DES ENSEIGNEMENTS DE MÉCANIQUE ENTRE
NATURALISATION DES PHÉNOMÈNES ET
ARTIFICIALISATION DE LA NATURE.
Le cas des curriculums de physique et de sciences de l'ingénieur en
série scientifique au lycée.
Pascale HANNOUN
STEF, ENS Cachan, Paris, France
Mots-clefs : curriculum de mécanique, naturel, artificiel
Résumé : Nous donnons les grandes lignes de nos résultats concernant la comparaison entre deux enseignements de mécanique dans deux curriculums (physique et sciences de l'ingénieur) au lycée. Puis nous cherchons en quoi les démarches (de modélisation en physique, de conception pour les SI) au cœur des enjeux curriculaires de ces deux enseignements se rapprochent d'une démarche de naturalisation ou d'artificialisation.
Abstract: We present our results about a comparison between two courses of mechanics in physics and engineering science. Then the purpose is to understand to what extend approaches which are the core of each curriculum (modelling in physics, design in engineering sciences) is far from an approach of naturalization or a process of artificialization.
INTRODUCTION
Nous interrogeons les rapports entre physique et sciences de l’ingénieur, deux curricula qui intègrent des éléments de contenu relevant d’un même champ, celui de la mécanique. Notre démarche est comparative et à visée explicative. L’enjeu à long terme est d'imaginer des mises en correspondance de questions technoscientifiques actuelles avec les organisations curriculaires. Nos résultats ont mis à jour qu'un découpage entre mécanique théorique (rationnelle) et mécanique appliquée (Mariac, 1980) est trop simpliste et que c'est au niveau des différences entre les enjeux des disciplines que se trouvent leur spécificité et sans doute le cœur de leur identité, c'est à dire les différences les plus irréductibles. Dans le cadre des journées de Chamonix, nous avons réexaminé notre corpus à la lumière des questions posées par l'idée de nature. Faut-il postuler l'existence d'une frontière entre étude de phénomènes naturels et étude d'artefacts pour comprendre quels liens spécifiques sont tissés par chaque curriculum avec la « nature » et avec son pendant, « l'artifice ». Peut on faire l'hypothèse que la physique est associée à une démarche de naturalisation des phénomènes et des objets tandis que les sciences de l'ingénieur seraient liées à une démarche d'artificialisation des phénomènes ou objets de la nature ? Une synthèse des premiers résultats concernant les cadres théoriques, les référents empiriques et les démarches utilisées dans les deux curriculums est donnée rapidement avant de tenter de répondre à ces nouvelles questions.
COMPARAISON DE LA MÉCANIQUE ENSEIGNÉE DANS DEUX CURRICULUMS
Deux disciplines scolaires, la physique et les sciences de l'ingénieur, sont enseignées aux élèves de la série scientifique (S) ayant choisi l'option sciences de l'ingénieur (S.I.) du lycée général de la seconde à la terminale. Toutes les deux offrent une composante qui s'apparente à un ou des domaines de la mécanique. Comparer et caractériser ces disciplines du point de vue des enseignements qui relèvent de la mécanique pour mieux identifier leurs relations, leurs spécificités, leurs enjeux a été l'objectif d'une première phase de recherche (Hannoun, 2008).
Interroger les constituants curriculaires
La comparaison entre les deux enseignements prend en compte plusieurs échelles d'analyse.
A l'échelle de l'année scolaire et en se basant sur les textes des programmes (B.O.E.N. 2000 et 2001) ainsi que les documents d'accompagnement (2002), sont identifiés l'ensemble des concepts,
objets d'études, cadres théoriques prescrits. A partir du cahier de texte (rempli par l'enseignant en fin de séance aussi bien en physique qu'en SI) sont déterminés l'ensemble des situations, référents empiriques, outils et méthodes cités par l'enseignant et effectivement étudiés au long de l'année. Un zoom a été fait sur certains concepts pour une analyse détaillée, par exemple le frottement, étudié avec la même désignation dans les deux disciplines (Hannoun, 2005).
Questions de spécificités et d'articulations
Dans le cas du frottement, l'analyse est basée non seulement sur les programmes et les cahiers de textes mais aussi sur l'observation de séances en classe. L'objectif était de vérifier si les différences et spécificités de ce concept, identifiées dans les programmes, étaient effectives dans les classes et si des articulations, des liens entre les deux points de vue étaient proposés par les enseignants.
Place et statut des phénomènes et des concepts
L'observation de séances de travaux pratiques s'est avérée particulièrement pertinente pour donner de la visibilité aux démarches qui les sous tendent.
Le TP observé en physique est consacrée à l'étude du frottement, phénomène naturel présent dès que deux surfaces (fluides ou solides ) sont en contact et en mouvement l'une par rapport à l'autre mais le plus souvent négligé dans le reste du programme de physique. La situation choisie est celle de la chute d'une bille dans un liquide visqueux. Le but du TP est de confronter la courbe expérimentale d'évolution de la vitesse de la bille avec les courbes théoriques obtenues en prenant en compte deux modèles de force de frottement. (force de viscosité en kV et force inertielle en kV2). Ces modèles sont proposés comme des hypothèses que la confrontation avec l'expérience doit permettre de valider.
Pendant le TP de sciences de l'ingénieur, le frottement entre deux solides est un phénomène utilisé comme principe de fonctionnement d'un système technique. Le système industriel étudié (un anti-vol de magasin) se verrouille grâce à un arc-boutement, principe technique basé sur le frottement. Le but de la séance est de confronter le dimensionnement (les caractéristiques géométriques et le fonctionnement de l'arc-boutement) calculées sur modèle, avec celles du système réel. Le fonctionnement réél du système est lui aussi vérifié. Ici, la question de la validité se pose à propos du système plutôt que pour le modèle.
Des relations complexes : inclusion, disjonction, complémentarité
enseignée en physique (jusqu'en 2010) limite son cadre à celui de la mécanique du point tandis que les sciences de l'ingénieur sont basées sur la mécanique du solide dont on peut considérer qu'elle inclut la mécanique du point ou qu'elle en découle. Pour les référents empiriques, il n'en va pas de même, on peut considérer qu'il y a une totale disjonction entre les systèmes industriels proposés en SI et les objets, assimilables à des masses ponctuelles, présents en physique. Les démarches, elles, sont inversées.
En ce qui concerne les démarches, on a affaire à une relation de complémentarité. En physique, la démarche expérimentale a pour enjeu la construction de modèles théoriques en accord avec le phénomène naturel étudié. En SI, la démarche de dimensionnement a pour enjeu la conception d'un principe technique, les modèles théoriques ne sont que des outils au service de la conception. Cependant cette complémentarité est peu visible pour les élèves du fait que les cadres théoriques ainsi que les référents empiriques sont différents. C'est particulièrement clair sur l'exemple décrit : le frottement en physique se limite au mouvement rectiligne d'un solide dans un fluide ; en S.I. le frottement utilisé est axé sur le mouvement de rotation entre deux surfaces solides.
NATURALISER, ARTIFICIALISER : UN AUTRE REGARD SUR LES DÉMARCHES ? Il s'agit d'envisager les relations de l'Homme avec son milieu naturel et avec le milieu qu'il élabore ainsi que les regards qu'il porte sur eux, puis de questionner les démarches rencontrées en physique et en sciences de l'ingénieur. Le sens du couple (artificialisation, naturalisation) proposé ici diffère de celui utilisé par (Lafontaine, 2006) qui parle de naturalisation pour désigner la reproduction artificielle (grâce aux nanotechnologies) de phénomènes naturels (le vivant) et qui réserve l'idée d'artificialisation de la nature à une interprétation mécaniste ou technique de la nature.
Naturaliser ?
Ce que nous entendons ici par démarche de naturalisation correspond à une posture qui consiste à prendre les choses, les systèmes, phénomènes tels qu'ils apparaissent pour en faire une description, explication ou éventuellement prédire leur comportement en formulant une loi générale. Les objets ont alors le même statut quelle que soit leur nature qu'elle soit naturelle ou artificielle. Par exemple, la chute d'une bille ou d'un caillou, le mouvement d'une planète ou d'un satellite, l'élasticité d'une branche ou d'un ressort, le vol d'un avion ou d'un oiseau... peuvent être considérés comme des
phénomènes qui relèvent d'une même loi dans chaque cas. Et pour lesquels l'intention a disparue, c'est à dire le rôle de la présence humaine, de la société, de la culture.
Artificialiser ?
A l'inverse, une démarche d'artificialisation est active et en général, transforme le milieu. Elle consiste à extraire de la nature des éléments (objets matériels, idées, phénomènes) pour construire des objets, des outils, des instruments, des systèmes techniques. Pour l'Homme technicien, ingénieur, « bricoleur » au sens de (Levi-Strauss, 1960) ou Homme de l'art, cette démarche revêt plusieurs formes à des degrés divers et peut concerner aussi bien l'idée, la matière première, les techniques de mise en œuvre, la maintenance, la destruction. Dans les exemples que nous prenons il s'agit le plus souvent de la matière première.
La forme première de relation de l'Homme avec la nature est celle de l'emprunt. Dans ce cas, l'Homme prend un élément, qu'il ne transforme pas, qu'il restitue à la nature quand il ne l'utilise plus. (un caillou comme projectile, une branche comme massue...) Cette forme se rencontre chez certains animaux et dans les pratiques quotidiennes de l'Homme mais est peu présente en conception de systèmes.
On peut parler d'appropriation quand l'élément choisi est intégré dans une construction pour un usage spécifique. Le choix repose sur la connaissance des propriétés naturelles du matériau utilisé. (élasticité d'une branche de noisetier comme constituant d'un arc, résistance d'une fibre de coco pour fabriquer du cordage, étanchéité d'une feuille de palme pour la couverture d'une maison...). L'élément subit en général une transformation irréversible qui ne permet pas une restitution à l'état originel.
La copie consiste à fabriquer des objets qui reproduisent la forme, la couleur ou l'aspect d'objets naturels. Par exemple, le mobilier ou l'architecture style art nouveau qui reproduisent les formes végétales ou les revêtements qui ont l'aspect du cuir sont des copies qui se limitent aux éléments visibles dans une visée esthétique.
Dans le cas de l'imitation, ce sont les fonctions permises par les formes, les caractéristiques, la structure interne d'un élément de la nature qui sont mises à profit dans le système créé. Les exemples trouvés dans le cadre du biomimétisme sont typiques. L'effet d'adhérence provoqué par la forme en crochet à la base de la fleur de bardane a inspiré la mise au point du velcro. Les caractéristiques physiologiques de la libellule (système sanguin ouvert) ont été imitées pour la confection d'une combinaison pour pilote d'avion qui contient de l'eau en circulation. Dans les deux cas, il s'agit de supporter des accélérations pouvant aller jusqu'à 30 G pour la libellule et 10 G pour
le pilote. Lorsque les nanotechnologies sont utilisées pour reproduire les mécanismes de cellules vivantes, l'imitation de la nature s'appuie sur une technologie qui possède « naturellement » les caractéristiques souhaitées et porte d'un même coup sur les fonctions et sur la forme des structures internes.
Les techniques de réalité augmentée, les systèmes virtuels relèvent de la simulation (le retour d'effort ou les vibrations sur les manettes de jeux simulent la vibration de l'engin piloté...).
Cette dernière forme de relation à la nature est celle qui présente le plus de distance ou le moins de ressemblance visuelle.
L'artificialisation repose sur une ou plusieurs de ces formes de relation à la nature qui nécessitent pour l'Homme plus ou moins d'activités de transformation ou de modification technique. Elle a pour finalité la maîtrise et le contrôle du milieu pour et par l'Homme.
D'après STEHR, « La production, dans une large mesure, ne ressortit plus à un rapport métabolique avec la nature, c’est-à-dire à l’appropriation matérielle caractéristique de la société industrielle. Une partie de la production présuppose aujourd’hui que la nature est déjà matériellement appropriée ; elle consiste à réaménager la nature appropriée selon certains programmes et plans. Les « lois» qui régissent l’appropriation de la nature appropriée, ou la production secondaire, ne sont pas les lois de la nature mais les règles des constructions sociales. (STEHR Nico, 2000, p. 8)
Dans les systèmes techniques contemporains, la démarche d'artificialisation complète intègre des principes techniques qui prennent aussi en compte les contextes sociaux de production, de consommation, d'usage et résultent alors d'un compromis entre ces différentes dimensions.
Naturaliser les phénomènes en physique
Dans le curriculum de physique, la posture de naturalisation est clairement visible au travers des termes utilisés dans les programmes quand ceux-ci proposent d'étudier la « nature du mouvement » ou d'indiquer la « nature des ondes en fonction de l'application médicale ». La démarche prescrite est celle du constat, de la description. L'absence de distinction entre objet naturel est objet artificiel est manifeste lorsqu'on trouve dans une même phrase « mouvement d'un oiseau, d'un avion... » ou qu'à propos de l'étude du mouvement circulaire sont cités comme exemples à étudier les planètes et les satellites artificiels. Les objets ou systèmes ne sont pas étudiés pour eux mêmes, ils sont là pour illustrer un phénomène associé à la loi générale qui le décrit. Cette posture de naturalisation s'accompagne en physique d'un processus de généralisation (moins présent en sciences de la vie). Les objets étudiés ne gardent alors que les caractéristiques minimum nécessaires à leur étude. C'est
ainsi que bien que munis d'ailes tous les deux, l'oiseau et l'avion ne sont en physique qu'une masse ponctuelle en mouvement dans l'air.
Cependant, la démarche d'élaboration de modèles, faite d'aller-retour entre des résultats issus de mesures expérimentales et des résultats calculés à partir d'hypothèses théoriques à tester, relève quant à elle plutôt de la construction que de la description, même s'il s'agit d'une construction abstraite. Ce sont les premiers pas vers la simulation.
Artificialiser la nature en SI
On peut relever dans le programme de sciences de l'ingénieur un certain nombre d'éléments qui relèvent d'une démarche d'artificialisation. Par exemple, on attend des élèves qu'ils soient capables de concevoir des solutions constructives, de les justifier et de les comparer à d'autres solutions. La conception repose essentiellement sur le dimensionnement de certaines pièces du système qui doivent satisfaire à des critères de performances mais aussi de conformité et de faisabilité. Rares sont les cas, comme dans la séance de classe observée, où le lien avec la nature est visible (l'utilisation du frottement, phénomène naturel, dans le principe technique de l'arc-boutement, peut être considéré comme une appropriation non pas d'un élément mais d'un phénomène naturel). Le plus souvent, il s'agit d'étudier et d'assembler des solutions constructives existantes, et l'apprentissage de la conception passe par un processus de particularisation. Lors des PPE (projets pluridisciplinaires encadrés), le produit est déjà conçu, il est mis à disposition sous forme de dossier en vue d'une étude qui n'amènera qu'à quelques modifications.
Telles que sont programmées les sciences de l'ingénieur, la démarche d'artificialisation est très incomplète puisque l'étude des principes techniques se fait en escamotant une grande partie de la conception, de la mise au point et de la fabrication. On peut alors parler de naturalisation de la technique au sens où le système technique est abordé comme s'il s'agissait d'un « produit de la nature », produit tellement naturel qu'il n'aurait pas nécessité l'intervention de l'Homme pour la germination, la croissance, la récolte...
Comme le note aussi Esquivel Sada (2008), « Le processus de naturalisation de la technique indique en effet un changement dans le statut du monde de l’artifice. Celui-ci perd, pour ainsi dire, la qualité première pour laquelle il a été érigé : son intentionnalité ».
DISCUSSION
Les enjeux de ces deux curriculums reposent sur des démarches complémentaires, appliquées à des champs cloisonnés (modélisation de phénomènes naturels qui relèvent du cadre de la mécanique du point en physique et conception de systèmes industriels qui relèvent du cadre de la mécanique du solide rigide en SI). Si le regard scientifique a une tendance à naturaliser y compris les artefacts et le regard technique à artificialiser la nature, nous avons aussi montré que le couple « naturalisation et artificialisation » ne recouvre pas tout à fait le couple « modélisation et conception ». Il nous semble en outre inévitable voire nécessaire à l'apprentissage que l'enseignement favorisent des postures de naturalisation c'est à dire d'observation et de description de systèmes nouveaux.
La physique et sa tendance à l'universalisme décrit la nature avec des modèles et des lois qui l'en éloigne, faits de constructions humaines et d'abstractions. Les sciences de l'ingénieur bien que s'appuyant sur des règles et des normes, ne peuvent éviter le recours à des postures de naturalisation. De ce point de vue, il n'existe pas de frontière nette entre les deux disciplines. Pas plus qu'elles ne réussissent à être l'une au service de l'autre, au sens ou l'une fournirait à l'autre les théories dont celle-ci a besoin, (Martinand, 1994) elle ne réussissent une complémentarité naturalisation/artificialisation. Chaque discipline est à sa manière un hybride.
Est-il possible alors d'envisager un enseignement de sciences et techniques qui intègre cette complémentarité, ce caractère hybride des démarches et du même coup l'éclaire en élargissant les domaines d'application ? Les biotechnologies ou la chimie, absente des SI jusqu'à aujourd'hui fournissent de nombreux exemples où le passage du naturel à l'artificiel est plus visible parce que plus complet et où l'innovation est basée sur l'étude et la reproduction des mécanismes physico-chimique du vivant.
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