Des travaux sur les concepts pour développer avec plus de pertinence les curriculapertinence les curricula

Outre ces réflexions sur les objets à enseigner et sur les modalités de l’introduction des “nanos” dans l’enseignement secondaire, certains travaux s’intéressent au développement cog-nitif des élèves. Ces recherches traitent ainsi de la manière dont les élèves conceptualisent des notions se rapportant à des idées-clés “de nanoscience et de nanoingénierie”.

Nous nous sommes limités ici à des recherches se focalisant sur les tailles et les échelles (size and scale), à des études sur la nature de la matière ou encore sur les propriétés dépendant de la taille (size-dependent properties). Cette circonscription de notre corpus est due à notre choix de mots-clés puisque nous n’avons interrogé les moteurs de recherches qu’avec les mots-clés “nanoscale”, “nanotechnology”, “nanoscience”.

2.3.1 Taille et échelles (Size and scale)

Six articles traitent de la façon dont les individus appréhendent les tailles et les échelles. Leurs auteurs, présentés sur la figure 2.2, mettent en avant l’importance de ces recherches en soulignant leur intérêt dans un contexte marqué par le développement des nanosciences et des nanotechnologies et en rappelant que cette thématique fait partie de celles répertoriées par l’American Association for the Advancement of Science (par exemple American Association for the Advancement of Science, 1993) parmi les thèmes majeurs permettant de tisser des

Figure 2.2 – Les auteurs des recherches s’intéressant au développement cognitif des élèves et leur université d’appartenance.

(En bleu, figurent ceux qui ont participé à l’élaboration des “Big Ideas” ; Les carrés de couleur indiquent les auteurs qui ont publiés ensemble)

liens entre les différentes disciplines scientifiques (Tretteret al., 2006b,a; Maganaet al., 2012; Delgadoet al., 2007; Jones et Taylor, 2009; Joneset al., 2007a).

Dans une recherche empirique empruntant son cadre théorique à la psychologie et aux sciences cognitives, Tretter et al. (2006b) se sont intéressés à la précision des conceptions d’étudiants sur les échelles spatiales et aux stratégies développées par les experts pour affiner cette précision.

215 personnes ont pris part à cette étude où les chercheurs ont procédé par questionnaires et entretiens. Les participants appartiennent à cinq groupes : des élèves en 5ème grade, de 7ème et de 9ème grade étudiant tous dans un même “school district”, des élèves de 12ème grade issus d’un lycée sélectif, et des étudiants de doctorat de sciences ou d’éducation aux sciences, qu’ils considèrent comme des “experts”.

Les résultats de cette recherche montrent une assymétrie dans les conceptions à grande et petite échelle. À des échelles proches de l’échelle humaine, les résultats de tous les groupes sont bons. Aux grandes échelles, la précision des conceptions décline doucement pour tous les groupes, au fur et à mesure du défilement des ordres de grandeur. En revanche, pour les petites échelles, cette précision se maintient à un niveau élevé, jusqu’à ce que soient atteintes des dimensions associées à des objets invisibles à l’œil nu. À ce moment, la chute est brutale, quelque soit le groupe, comme s’il existait un seuil en dessous duquel la notion de petitesse devenait indifférenciée. Cette discontinuité suggère, selon les auteurs, une difficulté à franchir mentalement une barrière. Par ailleurs, la plage spatiale sur laquelle les plus jeunes de l’échan-tillon possèdent des conceptions précises est plus restreinte que celle des autres, et les “experts” étaient plus précis pour évaluer la taille d’objets nanométriques que micrométriques. De plus, hormis cette dernière catégorie de la population étudiée, les participants avaient tendance à proposer des objets trop petits pour les grandes échelles et trop grands pour les très petites. Ces résultats obtenus par Tretter et al. (2006b) peuvent être rapprochés de ce qu’ont observé Magana et al. (2012) et Jones et al. (2007a). Dans une recherche plus récente par entretiens menée auprès de 244 étudiants en première année d’université, Maganaet al.(2012) ont en effet montré que les participants avaient des difficultés pour évaluer les tailles absolues des objets invisibles à l’œil nu ou au contraire des très gros objets.

Pour leur part, Jones et al. (2007a) ont constaté dans une recherche par questionnaires et entretiens mobilisant 22 élèves de middle school que ceux-ci avaient des difficultés pour appréhender les tailles très éloignées des dimensions humaines. L’analyse des entretiens a montré que les petites échelles leur semblaient de plus plus difficiles à conceptualiser. Cette recherche explorait par ailleurs l’intérêt du film “Powers of Ten” largement utilisé aux États-Unis pour enseigner les échelles spatiales et les puissances de dix16

. Ici, il est apparu que les élèves manifestaient un intérêt prononcé pour les aspects du film consacrés aux échelles extrêmes dont les élèves ne pouvaient avoir d’expérience directe.

Cette difficulté à appréhender les petites échelles et à hiérarchiser selon leur taille tout ce qui est invisible à l’œil nu converge avec les résultats présentés dans un autre article de Tretter et al. (2006a). Dans cette publication portant sur des données récoltées auprès du même échantillon que Tretter et al. (2006b), Tretter et al. (2006a) ont par ailleurs noté l’importance de l’expérience directe pour conceptualiser ces échelles, qui peut être holistique ou au contraire séquentielle, visuelle et/ou kinésthésique.

Cette importance des expériences directes dans l’appréhension des échelles a été de nou-veau mise en évidence par Taylor et Jones (2009) dans une recherche par entretiens semi-directifs où 50 professionnels ont été interrogés pour documenter comment la compréhension

16. Le lecteur intéressé peut visionner ce film en ligne, par exemple à l’adresse : http ://www.youtube.com/watch ?v=0fKBhvDjuy0

des échelles se développe depuis l’enfance jusqu’à l’âge adulte. Il est ressorti des interviews le fait que plusieurs participants à cette recherche mentionnaient l’importance de certaines expériences scolaires (convertir une grandeur en utilisant une autre échelle, utiliser certains instruments tels des microscopes ou des téléscopes) ou extra-scolaire (construire des objets, établir et utiliser des cartes...) dans le processus d’apprentissage des échelles.

Par ailleurs, plusieurs recherches ont mis en évidence l’importance de points de repère pour concevoir les différentes échelles. Au travers d’entretiens, Tretteret al.(2006a) ont ainsi dégagé que les sujets participant à l’étude utilisaient des objets ou des distances comme auxiliaires pour conceptualiser les différentes échelles.

Tretteret al.(2006b) ont eux montré que les élèves 7th et 9th grades semblaient préférer se rapporter aux dimensions de leur corps, alors que ceux d’elementary school, de 12th grade et les doctorants utilisaient le mètre comme étalon de référence pour se repérer. Les plus jeunes indiquaient préférer le mètre parce que la taille de leur corps évoluait, les élèves de 12th grade et les étudiants en thèse, parce que cette unité leur était familière.

Cette stratégie pour conceptualiser les échelles consistant à utiliser des points de repère a de nouveau été identifiée dans la recherche menée par Taylor et Jones (2009) par entretiens auprès de 50 professionnels. Les participants à cette recherche ont en effet affirmé mobiliser de façon routinière le corps comme étalon de mesure ou bien un ou plusieurs points d’ancrage (anchor points) ou tailles de référence.

Enfin, Tretteret al.(2006b) et Tretteret al.(2006a) ont également mis à jour des stratégies utilisées par les doctorants pour conceptualiser les échelles extrêmes. Ils ont ainsi mis en évidence que les “experts” affirmaient “faire un saut mental dans un monde différent” pour comprendre les échelles. Ce monde est souvent caractérisé par la référence à un instrument (microscope électronique, AFM...) ou par une unité adaptée (“unitizing”) et la connexion abstraite entre les différentes échelles semble assurée par les mathématiques.

Ce résultat obtenu par Tretter et al. (2006b) et Tretter et al. (2006a) peut par ailleurs être confronté aux conclusions de Magana et al. (2012). Ces chercheurs de l’université de Purdue ont mené une recherche auprès de 244 participants en première année d’université qui devaient accomplir plusieurs tests. Ils ont obtenus des résultats laissant penser que la capacité à identifier des relations de proportionnalité est un processus cognitif important dans la compréhension des tailles et des échelles. Selon eux, ceci peut expliquer cette stratégie d’utilisation des unités (“unitizing”) par les “experts” repérée par Tretter et al. (2006b).

Certains travaux se sont aussi intéressés aux connexions que les étudiants établissent entre différents concepts importants dans la compréhension des tailles et des échelles (Maganaet al., 2012; Delgado et al., 2007).

Delgado et al. (2007) ont ainsi travaillé à évaluer dans quelle mesure et dans quel ordre les étudiants arrivaient à établir des liens entre les quatre aspects suivants relatifs à la taille : classer, grouper des éléments, déterminer combien de fois un objet est plus grand qu’un autre et déterminer la taille absolue17. Dans une recherche empirique regroupant 42 élèves, garçons et filles scolarisés entre le 7ème et le 11ème grade dans des middle et high school publiques d’une petite ville industrielle du Midwest et 6 undergraduates de la Midwestern University, ces auteurs ont mené des entretiens individuels au cours desquels les élèves devaient réaliser des tests.

Ils ont trouvé qu’il existait une grande variabilité dans le niveau de connexion entre les connaissances pour les élèves de middle et high school participant à la recherche.

Les résultats montrent de plus que la connexion la plus fréquemment établie est celle

17. On retrouve les 4 opérations effectuées par les participants des recherches publiées par Tretter et al.

entre le classement et le groupement (83 % des étudiants interrogés), talonné par celle entre le classement et le nombre de fois plus grand (75 % de l’échantillon font cette connexion). Par ailleurs, 64 % des étudiants ont réussi, au cours de cette recherche, à donner des réponses cohérentes entre les tests visant à classer et à attribuer une taille absolue. Enfin, environ deux tiers des étudiants n’ont pas perçu une connexion logique et nécessaire entre les tailles de deux objets et le facteur multiplicatif séparant leurs dimensions et seulement 13% d’entre eux ont apporté des réponses cohérentes entre elles à ces deux tests.

À partir de ces résultats et en tenant compte du type de connexions établies individuel-lement par chaque élève, les auteurs ont proposé l’ordre d’établissement des connexions au cours de l’apprentissage (“learning progression”) suivant :

1. classer / nombre de fois plus grand puis classer / grouper ou vice et versa 2. classer / taille absolue

3. compréhension conceptuelle qu’il existe un lien logique nécessaire entre taille absolue et nombre de fois plus grand

4. réponse cohérente entre taille absolue et nombre de fois plus grand.

Par ailleurs, si le genre, l’appartenance ethnique et la classe de scolarisation des élèves ne sont pas apparus corrélés aux réponses données, la réussite en classe (évaluée de façon globale par leur enseignant de science) est apparue comme un facteur discriminant. Enfin, les auteurs insistent sur le fait que cette recherche n’a pas exploré l’influence de connaissances dans l’établissement de connexions (comme par exemple qu’une mitochondrie fait partie d’une cellule et donc que la mitochondrie doit être plus petite que la cellule). Ils estiment qu’il serait bienvenu de défricher ce champ de recherche.

Dans une autre recherche plus récente, Magana et al. (2012) ont eux proposé un cadre pour caractériser et échafauder les connaissances sur les tailles et les échelles (“Size and Scale Cognition Framework”). Ce cadre, construit à partir d’une revue de la littérature en éducation et des travaux en psychologie du développement est synthétisé dans le tableau 2.1. Il présente certaines similitudes avec la progression d’apprentissage proposée par Delgadoet al. (2007). Magana et al. (2012) soulignent que ce qui l’en distingue, c’est que ce cadre suggère que la compréhension de la proportionnalité est nécessaire à la détermination de tailles absolues. Ces auteurs insistent par ailleurs sur l’importance ne pas considérer les concepts liés à la compréhension des tailles et des échelles isolément, mais d’adopter une approche systémique où les concepts sont en interrelation.

Dans leur recherche, Magana et al. (2012) mettent donc l’accent sur l’importance de la proportionnalité pour conceptualiser les tailles et les échelles. Les liens entre la compréhension de la proportionnalité et l’appréhension de relations entre surface et volume a donné lieu à d’autres recherches.

2.3.2 Les propriétés dépendantes de la taille (Size-dependent properties) La conceptualisation de propriétés fonction de la taille des objets a fait l’objet de deux publications de chercheurs de la North Carolina State University Taylor et Jones (2009, 2012). Dans une étude exploratoire, ces auteurs ont cherché à déterminer s’il existait une corréla-tion entre l’acquisicorréla-tion de la nocorréla-tion de proporcorréla-tionnalité (proporcorréla-tional reasoning ability) et la compréhension des relations entre surface et volume (Taylor et Jones, 2009). Elles soulignent en effet le rôle de ces relations pour rendre compte des comportements de certains nano-objets. 19 élèves âgés d’entre 11 et 13 ans ont participé à cette recherche alors qu’ils prenaient part à un camp d’été s’étalant sur cinq jours. Leur capacité à utiliser des relations de proportionna-lité a été évaluée au moyen d’un instrument pré-existant composé de dix questions ouvertes. Leur compréhension des relations entre surface et volume a par ailleurs été sondée grâce à

Niveau Processus cognitif Conception par catégorie qualitative - taille Généralisation

(capacité à regrouper les objets par catégories)

Conception par relation qualitative - taille Discrimination

(capacité à classer les objets les uns par rapport aux autres)

Conception proportionnelle qualitative -taille

Raisonnement proportionnel logique (comparaison des relations de taille entre objets par exemple : le rapport entre la taille d’un humain et celle d’une fourmi est proche du rapport entre la taille d’une bactérie et la

taille du diamètre d’un brin d’ADN) Conception proportionnelle quantitative

-échelle

Raisonnement proportionnel numérique (comparaison chiffrée de taille des objets : tel objet est x fois plus grand qu’un autre) Conception absolue quantitative - échelle Raisonnement mathématique

(taille absolue d’un objet, quantifié par une mesure)

Table2.1 – Les différents niveaux du “Size and Scale Cognition Framework” et les opérations cognitives sous-tendant chaque niveau (Adapté de Magana et al.(2012, p. 7))

des pré et post tests développés spécialement. Chacun de ces tests comprenait des questions à choix multiples, des problèmes à résoudre, des diagrammes à remplir et des justifications à fournir pour certaines réponses.

D’après ces auteurs, l’analyse des données montre l’existence d’une corrélation significative entre la maîtrise de la notion de proportionnalité et le degré de réussite aux tests sur les relations entre surface et volume. Les auteurs s’interrogent alors au moment de discuter des résultats de leur recherche :

“What developmental level is necessary for students to understand fully the relationship between surface area and volume ?

What type of background knowledge is necessary for students to understand surface area to volume relationships and how does it affect the sequence of science instruction ?

What other constructs (such as visual spatial skills may be involved in un-derstanding of scale applications such as limits to size and surface area to volume relationships ?” (Taylor et Jones, 2009, p. 1237)

Ces deux premières questions font écho aux préoccupations de Delgado et al. (2007) qui s’efforcent de développer une progression d’apprentissage. La dernière a elle donné lieu à une autre recherche (Taylor et Jones, 2012). Au travers de cette étude portant sur 35 élèves de middle school, 45 de high school et 37 enseignants de biologie, Taylor et Jones ont proposé aux participants de réaliser trois tests : L’un servait à mesurer le développement cognitif des individus en testant leur capacités à mener différents types de raisonnements abstraits. D’autres questions cherchaient à mesurer leurs capacités de visualisation dans l’espace. Enfin, les participants répondaient à une version raffinée du test sondant la compréhension des relations entre surface et volume déjà utilisé dans leur recherche précédente (Taylor et Jones, 2009).

Les résultats de cette étude montrent une corrélation significative entre les résultats du test sur les capacités de raisonnement et celui sur les applications des relations entre surface et

volume. Cette nouvelle recherche semble donc corroborer les résultats précédemment obtenus (Taylor et Jones, 2009) en les étendant aux étudiants plus âgés et aux enseignants de biologie. Compte tenu de ce résultat, Taylor et Jones affirment qu’il pourrait être utile d’aborder certaines notions telles que les propriétés d’adhérence des objets nanométriques ou les échanges gazeux dans les cellules seulement après que les élèves aient atteint une capacité suffisante à mener des raisonnements abstraits.

Par ailleurs, l’analyse des données pour les élèves de middle school indique qu’il existe une corrélation significative entre leurs capacités de vision dans l’espace et leur compréhension des relations entre surface et volume. Les résultats des tests de vision dans l’espace de ces élèves étaient aussi corrélés à ceux du test sondant leur capacités à mener des raisonnements logiques. Cependant, Taylor et Jones indiquent que de plus amples recherches sont nécessaires pour mieux comprendre comment ce résultat peut informer la construction du curriculum scientifique.

Enfin, en utilisant une régression linéaire multiple, ces auteurs concluent que les capacités de visualisation dans l’espace pourraient être un possible prédicteur des capacités à com-prendre les relations entre surface et volume pour les élèves de middle school. Ce même genre d’analyse indique également que pour les élèves de high school et les enseignants de biologie, les capacités à mener des raisonnements logiques sont un indicateur potentiel pour prévoir leur capacité à appliquer des relations entre surface et volume.

2.3.3 La compréhension de la nature de la matière (Nature of matter) D’autres recherches ont été menées par des chercheurs de l’université du Michigan pour documenter comment les élèves élaborent une compréhension de la “nature de la matière”. Sous cette expression, Stevens et al. (2009a) indiquent qu’ils regroupent la structure de la matière, la manière dont elle se comporte, interagit, ses propriétés et ce qui détermine ses propriétés.

Dans cette recherche, les chercheurs ont suivi une approche “design-based” (Stevenset al., 2007a, 2009a) pour élaborer une progression d’apprentissage hypothétique (“hypothetical lear-ning progression”) décrivant comment les étudiants construisent des modèles sur la structure atomique et les forces électriques qui gouvernent les interactions moléculaires aux différentes échelles.

Pour construire cette progression d’apprentissage hypothétique, ils ont d’abord pris appui sur la littérature de recherche, sur les documents définissant les standards nationaux (Ame-rican Association for the Advancement of Science, 1993; National Research Council, 1996) et sur les conclusions des ateliers de la NSF définissant les idées-clés de la nanoscience et de la nano-ingénierie(Stevenset al., 2009b). Ils ont ainsi élaboré deux constructions portant respectivement sur la structure de la matière et sur les interactions électriques.

Ces auteurs ont de plus mené une recherche pour construire une “progression empirique”. Pour cela, ils ont procédé par entretiens avec 37 élèves de middle et high school d’une école publique, 31 élèves d’une école privée et 5 étudiants “undergraduates” (science major et non-science major) de l’Université de Midwestern ayant suivi au moins une année de chimie au lycée. À partir de ces données, ils ont alors établi deux progressions d’apprentissage multidi-mensionnelles, l’une sur la structure atomique et l’autres sur les forces électriques qu’ils ont comparées avec leurs progressions d’apprentissage hypothétiques. La confrontation de cette progression empirique avec leur construction issue de la littérature a ainsi permis de tester et de raffiner la progression d’apprentissage hypothétique au centre de leur recherche.

Finalement, à gros traits, la progression d’apprentissage hypothétique pour la structure atomique à laquelle ils ont abouti comprend quatre niveaux :

– les atomes vus comme des sphères

– les différents modèles d’atomes : – le modèle de Bohr

– le modèle du nuage électronique

– les niveaux d’énergie et le principe de Pauli.

Quant à la progression d’apprentissage hypothétique pour les forces électriques, elle s’articule autour de cinq niveaux principaux :

– une force non spécifique gouverne les interactions – les mécanismes son spécifiés (attractions ; répulsions) – les interactions sont gouvernées par des forces électriques – il existe un continuum de forces électriques