Tableau 1. Catégorisation des productions obtenues dans la première classe de 3e1 Procédure 1 10 élèves Ovule (4 chromosomes) Spermatozoïde (4 chromosomes) 1 cellule-œuf à 4 chromosomes
Question : Que sont devenus les 4 autres chromosomes ? Comment les élèves
définissent-ils la
fécondation ? Procédure 2
5 élèves
Les élèves pour former les gamètes femelles procèdent à une division « de mitose », ils obtiennent donc deux ovules à 4 chromosomes et rejoignent le cas précédent.
Mêmes questions que précédemment.
Procédure 3 1 élève
Pour assurer la réduction du nombre de chromosomes, cet élève explique que les chromosomes d’une même paire s’accrochent les uns aux autres.
Conservation de la matière. Respect de la contrainte : les
chromatides d’un
chromosome double sont identiques.
Procédure 4 2 élèves
Pour assurer la réduction du nombre de chromosomes, cet élève explique que les chromosomes d’une même paire se superposent, se mettent les uns sur les autres.
Conservation de la matière. Respect de la contrainte : les
chromatides d’un
chromosome double sont identiques.
Procédure 5 6 élèves
Procédure attendue, les chromosomes homologues se séparent.
Le tableau 2 présente les procédures identifiées dans les productions des élèves de la classe de 3e2.
Tableau 2. Catégorisation des procédures utilisées par les binômes garçon/fille dans la classe de 3e 2 Procédure 6
8 élèves
Le bébé possède, pour chaque paire, 1 chromosome du père et un de la mère, en fonction des caractères du bébé que le binôme voulait obtenir (garçon ou fille).
Procédure 7 6 élèves
Le bébé possède 3 chromosomes du père contre 1 chromosome de la mère. « Je voulais qu’elle me ressemble »
Procédure 8 2 élèves
Le bébé possède 3 chromosomes de la mère et 1 chromosome du père. « Je voulais qu’il me ressemble ».
Pour la classe de terminale S, nous avons identifié trois procédures différentes qui sont présentées dans le tableau 3.
Tableau 3. Catégorisation des procédures utilisées par les élèves de la classe de terminale S Procédure 9
14 élèves Les élèves procèdent à une séparation des 2 chromatides de chacun des chromosomes.
Ils ne procèdent pas à la division réductionnelle.
Voir schéma 1 présenté en annexe 1
Procédure 10
6 élèves Les élèves mobilisent la procédure attendue, à savoir une première division réductionnelle avant la fécondation.
Voir schéma 2 présenté en annexe 1
Procédure 11
2 élèves C’est la même procédure utilisée au moment de la méiose, mais, au moment de la fécondation, les élèves reconstituent des chromosomes mixtes (chromosome formé d’une chromatide issue du père et d’une chromatide issue
Nous allons comparer ces procédures entre elles et en tirer quelques informations concernant la façon dont les élèves modélisent la transmission de l’information génétique d’une génération à l’autre.
• 3.1.2. Discussion à propos des procédures mobilisées par les élèves
Deux grilles ont été construites pour comparer les procédures utilisées, car il nous semble pertinent de distinguer ce qui relève de la production des gamètes (la méiose) de ce qui relève de la fécondation. Ces deux grilles sont présentées dans le tableau 4 et le tableau 5.
Tableau 4. Grille d’analyse des procédures des élèves sur le thème de la fabrication des gamètes
Description des procédures Procédures catégorisées dans
les classes
Nombre d’élèves Pour former le caryotype des gamètes, les élèves
utilisent une division réductionnelle des chromosomes. C’est la procédure attendue.
3e 1 : procédure 5 3e 2 : procédure 6 TS : procédures 10 et
11
22
Pour former le caryotype des gamètes, les élèves utilisent une division qu’ils connaissent, une division de mitose.
3e 1 : procédures 1, 2, 3 et 4
TS : procédure 9
32
Pour former le caryotype des gamètes, les élèves
utilisent une division inégale ce qui conduit à transmettre à l’enfant plus ou moins de chromosomes du père et de la mère.
3e 2 : procédures 7 et 8
8
Tableau 5. Grille d’analyse des procédures des élèves sur le thème de la fécondation
Description des procédures Procédures catégorisées dans
les classes
Nombre d’élèves Les élèves produisent une cellule-œuf qui contient le
double de chromosomes par rapport au nombre attendu. 3e 1 : procédures 3 et 4
3 Les élèves proposent une cellule œuf qui contient le bon
nombre de chromosomes (les chromosomes possédant deux chromatides identiques). C’est la procédure attendue. 3e 1 : procédures 1, 2 et 5 3e 2 : procédure 6 TS : procédure 10 35
Les élèves proposent une cellule œuf qui contient le bon nombre de chromosomes (les chromosomes sont
constitués de deux chromatides différentes). TS : procédures 9 et 11
16 Les élèves proposent une cellule œuf qui contient le bon
nombre de chromosomes, mais avec un nombre inégal
de chromosomes d’origine maternelle et paternelle 3e 2 : procédures 7 et 8
Deux hypothèses, en l’état actuel de nos réflexions, peuvent être avancées pour expliquer ces procédures:
- les élèves veulent mettre la totalité des chromosomes paternels et maternels (procédures 3 et 4) ;
- ils veulent maintenir le caryotype, sans forcément tenir compte du génotype, ni de l’égalité des chromosomes paternels et maternels (autres procédures).
Ces procédures pourraient renvoyer à la manifestation de la conception uniquement matérielle du chromosome qui aurait ici une fonction d’obstacle. Cependant, ces interprétations devront être croisées avec l’analyse du débat qui permettra d’avoir plus d’informations sur les modes de raisonnements des élèves.
À partir de ces productions, des travaux de groupe et des débats scientifiques vont être conduits dans la classe de 3e 2 et dans la classe de terminale S. L’enregistrement des débats et leur transcription nous permettront d’accéder aux problèmes construits par les élèves.
3.2. Les problèmes construits par les élèves de troisième et de terminale S
• 3.2.1. Méthodologie d’analyse des débats de classe
Les débats sont analysés selon la méthodologie décrite par Orange (2000), qui précise que le passage des idées aux raisons s’effectue par la mise en tension critique du savoir entre des éléments qui relève du registre empirique et des éléments du registre du modèle. C’est dans cette mise en relation que les éléments du registre empirique acquièrent le statut de contrainte empirique et les éléments du registre du modèle celui de nécessité sur le modèle (Lhoste et al., 2007b). Le débat de la classe de 3e transcrit intégralement est présenté en annexe 2. À partir de ce corpus, nous avons catégorisé les différentes interventions des élèves en fonction du registre auxquelles elles appartiennent : registre empirique et registre des modèles. C’est à partir de cette première catégorisation que nous avons identifié les éléments qui ont un statut de contrainte et ceux qui ont un statut de nécessité
• 3.2.2. Analyse du débat dans la classe de 3e 2
Nous avons identifié trois contraintes empiriques et trois nécessités sur le modèle que nous allons présenter à partir de certains extraits du corpus présenté in extenso en annexe 2.
Extrait 1
E : Alors, qu’est ce qui nous reste à voir ? rappelez vous, on en est au dernier chapitre sur la partie génétique. il nous reste un truc qu’on n’a pas expliqué. C’est la question qu’on s’était posée. On avait dit : « nous on est des individus, des milliards de cellules, on est défini par nos caractères » et nos caractères ils nous viennent d’où ?
Nathan : de nos parents. RE-RM
Dans cette intervention, on peut dire que la contrainte empirique d’une ressemblance aux parents et mise en relation avec la nécessité d’une transmission de quelque chose des parents aux enfants. Cette mise en relation, qui n’est pas explicitée par les élèves dans cet extrait du corpus, est sous-tendue par le « ils viennent » qui indique l’idée d’un mécanisme. Il convient de noter que la contrainte empirique d’une ressemblance aux
parents provient également de certaines interventions de l’enseignante qui rappelle plusieurs fois la consigne de départ (« Chaque binôme garçon/fille doit proposer le caryotype et le génotype des bébés qu’ils pourraient avoir ensemble, pour expliquer les ressemblances au père et à la mère »). Ces interventions (notamment en 32 : « si vous pensez que c’est nécessaire, vous pouvez couper ! je vous rappelle que votre modèle doit expliquer pourquoi il y en a qui ressemblent plus à leur père, à leur mère ou aux deux ») permettent d’assurer la dévolution de la contrainte de situation53 aux élèves qui peuvent ensuite la mobiliser comme une contrainte empirique, qu’ils articulent à une nécessité, ici celle d’une transmission de quelque chose qui vient des deux parents.
Nous avons considéré que le fait que chaque cellule humaine possède 46 chromosomes avait le statut de contrainte empirique car ce point a déjà été vu au cours des séances précédentes et qu’il est mobilisé par les élèves dans l’extrait 2.
Extrait 2
À nouveau ça pose un problème parce que votre père, combien a-t-il de chromosomes dans toutes ses cellules ?
Elève (Romain) : 23 paires. RE
E : donc 46 chromosomes. votre mère ?
Kévin : 46 RE
E : pareil, elle appartient à la même espèce, sinon ils n’auraient pas pu vous fabriquer, elle a aussi 46 chromosomes. Gildas et toi combien tu en as ?
Gildas : de quoi ? E : des chromosomes
Gildas : 46 RE
C’est à partir de ces différentes contraintes que les élèves s’engagent dans la modélisation proposée (construire l’information génétique du bébé à partir de l’information génétique du père et de la mère) et nous allons voir comment ces deux contraintes contrôlent ce que produisent les élèves.
Extrait 3 42. E : Pourquoi vous avez choisi ça ?
43. Romain : il est comme moi RE-
RM
CE : Ressemblance aux parents.
CM : nécessité d’un apport de matériel génétique proportionnel aux caractères du père.
44. E : ben non tu es du groupe B
45. Romain (échange de chromosome rose contre bleu)
RE- RM
CE : Ressemblance aux parents.
CM : nécessité d’un apport de matériel génétique proportionnel aux caractères du père.
53 Nous faisons une distinction entre les contraintes de situations qui correspondent à des éléments du
dispositif, des contraintes (empiriques ou théorique) construites par les élèves lorsqu’ils sont engagés dans une activité de problématisation, même s’il est possible qu’une contrainte de situation devienne
On voit ici que la contrainte d’une ressemblance de l’enfant aux deux parents permet à Romain de construire la nécessité d’un apport de matériel génétique proportionnel aux caractères du père. L’articulation entre cette contrainte et cette nécessité n’est pas explicitée, mais on voit qu’il établit un rapport entre les deux puisqu’il modifie sa première production suite à la remarque de l’enseignante en 44. Le dispositif choisit, qui permet à l’élève de pouvoir manipuler du matériel sans forcément accompagner cette manipulation d’un commentaire oral, n’oblige pas l’élève à expliciter son raisonnement. Cela nous limite sérieusement dans la compréhension du problème que l’élève est en train de traiter.
De la même façon, dans l’extrait 4 du débat et compte tenu de la proposition de ces élèves, il nous semble qu’ils ont construit la nécessité du maintien du caryotype de l’espèce pour respecter la contrainte empirique évoquée plus haut : « chaque cellule humaine possède 46 chromosomes ».
Extrait 4 54. E : il faut qu’il y ait le même nombre de chromosomes que qui ?
55. El : que les parents RE-
RM
CM : nécessité maintien du caryotype
56. E : je suis d’accord avec vous ; il faut donc dans le modèle que notre bébé (…) ait le même nombre de chromosomes que ses parents dans le modèle, il faut donc qu’il en ait 4. Et dans la réalité ?
La figure 3 représente ainsi l’espace de contraintes en jeu dans cette classe de 3e.
Figure 3. Espace de contraintes en jeu dans le débat sur le thème de la transmission de l’information génétique d’une cellule à l’autre en classe de 3e
Cellule humaine : 46 chromosomes Ressemblance aux parents Anomalie chromosomique -> anomalie/ caractères Nécessité maintien du caryotype Nécessité d’une transmission de matériel génétique parents -> enfants Nécessité apport proportionnel de matière / caractère Registre empirique
Registre des modèles
Cadre épistémique : Conception matérielle de l’information génétique
On voit apparaître les contraintes empiriques d’une ressemblance des enfants aux parents et le lien entre des anomalies chromosomiques et ses conséquences au niveau des caractères de l’individu. Nous expliquons cela par le fait que ces points ont été traités précédemment dans le programme. En effet, on s’attache à définir ce qu’est un caractère héréditaire, comme un caractère transmis d’une génération à la suivante. De plus, au moment de l’étude du caryotype, on montre qu’un nombre anormal de chromosomes entraîne des anomalies. Il est donc satisfaisant de constater que les élèves considèrent la ressemblance de l’enfant aux parents et le lien entre nombre anormal de chromosomes et anomalie comme des contraintes empiriques, qu’ils peuvent utiliser dans des raisonnements.
Même si certaines nécessités nous semblent construites au cours de ce débat, elles sont construites uniquement en termes de transposition des contraintes empiriques dans le mécanisme de la formation de l’enfant. Les élèves construisent le nouveau bébé en piochant dans le stock de matériel génétique qui est disponible au départ dans la cellule du père et dans la cellule de la mère, en respectant les deux contraintes empiriques du nombre de chromosomes qui doit être le même dans toutes les cellules de l’organisme et de la ressemblance du bébé aux deux parents. Ainsi, pour expliquer que l’enfant ressemble plus au père ou à la mère, ils prennent davantage de matériel génétique au père ou à la mère, la quantité influant directement sur les caractères exprimés par l’enfant. Il nous semble que ce mode de raisonnement renvoie à une conception matérielle de l’information génétique que nous avons mise en évidence par ailleurs (Lhoste & Roland, à paraître). En effet, les élèves s’intéressent essentiellement à la nature du matériel qui porte l’hérédité. Ils établissent un lien direct et non questionné entre cette quantité de matière et les caractères exprimés par l’individu54. De plus, aucune contrainte ne pèse sur la formation des gamètes et sur la fécondation. Cette étude montre, sous de nouveaux aspects, en quoi cette conception matérielle de l’information génétique est un obstacle, au sens bachelardien, pour penser l’information génétique dans une conception mixte, matérielle et informationnelle.
Cette analyse nous a permis de proposer certaines modifications dans le dispositif d’enseignement que nous présenterons à la section 4.
• 3.2.3. Analyse du débat dans la classe de terminale S
La première différence entre le débat mené en classe de 3e et celui conduit en terminale S concerne les savoirs disponibles dans la classe . Après avoir été rappelés, ils vont pouvoir être mobilisés dans les problèmes construits par les élèves. L’extrait 5 permet de mettre en évidence certains savoirs disponibles qui vont, dans la suite du débat, devenir des contraintes empiriques.
Extrait 5 1 P : Que signifie, que représente
la stabilité des génomes ? Aidez-vous de la définition de
54 L’exemple du lien entre un excès de matériel génétique ou un défaut et des anomalies au niveau des
génome.
2 Coryse : C'est l'ensemble des gènes de l'espèce.
RE CE : génome est l’ensemble des gènes de l’espèce
3 P : D'accord. Alors quand on dit que le génome est stable, cela veut dire quoi ?
4 Misaël : Tous les individus d'une même espèce ont les mêmes gènes.
RE CE : tous les individus de l’espèce ont les mêmes gènes 5 Professeur
:
Pourquoi ? Comment le génome est-il stable ? Vous pouvez déjà apporter des éléments de réponse compte- tenu de ce que vous savez sur le support des gènes. 6 Misaël : Les chromosomes portent les
gènes.
RE CE : chromosomes : support des gènes
7 Professeur Si le génome est stable, cela veut dire quoi ?
8 Misaël : Les chromosomes sont les mêmes. On a tous les mêmes chromosomes.
RE CE : tous les individus de l’espèce ont le même caryotype
Dans ce court extrait, on voit les élèves mobiliser le concept de gène et de chromosome d’une façon différenciée (les chromosomes sont le support des gènes) ce qui pourrait laisser à penser que ces élèves sont dans un cadre épistémique mixte matériel/informationnel. Les élèves savent également que chaque cellule humaine possède 46 chromosomes (12, 14, A13, B1, D3, 39). Ce savoir va jouer un rôle important dans le débat puisqu’il sera impliqué dans des raisonnements qui vont permettre de construire la double nécessité d’une fécondation et d’une réduction spécifique (division réductionnelle) lors de la méiose. Essayons de mettre en évidence certains de ces raisonnements dans les travaux de groupe et dans le débat mené en collectif.
Dans le groupe A, les élèves ont produit des gamètes qui possèdent 23 chromosomes par séparation des chromosomes homologues. On voit dans l’extrait 6 que la façon dont les élèves ont produit les chromosomes des gamètes respecte un ensemble de contraintes qui ne sont pas explicitées (le nombre de chromosomes des gamètes qui doit être de 23 chromosomes pour produire un enfant avec 46 chromosomes : 23 du père et 23 de la mère). Cela ne permet pas la construction d’une nécessité au sens d’un « construit nouveau, sur la base d’un raisonnement », en l’opposant aux contraintes entendues comme « un déjà-là convoqué » dans ce même raisonnement (Lhoste, Peterfalvi & Orange, 2007) puisque aucun raisonnement n’est explicité dans l’extrait présenté. Mais cela permet aux élèves de proposer une solution possible (division réductionnelle) qui pourra être soumise à une discussion critique. Cette discussion émerge lors du travail de groupe (extrait 6).
Extrait 6. Enregistrement d’un binôme (qui a réalisé la procédure 20) A1 Jonathan
:
Tu n'en as qu'un sur les deux et après cela fait une cellule comme cela.
A2 Thomas : Les cellules sexuelles ….. cela voudrait dire que cela se diviserait d'abord et après cela …
RMc CM : nécessité de la division réductionnelle
A3 Jonathan :
Cela se diviserait mais non, là c'est le spermatozoïde (t’as la moitié d'un spermatozoïde) dans le spermatozoïde.
A4 Thomas : Dans les cellules sexuelles t’as qu'un chromosome.
RMc CM : haploïdie des gamètes A5 Jonathan
:
T’en as 23 tout court. RMc CM: Chez l’Homme : 23 K dans les gamètes
A6 Thomas : Oui, alors là , y en qu’un. A7 Jonathan
:
Non 2.
A8 Thomas : Un petit et un gros. RMc CM : un K de chaque paire A9 Jonathan
:
Oui.
A10 Thomas : Là tu as le A et là le B et pareil ici. Et après comment cela fait pour passer de là à là ?
RMc CM : passage de l’haploïdie à la diploïdie
A11 Jonathan :
C’est tout, les cellules elles sont faites comme cela, les cellules sexuelles toutes comme cela, c’est une particularité.
RMd
A12 Thomas : Mais là, t’en as plus 46 mais que 23.
RE-RM A13 Jonathan
:
Ce n'est pas grave, ce ne sont pas des vraies cellules.
RE CE : 46 K pour les cellules somatiques
A14 Thomas : Tu as vu des fausses cellules, toi ?
A15 Jonathan :
Oui enfin, ce ne sont pas des vraies cellules comme toutes celles qui sont à…
RE-RM CM : nécessité du passage de 2n à n et de n à 2n
A16 Thomas : Alors là après, pour former la procréation, la reproduction, « on les rejoint ».
RE-RM CE : existence de la fécondation
CM : les K s’additionnent La proposition de Thomas n’est pas acceptée spontanément par Jonathan qui conteste la possibilité de l’existence d’une cellule à 23 chromosomes ne respectant pas un savoir partagé : celui du même nombre de chromosomes de chaque cellule de l’organisme (Jonathan en A3 : « Cela se diviserait mais non, là c'est le spermatozoïde (t’as la moitié d'un spermatozoïde) dans le spermatozoïde »). Thomas ne va pas répondre directement à l’objection de Jonathan, mais va expliciter les mécanismes qui permettent d’aboutir à ces cellules à 23 chromosomes, il va expliciter les mécanismes de la première division réductionnelle de la méiose. Mais il répond à l’objection de Jonathan par un argument d’autorité : « C’est tout, les cellules elles sont faites comme cela, les cellules sexuelles toutes comme cela, c’est une particularité ». Il donnera un début d’explication (non explicitée) à la fin de l’extrait 6 où il met en relation ces gamètes à 23 chromosomes avec l’existence de la fécondation qui permet de rétablir le caryotype caractéristique de l’espèce (Thomas en A16 : « Alors là après, pour former la procréation, la reproduction, on les rejoint »).
Ce sont les mêmes possibles qui sont développés par le binôme B et C puis D dans lesquels des nécessités sont en train de se construire (extrait 7).