bien entendu que l'enseignant soit "imprégné"
de l'importance de la modélisation et surtout de ses conséquences
dans la réflexion scientifique. C'est tout l'objectif de ce site, autant
par ses pages que par ses suggestions de références
bibliographiques.
Il n'est peut-être pas inutile de rappeler :
La complexité des phénomènes étudiés par la recherche moderne a provoqué une évolution de la démarche d'investigation. Elle est désormais très souvent centrée sur la modélisation, épaulée par une nécessaire expérimentation. Les activités proches de la recherche moderne sont rares en situation de classe ; on pourrait citer certains travaux sur des bases de données scientifiques (par exemple l'analyse de données GPS pour le déplacement des plaques lithosphériques) ou l'activité Nourrir l'humanité (qui s'approche le plus des outils de la recherche moderne). Elles se prêtent bien à une réflexion sur la valeur des conclusions tirées des résultats de la manipulation du modèle - comparée éventuellement à la valeur des conclusions d'une expérimentation - et pourront se prolonger utilement par une approche de la "formation du citoyen"... [9]
Des modèles plus simples que les modèles de recherche sont assez fréquemment utilisés pour des activités de TP (voir par exemples les activités Fréquence cardiaque maximale, CMH, ADN et nature du message codé, Pinsons des Galapagos, CO2...). Elles permettent chacune d'évoquer une ou deux caractéristiques des modèles.
Les modèles "didactiques", de type animations flash, devraient logiquement être réservés à des bilans d'activités ou des cours magistraux et présentés avec leurs limites...
[1] Les manipulations permettent d'acquérir un savoir-faire réutilisable lors d'une démarche d'investigation ; elles n'en sont pas un élément au même titre que l'observation, l'expérimentation ou la modélisation. Retour
[2] Voir la dernière étape de cette démarche (Élaboration d'un savoir mémorisable). Retour
[3] HILBORN R. et MANGEL M.(1997) considèrent le modèle comme la « version simplifié d'une hypothèse ». Un modèle ne prend en compte que certains aspects de la réalité : dans ces conditions, selon les choix qui seront réalisés, plusieurs modèles peuvent découler d'une même hypothèse. Retour
[4] Modèle didactique : nom donné
par défaut par l'auteur de cette page pour qualifier les modèles
utilisés pour présenter ou mémoriser un phénomène.
De bons exemples de ce type de modèles sont donnés par les schéma-bilans
clôturant les chapitres des manuels scolaires. Ils sont également
de plus en plus fréquents dans les médias, y compris pour les
sciences humaines ou économiques.
Ils sélectionnent certaines données nécessaires à
la présentation ou la mémorisation. Par exemple, une séance
d'histologie (photonique et électronique) se clôturera par un
modèle de pancréas avec les cellules alpha et beta, mais pas
les cellules delta (à peine deux fois moins nombreuses que les cellules
beta), la somatostatine étant hors programme scolaire... Retour
[5] "Un modèle ne peut être
validé si la confrontation de ses résultats aux données
d'origine expérimentale conduit à des contradictions. Mais la
non contradiction ne signifie pas que le modèle ne soit pas à
repousser. Elle ne prouvent ni que le modèle convienne, ni qu'il soit
le meilleur possible." (LEGAY, voir note 7 ci-dessous)
Cette confrontation en classe demandera du temps pour mener les expériences
nécessaires ou rechercher des données sur internet. Si les résultats
de ces expériences sont fournis aux élèves, le temps
libéré sera utilisé pour mener une réflexion sur
les conclusions à tirer de la confrontation des résultats du
modèle et des expériences. Dans tous les cas, ce sera chronophage...
Retour
[6] NEY Muriel, Modélisation
formelle en sciences expérimentales : Problématiques de la transmission,
Université Claude Bernard - LYON I, 2007.
Dans un chapitre "Des problématiques de la modélisation
en sciences expérimentales", elle traite du rapport entre expérience
et modèle (qui nous intéresse ici), mais aussi de l'intervention
de l'aléa et de la transdisciplinarité. Retour
[7] LEGAY Jean-Marie, L'expérience
et le modèle, Un discours sur la méthode, Éditions INRA,
Collection Sciences en questions, 1997, 112 p., 6.00€ broché,
3.90€ numérisé.
Ce petit livre, transcription d'une conférence-débat organisée
le 24 octobre 1996 à l'INRA, foisonne d'idées à méditer.
Il devrait figurer dans la bibliothèque de tous ceux qui s'intéressent
à la modélisation en biologie et dans les labos SVT de lycée.
Retour
[8] En principe, car il ne suffit pas de faire faire une expérience pour mettre en oeuvre une démarche expérimentale. Chevreul disait déjà en... 1850 : « pour peu qu’on fasse des expériences sur quoi que ce soit, on est censé, auprès de beaucoup de gens, pratiquer la Méthode expérimentale, mais c’est une erreur grave à notre sens. » Retour
[9] Les résultats
d'une expérience ou d'une observation sont réels ; les résultats
d'une modélisation ne sont qu'une possibilité (plus ou moins
probable) de réalité. Or la société moderne, par
exemple lors de procès faisant intervenir - ou impliquant - des scientifiques,
n'attend pas de la science des probabilités mais des certitudes...
On entend fréquemment le vulgum pecus dire "C'est scientifiquement
prouvé", ce qui pour nous n'a aucun sens : si c'est prouvé,
ce n'est plus du domaine scientifique ! (cf Karl Popper...).
Lors d'une discussion en classe, on peut illustrer les propos avec des éléments
de l'actualité (procès du sang contaminé, des géologues
italiens après le séisme de L'Aquila...). Retour
