C.N,R,S. -
I,N.R,P. -
SECTION SCIENCES ET ENVIRONNEMENT
avec la participation de la recherche pilote E.E. - I.N.R.P. - U.N.E.S.C.O. et de l'U.E.R. de Didactique des Disciplines de ItUniversit~ Paris VII.
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-ORGANISATION DES JOURNEES
. Coordination A. GIORDAN - I.N.R.P. - Section Sciences et Environnement 29, rue d'Ulm - 75005 PARIS.
U.E.R. de Didactique des Disciplines
-Universit€ Paris VII, Place Jussieu 75005 Paris
COMITE D'ORGANISATION J.P. ASTOLFI A. GIORDAN A. GRIBENSKI F. HALBWACHS R. HELLER V. HOST M. HULIN A. JULIEN L. LEGRAND J.L. MARTINAND J.L. RICHARD J. ROGER G. RUMELHARD A. TIBERGHIEN G. VERGNAUD SECRETARIAT DU COMITE L. ALEHANNI A. COULIBALY J. GUYON
Biologie et didactique des sciences - INRP Biologie et didactique des sciences - INRP et Universit€ Paris VII
Biologie Universit€ de Rouen
Physique et didactique des sciences - Universit€ de Provence
Biologie - Universit€ de Paris VII
G€ologie et Didactique des Sciences - INRP et Universit€ Paris VII
Physique - Universit€ de Paris VII Math€matiques - Universit€ de Grenoble Sciences de l'Education - INRP
Physique et Didactique des Sciences E.N.S. de Fontenay et I.N.R.P.
Psychologie - Universit€ de Paris VIII Histoire des Sciences - Universit€ de Paris I Biologie - INRP et Universit€ de Paris Physique et Didactique des Sciences -L.I.R.E.S.P.T. - Universit€ Paris VII. Psychologie - C.N.R.S.
Physique - INRP Psychologie - INRP
Biologie - INRP et Lyc€e de St Quentin
SECRETARIAT ADMINISTRATIF M.A. CHEMANA J. GREGOIRE J. HALIHI L. SIMON F. LE FEIVRE
5
-REALISATION DES ACTES
Ce document reproduit les communications adress~es par les auteurs à l'issue de ces journ~es. Le travail de coordination 8 ét~ 8ssur~ par A. GIORDAN.
L'organisation des "journées sur l'Education Scientifique", ainsi que la publication de ce document de travail ont pu être r~alisées
grâce aux subventions obtenues dans le cadre de l'A.T.P. - C.N.R.S. "Processus et condition de travail de l'~li!ve" (contrat nO 5135 82) responsable A. GIORDAN). du s~minaire de recherche en p~dagogiedes sciences (UER Didactique des Disciplines - Université Paris VII) et grâce à la collaboration de la section Sciences de l'Education de l'Université de Genève.
-TABLE DES MATIERES
PRESENTATION DES 3~mes JOURNEES SUR L'EDUCATION SCIENTIFIQUE
A. GIORDAN ••••••••••••••••••••••••••••••••.•••••••••••••••••.••.•• p. JI
APPROCHES T.1.
STRUCTURES, NIVEAUX ET CHAMPS CONCEPTUELS •••••••••••••••••.•.••••. p. J9 Niveaux de formulation conceptuels et chsmps empiriques
de r~f~rence.exemple de la notion d'~l~mentchimique
J .L. MARTINAND •••••••••••••••••••••••••••••••.••••••••••.•.... p. 2! A l'aube de la m~canique classique
F. HALBWACHS •••••••••••••••••••••••••••••••••••.••••••••.•.••• p. 35
Du syst~me (pr~scientifique 7) l la th~orie (scientifique)
G. GOHAU ••••••••••••••••••••••••••••••.••••••••••••.••••••••.• p. 4 1 Eloge des th~oriea fausses
J.H. LEVY-LE BLOND p. 53
Le rapport au langage et son impact sur les facteurs psychologiques intervenant dans l'~ducationscientifique
B. JUlIDANT p. 63
Autour de la photosynth~se: remarques sur l'histoire du concept, les probl~mes p~dagogiqueset les strat~gies p~dago
giques s'y rattachant
J. BRACHET, M.L. CHAMPIGNY, A. MOISE •••.•••••••••••••••••••••• p. 73
Repr~sentations et concepts de la g~n~tique
G. RUHELHARD •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• p. 79
APPROCHES T.2.
METHODOLOGIE ET PRISE EN COMPTE DES REPRESENTATIONS DANS DES
STRATEGIES EDUCATIVES •••••••••••••••.•••••••••••••••••.••••.•••.•• p. 85 Didactique et acquisition des notions
V. BANG ••••••••••••••.•••••••••••••••••.••••••••••••.•••••••.• p. 91 Apprentissage en situation de classe de la notion de pression
de l'air en sixi~meet en cinqui~me
M.G. SERE ••.••••••••••••••••••••••••••..•.•.••• _ .•••••••..•••• p. 107 Prise en compte des repr~sentationsdans les strat~gie8
p~dagogiquea : perspectives
M. SANNER •••••••••••••••••••••••••••.••••••••••••••••••...•••. p. 121 Un exemple de restructuration de l'organisation conceptuelle
l l'occasion d'un enseignement concernant la notion de chaleur
A. TIBERGHIEN ••••••••••••••••••••••••••••••.•.••••.•.•.•••.••• p. 131 Poids et masse
H. BOVET ••••••••••.••••••••••••.•••••••••••••.••.•.•••.•.••••• p. 141
Les repr~sentationsconstituent-elles un obstacle l la mise
en oeuvre d'un raisonnement exp~rimental
8
-Approche des repr€sentations et de la construction des concepts en biochimie par l'utilisation d'un micro-ordinateur
J. TATIN p. 155
Quelques exemples de construction des concepts ~ l'€cole ~l~mentairedans des situations de classe
H. PAULIN p. 161
Discussion de synth~se
H. SANNER et A. TIBERGHIEN p. 173
APPROCHES T.3.
CONSTRUCTION D'UNE TRAME CONCEPTUELLE PAR LES ELEVES ET LES
ETUDIANTS ••.••••...•..••..•.•.•....•••.•.••.•.•..•.•.•... p. 177 Didactique et psychologie - problèmes et m€thodes
G. VERGNAUD ....•...•....•.•...••.•.•.••••••....•.•... p. 183 Quelques probl~mes pos~s par la structuration des concepts
dans l'enseignement scientifique exp~rimental
J.P. ASTOLFI p. 199 p. 217 p. 229 p. 235 p. 239 p. 245 p. 251 p. 259 Rôle de la communication orale et ~crite des ~lèves dans les
activit€s d'€veil scientifiques ~ l'~cole €l€mentaire
G. DUCANCEL .••....••....••..•.••.•.•.•.••••.•.••.•.•.••...
Mod~le sp€culatif de construction du concept de reproduction
~ travers ses notions composantes
M. DEVELAY •••••...••....•.•..••..••••••••.•...•.•... Un nouvel (7) outil p€dagogique en physique : la question J.M. LEVY-LEBLOND ..•.••.•.•.•••..•••.•.••••.•.•..•.•.•..••....
Les enseignants face aux concepts
N. RICHE •...•.•....•...•...•....•.•.••.•...•..•... Concetti ed insegnamento nella scuola elementare : qua le interazione tra concetti "spontanei" e concetti appresi sistematicamente
C. PONTECORVO, P. CRIVELLI et P. HAlZOLI •.•.•..•••.••.•....•.. La formation d'un concept vue comme la mise en relation d'indices significatifs: le concept de dur~e
J. HONTANGERO ••.•••••••.•••.•.••••.•.••••.•.•.••.••••...•...
GROUPES INFORMELS •••••••...•..•...•....•.•••...•... 1.1. Y-a-t-il un réseau de concepts "utiles" li la fin de la
scolarit€ obligatoire 7 (rapport non encore parvenu) Animateur : G. RUHELHARD
1.2. Recherche p€dagogique et formation des maîtres Animateurs et Rapporteurs : V. HOST, A. KRAKOWSKI et
G. VERGNAUD ...•..•.•...•...•.••...•.•... p. 261
1.3. Mus~ologie (rapport non encore parvenu)
9
-ANNEXES •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• p. 267
L'apprentisaage de la ~thode exp~rimentalepar la biologie
Y.PEETERS-MENDES DA COSTA p. 269
Stratégies altern~es (travail individuel-travail collectif)
exp~riment~esen premi~re ann~e de DEUG scientifique
J.P. COSTE et C. GENIN p. 275
Peut-on enseigner la critique de la science et des
scientifiques
a
des ~tudiantsd'un premier cycle universi-tai re 7-PRESENTATION DES TROISIEMES JOURNEES SUR
l'EDUCATION SCIENTIFIQUE
PROBLEMES POSES PAR LES PROCESSUS DE CONSTRUCTION DES CONCEPTS EN SCIENCES
- 12
-1 - L'A.D.N. ET LES MENSTRUATIONS
Pour ouvrir ces journées nous partirons d'un ensemble convergeant de constat. schématisables ainsi :
l'éducation scientifique actuelle, malgré un certain nombre d'efforts de rénovation présente toujours de graves lacunes.
En effet, un certain nombre de recherches,tant en France qu'en Europe, ont mis ~ jour qu'actuellement:
- La plus grande partie du savoir scientifique enseigné durant la scolarité est oubliée au bout de quelques années, voire de quelques semaines .•. Quand parfois il a été r@éllement acquis.
Il est difficilement transférable dans un autre niveau d'ensei-gnement, il est fréquent d'entendre des enseignants de l'enseignement supérieur se plaindre et dire "c'est la faute au secondaire" .. t ceux l~ même qui enseignent dans le secondaire de répéter en choeur: "c'est la faute au primaire".
- Il n'assure pas de rôle intégrateur, en particulier vis A vis du flux d'informations qui nous vient des médias.
Il est également difficilement réinvestis sable, dans la vie courante ou la vie professionnelle pour orienter une décision •.. Ce n'est sans doute pas le même type de formulation qui est '\Jtile"pour faire des
probl~mesde génétique et pour faire des élevages, pour faire de la physique
du solide ou pour construire un pont •.. Sans oublier de dire qu'il est tr~s inégalement réparti dans la population et, que parfois le savoir légitime, imposé,entraine des phénom~nesde dépossession des savoirs véhiculés par la tradition.
J'illustrerais anecdotiquement ces propos par une enquête que nous avons menés aupr~s d'étudiants de licence en sciences humaines ou d'instituteurs en formation. Nous les avons interwievés sur des aspects strictement biologiques A propos de la cellule ou de l'A.D.N. par exemple, ou sur des questions biologiques plus en rapport avec la vie courante
la fi~vre, les menstruations, le devenir de la nourriture absorbée 1
Si nous prenons les réponses aux questions sur l'A.D.N. par exemple,i l ya fort peu de non-réponse. Mais qu'évoquent-ils? Que leur reste-t-il 1 Essentie-llement, lenom ou du moins le son: "acide ribo-acide di t n.bonucléique", "amine désoxyribomécanique", et son importance "composant important", "élément de base", "molécule de base", "cellule de base". Un tiers seulement des étudiants note cette macromolécule en rapport avec l 'hérédité et un sur dix parle de "support du code génétique". Et encore pour ces derniers, si l'on essaie d'aller plus avant dans ce qu'ils savent, l~ encore ce sont de nouvelles surprises :"or~anes en miniaturp au repos", "cellules vivantes constituées d'acides aminés qui permettent l'échange entre cellules", "molécule de base qui sert de support aux enzimes" (Sic) .
On peut noter avec int~rêt soit que l'~tudiant ~ compris, mais
il traduit les m~canismes ~ travers un cadre de référence simpliste:
"organes en miniature", ce qui rend son savoir inopérant, soit que ls'est contenté de construire '~tudiant ~ partir des mots (1) qu'il a entendu une explication, explication qui se maintient, car il n'a jamais eu l'occasion de la tester pour juger de son efficacité.
Hais le plus significatif: c'est cette impression de ssvoir que poss~de l'~tudiant. Cette sensation est sans doute créée par le fait qu'il poss~dedes mots qui ont une conwonnance sérieuse (2). De plus, il
peut les relier ~ d'autres mots. D'où le désint~rêtpour essayer d'en aavoir plus, du moins jusqu'au moment où il se trouve confronter ~ des problèmes qui demandent dans leur r~aolutionla maitrise de tel savoir.
Quant aux "règles", la majorit~ des réponses se limitent ~ l'idée d'Empédocle: il s'agit de "sang qui s'est accumulé dans les voies génitales pendant 28 jours pour nourrir le futur embryon", ou "pour constituer un berceau" ~ celui-ci.
Deux tiers des étudiants méconnaissent leur orlglne, il peut s'agir pour eux aussi bien du vagin, de l'ovaire souvent lors de l'ovula-tion, des trompes, de l'enveloppe du corps jaune, que de l' ovule "~vacué
qui éclate".
On trouve encore quelques cas d'étudiantes qui confondent période
de règle et p~rioded'ovulation' (3). Mais ce qu'il y a de caractéristique/ c'est le déphasage pour le plus grand nombre entre la connaissance de
la p~riode de plus grande probabilité de fécondation et la pr~sence
nécessaire de l'ovule dans les voies génitales et réciproquemment !
(1) Tous les mots utilis~s sont en liaison avec le fonctionnement de
l'A.D.N., mais l'explication n'a bien sûr aucun sens car les mots
sont employ~s ~ la place d'autres. Il en est de même pour les ~csnisrnes.
(2) Une consonnance sèientifique. La publicité utilise 'gaIement ces mots aux connotations d'efficacité: "lessive au protéines, aux enzymes", "jus de fruits
en boite vitaminb", du moins jusqu'au moment oil des problèmes ont été mis il jour comme ce fut le cas pour le"dentifrice ~ l'hexachlorophène'.'
(3) Pour la petite histoire, on trouve encore dans le manuel pratiqua d'hygHne : "La préservation sexuelle" A.B. de Liptay 1910 (P. 15) "la coincidence entre l 'ovulation et la menstruation fait
supposer une relation de cause ~ effet entre les 2 phénomË'.nes", et
(P. 22) "Les recherches des physiologistes ont établi qu'il existe une période orgénisique pendant laquelle les rapports sexuels ne sont
presque pas suivi de conception" •.• "en faisant commencer cette période 8 jours après la fin du flux catémenial et finir huit jours avant son renouvellement, on obtiendrait ainsi 8 ~ 10 jours d'immunité
- 14
-2 - LES DIFFICULTES DE L'APPRENTISSAGE
Cet avant propos est bien sûr un m~talepse, et on n'est pas à l'abri d'art~factpar ce genre de questionnement. Mais journellement quand on y est sensibilisé, on constate que les repr~sentations imm~diates.
individualis~esne se laissent pas abolir facilement par un enseignement syst~matiquemême bien fait. Elles ressurgissent constamment en situation plus ouverte, alors qu'on croyait les avoir dépass~esen situation d'apprentissage (1).
On peut d'ailleurs également noter que le verbalisme de certaines acquisitions scolaires masque la persistsnce de mode de pens~e antérieur. Ainsi on retrouve chez de nombreux étùdiants un arri~re plan comportant en autre des idées sur l'horreur du vide, la g~n~ration spontanée, la transmutation, la non conservation des esp~cesou de la mati~re dans le~
conditions habituelles, sans, bien sûr, qu'il a'agisse d'intuition g~niale de la théorie de l'évolution ou sur la formule d'Einstein.
Cet exercice est tr~s rév~lateur, très formateur pour les
enseignants, et cela nous amène A nous poser un certain nombre de questions sur les conditions facilitantes pour essayer de promouvoir un savoir opératoire pour un plus grand nombre d'~l~ves. Car elles se maintiennent ces représentations initiales, et ceci n'est en rien contradictoire avec des connaissances dites scientifiques que les él~ves m~morisent, pour
r~ussiraux examens .•. Pourtant les cours ou les manuels scolaires paraissent
A première vue suffisamment rigoureux, logiques et joliment structurés. Alors pourquoi les mod~les scientifiques mêmes simplifiés, même illustrés par des exp~riences,par des audiovisuels n'arrivent-ils pas A s'imposer auprès des ~l~ves, et même auprès des étudients scientifiques? Peut-être comme le dit Bachelard, c'est parce que les explications qui se veulent scientifiquea "n'ont pas d'allure". Il n'est pas si aisé d'accepter une remise en cause de ce qui a ~té élaboré depuis longtemps au contact de la pratique quotidienne. Sans doute tant que la nécessité de changer de mod~le ri'apparait pas (et quelquefois elle n'apparait jamais, car l'école ne prend pas ce temps) nul besoin de modifier les modèles explicatifs ne surgit.
Mais même si ce besoin s ete cree-et il me semble indispensable et important d'insister sur ce point car c'est un facteur limitant -cela reste insuffisant car le savoir scientifique ne peut 2tre construit par un coup de baguette magique. Or tant qu'on resters inconscient des difficultés qui empêchent de connaître,le cheminement vers ce aavoir tiendra à la fois du chemin de croix ou de la loterie ...
0'00 l'intérêt nous semble-t-il de nous pencher sur ces obstacles, pour tenter de les expliciter, en r~unissantA la fois des enseignants qui y sont confrontes quotidiennement et, des chercheurs motives par ces domaines.
(1) J.P. ASrOLFI Représentation des élèves en situation de classe -Revue Française de Pédagogie nO 45.
Car ai nous en jugeons par les lettres et lea discussions pr€paratoires
~ ces journ€es, les praticiens ont un certain nombre de questions pr€cises
~ poser à partir de la pratique de classe. A cela les chercheurs peuvent apporter une probl€matique et une m€thodologie, qui peut-être renouvellera, à la fois les hypoth~sesp€dagogiques et leur traduction dans la r€alité quotidienne de la classe.
3 - CHAMONIX 1980
Ces journ€es ont donc pour but de présenter des exp€rienc~s diverses et de faire r€fl€chir ensemble des sp€cialistes d'origines diffé-rentes, compétents en la mati~re, dans le but de contribuer à dépasser les situations d'apprentissage les plus courante" soit dogmatiques, soit actives (1).
Sur des points particuliers, il s'agira de rechercher comment on peut articuler deux exigences d'apparence contradictoire: d'une part, la nécessit€ pour chaque individu de construire personnellement SOn savoir
par un effort d'investigation, de communication et de production (2),et d'autre part l'acc~s A un acquis conceptuel socialisé, que l'on ne peut faire semblant d'ignorer car il constitue le "corps" de la science. Ce point d'ailleurs demande A être explicit€ : s'agit-il d'une science "officielle" reconnue par la soci€té, ou bien de concepts véhicul€s par les médias et qtlil importe en situation d'enseignement de faire évoluer dans un sens "vrai' scientifiquement c'est-A-dire accept€ par la soci€t€ scienti fique.
Cette ann€e, ces journ€es sont centrées sur les ~rocessus de construction des concegts. Simultanément, sont envisagls d une part l'aspec épist€mologique de la structuration des concepts" sous l'angle historique et sous celui de la recherche scientifique actuelle, d'autre part, l'aspect p€dagogiQue SOllS l'angle <tes processus - représeÙtations, démarches,
obsta-eles - d'apprentissage et des conditions éducatives - situations, interven-tions p€dagogiques,aides didactiques - facilitantes .
Ces propositions bien que développées ainsi de façon schématique ont pour objet d'ancrer une éducation scientifique non pas sur des a priori comme le sont trop souvent encore les programmes actuels ou les stratégies pédagogiques les plus courantes, mais sur une autre approche de la structure du savoir à enseigner et surtout sur une meilleure connais-sance des mécanismes d'apprentissages.
(1) Dans ce dernier type de p€dagogie, se trouvent associ€s une activité scientifique €troite (obs, exp, s€rie de mesure) et un énoncé tres g€néral qui, pour les €l~ves ou les étudiants reste bien souvent sans rapport avec ce qu'ils ont réalisé.
(2) si l'on donne comme fonction à ce savoir de fonctionner aussi en dehors des situations d'apprentissage conventionnelle, de pouvoir être réin-vesti dans ces situations et 'llonner des armes"pour prendre des décision et agir sur son environnement ...
- 16
-Le concept didactique d'apprentissage, par exemple, est un champ conceptuel encore fort peu approch~, il a ~t~ rarement aaisi dans son originalit~, il est trop souvent amalgam~A celui d'enseigner.
c'est une id~e qui peut paraître ~vidente, mais qui ~viterait si elle ~tait approch~e le d~calage consid~rableentre des professeurs qui enseignent et des ~l~ves qui suivant un autre cadre de référence et de toutes autres procédures, essayent parfois de se faire une idée de la question.
Pour en revenir A l'objet de ces journées, les travaux s'articu-lent ainsi autour de 3 approches :
Structures, niveaux et champs de réseaux conceptuels.
- Représentation des él~ves : méthodologie et prise en compte des représentations dans les strat~gies ~ducatives.
- Construction d'une trame conceptuelle par les él~ves et les
~tudiants.
La premi~re approche s'intitule:
STRUCTURES, NIVEAUX ET CHAMP DE RESEAUX CONCEPTUELS (TI)
en effet au point de vue épistémologique, un certain nombre de questions se posent,schématisables de la façon suivante:
- Comment se structurent les concepts ? Comment affleurent-ils ?
- Historiquement comment se construisent-ils 1
De même,dans le cadre de la recherche scientifique actuelle?
- Dans quelles structures ou champs prennent-ils leur signification?
- Sont-ce des outils de recherche ou des produits terminaux?
- Quelles sont les relations entre concepts, théories, paradigmes, idéologies, démarches etc ••. ? Existe-t-il une hiérarchisation des concepts ?
Il s'agit d'une dimension pour essayer d'approcher la nature, le contenu et l'organisation du savoir qu'on prétend enseigner. ~lle se con-centre sur un ensemble de questions autour des relations internes entre les divers éléments notionnels, et leurs limites qui constituent un champ conceptuel, et sur les relations externes entre champs conceptuel., c'est-~ dire sur la recherche des autres concepts indispensables qui donnent un sens, qui constituent le~oubassemene'du concept étudié,mais aussi sur tout le contexte environnent aux procédures scientifiques : paradigmes ou idéologies qui ne peuvent être évacués.
Les 2 autres approches :
REPRESENTATION DES ELEVES : METHODOLOGIE ET PRISE EN COMPTE DES REPRESENTA-TIONS DANS DES STRATEGIES EDUCATIVES (T2)
CONSTRUCTION D'UNE TRAME CONCEPTUELLE PAR LES ELEVES ET LES ETUDIANTS (T3) nous les regroupons dans cette pr~sentationinitiale, en effet ils constituent les deux pôles de l'aspect du 'processus d'apprentissage. De ce point de vue d'autres questions apparaissent:
- Comment les ~l~ves peuvent-ils s'approprier les concepts scien-tifiques actuels 7 Doivent-ils les construire ?
- Comment se substituent-ils aux repr~sentations premi~res
Par quels niveaux successifs peuvent-ils passer?
- Quels sont les obstacles principaux ~ franchir 7
- Quelles sont les strat~gies p~dagogiquesfacilitantes pour faire ~voluer les concepts d'une formulation ~ une autre plus heuristique 7
- Quelle est l'importance des phases d'investigations? des phases de structurations 7
- Comment savoir si un niveau de conceptualisation est acquis 7 Peut-il être réinvesti dans une autre situation 7
- Quels int~rêts formateurs ont-ils pour les ~l~ves 7 les ~tudiants - En quoi la maîtrise des concepts permet-elle d'int~grer
l'information? de continuer ~ poser des questions 7 en quoi enflue-t-elle sur la prise de d~cision 7
Mais aussi
- Existe-t-il un réseau de concepts "uti le" (17) ~ un énve ~ la fin de la scolarit~obligatoire, ou pour entrer ~ l'universit~ Dans cet ensemble, l'sxe T2 essaie plutôt de cerner l'heuristique du concept de représentation, ses origines. seS fonctions éventuelles : en particulier ce concept peut-il avoir un statut p~dagogique ? Il s'agit d~s lors de chercher ~ préciser les m~thodologiespour les mettre en évidence et les possibilit~soffertes par une éventuelle utilisation en vue d'ai~er
les ~l~ves ~ accéder aux savoirs scientifiques.
L'axe T3 devrait être la résultante de ces travaux orientés sur les innovations p~dagogiques,du moins en indiquant des directions
-
18-g~n'ralesde recherches (1). Il essaie de mettre en ~vidence des chemine-ments pédagogiques possibles en fonction des objectifs,~ long terme, souhaitables pour une ~ducation scientifique. Il tente également de drpsser une liste des obstacles il ~viter lors des processus de conceptusl isation. Hais il ne peut bien sûr être exhaustif, il se pr~senteplutôt comme un état de l'art.
Les trois approches ont ét~ traitées i!I la fois en séauce plénière ~ partir d'exposés précisant l'ôriginalité de chaque angle d'investigation particulier et en travaux de commission permettant de confronter non pas pour les opposer. mais pour les dépasser, un plus grand nombre de recherches précises ( Voir TI, T2, T3).
Parallèlement i!I celA un certain nombre de structures sans structure ont permis une rencontre autour d'un thème (voir G.I.). Ces discussions formulées i!I l'initiative des participants pour "débrou.. -sailler" d'autres aspects des domaines de l'~ducation, de la formation et de la recherche en didactique, ont pour but de traiter un problème plus général. Car il s'agit d'être prospectif en la matière. En particulier, le problème des connaissances risque de devenir ~ court terme un problème aussi aigu que celui de l'~nergie ou des ressources. Non pas cette fois par leur épuisement, mais i!I cause de leur·surabondance. De plus en plus de secteurs deviennent générateurs ou demandeurs de savoir scientifique. De plus en plus, ils sont orientés vers l'application et la vulgarisation. Ce développement rapide, la possession ou la mise en circulation, la conservation ou la redistribution de cette masse de données n'ira pas sans problèmes.
APPROCHES
T.l.
STRUCTURES, NIVEAUX ET CHAMPS DE RESEAUX CONCEPTUELS
S€ance Pl€nière : Pr€aidence J. GRIBENSKI Travaux de groupe : Modération et coordination J.L. MARTINAND, F. HALBWACHS
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1IIIVElUX DE FOIOOJL!TIOfl CONCEP'l'UEl8 ET CHAMPS EMPIRIQUES DE REFERENCE EXEMPLE DE
tA.
NOTION D'BLEMENT CHIMIQUE22
-"L'otYgène s'appelant ainsi (bien ou mal) parcequ'il produit l'acide, i l se trouve que l'agent qui produit l'aoide a la propri6t6 remarquable de ne pas poss~derl'acide, ce qui me panitt merveilleux 1 mais COmme je ne Buis pas du métier, je m'en tiens à l'admiration".
J. de MAISTRE
Le
but de cet exposé eet de faire ressortir quelques probl~mes posés par la caract~risationdes objectifs conceptuels, à partir d'un exemple réalis-te : la notion d'~lémentchimique dans le programme du nouvel enseignement de sciences physiques en cinquième. (1)Nous prenons ici ce programme comme une donnée imposant d'une part un concept central, d'autre part des exp6riences obligatoires ou suggérées déter-minant ce qu'on peut appeler un "champ empirique de ~férence".
Le
potQt de vue adopté est donc celui d'une analyse à priori pour explorer le réseau desconnaissances vers lequel peut aboutir un tel enseignement, c'est à dire déter-miner les objectifs conceptuels possibles. Notre étude se distingue de
recher-ches comme l'enquête sur guelques vocables d'orientation scientifigue faite par
une ~quipe de Saint-Cloud et du LIRES PT , et qui vise à connattre les
représenta-tions des enfants par une ~tude de type linguistique, ou de la mise au point, nécessairement liée à des essais réels, de types de cheminements didactiques pour atteindre lee objectifs, dont elle apparatt cependant comme un préalable.
Pour poser plus concrètement le problème et prendre conscience des diffi-cult~s, le mieux est de se reporter à la fiche documentaire serni-officielle édi-tée par le
CNDP. (2)
On lit p. 24
"La rubrique chimie du programme de 5e est centrée sur l'élément chimique. On notera cependant que les différentes notions théoriques sur la structure de la
23
-mati~re - atomes, mo14cules, ions, 4leotrona - ne sont pas su programme. Il
ne faut voir lA aucune contradiction. En classe de 5e, les 41~ves, en œajo-rit', n'ont pas enoore atteint le stade intellectuel qui leur permettrait de bien comprendre la struoture intime de la mati~re. Il. oompl~terontau cours de cette ann4e leurs premi~resnotions sur les r4actions chimiques, en
mettant surtout l'accent sur le cet' erp4rimental qui leur est directement ac-cessible. Sur le plan th40rique, il faudra se limiter A deux objectifs fonda-mentaux 1
- faire comprendre qu'une r4aotion chimique dst une transformation qui affecte la nature des oorpe ,
- faire comprendre ausài que la mati~re .e conserve , c'est la premi~re loi de LAVOISIER.1
'L"tude quantitative des rlactione chimiques permettrait de montrer la conservation de la mati~re , mais cette 'tude exige des moyens qu'il n'est pas
possible de mettre en oeuvre au ooll~ge. Par oontre, on peut facilement montrer
la conservation de la mati~een suivant un même 'l'ment chimique au cours des
diTerses transformations.
"Les pages qui suivent compattent d8U% parties distinotes f
- des notions th'oriques sur la struoture de la mati~re 1 il va de soi que ces notions ne seront pas 'tudi'es en olasse de 5e ,
- des informations d'ordre erp4rimental direotement utilisables aveo les 'lh'es."
Et voioi la conclusion, p. 28 f
"L'information pr'c'dente concernant la structure de là mati~reest des-tin4e au seul usage des professeurs. Elle a pour but d'aider l'enseignement du programme de 5e en pr4cisant bien la notion d"L6ment chimique et en fournissant des donn&es pour l'interpr4tation th'orique des r'actions dites de "teet" des '14-ments.
"Nona retiendrons les r'sulte.ts suivants 1 - nucle!de ( ••• )
- 24
-- 'l'ment chimique 1 ensemble d'atomes dont les noya\lx contiennent le m~me nombre de protons 1 un 'l'ment est caract'ris' par un seul nombre Z et son symbole est ~X (pour une valeur de Z il existe souvent plusieurs valeurs de A)
oorps pur 1 ensemble d"difiees chimiques de composition parfaitement
d'finie t il peut s'agir d"difices atomiques, de mol'cules X
n TM ou d'ions de formule ;("+ et yIl-".
Les professeuIBqui voudraient utiliser ce texte pour traiter leur pro-gramme de Se ne reçoivent ainsi qu'un expos' explicitement hors-sujet.
Ceux qui 'v rodraient se reporter li des manuels de _econde ne eeraient p~s beaucoupfaidés. Voici quelques 'nonc's se pr'sentant comme d'finitions de l"l'ment chimique. (3)
- "L"lément cuivre est ce qui existe dans le m'tal cuivre et dans tous seB compos's:'
"Cette notion d"l'ment est concr'tis'e par une particule qui est l'atome de cuivre". (Hachette p. 11)
"Nous dirons que les corps compos'e oxyde cuivrique, dioxyde de car-bone et eau ont un oonstituant commun t l'414ment oxYg~ne (et non pas le corps
simple oxyg~ne)". (Bai llillre p. 167)
- "Les atomes d'hydrogène normal, de deuteri~et de tritium possèdent le m@me nombre de protons (m~mevaleur de Z) 1 nous dirons qu'ils sont diverses formes du même 'l'ment ••• " (Belin, p. 26)
- "L'4~4ment oxygllne est ce qui est commun li teus les oxydes form's et aussi au gaz oxygène".
"G4n'ralisation t l'ensemble des 'l'ments pr'sents dsns les corpe pur entrant ~ r'action chimique se retroUTe dans le corps purs finals, les r'sc-tions termin'es." (Nathan p. 20)
- "Les IIpinardll contiennent du fer
il Y a du fer dans l'h'mo~lobinedu eap~ ra tour Eiffel est construite en fer.
25
-"Dane chacun des cae le fer ne l'le pr4eenta pas soue le m~me aepect : aspect m~talliquedans un cae, soue forme de combinaison dane les autres. Mais on dira dans chaque cas qu'dn est en pr4senoe de l'4~~ment fer.
"C'est le nombre Z de protans contenu dans le noyau atomique qui carac-t4riee l'4~ment". (Dictionnaire Hachette p. 150)
Cette revue met en 4videnoe la di~ereit6des points de
VU.,
plus ou moine explicites, et m3me quelques contradictions. Il en ressort l'urgence d'~~e analyse d4tail14e des formulations conceptuellea possibles, ad4quates ~ champ d'investigation empirique.Cetta ana~se sera ordonn'~ par cinq probl~mes
- peut-on traiter ensemble r'actions chimiques et structure de la ma-ti~re ?
- comment d4finir le concept d'4l4ment chimique, en r4ponse à quelles interrog!ltions ?
- comment faire fonctionney le concept d"14ment ? - comment sY,Fbolfser l'4l'ment ?
- quelles reformulations le concept doit-il subir?
l PEUT-ûN TRAITER ENSEMBLE REACTIONS ET STRUCTURES?
Il est bon de revenir ~ la situation impos4a par le programme :
- an 6e : propri4t4s et transformations physiques (m41anges, changements
d'4tat) exp4riences sur les combustions, avec quelques r'actions test 1 - en Se ~actions chimiques (avec 0, C, H, S, Fe, ect ••. )
- en 4e m4taux, ions, atomes et ~léctrons - en 3e mod~le atomique
Le choix des concepteurs est clair 1 11 faut faire des exp4rlences de
n\ectjons chimiques, donner ainsi un réf~rent empirique commun !nu: ~18\Tes eC orf,"l.ilissr la compréhension par les concepts de corps simple, corps compos4
et l!l~ment avant de passer li des "'od~lesde structura.
26
-8ciences Plwsinues (4) privilégie les mod!lles de structure pour représenter
et expliquer les transformat~onsphysiques,puis chimiques. En réalité, la
chimie des réactions est djvalorisée. On se donne ainsi sans doute les moyens
de penser spéculativement, sans s'~tre posé les problèmes du chimiste. Mais ,es difficultés n'ont été que déplacées 1 il faudra bien à un moment ou Un autre construire les concepts adéquats à la pratique des manipul~tions chimi-ques.
Un tour d'horiEon des différentes orientations étrangères sur ce point
semble fsire appara1tre une certaine incompetibilité de fait entre les deux
voies - compréhen~ion opératoire des réactions chimiques - modélisation struoturale de la matière.
M~~e si les passerelles sont possibles et nombreuses comme le mont~
la
guide du ma!tre 4e de la collection Libres Parcours p. 12< (5)Un indice vient appuyer ces affirmations. Dans son histoire de la
chi-mie (6), W. OSTWALD, éner~tiste anti.tomiete, fait remarquer 1 "l'hypothèse atomique présente une difficult4 esaentiella qui n'avait p&s échappé k BOYLE.
Si les atomes restaient inaltérés dana leurs combinaisons, il serait naturel
que les propriétés des combinaisons fussent les sommes ou les moyennes valeurs
conveilsblement formées de9 propriHés des tlléments" (p. 15). Une formula tien
ql1i fi'tloarte pas cette objection ne permet p&s de comprendre vraiment les ré8.c···
tians chimiques et favoriee la confusion combinaieon-mélange.
II
CO"W~NTDEFINIR LE CONCEPT
D'ELE~ŒNT ?Rappelons que le concept doit IHre défini en dQhors de la notion d'atom".
En un sone, le programme est d'ailleurs cohérent puisque, mise à part J/lcoovArsatiofi globale de la maese lors des réactions, les relations pondérales sont
exclues. Or elles suggèrent fortement une modélisation granulaire et
renfor-cent le point de vue de recherche de structures cachées particulaires.
Trois grandes ~uestionsapparaissent 1
- }' interpr<ltation renvoie-t-elle II des "propri4Us 4l4mell tIl.ires" ou II des lois des r4actions chimiquee ?
- corps simple et ~14ment sont-ils des concepte interchangeables ?
En ce qui concerne la premi~requestion, nouS rappelerons bri~vementdeux
aspects :
- le concept d'414ment conc9rne lee r4actions chimiques, c'est-à-dire un domaine empirique de transformations de la mati~re pour lequel la loi de
con-servation de la substance, et dono la notion de substanoe corr41ative, mises au point pour les transformations "physiques" ne sont plus ad4quates
- le concept d'~14ments'oppose li l'id4e de transmutation des substances
simples admise par les alchimiste : une r<!action chimique ne peut aboutir li une transmutation.
Pour r<lpondre II la deuxi~mequestion, on peut e'appuyer sur une citation
4clairante de W. OSTWALD (op. cit. p. 10 et 11).
"On apprenait II connattre de plus en plus les groupes de corps apparent<ls qui se tirent d'un corps donn4 ou peuvent reproduire ce corps par transformation, et on en eux des familles naturellee. On oomprenait ainsi qu'on ne peut pas commu-niquer li un corps donn4 des propri4t4s quelconques, mais que celles qu'on peut
lui communiquer d4pendent absolument du corps d'où l'on part; on ne pouvait plue consid<!rer les propri4t4s comme des <!14ments ou principes, dont la r4union forme les corps, mais il fallait chercher dans les corps eux-m~mesces <!14ments ou prin-cipes d'ol' d<!pend la mnstitution des produits.
"C'est ainsi que le concept d'614ment 4volua de ~lus en plus de la propri4t<! abstraite vers la mati~re concr~te.
"La loi qui marque des progr~sne fut connue que progressivement et elle n'a trouv6 que tr~s lentement son expression complète. Plus tard, cette loi a toujours
été Ilccf'ptée tacib"ment sans I!tre formu14e d'une façon sp<!ciale ; c'est seulement
dlll1S ce" ,JprnisJ·s temps qu!" J'on Il commenc4 à l'f!lnoncer expressément. Nous
l'Ilp-prdC'rons la loi de consE'rvlltton <!lf!lm!"nts : si d'!s corps quelconques sont donn<!s E't ~i l'on d4tennine III natur!" et la m'lS"!" des <ll~ments de ces corps, aucune
r~llction, quelle qU'E'lJe soit, ne peut modifier la nature ni la masse dee 41~ments."
28
-De ce point de vue, on peut remarquer que la d'finition souvent formu14e, "1'414ment est ce qui est commun à un corps simple et à .es compos's" - ~est ambigÜe : elle ne choisit pas entre propri't4s 4l4mentaires ou loi de conserva-tion. Elle tendra à @tre interpr't'e dans le pre..ier sens et sera alors source de confusions.
Si l'on met à la base de la notion d'41'ment la loi de conservation dans la r~action·~himique,il devi~nt cruoial de distinguer 1
- corps simple, terme de l'analyse chimique, donc ooncept empirique étroitement rattaché aux techniques d'analyse et aux tests de reconnaissances chimiques 1
- élément, concept th'orique, base de la th'orie qualitative des r'actions chimiques, et sans relation à ce stade à une quelconque mod'li~ationstruoturale de la matière.
C'est MENDELEIEFF qui a eu le premier la conscience la plus olaire de oette distinction (7) :
"Les relations p4riodiques que nous avons énum'r4ea plus haut appartiennent aux éléments et non aux conps simples 1cela est important à connattre, car les poids atomiques sont propres aux 'léments, les corps simples et Les oorps compo-sés ont leurs poids moléculaires ••• Le but principal de la chimie contemporaine est d'approfondir les rapports entre la composition, les réactions et les qualités des corps simples et composés, d'une part, et les qualit4s Tntrinaè~u98des é14-ments qui y sont contenus d'autre part, pour pouvoir déduire du caractère déjà
connu d'une 41ément, toutes les propri't4s de toutes ses combinaisons."
Cette oitation nous semble fondamentale car elle fixe la probl4matique de la chimie selon MENDELEIEFF ~ la science des réactions chimiques.
Il est curieux de voir que cette distinction~tpassée très souvent sous silence, surtout paroeux qui donnent une définition de l'élément par le nombre de protons du noyau. Ainsi, pour ne donner qu'un exemple, le manuel de GRAY et HAIGHT
(8),
reprenant une définition remontant à BOYLE et LAVOISIER (un élément est une substance qui g~. toujours du poids dans une transtormation chimique),parle d'Illmente non mltalliquee gazeux, li~uides ou solides". Par contre, il rait remarquer avec rigueur que lee atomes dans la mol~cule ne sont pas identiques li. l'atome libre. (p. 12 et
13)0
Le trait6 de chimie g6n6rale d'URBAIN (9) donne une des meilleures ana-lyses. (P. 28) : "Qu'on fasee ou non appel li. l'id6e d'atome, la notion d'6l6-ment conaid6~e comme distinote de celle de corps eimple, pr6eente li. priori un oertain caract~re mltaphysique. En tant qu'esp~ce,nous connaissons les corpe simples, puiequs les esp~cessont dlfinissables par un large snsemble dG propri6tls. Jusqu'ici, nous ns savons, des 61'ments, rfBn qui soit d'un caract~rsrigoureusement positif. L'id6e d'616ment n'est encore pour nous qu'une notion d'riT6e, introduite dans la science par Toie d'hypothèse pour 6carter oelle de transmutation h laquelle les premiers ohimistes a'ltaient rall1'll. "
En r6sum6, Itant donn4, de manihre empirique, un oertain domaine de tran~ forœations - r6aotionechimiques -, on peut dire, au niveau du programme de 5e, qu'h chaque corps eimple correspond un '16ment qui est "ce qUi ee conaerve" dane la r'aotion.
III COMMENT FAIRE FONCTIONlB lE CONCEPT D'ELEMENT?
Plus abstrait que lee concepte empiriques de corps simple et compos6, car d'ordre th6orique, le concept d"16ment est le "oDeur" d'un syst~me
op6-ratoire qui lui donne sa signification. Dans le programme de 5e, où les rela-tions pond6rales sont exclues, le consept fonctionne qualitativement.
Le guide du mattre Se de la collection Libres Paroours
(10)
repr6sente sous forme d'organigrammes des enchatnements de r'action affectant un 616ment donn6 (p. 43). On peut ainsi:faire apparattre des corps simples, oa leurs compos6s par combimison - analyser les corps compos6s et retrouver les corps simples
- enchatner des r'actions jusqu'h des cycles ferm4s 1
- suivre p~r dee teets, avec des r6sultats permanente, certainee 6tapss in term6die.ires.
30
-Ceci sugg~re fortement un syst~me op4ratoire (op~ration, inverse, iden-tit~, cycle) complexe, diff~rent pour chaque ~l~ment, mais dont la structure d'ensernble peut être pens~e par analogie avec celle aS90ci~eau conce~t de substance pour les changements d"tat.
res derniers ~Bt~mes ont fait l'objet d'investigations psycho~n'tiques(11) (dissolution de sucre, fusion de la bougis, 'vaporation) (p. 36-43). La com-paraison avec les transformations physiques n'est d'ailleurs pas fortuite. OSTWALD notait d'jà que "en même temps que le concept d"l'ment s'~claircis-sait et se fixait, le concept de substance se formait aussi".
Cette question du "fonctionnement" du concept, c'est à dirs des types d"nonc's dans lesquels le mot 'lémsnt peut entrer, des types correspondants de relations opdratoires que les 'l'ments peuvent entretenir entre eux, et des r~actions chimiques r'ellee qui leur servent de r'f'rent, sst la question décisive pour l'~lucidationde notre probl~me : sa ma!trise constitue l'objec-tif conceptuel essentiel correspondant au programme de 5e. Or, si l'on se re-porte aux citations de manuels de seconde, on voit combien de flottements subsis-tent il n'en vs pas sutrement pour les manuels de 5e.
Sur un mode plus philosophique, l'article 'l'ment chimique de l'Encyclo-paedia Universalis peut servir de résum' à cette discussion (12) : "L'él'men-taire est ce qui se révèle identique à soi-même au-noeud terminal d'un réseau de différentes violences analytiques ce n'est plus sp'cifiquBment le terme des purifications, mais bien ce qui eet isol~ et transfér.able sans alt~ration dans divers parcnurs de r'actions, c'est l'invariant empirique discernable entre
les m~tamorphosesdes combinaisons".
Autrement dit, c'est le bloc formd par le concept d'élément et le système
op'ratoire dont il est eolidaire qui permet de répondre à l'interrogation scep-tique de BOYLE (13) : "Une considération sur laquelle je désire attirer l'atten-tion est celle-ci qu'il n'est pas sOr, ainsi que les chimistes et lee p~ri pat4ticiene l'ont avanc4, que chaque substance homog~neou distincte, s'parée
d'un sorps par l'aide du feu, pr~existBitdans ce corps comme principe ou dldment."
IV
CO~1ENTSYMBOLISER LES
ELE~ŒNTS ?Cette question, qui a fait l'objet ds travaux historiques (14),m~ti terait une dtude ~ soi seule. En Se on dispose 1
- d'une nomenclature vocale, plus ou moins 61abor~e du point de vue de la repr~sentationdes structuree mol~culaires, et normalis~e par des conven-tions internationales
- de son ~criture
- de diffdrentes reprdsentations graphiques symboliques.
Dàns le cadre du programme de Se, on peut reconnattre des correspondan-ces entre les ~rations d~crites pr~c~demmentet les tranformations lexicales d'une part, les 616ments et l~e radicaux qui lee symbolisent d'autre part. Meis la nomenclature officielle, si elle refl~te bien ainsi la oonservation des 'l'ments, pour les r6actions et les corps du programme, ~rsnd en compte d'autres connaissances chimiques, d'ordre combinatoire et structural.
Enfin, la repr6sentation graphique symbolique, bien qu'on puisse mettre en oeuvre des systèmes de signes strictement ad4quats au niveau du programme, tend ~ induire une 1nterpr6tation structurale 1 ce peut ~tre une voie de pas-sage didactique pour poser cette question, mais Bussi une source de confusion si see règles de fonctionnement (ieomorphisme avec la nomenclature verbale)
ne sont pas explicit6es.
V QUELLES REFORMULATIONS LE CONCEPT PEUT-IL SUBIR
?a.
Urbain a abord6 certains aspects du problème, du point de vue histo-rique et scientifique, mais non didactique, dans un livre d6j~ ancien (15). En ce qui nous concerne, nous pensons av oir montr6 que la formulation de la notion d'61drnent, comme ce qui se conserve qualitativement dans une r~action chi-mique, dtait ad~quate au champ empirique du pro~rammede Se. En 4e, avec l'intro-duction deR rdactions ~lectrochimiques,on pour~it poursuivre dans la m@meorlen-- 32
-tation, en faisant de l'~lectricit'(4lectron) un "proto-'l'ment" ••• Le pro-gramme - et le bon sens! - impose l'introduction d'une th~orie particulaire.
Plus généralement, la chimie organique va sugg~rerdes parentés entre certains "radicaux" et les .H'ments 1 la recherche d"ventuelles propriétés élémentaires - masses et lois de combinaiSons conduisant aux nasses atomiques, spectres et particuli~rementspectre X - vont ~ chaque ~is permettre d'élar-gir, approfondir, enrichir la notion, donc imposer des reformulations.
Parall~lementles limites de validit~, ou même des difficult's s'rieuses vont appara!tre wr.ec les 'léments radioactifs et les isotopes qui vont obliger à préciser le domaine des r'actions chimiques, consid4r' jusqu'~ pr~sent comme un donné empirique. ('quivalence ohimique des isotopes, indifférences de la radioactivité aux combinaisons chimiques).
Enfin, une harmonisation devra être explicitement ~t.blie avec les théories structurales de 18 ~ière. On a vu·~ ce propos la difficult' signal'e par BOYLE, mais il en existe d'autres 1 le 8y8t~me pédiodiquB des atomes isol'8,
formel-lement identique ~ celui de MENDELEIEFFj ' ne peut aTair la même signif':ication :
seules les théories électroniques de la liaison chimique permettent de situer le domaine des réactions chimiques 6t de retrouver comme approximations adéquates à ce niveau les lois de conservation qualitatives et quantitatives (16).
En conclusion, nous aimerions souligner qu'une conception de l' . .bo!te-ment des t~ries repr'senterait très mal les relations possibles extrêmement complexes qu'on peut d'gager entre niveaux d'approche et de formulation, champ empirique de r~férenceet problémAtiques. Il n 'y A pas de " voie royale" qui donnerait ~ l'avance le programme id'Al 1 il Y A des choix à expliciter; c'est un des reles de la didactique que d'en ouvrir les perspectives et d'en
détermi-ner conditions et oonséquences.
La
questions se pr~sentede mani~re anAlQlUe mais plus complexe pour leooncept de ~~ne évoqu~ pAr G. RUMEI~RD, (caractère prohabiliste du systèm~ opératoire, aspects id'ologiques). Dans ces deux cas, du point de vus péda~o~ique,
on se trouve devant des notions qui ne sont pse construites de mani~re autonome. par "dialogue aveo les objets" : ellee doivent @tre apport&es. Il importe d'au_ tant plue, pour les mlttree, d'explorer ~ l'avance toue les aspects, au-delà m@me de ce qui a &t& historiquement n&cessaire ~ la recherche scientifique pour avancer.
On imagine aseez bien un tel travail pour la plupart des concepts quali-tatifs, ou, diff&remment, -pour lee grandeurBphysiquee "directes".
Mais le probl~me)dela structure des syst~mes de grandeurs, ~ un niveau donné, peut @tre h cause du rapport partifulier avec les ~ématiques,reete beaucoup plus diffiotle.
- 34
-REFERENCES
0000000000
(1) Sciences exp4rimentales, classes des coll~ges, Ministère de l'Education, C.N.D.P;, 1979, 72 p., p. 22 "III R'actions chimiques·
"La première partie est centr'e sur la notion d's19ment chimique d'gag'e à partir des exemples du carbone, de l'hydrogène, du soufre et du fer". (2) Les 'l'ments chimiques in fiches documentaires nO 5 C.N.D.P., Sept. 1978,
p. 24-31.
(3) Scienoes physiques, 2e CT, Hachette,
1978.
Physique et chimie, 2e CT, Baillière, 1978. Chimie, 29 ACT, Nathan, 1978.Initiation ~ la chimie moderne, 2e ACT, Belin, 1978. Dicticnnaire de physique et de chimie, 2e, Hachette, 1978.
(4) Initiation aux Sciences Physiques, traduction de Introduotory Physical Soiences Ed. Renouveau P'dagogique, Montr4al.
(5) Sciences Physiques
Livre du professeur, coll. Libres Parcours, 6è, 5e, 4e, Hachette,t11"t118,191~
(6)
OSTWALD,W.,
L"volution d'une science. la chimie, traduotion Flammarion,sans date.
(7) IŒNDELEIEFF, D, Le loi ~riodi9uedes 'l'mente chimiques, d'après BENSAUDE,B Comment d'finir l"l&ment chimique? Point de vue du XIX si~cle, in Cahiers de Fontenay, n'16, Sept.
79
p. 28-29.(8) GRAY,H.B.
&
HAIGHT, G.P. Basic Prinaiples of Chemistry, Ney York, Benjamin, 1967.(9) URBAIN, G., JOB, ALLARD, CRlHmIER,TraiU de chimie AAntirale, Herman, 1939.
(10) Sciences ~yaiguea, Libres Parcours, guide du ma!tre 5e, Hachette, 1978. (11) PIAGET, J, &.AL., Les explications causales, PUF, 1971.
(12) GUILLERME,
J,
'1~ment8chimiques, Encyclopaedia Universslis, vol. VI, p. 87-89.(13) D'8pr~s SADOUN, M, Evolution historique de la notion d'~lément chimique, in Cahiers de Fonten!!'y, 0'16, Sept. 79, p. 15.
(14) DAGOGNET
F,
Tableauxet
langages de la chimie, Seuil, 1969.(15) URBAIN, G, Las notions fondamentales d'élément chimique et d'atome, Gauthier Villns,1925.
n
-A L'-AUBE DE L-A MEC-ANIQUE CL-ASSIQUE
Francis HALBWACHS
•
- 36
-Le but de cette intervention est de partir des r~aultats d'une étude approfondie que Mme TORUNCZYK et moi, nous avons effectuée sur un texte capital de GALlLEE (1), pour en tirer quelques conclusions sur le plan cogni-tif, conclusions ouvrant il mon avis des perspectives Bur le plan didactique.
Le texte est le Scolie de Viviani que GALlLEE a inséré clans la deuxième édition des "Discours sur deux sdences nouvelles". Dans la troisil!me journée des Discours, GAilLEE, après avoir donné les caractéristiques des ILc)UVements uni formément accélérés, che rche il comparer lee mouvemen ts de des-cente du corps - une bille - sur des plans inclinés d'inclinsisons différentes, problème qui met en jeu - ill1'licitement - la loi reli.ant force et accélération gu 'on appelleu plus ts!:d ''principe fondamental de la Dynamique". Galilée procède en posant a priori lm principe que n008 pouvons appeler "principe du plan incliné"et qu'il énonce ainsi:
"Les degrés de vitesse qU'ml même mobile acquiert sur des planll différelmlent inclinés sont l!gaux pourvu 9.~e les hauteurs de ces plans soient l!gales".
L'énoncé du principe est accompagné de justific!itions du plus haut intérêt, où i l est permis de voir la première apparition - i".plieite elle aUllsi - du principe de la conservation de l'énergie.
Et sur la base de ce principe GALlLEE dl!montre toute une série de propriétés des mouvements sur un plan inclinl!. Mais des doutes s'litant exprimés dans son entourage sur la légitimité du principe du plan incliné, Galill!e construisit ultérieurement ce qu'il présente comme une démonstration du prin-cipe, démonstration qui constitue le Scolie de Viviani.
Comme il est bien connu que, des prémisses dont part Galilée - soit les lois cinématiques du mouvement uniform~entaccéléré, et les lois classi-ques de l'équilibre des machines simples - il est impossible de tirer correc-tement le "principe" du plan incliné, puisque celui-ci repose en demii!re analyse sur le principe fondamental de la dynamique, i l nous est apparu qu"il devait nécessairement se trouver quelque part Ulle !"upture de la rigueur logique et nous nous sommes efforcl!s de mettre cette rupture en évidence. Ce n'était pas là une tâche aisée, le raisonnement de Galilée se présentant sous les habits d'un langage et d'un vocabulaire extrêmement peu précis, comportant en p8rticulier une sl!rie de termes qui sont en général présentés
a
la suite, comue une série de synonymes, soit, (en italien) : "l'impeto, i l talento, l'energia, il momento deI descendere, la propezione 0 l'inc.lina2ione al moto". De plus i l apparaît à l'évîdeilce que tel de ces termes reCOllvre des significa-tions multiples et que le raisonnement gliase couramment d'une de ces signifi-cations il une autre. si bien qu'on ne peut se fier aux mots et qu'on est obligé de remonter chaque fois du mot au concept signifié, ce concept ae caractérisant par ses rapports logiques aux autres concepts.Je pense que nous avona 8uffisalllllent "décortiqué" le texte du scolie pour pouvoir exhiber une sorte de squelette conceptuel sur lequel viennent s'attacher naturellement les détails du dilcours.
Dans une première partie, Galilée établit un "lemne" fondamental au sujet d'une notion qu'il appelle le plus souvent "momento deI descendere", mais il laquelle il associe fréquemment les autres termes que je viens de citer.
(1) F. HALBWACHS et A. TORUNCZYK, sur l'oeuvre mécanique de Galilée. Aparaitre dans la revue "Synthesis" (en lanaue anglaise) .
Une ana lyse serrée du rôle de cette notion dans les eKpériences décrites et dans l'articulation du rsisonnement nous a amenés ~ la conviction que dans cette partie du scolie, le "momento deI descendere" signifie la "composante active" du poids de la bille aur le plan incliné. Le lemme fondamental peut alors être décrypté ainsi :
a) La composante active du poids (molŒnto) est au poids total ccmme la hauteu du plan â sa longueur.
Ceci est démontré en toute rigueur â partir des lois bien connues de la statique, et le lemme apparait comme une proposition sur les états d'équilibre d'une bille sur le plan incliné (éluilibre nécessitant l'inter-vention d'une forme antagoniste exercée par un fil relié ~ un contrepoids
Dans la deuxième partie du Scolie, Galilée part d'un énoncé voisin, qu'il présente comme le même lemme, mais où au mot momento se substitue le plus souvent (mais pas tOü]ëiurs) le mot impeto. UIIe analyse similaire nous permet d'affirmer que l'impeto a maintenant un sens cinématique et désigne "la vit~sse acquise en un temps d..,nné" ou, mieux, "la vitesse acquiae dans le premier temps du mouvement" (1 'impeto nella prima mossa) si bien que le nouvel énoncé peut être décrypté ainsi :
b) !.,!S vi tesses acquises dans Ull même temps (impeto ou accélé':"~0()2L '?F:Ft)!~et bille descendant sur un plan inclin€, et par la même bille ~O.·.'§:2..,.'J€n. calement, sont entre elles comme la hauteur du plan à sa longueur.
Il faut insister for~ement sur le fait que Galilée - à la faveur de la synomie entre momento et impeto - n'a aucunement conscience de la considé-rable différence entre la forme (a) et 18 forme (b) du lemme fondamental. A partir de ée lemme (b), et en tenant compte des lois du mouvement uniformémen accéléré, Galilée donne une démonstration rigoureuse du "principe" du plan incliné énoncé plus haut.
Il y a ainsi une parfaite continuité logique entre les principes de la statique et l'énoncé (a) sur le momento, comme il y a une patfaite continuité logique entre l'énoncé (b) sur l'impeto et l'énoncé final du "principe du plan incliné".
La où le raisonnement manifeste une rupture de la démonstrarion logico-mathématique, c'est dans la transition de l'énoncé (s) 11 l'énoncé (b), transition où, du haut de notre science d'aujourd'hui, nous lisons clairement l'affirmation de l'identité - ou tout su moins de la proportionnalité - entre force agissante (momento) et accélération produite (impeto), c'est-a-dire l'affirmation du principe fondamental de la dynamique (seconde loi de Newton)
Mais cette équivalence n'est pas explicitée - et en fait pas .perçue eomme telle par Galilée - il y a, non pas identification, mais confu-sion entre force et accél'rstion, deux notions qui sont pens02s - nous dlrior volontiers Itintuîtées" - par Galilée sur le même mode, re9senties comme une
~"ul,' et même notion, ce qui se traduit par une équivalence, non pas logique
mais verbale entre les mots à résonance statique, et les mot. 1 résonance cinématique, qui sont considérés 11 mainte reprise comme simplement synonymes, et reliés psr la conjonction
"0".
Serrons la question de plus près. Dsns tout discours scientifique, les idées signifiées peuvent se trouver 11 différents niveaux d'élaborstion. Le niveau le plus élsboré est le niveau du concept. Nous disons qu'on a sffaire 11 un concept lorsque l'idée exprimée est c1sirement et univoquement définie par des relations d'un type logique précis, qui la relient a ~ ··"tres
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-idées, de façon que l'ensemble de concepts ainsi introduits constituent un système opérationnel complet: c'est-à-dire sur lequel l'intelligence puisse opérer des transformations en s'adressant uniquement aux propriétés logiques des relations introduites, sans avoir à prendre en compte les contenus, ou, comrœ on dit, les significations des idées qu'elle manie ainsi. Autrement dit, à ce niveau, d'une proposition affirmant une relation entre plusieurs concepts on pourra déduire une ou plusieurs autres propositions en utilisant uniquement les règles de la logique des propositions, règles qui sont h"blies dans leur généralité, et sans aucune référence au contenu particulier des propositions.
Les relations qui forment ainsi le réseau essentiel d'un système conceptuel, se situent bien entendu au niveau le plus profond, celui des signifiés. Bien entendu aussi, le discours n'est totalement déductif et logi-que logi-que lorsque les relations ont toutes été explicitement énoncées, c'est-à-dire lorsqu'elles sont établies aussi au niveau des signifiants. Il est alors n éces sai re qu'une corre spondance bi -uniIToq ue fonc tionne entre sig ni fi es et signifiants, autrement dit que chaque concept soit toujours désigné par le même mot, mot qui doit avoir été, dans le texte, mis en relation précise avec
les a~es mots désignant les autres concepts.
Une telle préoccupation de définition rigoureuse dans le diacours même est commune à la plupart des philosophes du XVIIe siècle, et beaucoup d'entre eux (Descartes, Spinoza, Huygens, Newton) prennent délibérément pour modèle de rigueur le discours mathématique, et utilisent dana leur exposé le langage mathématique, avec ses d~finitions,ses axiomes, ses postulats (ou principes), ses théorèmes, lemmes ou scolies.
Galilée à ce même projet, mais en fait, il est chez lui rarement et imparfaitement réalisé. Beaucoup de mots sont introduita sans faire l'objet d'une définition précise. Bien plus, il arrive constmnment dans son exposé qu'un même mot soit utiliaé successivement avec des sens différents, c'est-à-dire qu'un même signifiant corresponde à plusieurs signifiés - et de même que plusieurs mots synonymes soient associés à une même idéè, que plusieurs signifiants correspondent à un même signifié.
Ce n'est pas à dire que la pensée de Galilée n'opère pas avec de véritables concepts. Mais ces concepts ne sont tels que comme signifiés. Les relations de définition, souvent, ne sont pas explicitées au niveau du langage, mais nous les voyons fonctionner au niveau des signifiés avec toute la rigueur requise, ce qui nous permet en général d'établir le dictionnaire des corres-pondancea - non univoques - entre signifiés et signifiants, et de comprendre proprement le déroulement de la pensée de Galilée en tant que raisonnement logique.
C'est ce que nous avons tenté de faire et que je viens de résumer en ce qui concerne le scolie de Viviani. Nous avons pu montrer dans le scolie deux lignes de démonstration d'une parfaite rigueur logique, et si on admet que, dans la première partie, ce qui est signifié par le mot momento, et quelques autres mots qui lui sont parfois asaociés, c'est le concept de compo-sante active du poids - concept dont nous s~vons donner une définition rigou-reuse au niveau du langage mathématique - ; et si on admet d'autre part que, dans la deuxième partie, ce qui est signifié par le mot impeto, et quelques autres mots qui lui sont parfois associés, c'est le concept d'accélération -que là encore ~ savons définir explicitement.
Mais la description des enchainements logiques de concepts ne suffit pas à couvrir toute la "démonstration" fournie dans le scolie? Il Y a encore la transition entre la première et la deuxième partie, transition qui oe caractérise sur le plan des signifiant. par un changement assez net de
vocabulaire, mais qui ne peut pas être décrite en termea de déduction logique même sur le plan des signifiés. Autrement dit la relation de proportionnalité entre la notion sous-jacente au mot momento et la notion sous-jacente au mot impeto ne peut pas être démontrée logiquement il. partir des autres relations, comme cela ~tait le caa dans les deux lignes de la démonstration logique. Cette relation a une autre origine, qui ne peut être cherchée que dans la signification même des deux notions, et dans l'opération psychologique qui va les rapprocher et les relier, en opérant directement sur leurs significations, faute de liaison proprement logique entre les notions considérées -nous parlons ici de notions et non de concepts, pour préciser qu'on n'est plu dans système complet de relations logiques explicites.
Pour mieux nous faire comprendre. sautons il. l'étape finale de la formulation de la loi fondamentale de la dynsmique telle qu'elle sera explici tée cinquante ans plus tard dans les "Principes" de Newton : après les dHini tions, qui se veulent conceptuelles, de la masse, de la force et de la quanti té de mouvement, Newton passe au chapitre des "axiomes et lois du mouvement" où nous lisons :
"Les changements qui arrivent dans le mouvement sont proportionnels à la force motrice. et se font dans la ligne droite dans laquelle cette force a été imprimée".
Nous voyons que la relation force-accélération, non seulement ES~ explicitement énoncée, contrairement il. ce que nous avons vu chez Galilée, mais encore - et c'est une étape essentielle - que le statut même de cette relation est précisé par le terme d'axiome, c'est-i1.-dire d'hypothèse consti-tutive d'un modèle déductif. Nous nous trouvons dès lors en face d'un système complet de concepts il. l'intérieur duquel va se dérouler une suite de déductic purement logiques.
Rien de tel chez Galilée, dès lors qu'il abandonne l'affirmation a priori de son principe (première version des Discours) et prétend démontrel celui-ci à partir d'hypothèses plus fondamentales. Non seulement le statut dl principe de la dynamique n'est pas précisé, mais l'énonce lui-même n'est pas explicité. Il joue cependant un rôle fondamental, nous pensons l'avoir établi et on ne peut absolument pas comprendre III démarche de Galilée sans supposer que ce principe est présent, informulé mais actif, dans la pensée du savant, dont il détermine les fusions et confusions verbsles. La quasi-synonymie ent' le momento statique et l 'impeto cin~matique,et le glissement de l'un à l'au· tre, manifestent l'interveation d'un agent de développement de la pensée, qu, je propose d'appeler une force cognitive et qui joue un rôle irremplaçable, en conjugaison avec 'cette autre force cognitive qu'est la déduction logique. Bien entendu cette idée revient ~ faire intervenir un inconscient dans le processus de la découverte et même du raisonnement scientifique, mai, ncus pensons que cela n'a pas grand chose ~ voir avec ls psychologie
a
la mode - même si on se souvient du rôle central attribué au langage dans l'in"' conscient selon Lacan: - car il n'agit d'un facteur rationnel intervenant fgur construire _des relations nouvelles entre des concepts.Nous pensons qu'une référence plus pertinente est fournie par les théories psychologiques de la signification. Ainsi Piaget distingue, parmi les liaisons implicatives entre énoncés, d'une part d'implication extension-nelle de la logique classique - qui porte sur les formes logiques - et d'aut p.. r l'implication signifiante: "l'implication p~ q est signifiante si la signification de q est englobée dans la signification de pIf.
Dana une discussion avec Piaget, J.B. Gri"e (de Neuchâtel) précise de son côté le rôle de la signification dans le discours c'est-à-dIre l'aspe,
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-sémantique auquel nous avons donné une importance centrale: "Dès qu'on emprunte un terme à une langue naturelle, ce terme a déjà un ~ens, ou du sens. La logique de la signification, ce devrait être l'étude des opérations de pensée qui pennettent de construire de la signification avec du aens qui existe déjà. Cette logique reste largement il faire". Cette formulation semble faite sur mesure pour éclairer l'intervention <les termes de !OOmento et d'irnpe-ta dans le raisonnement de Galilée, ces termes - par silleurs fortement poly-sémiques - intervenant dans le discours avec la charge de leurs divers sens, sens bien entendu informulés mais qui comm~ndent l'apparition de ces tel~es
dans le texte et déterminent leurs relations contextuelles - l' impeta par exemple, n'ayant pas le même sens dans le cas d'un mouvement uniforme (où i i
désigne 1", vitesse ou la quantité de mouvem'"nt), 'lu" dans le cas d'un Dlouvenent accéléré (où i l désigne l'licci'lération). On se situe dans le domaine des sigoi fications lorsqu'on met ~n rapport pr~cis ces div~rs Bens (essentiellement le sens statique et le sens cinématique), lorsqu'on lit derri~re le texte conféré de Galilée une mise en relation implicite entre le statique et le cinématique, c'est-il-dire une intuition de la loi de la dynamique. Cette intuition a le caract~re d'une évidence informulée. Elle relie implicitement ls signification statique du momento et la signification cinématique de l'im-peta.
Pour conclure, il me semble qu'on peut se demander si sur cet exemple preCiS on peut déceler une telle implication signifiante du statique au dyna-mique chez les enfants, et je r~pondraioui: 11 travers une expérience pédago-gique menée il Y a que lques années che z des élèves de Guat rième (1), nouS avons pu constater, en interrogeant les enfants sur une situation qu'on leur demandait d'imaginer - et non d'observer ou d'expérimenter - dans laquelle une
locomotive faisait démarrer un train, qu'ils décrivaient la situation comme une augmentation progressive de la vitesse, qu'ils affirmaient spontanément que cette augmentation était due à la force de traction de la locomotive, et qu'elle était d'autant plus rapide que la traction était plus forte.
Le statut de cette relation entre significations, relation qui paraît aux enfants naturelle et pre sque évidente. n'entre pas dans les deux catégories naturelles et presque évidentes,
seules autoriséea pour la pensée scientifique et seules reconnues légitimes pour l'enseignement scientifique: il ne s'sgit ni d';~ne démonstratbn logico--mathématiq'Je, ni d'une constatation expérimentale. Pourtant il nous Il souvent semblé que ce aont sur de telles relations aperçues intuitivemEnt que reposai.t initialement chez l'enfant le sentiment de comprendre la signification mêm~
des relations. Démonstration ou preuve expérimentale devront par la suite fournir une justificstion rigoureuse de ces intuitions et les H~verontau rang de convictions scientifiques raisonnées. Maig elles ne seront convaincan-t"s pour l'enfant que si elles viennent se greffer sur une intuition initiale, dont l'identification inconsciente du momento statique et de l'impeto cinéma-tique chez Galilée me paraît fournir un exemple psrticulièrement frappant.
DU SYSTEME (FRESCIENTIFIQUE 7) A LA THEORIE (SCIENTIFIQUE)
