A. GIORDAN, J.-L. MARTINAND et D. RAICHVARG, Actes JIES XXVII, 2005
COMMENT LE LANGAGE ORGANISE L’EXPLORATION
DU MONDE PHYSIQUE
Gérard COLLET IUFM Grenoble
MOTS-CLÉS : LINGUISTIQUE – SÉMANTIQUE – DIDACTIQUE
RÉSUMÉ : La recherche proposée ici se propose de montrer que des concepts empruntés aux sciences du langage permettent de décrire un certain nombre de mécanismes cognitifs mis en œuvre dans les tâches expérimentales, et fournissent un point de vue complémentaire aux points de vue classiques de la didactique des sciences. Nous montrons en particulier comment une description sémantique des mots employés pour décrire une tâche de modélisation projette un éclairage nouveau sur l’appropriation des concepts scientifiques visés, sur l’origine des hypothèses formulées par les élèves, et sur l’interprétation du monde réel des objets et des événements.
ABSTRACT : This research aims to introduce linguistics concepts in order to describe cognitive mechanisms in experimental tasks. It introduces a new vision in the didactics of experimental sciences. We intend to show how a semantic description of linguistic items of a task enlights the ways of appropriating scientific concepts, explains partly what forces pupils hypothesis, and somehow describes how the organisation of the physical world of an experiment may appear.
1. INTRODUCTION
Cette contribution propose de mettre une approche linguistique au service d’une réflexion épistémologique et didactique. En effet, il s’agit ici d’analyser la construction des concepts scientifiques et l’exploration du monde physique du point de vue de la sémantique des termes introduits par un modèle utilisé dans l’enseignement d’une science expérimentale.
L’introduction de ce type de modèle, au niveau du secondaire en tout cas, se faisant essentiellement grâce à des textes rédigés en langue naturelle, il semble prometteur de se pencher sur le fonctionnement du texte et sur les connaissances véhiculées par la langue.
Proposant à la didactique des sciences expérimentales, un point de vue et une méthodologie linguistiques sur le contenu et le fonctionnement d’un modèle énoncé en langue naturelle, cette contribution apporte des éléments de réflexion sur la création des modèles scientifiques, sur les effets de leur formulation, et éclaire certains aspects de leur fonctionnement et de leurs limites.
2. MODÈLE ÉTUDIÉ, MODÉLISATION EN PHYSIQUE
2.1. Rôle d’un modèle en Physique, apprentissage
Le modèle est central dans le fonctionnement de la physique ; sur le versant apprentissage, le passage du champ expérimental au monde théorie - modèle constitue l’un des enjeux majeurs. Cette contribution introduit l’hypothèse selon laquelle le contenu du modèle est en partie déterminé par le contenu en langue des mots du texte de définition, et par conséquent analysable par des méthodes empruntées aux sciences du langage.
2.2. Un prototype de modélisation issu de la didactique
Le cycle d’enseignement analysé ici prend pour domaine d’application la modélisation de phénomènes mettant en jeu l’énergie. Des élèves travaillant en dyades sur une expérience doivent établir une relation entre un modèle de l’énergie dont un « germe » leur est donné (figure 1) et les événements qu’ils observent.
Les élèves doivent réaliser l’expérience et construire ensemble une « chaîne énergétique » traduisant dans les termes du modèle les phénomènes observés. La verbalisation est ici le moyen essentiel de prise d’information et d’échange.
L’énergie peut être caractérisée Par ses propriétés :
- Stockage - Transformation - Transfert
Les différents modes de transfert de l’énergie d’un système à un autre sont : le travail, la chaleur, le rayonnement.
Par un principe fondamental de conservation : L’énergie se conserve quels que soient les transformations qu’elle subit, ses transferts, et ses formes de stockage.
Pour construire une chaîne énergétique, il faut utiliser les symboles dessinés, et tenir compte des règles suivantes :
Réservoir Transfert Transformateur
Une chaîne énergétique complète commence et se termine par un réservoir.
On indique sous chaque rectangle l’objet correspondant. On indique sous chaque flèche le (ou les) mode de transfert
Figure 1 : Un germe de modèle ; Le cas du modèle de l’énergie
3. LANGUE ET APPROPRIATION DES CONCEPTS SCIENTIFIQUES
La langue naturelle est d’abord le support des définitions « physiques » des termes du modèle, ainsi que des règles de cohérence de ce modèle. Elle est ensuite le support des raisonnements et négociations ; en l’absence de connaissances scientifiques suffisantes, c’est en langue que se juge la valeur des arguments avancés. Derrière l’apparente univocité des termes, peuvent se cacher des afférences multiples.
3.1. Les contraintes du germe de modèle
Le texte d’un modèle est soumis à une double contrainte : pour préserver sa légitimité du point de vue de la discipline, il tend évidemment à la rigueur terminologique ; mais pour demeurer intelligible, il doit s’appuyer sur des mots possédant une signification en langue, et profiter de l’interpénétration entre domaine général et domaine scientifique. Les énoncés ne peuvent faire illusion, mais leur sens repose intégralement sur l’emploi dans la langue des mots utilisés pour la définition. Il est clair en effet qu’une définition comme « Le transformateur transforme
l’énergie… », si elle restreint le domaine de validité, fait reposer la signification sur le
fonctionnement dans la langue du verbe transformer. On voit alors apparaître dans la définition les mots travail, chaleur et rayonnement, qui du point de vue du physicien désignent de manière précise des concepts physiques. Mais le terme travail est suivi d’une définition du travail
mécanique et du travail électrique, alors que les termes chaleur et rayonnement ne sont pas
expliqués. Or il est clair que le concept physique de chaleur n’est pas maîtrisé par les élèves.
3.2. Le cas de la chaleur
système, d’énergie mécanique microscopique, de fonction d’état, et de différentielle, ne peut
évidemment pas être donnée aux élèves telle quelle. Or on constate à sa lecture que le monstre théorique que dissimule ce terme présente une intersection prudente, mais non vide avec la signification du mot en langue :
[...] Un apport de chaleur se manifeste souvent par une augmentation de l’agitation thermique, c’est à dire par une élévation de température.
Il semble donc que les mots introduits par le modèle s’appuient habilement sur les intersections qui existent entre leur signification supposée en langue, et une partie de leur signification scientifique.
4. CADRE THÉORIQUE DE L’ANALYSE LINGUISTIQUE
Afin de décrire le continuum qui va de la notion initiale au concept visé, je propose ici une représentation dynamique de la signification. Ce cadre théorique, emprunté à J. Picoche, s’appuie sur les travaux de G. Guillaume, et introduit les concepts de signifié de puissance et de cinétisme, bien adaptés à la description dynamique recherchée1.
4.1. Des concepts issus de la psycho-sémiologie : cinétisme et signifié de puissance
Picoche introduit la notion de cinétisme, « mouvement de pensée » qui va rechercher, puis trouver une réalisation approximative dans la production d’un signe [Picoche, 1987, p 7].
Nous disposons avec le signifié de puissance et le cinétisme, de deux outils qui permettent de préciser l’ordre d’accès préférentiel aux différentes réalisations du sens.
Dans cette étude, c’est une enquête linguistique réalisée auprès de la catégorie d’apprenants que nous observons qui a fourni le corpus contenant toutes les données nécessaires2.
4.2. Analyse de syntaxe structurale et description des notions
Nous nous intéressons dans cette étude à l’influence directe que les structures syntaxiques peuvent avoir sur certains des mécanismes cognitifs. Dans cette optique, la structure syntaxique serait à la fois la partie visible de l’iceberg et le moule de certains des phénomènes cognitifs. La notion de
stemma utilisée ici est empruntée à Tesnière (1965).
1. Voir à ce sujet [Picoche, 1992].
2. Il est clair que l’accès à l’ensemble des emplois de l’ensemble des mots clés serait une vaste entreprise. Cette étude sera limitée par la valeur des corpus obtenus, et ne pourra porter que sur quelques mots jugés essentiels a priori.
5. L’HYPOTHÈSE DE LA COOPÉRATION NOTION/CONCEPT
Introduisons ici l’hypothèse selon laquelle, dans le contexte de l’apprentissage comme dans celui de la découverte scientifique, deux niveaux de description coopèrent à la construction du domaine conceptuel visé. L’un, qualifié ici de « niveau notionnel », serait responsable de l’inventivité, tandis que l’autre, qualifié de « niveau conceptuel », prendrait en charge le contrôle des hypothèses émises, la vérification de la cohérence des résultats et leur adéquation aux théories connues des domaines connexes.
5.1. Notions et concepts dans l’enseignement de l’énergie
J’ai souligné plus haut la forte distinction entre les concepts scientifiques désignés et le niveau notionnel sous-jacent. Ainsi le mot « chaleur » implique dans la langue la sensation de chaud, laquelle est totalement absente du concept scientifique. Ce versant notionnel transparaît bien dans l’extrait ci dessous emprunté à l’un de nos dialogues.
56 D La lampe éclaire la pièce et la chauffe... 57 S Ben une lampe qui chauffe une pièce
58 D Oh si !
59 S Une petite lampe comme ça !
60 S * (rire)
61 D Non, non, * pas une petite lampe…
On voit donc que l’utilisation d’un tel modèle textuel conduit à mobiliser les connaissances usuelles « encapsulées » dans les entités lexicales, avant même de faire appel aux règles énoncées par le modèle, qui serviront plutôt à vérifier la conformité des hypothèses formulées3.
5.2. Critères de distinction du niveau notionnel et du niveau conceptuel
Bien que la séparation de la notion et du concept ne soit pas aisée, j’avancerai ci-dessous quelques critères qui semblent utilisables4.
Glissement de sens – Le niveau notionnel exige un noyau de sens invariable, partagé par tous les
locuteurs. Des figures de style telles que les métaphores, les métonymies, les jeux de mots, sont cependant possibles et fréquentes.
Tout au contraire, le sens d’un terme scientifique est arbitraire, mais basé sur une définition précise ; il exige une fidélité absolue à la définition. Dans le discours scientifique, des composantes telles que : « soit », « on appelle », ou dans notre modèle de l’énergie : « Les différents modes de
3. Voir les résultats complets de l’enquête dans [Collet, 1996]. 4. Pour de plus amples détails, voir [Lerat, 1995], et [Kocourek, 1991].
transfert de l’énergie sont… » ont pour effet d’introduire arbitrairement une définition qui se veut intransgressible, sensée abolir les éventuels sens préexistants.
Reformulation, périphrase et synonymie – Toute tentative de circonscrire le sens d’un terme à l’aide
de reformulations peut être vue comme un critère de permanence du niveau notionnel.
De manière similaire, l’usage d’antonymes peut aider à séparer les deux niveaux. En effet, l’antonyme d’« acide » par exemple, n’est pas le même au niveau conceptuel pour le chimiste qui parlerait de « basique », et au niveau notionnel où ce pourrait être « doux », « sucré », voire « mielleux ».
5.3. Nécessité de la coprésence du niveau notionnel et du niveau conceptuel
Si l’on considère donc l’expression langagière comme le reflet de l’activité cognitive, la souplesse du niveau notionnel transparaît lorsque l’usage des mots à ce niveau permet le jeu de leurs diverses acceptions, et autorise ainsi l’exploration.
Le passage au niveau conceptuel est une spécialisation – Les deux verbes essentiels, transformer et transférer, possèdent une structure syntaxique riche et flexible, capable de surcroît de s’adapter à
un très large spectre de domaines sémantiques (figure 2). On peut considérer que ces verbes et leurs dérivés peuvent être employés tout d’abord au niveau notionnel. Ainsi le passage du niveau notionnel au niveau conceptuel peut-il être décrit comme la spécialisation d’une notion, dont la structure et les domaines sémantiques se figent progressivement.
6. STRUCTURE LINGUISTIQUE ET ENTITÉS PHYSIQUES
6.1. Les appariements de structure
De telles associations se construisent à partir d'entités possédant une structure syntaxique riche d'au moins deux actants5. Elles se manifestent dans les dialogues par une activité de reformulation caractéristique explorant assez systématiquement les valences possibles.
À titre d’exemple, l’analyse syntactico-sémantique du verbe « transformer » fait apparaître deux places syntaxiques indispensables : un « état initial », et un « état final ». Le court extrait ci-dessous met bien en évidence la nécessité d'une recherche de ces deux états d'une transformation :
Monde du modèle Langue Monde de l'expérience E Ei L A2 Li Lj Lk A1 A3 Oi Oj S S' C Ok Figure 2 : La structure syntaxique guide la structuration du monde de l'expérience
La flèche en grisé figure l'appariement entre l'entité E du modèle, et l'objet Oi de l'expérience, par l'intermédiaire du lexème L dont la structure se projette dans le monde sensible. L et Li sont les lexèmes désignant respectivement E et Oi.
S et S' figurent les contraintes sémantiques entre les actants A1, A2, etc. Et C une contrainte de cohérence entre objets du monde sensible
Dialogue P & F sur l’expérience du Poids qui monte
{Les élèves recherchent quel peut être le transformateur, mais n'ont pas encore émis d'hypothèse}
385 P Non, mais le transformateur, i(l) faut que ça transforme quelque chose en, en autre chose...
386 F Mmm...
387 P Donc c'est... ça transforme le déplacement. C'est quoi qui transforme le déplacement ? Eh ?
388 F On met déplacement ?
389 P C'est la pente ? [...]
L’activité consiste en fait à rechercher des propriétés des objets ou des phénomènes susceptibles de saturer les places disponibles dans la structure syntaxique d'une entité du modèle.
On assiste ici à une projection de la structure des connaissances langagières vers le monde réel où elle déclenche une organisation des relations entre objets et phénomènes (figure 2).
6.2. La saturation de structure
Mettant à profit la structure associée à une entité du modèle, la « saturation » conduit à rattacher de nouveaux éléments du monde sensible à une organisation déjà amorcée.
Ainsi dans l'extrait suivant, la structure du verbe transformer impose une recherche qui s'actualise en lexèmes courants, puis est reformulée de manière à approcher la terminologie du modèle :
Dialogue D & S sur Pile ampoule
157 S Non, le filament, i(l) produit le courant... i(l) reçoit le courant, i(l) produit la lumière.
158 D Voilà, i(l) reçoit le courant, i(l) produit la lumière. Euh donc i(l) transforme l'énergie en lumière. 159 S Ouais.
Monde du modèle Langue Monde de l'expérience E L A2 Li Lj Lk A1 A3 Oi Oj S S' C Ok C' Ei Ek Figure 3 : Découverte d'un appariement par saturation d'un appariement existant La recherche dans le monde réel d’un objet Ok pouvant jouer le rôle du terme Lk de la structure syntaxique, induit un nouvel appariement, figuré par la flèche grisée continue.
Le premier effet est un renforcement de l'appariement de structure originel. La saturation peut en effet permettre de départager des appariements concurrents, ou de surmonter l'effet d'une règle non linguistique.
Un second effet est l'organisation du champ de l'expérience dans lequel de nouveaux éléments sont associés aux éléments déjà utilisés et peuvent donc être à leur tour appariés. C'est ainsi que la lampe pressentie pour la catégorie transformateur devient, par la vertu de la structure syntaxique de ce lexème, le nœud d'un réseau où viennent s'agréger l'actant état initial : l'électricité qu'elle absorbe, puis un actant état final : la lumière qu'elle produit et parfois la chaleur (figure 3).
Un troisième effet est la possibilité de contrôle qui découle de l'obtention d'information redondante. Lorsqu'un appariement de structure peut être établi de manière plausible sans utiliser toutes les valences disponibles, celles-ci peuvent être mises à profit pour contrôler la valeur de cet appariement.
7. LE PASSAGE DE LA NOTION AU CONCEPT
Il convient maintenant de repérer dans les dialogues disponibles les deux stades que sont le niveau notionnel et le niveau conceptuel, puis de mettre en évidence les éventuelles transitions de l’un vers l’autre.
7.1. La notion guide la découverte
L’analyse montre la possibilité d’énoncer, au niveau notionnel, des hypothèses relatives aux transferts à condition qu’elles puissent être basées sur des structures acceptables6. Il est ainsi possible de parler de transfert si l’on peut nommer :
- Soit l’entité transférée et une destination connue
- Soit la provenance et la destination, à condition que l’entité soit au moins pressentie - Soit l’entité seule, à condition qu’un déplacement dipolaire soit au moins pressenti.
Le dialogue ci-dessous illustre assez bien la découverte (en l’occurrence perturbatrice) d’un transfert perçu et énoncé au niveau notionnel.
62-63 F […] Les fils, c’est ce qui permet le transfert. Y a deux fils? 63 L Voilà. Y a deux transferts
En effet, de par leurs caractéristiques topologiques évidentes et de par leur rôle, les fils présentent les propriétés révélées par l’analyse : origine connue, destination connue, déplacement certain d’une entité supposée (électricité ou énergie).
Mais on est évidemment très loin du concept de transfert de l’énergie, dans lequel l’origine et la destination doivent être des réservoirs ou des transformateurs, l’entité doit impérativement être l’énergie, tandis que le médium est l’un
des termes imposés par le texte du modèle, c’est à dire l’un des modes de transfert.
7.2. La spécialisation de la notion de transfert et les progrès vers le concept visé
L’évolution de la notion vers le concept peut être illustrée par les découvertes de P. et M. lorsqu’ils recherchent les transferts de la Pile vers l’Ampoule.
105 P Attend, il y a pas de transfert, un transfert, c’est quand c’est transféré. Y a pas vraiment de transfert, il y a les fils, mais les fils c’est pas des transferts, c’est, c’est comme des autoroutes pour le transfert.
La structure énoncée s’enrichit alors d’un
6. Voir l’analyse complète du verbe transférer dans [Collet, 1996].
Figure 4 : La structure ne possède que trois actants
actant (figures 4 et 5). Cet enrichissement s’avère déterminant puisqu’il permet de faire apparaître l’entité, et de dissocier le flux d’énergie des fils conducteurs. Cette spécialisation marque un pas vers le concept visé, mais non pas son achèvement, puisque les valeurs du médium ne proviennent pas encore du domaine imposé (les « modes de transfert »).
Recherchant maintenant les transferts entre la lampe et l’environnement, P. et M. vont être amenés à distinguer les différents médiums, achevant ainsi une structure très proche de celle du concept de transfert de l’énergie.
152 M Ouais, mais alors dans ce cas là, y, y a qu’un transfert ?
P. souligne alors l’existence des deux modes de transfert distincts, justement empruntés au modèle, aboutissant à la structure conceptuelle pratiquement parfaite (figure 6) :
153 P Non, il y a deux transferts : la chaleur et le
rayonnement. Mais, ils vont tous les deux dans la même direction.
Dans la situation étudiée, les caractéristiques du verbe transférer projettent dans le monde de l’expérience une structure calquée sur la forme linguistique, tandis que des forces liées à l’énonciation jouent le rôle de moteur heuristique, incitant à la recherche des actants absents.
8. CONCLUSION
Cette étude explore l’hypothèse de la nécessaire coprésence d’un niveau notionnel et d’un niveau conceptuel dans les processus d’apprentissage et de découverte scientifique.
Pour ce faire, ce sont des concepts empruntés aux sciences du langage qui ont été mis à contribution afin de cerner le contenu du niveau notionnel associé aux termes employés dans le texte scientifique. Ce sont également des considérations linguistiques qui ont permis de distinguer dans les faits le niveau notionnel du niveau conceptuel.
Enfin, l’analyse de dialogues d’élèves tâchant d’appliquer un tel modèle physique à une situation expérimentale, a permis de mettre en évidence une partie le long cheminement qui conduit des notions primitives aux concepts visés. Elle a également montré comment les notions souples
Figure 6 : L’apparition du médium permet de distinguer deux transferts
véhiculées par la langue, dont les effets « néfastes » sont souvent montrés du doigt par les sciences « dures » constituent en réalité un puissant moteur heuristique permettant l’exploration et la découverte.
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