L’apport des textes consultés .1 Une variété de travaux de recherche .1 Une variété de travaux de recherche

Les démarches d’investigation font l’objet de très nombreux travaux de recherche tant au niveau international que français, comme le montrent notamment Bachtold (2012), Boilevin (2013a, 2013b) ou Venturini et Tiberghien (2012).

Certaines études portent sur l’analyse des curricula et plus particulièrement sur l’explicitation du sens accordé à l’expression « démarche d’investigation » (Dell’Angelo, Coquidé et Magneron, 2012 ; Gengarelly et Abrams, 2009 ; Minner, Levy et Century, 2009 ; Park Rogers et Abell, 2008 ; Venturini et Tiberghien, 2012 ; Hasni, Belletête et Potvin, 2018). D’autres travaux sont consacrés aux représentations des enseignants concernant les DIS (Park Rogers et Abell, 2008 ; Prieur, Monod-Ansaldi et Fontanieu, 2013) ou bien aux croyances et connaissances des enseignants sur la nature des sciences (Crawford, 2007 ; Gyllenpalm et al.,

2010 ; Pélissier et Venturini, 2012). D’autres encore étudient les fondements épistémologiques, psychologiques et didactiques de ce type d’enseignement (Bachtold, 2012 ; Cariou, 2013). Au-delà du fait que les chercheurs, tout comme les institutions, ne sont pas tous d’accord sur ce que sont ou sur ce que devraient être les DIS, de nombreuses recherches s’intéressent aux conditions de leur mise en œuvre en classe et à leurs effets sur les apprentissages des élèves (Grangeat, 2011).

Ainsi, Boilevin et al. (2012), Calmettes (2012), Jameau (2015) et Marlot et Morge (2016) mettent en évidence les écarts et les tensions entre les prescriptions et les connaissances professionnelles des enseignants. Certains auteurs se centrent sur les effets de ce type de démarches sur les apprentissages des élèves (Blanchard et al., 2009 ; Minner et al., 2009 ; Windschitl, 2003). D’autres encore abordent la formation des enseignants à ces nouvelles pratiques (Blanchard et al., 2009 ; Grangeat, 2013 ; Ostermeier et al., 2009).

Dans la suite de notre travail, nous allons approfondir notre analyse de la documentation scientifique en considérant plus spécifiquement les travaux qui traitent de la mise en œuvre des DIS, ainsi que ceux qui s’intéressent aux effets de ces démarches sur les apprentissages des élèves.

3.2.2 Une mise en œuvre variée des démarches d’investigation scientifique Les travaux réalisés sur la mise en œuvre des DIS révèlent qu’il existe des formes variées de mises en œuvre au niveau de la structure des démarches et que celles-ci peuvent être influencées en particulier par les conceptions, l’expérience des enseignants, mais aussi par leurs connaissances professionnelles. Ces études portent sur des enseignants qui exercent soit à l’école primaire soit au collège.

Différents auteurs qui étudient les pratiques d’enseignement des enseignants de sciences expérimentales (sciences physique chimie et sciences de la vie et de la

Terre) mettent en évidence une grande variété concernant les DIS mises en œuvre en classe (Cross, 2013 ; Mathé, 2010 ; Grangeat, 2013). À titre d’exemple, les composantes des DIS déployées lors d’une séance de sciences ne sont pas toujours les mêmes. Parfois, les élèves émettent des hypothèses, alors qu’à d’autres moments, celles-ci sont imposées par l’enseignant. Les élèves, souvent, manipulent mais il est également possible qu’ils utilisent des documents relatant des résultats d’expériences. Par ailleurs, une phase de structuration de connaissances est plus rarement observée.

Coquidé et Flatter (2015) montrent que des enseignants de SVT français exerçant au collège rencontrent des difficultés quant à la mise en œuvre de « la démarche d’investigation » prescrite par les curricula français. Cela se vérifie notamment en ce qui concerne l’autonomie des élèves préconisée : ces auteures soulignent « des difficultés de mise en œuvre en classe, analysées ici en termes d’organisations curriculaires strictes (programmes, durée des séances), se conciliant difficilement avec une souplesse et une ouverture qui seraient nécessaires à d’authentiques investigations » (Coquidé et Flatter, 2015, p. 47).

En outre, les enseignants rencontrent différents problèmes qui peuvent influencer la mise en œuvre des DIS en classe. Une des difficultés à l’opérationnalisation des DIS est liée à la diversité d’interprétations que font les enseignants lors de la lecture des curricula. En effet, selon leurs représentations du métier ou de leur discipline (Gess-Newsome, 2002 et Pélissier et Venturini, 2012), selon leurs expériences (Windschitl, 2003), selon leurs connaissances (Jameau, 2012) et selon leurs désirs conscients ou non, ils ne vont pas pratiquer de la même façon leur enseignement. Dans la même idée, Venturini et Tiberghien (2012) décrivent, concernant la mise en œuvre des nouveaux programmes de sciences physiques et chimiques au collège par un enseignant débutant, à la fois le désir de celui-ci de satisfaire aux exigences institutionnelles et les difficultés qu’il rencontre

pour ce faire, liées notamment aux rapports personnels qu’il entretient avec le savoir concerné.

Le décalage entre ce que l’institution demande ou recommande de faire et ce qu’il est réellement possible de faire en classe (en raison des contraintes et ressources de l’enseignement) constitue un obstacle à la mise en œuvre des démarches d’investigation. Martinand (1983) parle de « référence » et de

« possible ». Calmettes, évoquant ce même auteur, écrit :

si l’on peut, selon l’auteur, légitimement tenter de référer les activités scientifiques à l’école à des activités scientifiques hors école, dans des milieux de recherche, de construction ou d’utilisation de concepts ou d’objets scientifiques ou technologiques (la référence), les conditions matérielles, cognitives et sociales des activités en classe (le possible) impliquent immédiatement une idée d’écart entre la référence et le possible. (Calmettes, 2012, p. 15)

Hulin (1992), quant à lui, considère qu’enseigner une physique

« authentique » même au lycée est un « mirage ». Il met en avant la « nécessité » de faire reposer l’enseignement scientifique sur une réflexion à propos de problématiques (Pourquoi cette question ? Comment y répondre ?) afin de rendre cet enseignement « plus explicite quant à la démarche de nos sciences et à la nature même des problèmes auxquels elle s’attaque » (Hulin, 1992, p. 102). Cela rejoint l’idée de Johsua et Dupin (1993) de transformer un problème scientifique en un problème didactique.

Dans sa thèse, Mathé (2010) parle également « d’obstacles » à la mise en œuvre par les enseignants d’un enseignement par investigation. Elle expose ceux identifiés par des enseignants français de sciences physiques et chimiques qui exercent au collège. Ces obstacles peuvent être liés aux particularités de « la démarche d’investigation » (création des conditions favorables à l’autonomie des

élèves, la maitrise de la conception et de la mise en œuvre d’une démarche d’investigation et l’évaluation), aux élèves (leurs capacités et leur manque de motivation) et aux contraintes didactiques (les conditions matérielles, les séances en classe entière et « la démarche d’investigation chronophage »).

Gandit, Triquet et Guillaud (2012) témoignent des difficultés que rencontrent les enseignants débutants pour gérer la complexité, qu’elle soit liée à leurs propres choix didactiques, ou introduite par les élèves. Cette complexité semble refusée par les enseignants. Les auteurs s’appuient notamment sur Morin (1986), pour qui « la complexité n’est pas seulement le problème de l’objet de connaissance ; c’est aussi le problème de la méthode de connaissance nécessaire à cet objet » (Morin, 1986, p. 232), pour montrer que « la méthode de connaissance » peut être différente pour les élèves et le professeur, conduisant celui-ci à fermer « la démarche d’investigation ». Ils mettent en évidence un manque d’analyse a priori des enseignants, créant des insuffisances du milieu didactique proposé aux élèves, lesquelles, en retour ont des incidences fortes sur le contrat didactique.

De leur côté, Martinez Barrera, De Hosson et Décamp (2015), au travers d’une étude sur des enseignants du primaire, en contexte français et colombien, et qui suivent une formation continue, montrent qu’il est nécessaire de posséder des connaissances préalables pour construire des problèmes dans le cadre de démarches fondées sur l’investigation. Ces auteurs précisent que la situation proposée par l’enseignant doit se trouver dans la zone proximale de développement (au sens de Vygotski) de l’élève. Ils indiquent également qu’un accompagnement des élèves est indispensable : « Les démarches pédagogiques d'apprentissage par franchissement d'obstacle méritent d'être particulièrement accompagnées pour être fécondes » (p. 64). Dans le même sens, Furtak, Seidel, Iverson et Briggs (2012), dans leur méta analyse répertoriant les travaux de recherche de 1996 à 2006, notent que l’apprentissage des élèves semble meilleur lorsque l’investigation est guidée par l’enseignant que lorsqu’elle est menée par les élèves. Également, Kirshner,

Sweller et Clark (2006) expliquent, quant à eux, que, malgré la popularité des démarches d’enseignement non guidées ou minimalement guidées celles-ci ignorent à la fois les structures qui constituent l'architecture cognitive humaine et les résultats d'études empiriques des cinquante dernières années. En effet, ces études indiquent que les démarches d’enseignement peu guidées sont moins

« efficaces » que les démarches d’enseignement qui mettent l'accent sur l’accompagnement des élèves dans leur processus d’apprentissage. L'avantage des démarches d’enseignement guidées commence à reculer seulement lorsque les élèves possèdent des connaissances préalables suffisantes pour un apprentissage autonome.

De plus, Hasni et Samson (2007) expliquent que les démarches à caractère scientifique doivent permettre de construire des problèmes pertinents, c’est-à-dire amener les élèves à problématiser. Pour que ces derniers construisent des problèmes, les enseignants doivent tenir compte de différents éléments propres aux élèves qui peuvent devenir des obstacles : les représentations, les cadres de référence et les savoirs acquis précédemment (voir également Hasni, 2011).

Bref, l’absence des savoirs nécessaires à la formulation du problème rend l’obstacle infranchissable par les élèves ; la présentation préalable des savoirs sur lesquels le problème est supposé déboucher enlève tout obstacle et éteint, par conséquent, tout désir de recherche. (Hasni, et Samson, 2007, p. 3)

Cependant, Ruiz-Primo et Furtak (2007) indiquent que, dans le contexte d’un enseignement basé sur l’investigation scientifique, les enseignants semblent se concentrer davantage sur les procédures que sur le processus de production de connaissances (développer l’explication scientifique). Leurs résultats suggèrent également que la réactivité est un aspect crucial de l’enseignement basé sur l’investigation scientifique. Les enseignants doivent s’adapter en permanence au niveau des élèves. Cela implique pour l’enseignant à la fois de la planification et de la flexibilité, ou comme Sawyer (2004) l'a appelée, de « l’improvisation

disciplinée ». Dans la même idée, Marlot (2009, 2016) montre que les difficultés rencontrées par les enseignants, lorsque leurs élèves mettent en œuvre des DIS en classe, peuvent mener à un évanouissement des savoirs conceptuels visés au profit d’apprentissages davantage procéduraux.

Il ressort de ce qui précède qu’il existe une variété de mises en œuvre des DIS en classe, et que les enseignants rencontrent des difficultés qui sont notamment dues à leurs expériences, à leurs représentations ou à leurs connaissances professionnelles. Ces difficultés peuvent mener à des apprentissages presque exclusivement procéduraux. Nous notons également que le guidage de l’enseignant ainsi que la présence de savoirs préalables chez les élèves semblent nécessaires à la mise en œuvre des DIS par ces derniers et à l’apprentissage de savoirs nouveaux.

3.2.3 Des effets nuancés des démarches d’investigation scientifique sur l’apprentissage des élèves

À travers le monde, les discussions concernant les effets des démarches d’investigation scientifique sur l’apprentissage des savoirs en sciences et technologie par les élèves n’aboutissent à aucun consensus. Ces travaux de recherche, dont les résultats sont mitigés comparent en général deux groupes d’élèves, à savoir : un groupe ayant suivi un enseignement dit « traditionnel » de type transmission-réception et un groupe ayant participé à un enseignement basé sur l’investigation scientifique. Les élèves des deux groupes sont évalués (le contenu de l’évaluation dépend de chaque étude) avant et après l’enseignement. Les résultats de certaines études montrent un effet globalement positif de ces démarches sur l’apprentissage de certains savoirs scientifiques par les élèves, alors que d’autres études mettent en évidence une tendance plutôt négative ou non significative des effets de ces démarches sur l’apprentissage des élèves.

Minner, Levy, et Century (2009) ont effectué une méta-analyse recensant les travaux de recherche de 1984 à 2002 réalisés aux États-Unis sur le sujet. Celle-ci révèle une tendance positive (51% des articles) des effets des pratiques d'enseignement fondées sur l’investigation sur l’apprentissage des élèves, en particulier les enseignements qui mettent les élèves dans des situations où ils sont actifs et qui leur permettent de tirer des conclusions à partir de données. Les stratégies d'enseignement qui engagent activement les élèves dans le processus d'apprentissage par des investigations scientifiques sont davantage susceptibles d'accroître la compréhension conceptuelle que ne le sont les stratégies qui s’appuient sur des techniques transmissives. Ce qui est cohérent avec les théories constructivistes de l’apprentissage.

Hofstein, Navon, Kipnis et Mamlok-Naaman (2005) mettent en évidence la capacité d’élèves du secondaire à poser des questions pertinentes et scientifiquement fondées, après avoir suivi un enseignement reposant sur l’investigation en laboratoire de chimie. Leurs résultats concordent avec ceux présentés précédemment, à savoir que l’enseignement basé sur l’investigation a un effet positif sur l’apprentissage des élèves comparativement aux méthodes d’enseignement traditionnel.

Une autre méta-analyse, réalisée par Furtak, Seidel, Iverson et Briggs (2012), montre dans l’ensemble un effet positif de l’enseignement basé sur l’investigation. Néanmoins, ces auteurs précisent que la plupart des études expérimentales effectuées entre 1996 et 2006 n’ont pas réellement examiné l'enseignement et/ou l'apprentissage basé sur l’investigation, mais plutôt identifié différentes formes d'échafaudages pédagogiques qui n’ont pas modifié la place de l’élève ou de l’enseignement.

Wilson, Taylor, Kowalski et Carlson (2010) indiquent qu’un enseignement basé sur l’investigation adressé à des élèves âgés de 14 à 16 ans engendre des effets positifs sur les connaissances, le raisonnement scientifique et l'argumentation de ces élèves. Les évaluations de ces derniers sont réalisées juste après la séquence d’enseignement et répétées quatre semaines plus tard. De la même manière, Blanchard, Southerland, Osborne, Sampson, Annetta et Granger (2010) étudient l’effet d’un enseignement basé sur l’investigation sur l’apprentissage d’élèves du secondaire (collège et lycée). Les auteurs observent plus précisément les effets d’un enseignement basé sur l’investigation de niveau 2 « guided inquiry » où les

« students are responsible determining the method of investigation and how to interpret the results » (p. 5, inspiré de Schwab, 1962 et de Colburn, 2000), sur les connaissances, les savoirs procéduraux et les savoirs sur la nature de la science des élèves. Les résultats mettent en évidence un effet globalement positif à très court terme, mais aussi à long terme, de l’enseignement basé sur l’investigation, à la fois pour les connaissances, pour les savoirs procéduraux et pour les savoirs sur la nature de la science.

De plus, certaines études comme celle de Gibson et Chase (2002), dont le but est d'évaluer les effets à long terme d'un programme d’été reposant sur l’enseignement des sciences basé sur l’investigation, menée au Collège Hampshire (secondaire inférieur) de 1992 à 1994, dévoilent que lorsque les élèves mettent en œuvre une DIS, ils restent intéressés et motivés par les sciences et s’investissent davantage dans leurs études.

Néanmoins, malgré les résultats de plusieurs études et méta-analyses démontrant des effets plutôt positifs d’un enseignement basé sur l’investigation sur l’apprentissage des élèves, certaines recherches telles que celles menées par Klahr et Nigam (2004), Lee, Buxton, Lewis et LeRoy (2006) ou N. Lederman, Lederman, Wickman, et Lager-Nyqvist (2007) semblent présenter des résultats plus mitigés.

En effet, les travaux de Klahr et Nigam (2004), portant sur des élèves de troisième

et de quatrième année du secondaire, mettent en évidence des effets sur l’apprentissage (procédures de conception et d’interprétation d’expérience) des élèves davantage positifs pour l’enseignement traditionnel par rapport à un enseignement basé sur la découverte. Il faut noter toutefois que dans ce type d’enseignement, l’enseignant n’intervient pas, il s’agit d’un enseignement non guidé.

L’étude de Lee et al. (2006) examine les capacités des élèves du primaire à la conduite d'investigations en sciences à travers leur participation à une intervention pédagogique sur une année scolaire. L'étude porte sur 25 élèves des troisièmes et quatrièmes années de six écoles primaires représentant des groupes culturels différents. Avant et à la fin de l'intervention, les élèves participent à des séances d'explicitation les amenant à expliquer comment ils ont mené une investigation relative à l'évaporation de l’eau. Les résultats indiquent que les élèves améliorent leurs capacités, en lien avec certains aspects de l’investigation comme la conception et la réalisation d’expériences ou l’utilisation des résultats d’expériences, pour appuyer des hypothèses. Ils continuent, cependant, à rencontrer des difficultés avec d'autres aspects, notamment pour les attitudes (par exemple, le respect des animaux). De plus, les élèves issus des milieux les moins privilégiés (culturellement ou socialement) affichent une progression plus importante de leurs capacités comparativement à leurs homologues plus privilégiés. Les auteurs précisent également que les élèves de quatrième année améliorent davantage leurs capacités en lien avec l’investigation que les élèves de troisième année, et que l’intervention explicite de l’enseignant est nécessaire. En effet, il apparaît dans cette étude que les enseignants doivent apporter une aide importante au début de l’apprentissage de la démarche d’investigation, puis qu’ils doivent réduire progressivement leur soutien pour permettre aux élèves de réaliser la démarche de façon autonome. Ces résultats sont cohérents avec la méta-analyse de Furtak, Seidel, Iverson et Briggs (2012) et avec l’étude précédemment citée de Kirshner, Sweller et Clark (2006).

N. Lederman et al. (2007), qui étudient les effets d’un enseignement basé sur l’investigation sur des élèves de la sixième à la huitième année du secondaire, obtiennent des résultats non concluants. En effet, aucune différence significative, en termes d’apprentissage des élèves, entre un enseignement de type traditionnel et un enseignement basé sur l’investigation n’a pu être démontrée. La même étude a été reproduite avec le même groupe d’enseignants et des résultats similaires ont été obtenus (J. S. Lederman, Lederman, Wickman et Lager-Nyqvist, 2008). Un travail récent réalisé par Grissom, Czajka, et McConnell (2015) va dans le même sens que les deux études précédentes. Il porte sur des élèves de l’enseignement supérieur en géologie. Les résultats ne montrent pas de différence significative concernant les effets d’un enseignement basé sur l’investigation et les effets d’un enseignement de type traditionnel.

Bien que l’investigation puisse être perçue comme une réforme populaire dans l'enseignement des sciences depuis les années 1960, ses avantages en termes d’apprentissage des élèves par rapport à un enseignement plus traditionnel sont encore à ce jour controversés. Le fait que l’expression de « démarches d’investigation » ait des significations multiples (objet ou moyen d’enseignement-apprentissage) dans la documentation scientifique et que le positionnement de certains auteurs par rapport à cela reste flou rend les résultats des méta-analyses parfois difficiles à interpréter. Néanmoins, les différents travaux de recherche cités précédemment tendent à montrer que ce n’est pas tant l’enseignement basé sur l’investigation qui engendre des effets à tendance négative sur l’apprentissage des élèves, mais plutôt le fait que cet enseignement s’adresse peut-être à des élèves qui ne possèdent pas les connaissances suffisantes pour tirer les bénéfices d’un tel enseignement.

4. LE PROBLEME DE L’ARTICULATION ENTRE LES DEMARCHES