ARTheque - STEF - ENS Cachan | Quelques activités de modélisation à l'école élémentaire

QUELQUES ACTIVITES DE MODELISATION A

L'ECOLE ELEMENTAIRE

Bernadette BORNANCIN

Ecole Normale de Nice

MOTS CLEFS; Construction matérielle, Modèle nplicalif , Formulation simple.

RESUME : L'enfant est capable de crèer des modèles ellplicalifs lui permeuant de concrétiser sa pensée, lit d'uprimllr son savoir en tumes simpills . Il faut aider l'enfantt concevoir ces modèles commll non figés, donc comme des outils perfectibles. au service dll la construction du savoir,

ABSTRACf ; Children arll abllllo create nplanatory models that allo", them 10 synthesize their thoughl.s and III npress their tnowledge usin. simple lerms of reference ' They should be laught not III consider those models as being rigid but rather as blling 10015 that can be modified in order III build up their knowled.e .

1 - POURQUOI AYOIR IRAYA 11.LE LA NOIlQNDE MODELE ALECOLE ELEMENIAIRI.

Chercher Àsuivre les enflilll:l dlins les dédliles de leurs découvertes, conduit Às'interroger sur la façon dont ils construisent leur savoir, et sur ce qui lui est intimement lié À J'école, c'est-À-dire la façon dunt le maltre exploite des situations de classe permettant aux enfants d'acquérir une véritable formation.

En participant, aux recherches de J'INRP, nous nous sommes attachés plus particulièrement, tan t il y avait d'in térélS et d'obstacles, À la connaissan ce du corps Depuis une quinzaine d'années, attentive aux dires et aux comportemenl:l des enfants, nous avons essayé de connaltre les représentations d..s enfants concernant leur \'urps . el À partir de là ,de proposer des activités leur permettant d'inlllginer et de constuire des modèles d'organisation et de fonctionnement de leur corps. Ces activités s'appuient sur le désir profond des enfants de concrétiser leur pensée , non pas seulement par un dessin, mais par une construction matérielle. Tout un .hacun a pu constater que J'enfant a souvent besoin de ses mains pOOl' s'expliquer, el qu'il aime fabriquer quelque chose. manier des matériaux, transformer des objets. la main participe de et

a

l'intelligence.

Soulignons dès maintenant les problèmes qui apparaissent lors de ces constructions, en prenant comme exemple une de nos premières réalbatiuns. un bonhomme articulé fait par des enfants de cours pré pacatoire , âgés de 6 à 7 ans, en dégageanta la fois l'in térèt et les limites du procédé.

L'lNIERff :

Nous savons que les jeunes enfants ont des difficultéS pour se situer dans l'espace, pour saisir J'organisation de leur corps, pour intérioriser leur "schéma corporel".

C'est afin d'aider à celle prise de conscience que nous avons proposé celle construction (fig.1J, le bonhomme articulé devant servir de modèle elplicatif au mouvement des memhres : les enfants du cours préparatoire ont découvert que les mouvements relatifs se situaient à des nivt:CluI précis les articulations.

LES

LI~. Les enfants sentent rapidtlmenl la limite de leur maquette :"moi je plie mieux mon genou que le bonhomme, et je sais le plier toul seul" nous Il fail remarquer un enfant. Cela

montre bien que celle maquette, n'est pas une fin en soi, c'est pour l'enfant un instrument d·analyse de son corps et non une production figée qui englue J'enfant; c'est Un jeu qui préfigure sa dénlolnhe intelltlctuelle .ce serait évidtlmment une erreur que de laisser l'enfant allribuer une valeur réelle Àce modèle.

Aussi , il appartient au mallre de faciliter toute situation , observation , recours à l't:lpérience , comparaison avec d'autres enfants, qui permetle au modèle de jouer son rOle d'explication. de prevision, de support d·un niveau de savoir. Cllst dans ce sens, avec une h,Ue dynamique, avec un lei esprit critique, que ces activités favorisent la construction du savoir chez l'enfant et me paraissent une préoccupation essentielle pour une recherche en didactique. Nous présentons trois siluCltions pédagogiques banalt:s puisées dans des domaines classiques de la Biulogie :

- L'une est basée essentiellement sur l'observation ("un insecte, qu'est-ce que c'csl"?) - La deuxiéme s'appuie sur une expérience ("00 va J'eau quand on arrose une plante"?)

- La troisième, sur laquelle nous insisterons davantage, fait appelliune réflelion hypothétique de la Plut des enfants ("comment le sang circule"?).

Ces nemples ne sont pas retenus au hasard, mais choisis comme r6vélateurs de difficultés rencontrées par les enseignants.

/1- LA DIVERSITE DES ACIlVIID DE MODELISATION AL'ECOLE EUMENTAIRE

2.1 - Le modèle descriptif issu de l'observation

C'est la maquette au sens technologique du terme dans la mesure où le modèle essaie d'etre fidèle en les simplifiant, à certains aspects de l'objet observé.

hemple: Une maquelle d'insecte construite avec des enfants de 7-8 ans (CEl)

POURQUOI?: Dans ceUe classe les enfants ont un terrarium régulièrement approvisionné en

petits animaul pendant l'année. Les enfants, qui aiment dénommer, désirent souvent savoir ce que c'est. et sont intrigués par la diversité des noms. Le mot insecte est employé, mais sans que l'on sache tropàquoiilcorrespond; c'est aussi bien:

- Un petit animal - Cequi vilàla campagne - Cequi a des pattes ...

- Mais par forcément: un escargot est un insecte pour 27 des 31 enfants. El pumi les questions: -"pourquoi il n'y a pas que des cétoines comme insecte ou que des criquets" _. pourquoiily a des noms si différents".

Pour mellre de l'ordre dans celle diversité des êtres vivants les enfants ont été amenéà :

- Ran ser des semblables. les escugots ensemble, les criquets ensemble. - Analyser et distinguer des différents: les "sans patles" , les "avec pattes" ..

- Faire émerger quelques invariants pour regrouper des individus différents sous une seule entil6 et finalement dénommer le groupe.

Les enfants ont regardé plus méthodiquement les animaul li 6 palles, qui étaient les plus nombreul et les ont dessinés. Devant les difficultés rencontrées et leur déception. nous avons proposé dl;l~~LlIOQ maaYQlle <Fig.2l dont le but était:

- de rassembler les caractères observés sur l'insecte de l'équipe. - d'être reconnu pour insecte par les enfants d'une autre équipe. LA REALISATION. - Les enfants choisissent des matérieul .

- Puis ils cherchentliaccrocher les palles et découvrent le thorn. - Ensuite ils filent la tête et la complétent, et enfin mettent l'abdomen L'INTERET: En yuoi ce modèle joue-t-il son rOle d'QlIlil méthodoloaiglle ail servjçe de la

construction dll 5Iyoir?

- C'est une figyration simple, filllntiesiois de l'organisation spatiale de l'animal.

- C'est un ~chémadirecteur permettant de meUre de l'ordre dans le monde animal et de reconnaftre un animal appartenant Il la classe des insectes. Les enfants savent l'utiliser et faire

un tri parmi les animaul du terrarium , ou des photographies (araignée - scorpion mille-pattes,)

L'habilité des enfanls élonne les adultes

- Ce>l un instrument de cO!!l!lllinication du savoir facilitant un maniement correct de la langue non seulement au niveau du vocabulaire, mais surtout avec les jeunes enfants, en favorisant un bon emploi des petits mols fonctionnels, tels: dessous (tes pattes) , entre (te thorax entre la têteetl'abdomenl.etc.,

2 2 - Le modèle construitâpartir d'une donnée elpérimentale

Avec des enfants deC~,de 8 - 9 ans, habituésàJ'entretien régulier des plantes de la classe. on s'est intéressé au devenir de J'eau dans la plante (activité ellpérimentale classique) :

l'EXPERIMENTATION: -On cherche une expérience montrant que la plante absorbe de J'eau.

- On montre aussi elpérimentalement que la plante perd de l'eau.

- On veut voir où va J'eau dans la plante , on fait une expérience avec de J'eau colorée comment l'eau "lraverse" la plante7 l'eau va partout dans les nervures

- On regarde la structure interne de la plante (sur du géranium dans eau colorée) : on remarque au grand étonnement des enfants des "tuyaux" , les vaisseaux conducteurs: l'eau ne va pas n'importe où , elle suit un trajet précis

L'INIERPRFf ATION . - A partir de celte structure on s'interroge sur le fonctionnement comment l'eau fait-elle pour monter dans la plante? problème que l'on ramére à un modèle physique: comment faire monter l'eau dans un tuyau?

D'où une nouvelle activité elperimenlale avec des tuyaull d'aquarium des seringues, des bassins d'eau, et même plus simplement avec des "pail1es" à jus de fruit; on cherche à faire monter de l'eau' en aspirant, ou en poussant.

Les enfants essaient de transposer le modéle physique â la plante. ils fabriquent un modèle de plante à partir des vaisseaull conducteurs qu'ils habillent de feuille, tige et racine.

On essaie alors d'imaginer le courant d'eau dans la plante :-"c'est peut-étre les feuilles qui tirent" ,et de proche en proche on arrive aux racines: on découvre des liens anatomiques. Les enfants tr.lduisenl alors ce fonclionnement possible sur un schéma: (fig 3)

LlNIEREI . En Quoi le modéle réalisé est ilun oulil mélbodololli<;r,ue

Ce modéle , comme dans le cas précédent est une figuration simple, représentant une organisation schémaliID!.e. de l'objet, la réduisant ici à quelques éléments nécessaires à l'explicitation du fonctionnement observé .

. Il serI de supporl aUI données expérimentales; trop souvent, on peut remarquer dans les classes. que les observations issues de J'expérience sont interprétées pour elles-mêmes sans él.ablir de relation entre le phénomène observé et la structure sous-jacente: nous ne pouvons restreindre la Biolosie à de simples pbénoménes physiques.

C'est un scbêma direcleur . il peut être transposé : le phénoméne observé semble sénéralisable aux diverses plantes de la classe: un courant d'eau traverse la plante .

Le modéle mécanique créé par les enfants et le modéle graphique construit avec les enfants ne sont en rien figés, les enfants trouvant eUI-mêmes les limites dl' leur modélisation: ily avait dtls fuites dans le premier cas: "çà doit mieui marcher dans la plante" , et le second cas (le schéma) ,provoque d'autres questions telJes que "est-ce que la plante garde aussi de l'eau pour elle"?lasaisie du réel en Biologie dépasse le phénomène physique observé.

Ce modéle n'a d'autre prétention que d'aider l'enfantà imaginer un courant d'eau dans la plante.laporte est largement ouverte aUI acquisitions ultérieures qui mobiliseront ce modèle et le compléteront.

23 - Un modèle de fOQÇlionnement imuiné

Avec des enfants de 10 - 11 ans (CM) nous nous sommes penchés sur des questions relatives au coeur, au sang, Ala circulation. Je ne dis pas d'emblée la circulation, car même si le mot est parfois employé,ilne revêt pas chez l'enfant la signification que nous lui donnons.

A - . les représentations dt::s enfanls et !ey[uJ:éouupaliQM

Au cours d'un entrtltien ,d lors de la réalisation de dessins, on peut déceler, au-delà de la charge affective liée au coeur, et d'une certaine crainte de perdre tout son sang quand on se blesse, quelques trllits permanents des représentations des enfants :

- Le coeur apparalt comme un organe isolé, sans lien avec des vaisseaui . - les mots veines, artères. vaisseaui sont nommés mais ne correspondentàrien. - lacirc;ulation ,c'est quelque chose qui "tourne" ; le sang va partout, mais on ne voit pas l'agenCllmelnt.

- Sion ne sait pas trop comment est fait le coeur etàquoi sert le coeur, on se demande souvent s'il ne sert pas à respinr, "puisqu'il batsi vite quant on court" (avec le danger éventueL."va-t-iJ exploser"n On ne sait pas non plus Aquoi sert le sang ... si ce n'est "A vivre". B - . Les acliyilts proposées (On trouvera une présentation dans le guide pédagogique de

Biologie Al'école élémentaire. B BORNANCIN - Edit Nathan) a) - Sentir SOn coeur sur

soi

et détecter les pulsations aUI divers niveaui du curps est intéressant, mais ne donne pas de réponse dans ce premier temps.

b) - Observer le coeur d'un animal correspond au désir de savoir comment est fait un coeur, même si l'enfant a du mal Aimaginer que le coeur d'un animal puisse être sl'mblable A celui de l'homme. Cette observation du coeur animal est très utile car elle permet de dècouvrir une structure: ce n'est pas un coeur de carteàjouer, pas un coeur des amoureui de Pey net , mais de la chair . un muscle, avec des vaisseaul accrochés au sommet - Et ces vaisseaui branchés sur le c;oeur conduisent A l'intérieur du coeur - l'elploration avec des bâtonnets montre que l'on ne peut pas passer d'un cOté Il l'autre - la coupe alors, révèle cavitès et cloison et permetde détecter du sane (coagulé>

cl -Comment traduire ces observations? par un dessin? C'est très décevant ... C'est alors qu'on propose aUJ: enfants la réalisation d'un modèle de coeur en pAte Amodeler· un va et vient s'effectue du coeur de l'an imal (aaneau) au coeur modélisé. Les enfants conçoivent leur

mode le en~t matérjdl~lllledoi50nnement , les cavites, la place de5 vai5seaUi ,On en fait une coupe, puis on construit un schéma, Ce modèle de struclUre possède le minimum d'éléments pour résoudre un premier problème fonctionnel,

d) - Approcher II? fonctionnement ca rd jaque

Avant de raisonner sur le schéma, on iWdliine le fonctionnement du coeur (Il cause de l'idée d'un fonctionnement "à l'air"),

- Le coeur de l'animal, rempli d'eau, apparall comme un petit réservoir qui, si on presse dessus. fait sortir le liquide, On peut même faire monter du liquide dans des pailles 1 On précise que le5 battements cardiaques correspondent à la contraction, et à la propulsion du 5ang dans les vaisseaui ,

- Essai d'interprétation Il l'aide du schéma: le sang rentre dans le coeur par des vaisseaui , il sort du coeur par des vaisseaui , Les enfants imaginent diverses possibilités de trajet du sang dans le coeur,

- Lonque les hypolhbes sont elprimèes ,le mallre précise le trajet réel dans notre corps, On donne alors les noms deY.tin~ etlÜl1:.ltI:e. ;et chaque enfant trace le trajet eIllct sur son schéma personnel (Fig ..O .

e) - Imujner III drcull&lion du sani

- Elablir un lien orll.nique entre un point du corps et le coeur, par les vaisseaui sanguins.

- Puis envisager un circuit complet,

Ce n'est qu'à ce moment là , et avec les enfants qui y parviendront , que se pose le probléme du retour du sang au coeur au niveau de la petite circulation. avec. sur son trajet, les poumons.

C - , Au cours de ces activitès , le modèle auquel on aboutit est un outil méthodoloaiaue - En effet:

- Le modéle représente une structure simplifiée, réduite aUI éléments nécessaires à l'appréhension d'un fonctionnement Ce modéle est évidemment partiel, II a permis une formulation simple définissant, provisoirement ,le coeur,

- Le modèle de circuldtion du sang est un schéma djrecteur qui permet d'établir des liens entre des observations faites sur le corps (pubation senties en divers points) ,et d'imaginer un aspect du fonctionnement global du corps,

Il permet de chercher une réponse Il des interrogations d'enfants, telles que: "Comment se fait-il que je sente mon coeur au poignet?" ,-"Pourquoi je respire plus vite quand je cours?" , Afin de proposer un document facilitant l'accès lIa connaissance établie socialement, nous avons créé un modéle elplicatif présentant des relations entre les organes en activiUl : nous faisons approcher l'enfant de la notion de modèle cybernétique (voir le livret documentaire "Conna/tre son corps", B BORNANCIN - édition Nathan) ,

III - OU'APPORTINT LES Am YlIES DE MODELISATION A!:ECOLE El EMENTAlEl ?

• Ces activités prochent du jeu plaisent beaucoup aUI enfants lesqut:ls sont toujours partie prenante dans la création d'un modèle, aboutissement de leur démarche, de leur réflelion ' • l'activité de modélisation est riche et diversifiée dans l'acquisition de comportements et la mise en oeuvre de savoir-faire souvent interdisciplinaire :

1 - ,l'enfant matérialise, visualise J'objet de sa connaissance Cil estentralnéàla recherthe de matériaux, à leur manipulation) ,

2 - ,l'enfant imagine un fOQÇtjoonement en le rapprochant d'un phénoméne tonnu , 3 - , l'enfant développe son esprit uiligue et apprendàremeUre son savoir en question, 0( - ,les enfants utilisent un lanuge commun précis, adapté a leur age,

Il semblerait nécessaire, en recherche pédagogique, d'établir une relation étroite entre les niveaul de formulation d'une notion en fonction des enfants et les activités demod~lisation ' Il parait important d'insister sur le va et vient qu'il y a chez l'enfant entre la modélisation matérielle et la modélisation conceptuelle, C'est en cela que je me permets de dire que l'eulant est artisan de son savoir ,Artisan, il l'est aUI deul sens du terme:

- Il fait un travail manuelàson propre compte,

- Il est en lui-même l'auteur, puisqu'il a conçu et réalisé son oeuvre, Ce n'est donc pas un simple exécutant,

laconstruction du savoir ne se fait pas àpartir d'activités purement intellectuelles: il faut manipuler, matérialiser pour conceptualiser ' De nombreul pédagogues ont insisté sur ce point, Il ne faut pas brusquer les étapes, en particulier ne pas proposer une schématisation hative , cela me parait bloquer toute remise en cause ultérieure du savoir et paralyser la possibilité d'imaliner un modéle nouveau,

Il est facile de remarquer, que de nombreux adultes n'ont pas de modèles de référence pour décrire les objets ou elpliquer les phénomènes biologiques qu'ils ont pourtant abordés au collège ou au lycée: que reste-t-i1 de la circulation du sang ?

Devant ceUe absence de modèle de référence. notons deul attiludes :

. L'adulte parai! démuni, ne sachant plus "faire le schéma" Qu'il a appris et qui était pour lui une vérité: comment s'y prendre pour meUre du bleu et du rouge sur un schéma de la cÎrtulation ,

-"Je ne me sens pas capable de tracer quoi que ce soit" dit une institutrice, -"je risquerais de me tromper" ,et dans le même sens, ceUe remarque d'un autre enseignant: -"je donne un schéma tout fait aUI enfants, au moins c'est juste" , Il se rassure dans une pédagogie d'imposition,

fn effet. ces adultes qui n'ont pas eu l'habitude de réfléchir à partir d'un modèle maniable, perfectible. accrochant successivement des niveaux de savoir, sont filés: ce schéma "vérité imposée" ,est stérilisant pour l'esprit,

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Notons aussi que l'absence de référence quelconque à un modèle lhéorique chu l'adulte conduit parfois à avoir uneas>uf4u!&_Jltl.Qll~dans son savoir erroné. Dessiner un papillon ne pose pas de questions pour un certain nombre d'enseignanls généralistes qui le représentent complètement faux .L'adu1t~croit donner un schémasimpl~. J'impose à J'enfant qui l'enregistre. -"Après tout il suffit que l'enfant voit sur le dessin que le papi lion vole" disait l'un d'eui .

Le problème de la simplification est ici posé: comment et jusqu'où peut-on simplifier sans induire une erreur .. La bonne maîtrise de la connaissance du sujet abordé est indispensable pour respecter l'enfant et le prendre au sérieui .

fn_il!JH..l.\I.~ ,le modéle conçu comme outil méthodologique a tout-à- fail sa place à l'école

élémentaire. où il favorise une véritable approche de la Biologie:

- Approche de la Biologie en tant que Science descriptive par l'élaboration de modèles de structure fidélesà la réalité. C'est dans la démarche de construction du modèle (donc l'activité de modélisation) Que se situe la différence radicale avec le schéma imposé

Approche de la Biologie en lant que Science elpérimentale par la création d" modèles certes liés à une structure sous-jacente. mais faisant émerger de celie-ci les élémenls simplifiés nécessairesà la compréhension d'un fonctionnement: le modèle est en luj-méme f2nctjonnel.

Rllpptlons encore que le modèle en Biologie ne peut qu'être une figuration approchée du réel. un snét dans le temps et qu'il est donc important d'en faire sentir les limites. Donner une image figée du vivant compromet. si on ne la dépasse pas . la compréhension méme de ce qu'elle est sensée représenter.

BIBLIOGRAPHIE

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- GIORDAN Andrè et MARTINAND Jean-Louis. Edition Giordan-Martinand : Signes et discours dans l'éducation et la vulgarisation scientifique - 1986.

- GUINAND 5. ,in Encyclopèdia Universalis : "Le modèle en Biolosie" .

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