DE "FAIRE UNE EXPERIENCE" A
"FAIRE DE LA RECHERCHE"
Michelle DUPONT
G.D.S.E., U.F. Didactique, Université Paris7 et Lycée François Villon
Christian SOUCHON
G.D.S.E., U.F. Didactique, Université Paris7 et Groupe G.E.M.M.E.
MOTS-CLES : EXPERIENCE - RECHERCHE - DIDACTIQUE.
RESUME: L'enseignement actuel de la ou des méthodes scientifiques ne met pratiquement pas les enseignés en situation de recherche. Est-il possible, dans quelques cas, de le faire réellement ?
SUMMARY : Today's teaching about scientific method(s) is quite always unfitting with true
research situations. Isilpossible to make it really fit in sorne cases?
Leprésent article intègre le compte-rendu de l'atelier initialement proposé sous le titre "Créer,
Inventer, Imaginer: le rôle d'un cahier des charges", mais le propos a été volontairement élargiàune
réflexion sur la façon dont les démarches de conception et de recherche sont abordées dans l'enseignement scientifique, notamment dans les collèges et les lycées en France.
1. INTRODUCTION
Quiconque a "l'expérience" de l'animation scientifique ou de l'enseignement ou simplement celle de parent peut dire que, pour un enfant, "faire une expérience" c'est "très chouette"... surtout si
"ça marche!!"et que pour lui c'est essentiellement manipuler. "Mélangeons le liquide jaune avec le
liquide incolore: cela devient rouge". Bravo! Situation classique proposée par la plupart des "livres d'expérience", des divers coffrets-jeux d'initiation scientifique... ; même si l'interprétation de ces phénomènes "magiques" est donnée, elle est rarement réellement éducative.
Mais notre réflexion doit aussi porter sur les situations scolaires de mise en présence d'expériences: celles-ci placent-elles vraiment les élèves en position d'approcher ce qu'est la recherche? Ne s'agit-il pas le plus souvent de simples "démonstrations" a posteriori? N'a-t·on pas en ce qui concerne la présentation de la (des) démarche(s) scientifique(s) d'une part ces "simulacres", d'autre part un discours bien abstrait pour l'élève sur la Méthode (hypothèse, induction, déduction ?). Un bilan honnête sur ces questions ne serait sûrement guère encourageant. Que sont vraiment
les résultats des pédagogies de redécouverte (notez le re...!)? Est-il possible cependant de mettre
l'ëlève en position aussi réelle que possible de conception technique et/ou de recherche scientifique? Des efforts dans ce sens peuvent améliorer ce transfert Science/Enseignement sur lequel ironise quelque peu A. Vergnioux (1990) en faisant remarquer que la Didactique, en s'occupant de ce domaine, devient la "valeur-refuge" des Sciences Educatives au sens large. A s'occuper de ces
problèmes, autant tenter que ce soit avec lucidité et sérieusement; etil ya beaucoupàfaire!
2. UN EXEMPLE DE MISE EN SITUATION DE CONCEPTION TECHNIQUE
Peut-on mettre en situation de concevoir, donc d'imaginer, d'inventer? Les cas pratiques de recherches techniques dans les entreprises, dans les établissements d'enseignement technique
correspondent presque toujoursàune commande, définie par un cahier des charges. Selon les cas,
l'importance de l'innovation sera évidemment extrêmement variable: elle peut nécessiter une véritable découverte, une réelle invention, mais qui assez souvent se réduit à une assemblage d'éléments
disponibles ouàun aménagement de "déjà connu".
Lademande suivante, sous forme de cahier des charges illustré par un petit fIlm vidéo a été faite
aux participantsàl'atelier: "Proposez un dispositif ou un processus destiné à enseigner la frappe de
- le joueur étant en position de frappe (pieds, prise de raquette et préparation du coup par raquette en arrière), la balle doit parvenir dans un cercle au sol d'environ 60 cm de diamètre, être vue
par le joueur sur une trajectoire préalable d'au moins 1 m et miseàsa portée".
Les solutions proposées sont diverses:
- balle lancée de loin depuis le filet par un dispositif original, qui n'a pas son équivalent dans le commerce (Inspecteur de l'enseignement technique en Algérie; hors atelier) (figure 1), - piste incurvée pennettant le rebond,
- entonnoir-réservoir et tube d'écoulement près du joueur,
- bricolage avec un trépied et un tube obtenu avec une boîte de balleà fond ouvert (animateur
de l'atelier),
- simple jet de la balleàportée du joueur,
- reprise de la démonstration de demande qui répond au cahier des charges (animateur) de l'atelier).
Remarques sur les démarches:
- le respect du cahier des charges ne nécessitait rien d'autre que la reproduction de la démonstration de demande; les participants ont souvent cherché plus compliqué... et probablement pensé que l'attitude de l'animateur, reprenant seulement les termes de la demande, n'était pas très sérieuse. On était cependant devant une situation de problème résolu... mais puisqu'il y a problème, il faut une solution, et puisqu'il y a technique, il faut un appareil et une sophistication minimale!
- les solutions font appel à des acquis antérieurs qui peuvent être vraiment connus
(mécanismes des appareils lance-balles du commerce: "Lobster"àaircomprimé, autres modèles à
frappe par marteau), ou simplement entrevus (formes de l'appareil : entonnoir de distribution des balles, canon de direction...) ;
- dans une situation d'enseignement technique, la recherche semble s'effectuer surtout en essayant d'assembler des éléments connus ayant des fonctions détenninées (cf. les constituants de la proposition). Conclusion partielle: ou bien ce type d'exercice est ridicule (Exit), ou bien ce peut être une façon d'inciter à la conception, à l'imagination, à la réflexion. Une trame de cahier des charges à
plusieurs entrées (prix, sophistication-simplicité, maniabilité...) peut aideràfixer des modalités
diverses par groupes ou par individus; par exemple, la seule exigence du bon marché peut constituer
le défi conduisantàl'action, tout autant que la performance technique de la construction d'un objet
sophistiqué mais coûteux. On pourra aussi approfondir la réflexion dans ce sens en analysant les travaux des Clubs scientifiques et la présentation de leurs résultats notamment dans les Exposciences.
3. A LA RECHERCHE... DE SITUATIONS DE RECHERCHE
Il est certain que placés devant les acquis scientifiques àce jour, seuls les chercheurs
professionnels dans leur domaine particulier sontàmême d'être en situation de vraie recherche et
d'éventuelle découverte (tout au moins de participationàun petit progrès.. ). Les enseignés par
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découvrir, même si elles sont déjà effectivement connues. Même si l'essentiel serait de sûrement d'apprendre à poser des questions plutôt que de penser à les résoudre, on peut essayer de réfléchir à la conception d'expériences dont le résultat et l'interprétation ne seraient pas connus de celui qui va les mettre en oeuvre.
Deux pistes simples, parmi d'autres...
3.1. La recherche appliquée de type essai comparatif ou essai au champ en agronomie.
Ex. : pour conserver les fleurs coupées:
- grand-mère met un cachet d'aspirine dans l'eau, - tante Pauline une goutte d'eau de Javel, - Jean des glaçons dans l'eau 4 fois par jour,
- Marie remet son bouquet au réfrigérateur chaque soir, - M. Pok utilise le Vaskon du commerce.
... On suppose que la revue de consommateurs "Que choisir1"demande une étude pour savoir
quel est le bon procédé. Problèmes d'échantillonnage: état initial des fleurs; espèces différentes; différence d'épanouissement entre fleurs: stades, combinaison éventuelle des procédés; dose d'application des produits...
Le résultat n'est pas connu, semble-t-il.
3.2. L'application d'une méthodologie connue à un cas nouveau pour l'apprenant.
Ex : Etude du comportement des animaux Insectes terrestres, Insectes aquatiques, Poissons, par référence à des comportements déjà décrits pour des Oiseaux, des Mammifères.
Les participants à l'atelier ont proposé d'autres pistes, telles que:
- Comment choisir entre deux méthodes de dosage ? Cas du dosage du glucose par réfractométrie et par polarimétrie. Jugement critique et utilisation de divers critères pour faire le choix.
- Comment faire acquérirlanotion de pH sans utiliser la notion de logarithme?
- Recherche d'une méthodologie de comptage de cadavres de criquets dans un champ. - Faire étudier aux élèves différents montages électroniques et trouver les fonctions élémentaires des composants ou ensemble de composants. Demander ensuite la réalisation d'un montage où il faut associer différentes fonctions: pour cela
a) établir un cahier des charges,
b) recherche des différentes fonctions souhaitées,
c) recherche des différents montages remplissant ces fonctions, d) adapter les différents éléments les uns aux autres,
e) obtenir un produit fmi.
- A propos des microfusées à partir de lancement qui "marchent", faire rechercher l'état des forces intervenantes ; élaborer des hypothèses et quand on croit avoir compris envisager un projet "délirant"...
- Lors de la germination des graines apparition de glucose. Le papier test réactif utilisé, en
4. A SUIVRE... EXERCICE POUR NOS LECTEURS
Une expérience classique et controversée selon A.SCHUHL(1990) dont le texte est fourni en
figure 2. et même très controversée: voir le texte deJ.A.BARKER (1990) donné en figure 3.
A partir de là, imaginez de nouvelles expériences avec autres montages et matériel varié qui permettraient d'y voir clair: disparition d'oxygène, dilatation de l'air et rétraction, part relative éventuelle des deux phénomènes s'ils coexistent, situations qui leur éviteraient de coexister, prise en compte de combustibles différents (bougie, papier...) ; réfléchir sur le dessin mystère (figure 4 extraite d'un volume des "Petits débrouillards"). On peut envisager 3 profùs différents d'élèves:
a) formation "littéraire" niveau bac, b) formation "scientifique" niveau bac,
c) universitaires connaissant des formules chimiques et les équations de combustion. Envoyez vos réflexions, vos résultats, vos critiques, vos insultes aux auteurs: le concours est permanent.
5. REFLEXIONS CRITIQUES SUR "EXPERIENCE ET ENSEIGNEMENT
SCIENTIFIQUE (M. Dupont)
On peut se demander si de telles mises en situation de recherche sont possibles dans un enseignement scientifique soclaire et, dans l'affirmative, quelle en serait la finalité?
On peut aussi, pour élargir la question, se demander quel est le statut de "l'expérience" dans l'enseignement scientifique scolaire actuel.
5.1. Finalité d'un enseignement scientifique de type scolaire
Il paraîtra banal de rappeler qu'un enseignement scientifique de qualité ne peut se contenter de
la seule transmission de savoirs.TIparaît évident, pour l'ensemble de la communauté enseignante,
que l'apprentissage de ces savoirs, connaissances, raisonnements, savoir-faire, doit se faire d'une façon active, en situation expérimentale réelle. L'élève doit construire son savoir, progressivement en surmontant obstacles et échecs.
Mais dans le cadre de ces généralités, quel statut donner à "l'expérience" dans ce type d'apprentissage? S'agit-il d'une mise en situation réelle ou d'une situation utilisée pour répondre à tel ou tel objectif d'apprentissage ou d'évaluation? S'agit-il d'une finalité pédagogique ou d'un moyen pédagogique? Ces deux statuts sont-ils contradictoires, s'excluent-ils? Sont-ils complémentaires?
5.2. "L'expérience", considérée comme une finalité pédagogique
L'acte pédagogique de proposer aux élèves une situation authentique de recherche, avec toutes ses contraintes et ses difficultés est celui d'un enseignant convaincu de l'importance de cette activité dans la formation scientifique de l'élève.
Mais quels sont les objectifs d'une telle séquence pédagogique? Quelles en sont les conditions d'enseignement? Quelles contraintes?
5.2.1. Quels objectifs? Mise en contact avec le réel. Ceci implique donc qu'il n'y a pas de situation de création... au préalable, d'apprentissage structuré, codifié. L'expérience, dans ce cas, ne
peut être qu'un "révélateur" de vocations éventuelles restées jusqu'alors inconscientes; elle pennetà
l'élève de se situer par rapportàcette activité de recherche.
Cette confrontation au réel est irremplaçable? Mais pasà n'importe quelles conditions.
5.2.2. Quelles conditions ?ilfaut que la situation soit réelle et non un simulacre de problème.
Mais dans ce cas des difficultés surgissent: comment envisager le dérouleruent complet de l'activité expériementale et prendre en compte le niveau de connaissances de l'élève?
Comment réaliser une gestion réaliste des groupes d'élèves? Comment obtenir les moyens matériels et en temps suffisants surtout en France pour pennettre une réelle autonomie des élèves? Manque de liberté par rapport aux programmes (point à confronter avec le cas des enseignements anglais et américain).
5.2.3. Quelles contraintes? Pas de possibilité d'apprentissage, donc quelle évaluation mettre en place? Quels critères de réussite retenir? Est-ce compatible avec une situation réelle d'enseignement? Quelle fonnation pour les enseignants:
- nécessité de "jouer le jeu"
- admettre l'idée qu'il n'y a peut-être pas de solution.
5.3. "L'expérience" comme moyen pédagogique
L'enseignement scientifique est aussi transmission de savoir structuré, avec des exigences de méthodes, de savoir-faire, de rigueur, et dans ce cas la pratique expérimentale, "l'expérience" est un moyen pédagogique privilégié; on peut alors envisager de retenir comme activité expérimentale un simulacre de problème, une expérience connue... Mais nous poserons à nouveau les trois mêmes questions.
5.3.1. Quels objectifs? • Dans une situation d'apprentissage, faire acquérir des méthodes, des démarches, des savoirs-faire. Dans cette perspective, une séance de TP peut se fixer comme objectif de faire acquérir une pratique expérimentale définie
- Dans une situation d'évaluation sommative qui suit une telle séance, il faut vérifier
l'acquisition de méthodes chez les enseignés. On peut regretter que cette évaluation ne soit pas
pratique courante, mais on doit reconnaître que les difficultés sont nombreuses. En effet,àquelles
conditions pourrait-on réaliser une telle évaluation?
5.3.2. Quelles conditions? - Explicitation pour le maître des objectifs de la manipulation. - Adéquation nécessaire entre objectifs et situation artificielle proposée : le choix de l'activité expérimentale proposé est délicat.
- Faisabilité, en temps, en matériel...
5.3.3. Quelles contraintes ?- Explicitation, pour les élèves, des tâches à exécuter et des
réalisations auxquelles ils doivent aboutir. Ne peut se faire que dans le cadre des programmes. - Difficulté de définir des critères de réussite pour ces pratiques expérimentales.
6. CONCLUSIONS
La recherche d'expériences mettant en situation de découverte, de recherche, de redécouverte,
toutlemonde en parle et pourtant!.
Que ce soit dans des activités périscolaires (clubs scientifiques...) ou en classe, on ne trouve pas beaucoup d'exemples "vrais".
Que peut-on proposer dans l'immédiat?
Que peut-on souhaiter de réaliste? Ne faut-il pas que la "pratique expérimentale" se développe et soit prise en compte dans les évaluations?
Peut-on réellement accepter la réduction importante des TP dans les cursus?
Ilfaut souhaiter par ailleurs que d'un point de vue didactique le statut de "l'expérience" soit
clairement défini: cela a d'ailleurs été un des points développé avec force par les participantsà
l'atelier.
Ilest nécessaire aussi de développer des conditions matérielles pour pouvoir offrir aux élèves,
au moins de temps en temps, de réelles situations d'invention, en sachant que les problèmes sont nombreux:
- par rapport aux techniques de base actuelles, - par rapport au savoir et au cursus de l'élève, - par rapport à l'évaluation.
Mais c'estàce prix qu'on peut offrir aux élèves des situations de recherche réellement
motivantes.
7. BIBLIOGRAPHIE
BARKER(J.B.), 1990. - Science and nonsense. In Journ. of Biol. Educ., 24 (2), 66-67.
SCHUHL(A), 1990. - Ce serait trop simple! In Science et Vie Junior, (févr. 1990), p. 51.A
...
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=
Raquette.~
Support Pied du joueur Axe de rotation horizontal Balles de tennis Figure 1 : Schéma de principe d'un lance-balles de tennis. Canon à balle ,Réservoir de balles Axe de rotation vertical o·---~B\
d" l' '1 ' outon unpu SIon e ectnque En appuyant sur le bouton d'impulsion électrique, l'électro-aimant pousse l'éjecteur qui lance la balle se trouvant dans le canon. L'éjecteur revient (rappelé par un ressort), la balle suivante se place dans le canon. Un axe de rotation vertical et un axe de rotation horiwntal pennettent de régler l'angle de tir/
Electro-aimant éjecteur de ballesCe serait trop sinIple
!
Question : pourquoi le niveau de
l'eau monte-t-il dans le verre?
P
ouvez-vous assécherrapidement une as-siette sans la
dépla-cer? Voici une méthode à
laquelle vous n'aviez proba-blement pas pensé.
Procurez-vous une bougie
haute de 2à3 cm, un verre
en Pyrex et une assiette creuse dans laquelle vous versez de l'eau. Fixez la bou-gie au centre de l'assiette.
Allumez-la. Lorsque la
flamme brûle convenable·
ment, posez le verre à
l'envers dans l'assiette, en emprisonnant la bougie des-sous. Elle s'éteint rapide-ment, et le niveau de l'eau monte dans le verre. Si vous n'avez pas mis trop d'eau, vous pouvez même assécher l'assiette.
Ce phénomène semble
avoir une explication simple. En brûlant, la flamme con-somme l'oxygène de l'air. Lorsque tout a été utilisé, la
flamme s'éteint. Comme
l'oxygène a disparu, la pres-sion dans le verre diminue. Cela aspire donc l'eau dans le verre. En d'autres termes, l'eau vient prendre la place de l'oxygène. On trouve ce raisonnement dans de nom-breux manuels, et pourtant il est en partie erroné.
Bien sûr, toute flamme
consomme de l'oxygène.
Quand il n'yen a plus, le feu s'éteint. Cela dit, l'oxygène qui brûle ne disparaît pas. Il se transforme en oxyde de carbone, et en vapeur d'eau. Ce sont des gaz, ils prennent la place de l'oxygène. La combustion n'entraîne donc
aucune diminution de pres-sion. En fait, pour être exact, une partie de l'oxyde de car-bone se dissout dans l'eau. Mais cet effet est faible, il ne peut pas expliquer la forte remontée du niveau de l'eau dans le verre.
Si vous n'êtes pas con-vaincu, recommencez l'expé-rience en remplaçant la bou-gie par une boule de papier journal dont la combustion dégagera plus de chaleur. Faites brûler le journal posé sur un petit récipient métal-lique, puis couvrez le tout avec un verre. Le niveau de l'eau peut alors monter dans le verre jusqu'à mi-hauteur. Comme dans l'air il n'y a que
20%d'oxygène, la
combus-tion de celui-ci ne peut
expli-quer une perte de 50%de
volume.
La cause de la remontée de l'eau est ailleurs. La flamme réchauffe l'air qui l'entoure. C'est donc un gaz chaud qui est piégé dans le verre. Lorsque la flamme s'éteint par manque d'oxy·
gène, tout se refroidit.
Comme nous l'avons vu dans "Ceci n'est pas un
alcoo-testIl(SVJ n° 9), en se refroi·
dissant l'air se contracte. L'eau occupe alors l'espace libéré. D'ailleurs, vous avez sûrement remarqué que le niveau monte non pas pen-dant la combustion, mais après, pendant le refroidisse-ment.
Alain Schuhl
DESSINS: AlAIN KORKOS
Science
and
nonsense
Recently, on visiting ascience class, 1 was reminded of Geoff Oxford's letter (ISE, 23(4), 261), commenting upon the time ittakes for out-of.date science to be deleted by textbook writers. It was a year 7c1ass and the students had been determining the percentage of oxygen in the air by burning acandIe in acontainer of water with aglass jar held over the candie forming an air-tight seal with the water. When the candIe flame was extinguished and the jar had cooled the level of the water had risen inside the jar. By measuring the change, the decrease in the volume of the gas inside the jar was found. As a percentage the c1ass found it was between 18 and 24. Near enough, you may say, to the percentage of oxygen in the air (21 per cent). Unfortunately, more than 20 years ago Kempa (1967) conclusively showed that the results were complete rubbish. He found that the candIe was extinguished when the pereentage of oxygen drapped from 21 per cent to around 14 to 16 per cent. Today, with an oxygen meter it iseasy to show that this is so. How then, you may ask, does the volume in the jar contract by around 20 per cent? The explanation probably lies in the fact that as Journal of Biologieal Education (1990) 24 (2) the air inside the jar is heated itexpands, and a proportion bubbles out. When the gas cools it contracts and provides atotally misleading result. On enquiring of the teacher of the source for this investigation 1 was shown a brand new science course published in 1989. What other false investigations in science are still carried out 1pondered. 1 had thought that the classic 'air pressure' investigation really had disappeared for good. It is the one where you fill atumbler completely full of water, press a piece of card over the top, excluding any air bubbles, and then invert the tumbler; the ca rd stays in place-due to air pressure, they used to say! 1 found it in a weil known and very popular current science course for year 7 and year 8pupils. To add insult to in jury, in the numbered order of the course the section on air cornes immediately after a section which explores the nature of science and the need to formulate and test hypotheses-something sadly neglected by the authors. Are there any specifically biological howlers Figure 3 1 wonder? Colin Wood-Robinson (1984) suggested several incorrect interpretations of biological investigations but l'm sure there are others. How many science teachers are collecting the gas given off by Elodea and testing itwith a glowing splint to 'prave' that the gas is oxygen? Instead it is agas containing more oxygen than normal air. How many students' drawings of cells, as seen under the microscope, include an identified and labelled plasma membrane at about 10 mm thick? Do you know of any other examples of non-science being taught, either in theory or as practical investigations? If so please write to us about it! John A. Barker References Kempa. R. F. (1967) The candIe in the bell-jar: A critîcal appraisal. In SciC'IIce Tl'lIdlillK Ta/miquC'.\", 12. London: John Murray. Wood-Robinson. C. (1984). How m~IOY cxpcrimcnlal conclusions <ife éI 'con'? Journal (~( 8i%gil'al Education. 18(1), 1-2...
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