CYCLES DE MATIÈRE :
CONCEPTS ET ASSIMILATION DE MODÈLES
Christiane ESPÉRET
I.U.F.M. / Université de la Réunion
MOTS-CLÉS : CYCLES DE MATIÈRE - RÉSEAU CONCEPTUEL - ENVIRONNEMENT - ÉVOLUTION DES CONCEPTIONS - ASSIMILATION
RÉSUMÉ : Les cycles de matière sont des concepts écologiques intégrateurs dont la maîtrise est indispensable à la réflexion actuelle et future sur les rapports de l’homme à l’environnement et à l’exercice de la citoyenneté. Dans l’optique de leur modélisation, les concepts préalables sont déterminés à partir de leur construction historique, puis dans les curricula. Des données didactiques sont dégagées de l’évolution des représentations d’élèves.
SUMMARY : Matter cycles are integrate ecological concepts and their knowledge is essential to actual and future reflexion about the relations between human and his environment and about the use of citizenship. According to modelisation, previous concepts are determined from their historical construction, then in teaching programs. Didactic data are brought out of evolution of children’s apprehension during the learning of a model of matter cycle.
1. INTRODUCTION
La gestion des risques environnementaux passe par leur prévention, favorisée par la connaissance des concepts écologiques intégrateurs comme les cycles de matière (cycles biogéochimiques de l’oxygène, du carbone et de l’eau). Leur modélisation, pensée comme outil didactique de construction, de fonctionnement et de questionnement de modèles, peut être un outil privilégié d’éducation à l’environnement. Nous présentons ici la recherche de données épistémologiques, curriculaires et didactiques sur les cycles de matière, données utilisées dans la suite de notre recherche doctorale pour l’élaboration de modélisations des cycles biogéochimiques en Seconde.
2. PROBLÉMATIQUE ET MÉTHODOLOGIE
Le questionnement de cette recherche doctorale porte sur les cycles de matière en tant que concepts intégrateurs : détermination des concepts et principes préalables, écart entre l’interprétation immédiate des cycles de matière et le concept intégrateur, conditions d’apprentissage d’un concept intégrateur : démarches, raisonnements, approche globale, passage concepts élémentaires/concept intégrateur, modèles de cycles de matière accessibles aux élèves, mobilisation des modèles de cycles dans et hors de l’école : intégration dans un raisonnement, transférabilité.
La méthodologie de recherche, de type ingénierie didactique (Artigue, 1990), a quatre phases : le cadre théorique d’analyse préalable qui concerne le champ disciplinaire, la modélisation didactique, la conceptualisation, les analyses a priori (3 tests d’élèves sur le cycle de la matière organique/matière minérale, des travaux de modélisation : séances, brouillons, productions finies, analyse de manuels, expérimentation (conception et réalisation de séquences de modélisation des cycles biogéochimiques de l’oxygène, du carbone et de l’eau), validation (analyse des productions d’élèves, confrontation avec les analyses a priori).
3. LES CYCLES DE MATIÈRE : CONSTRUCTION HISTORIQUE ET RÉSEAU CONCEPTUEL
L’étude historique et l’analyse curriculaire ont pour objectif de dégager les concepts mis en jeu et leurs relations : le réseau conceptuel, ainsi que les cadres dans lesquels ils s’inscrivent. Différentes approches ont contribué à l’élaboration du cycle de la matière et des éléments :
- philosophique avec la transmutation circulaire des quatre éléments des Anciens : l’eau, la terre, le feu, l’air - la forme donnant la vie à la matière, liée aux concepts de génération et corruption,
- mécanique au 17e siècle, des forces plus ou moins grandes assurant la mise en mouvement de la matière, à l’opposé, pour les vitalistes, c’est l’âme du corps vivant qui impulse le mouvement, - chimique, avec les éléments simples de Lavoisier, qui, en utilisant une méthodologie d’analyse de composition et décomposition et les principes d’égalité de matière au début et à la fin des expériences, détermine la composition de l’eau, de l’air et de la terre, et boucle le cycle du carbone, - physiologique au 19e siècle, avec l’unification des phénomènes vitaux, synthèse et respiration, - microbiologique pour la compréhension de la fermeture du cycle par les bactéries,
- thermodynamique et écologique au 20e siècle, les cycles biogéochimiques des éléments se voient enrichis du flux d’énergie quantifié qui règle le fonctionnement de l’écosystèmes.
Le réseau conceptuel établi à partir des programmes de la 6e à la 2e met en évidence une prédominance des concepts biologiques, ce qui nous rappelle l’explication des phénomènes vitaux par les physiologistes du 19e siècle. Leur actualisation consiste à les inscrire dans une approche écologique. Les concepts écologiques, quant à eux, restent qualitatifs, le grand concept intégrateur écologique de flux d’énergie, considéré comme trop pointu (allégements de 1eS), n’apparaît pas en Seconde, non plus que les bilans détaillés de l’écosystème terrestre. Les concepts physico-chimiques sont transversaux, leurs principes et lois constituent le fondement de l’interprétation de l’ensemble des phénomènes, ce qui est un prolongement de l’élaboration historique des cycles de la matière : nous avons gardé sur ce point les mêmes paradigmes explicatifs depuis le 18e siècle. Les concepts biologiques sont travaillés à différentes échelles, définis par niveau de scolarité : planète, écosystème, organisme, cellule, molécule, ce qui pose le problème de l’intégration des connaissances relatives à un même concept. La « cohérence verticale », pour reprendre la formule des concepteurs de programmes, indispensable à l’appréhension des changements d’échelle, dans l’espace et dans le temps, n’est-elle pas source d’incohérence et/ou de dispersion cognitive ?
4. ÉVOLUTION DES CONCEPTIONS D’ÉLÈVES ET ASSIMILATION D’UN MODÈLE À l’issue de l’étude des réseaux trophiques dans la biosphère, et avant l’étude détaillée de la fonction de nutrition d’un végétal chlorophyllien, un modèle a priori, synthétique, simple, fermé, du cycle de
la matière organique et de la matière minérale a été proposé à trois classes de Seconde. Les élèves ont
répondu aux tests en trois temps : avant l’étude de la biosphère, après avoir travaillé la photosynthèse, et enfin, quatre mois plus tard. Notre objectif est de rechercher les concepts mis en
jeu, leur évolution avec les apprentissages, le degré d’assimilation des modèles par les élèves. Notre hypothèse est qu’il existe peut-être des corrélations entre ces différents points, en particulier entre l’ampleur ou la nature de l’évolution des concepts, décelée par comparaison du 1er et du 2e test et l’assimilation du modèle, estimée par comparaison du 2e et du 3e test.
Réseau conceptuel établi à partir des programmes de la 6e à la 2nde Concepts biologiques
Nutrition des végétaux
Nutrition des animaux et de l’homme
Respiration des animaux, des végétaux
Reproduction
Concepts physico-chimiques La matière : ses états ; les éléments conservation de la matière transformations / réactions l’énergie Concepts écologiques Ecosystèmes chaînes et réseaux interdépendance producteurs / consommateurs Concepts géologiques
évolution des paysages
roches, eau, atmosphère, vivants activité interne du globe : effets
DE L’OXYGÈNE CYCLES DU CO2
DE L’EAU
Cycle de la matière organique et de la matière minérale proposé aux classes de Seconde
énergie hétérotrophes zoophages / phytophages (solaire) matière organique
autotrophes hétérotrophes (végétaux) (animaux)
matière minérale
Nous avons identifié 7 catégories de concepts : des concepts de chimie/biochimie, de physique, de biologie, des concepts écologiques, géologiques, temporels et de « vie quotidienne ». L’évolution des réponses des élèves dans le second test consiste en une plus grande mobilisation des concepts de chimie - biochimie et d’écologie. La majorité des élèves effectuent une re-contextualisation, c’est-à-dire passent d’une catégorie de concepts à une autre, ou enrichissent une première catégorie d’une
autre ou encore changent de concepts dans la même catégorie. Ces re-contextualisations traduisent assez fidèlement les concepts mis en œuvre par les enseignants.
Les cycles de matière s’inscrivant dans des systèmes d’interdépendances entre tous les concepts qu’ils intègrent, nous avons recherché la formulation de relations et leur évolution. La majorité des réponses au test 1, et encore bon nombre de réponses au test 2 n’ont pas de relations. Nous identifions là un obstacle à la construction des cycles de matière. Par croisement avec l’évolution des concepts nous constatons que l’enrichissement des concepts autour de la chimie est favorable à l’établissement de relations et qu’au contraire, l’évolution à partir des généralités ou des concepts a priori les moins scientifiques, de « vie quotidienne » ou de « temps » n’est pas source de relations. Nous avons également recherché l’évolution des termes, que nous appellerons « opérateurs », qui donnent sens aux concepts et/ou aux relations. Les opérateurs dynamiques tels que « transformations », « recyclage », « renouvellement » sont davantage mis en œuvre que les opérateurs statiques, descriptifs, tels que « différents états », « classement », après apprentissage du cycle de la matière mais ils ne semblent pas déterminants pour l’établissement des relations. Celles-ci sont davantage liées à des opérateurs comme les mécanismes, même simples, avec des actions uniques, comme « disparaître » ou « mange », qui sont explicatifs. Nous émettons l’hypothèse que l’appréhension de mécanismes binaires, d’actions complémentaires, tels que « développement et décomposition », qui historiquement sont une voie importante de compréhension des cycles, peut favoriser la mise en relation des éléments des cycles de matière, donc leur modélisation. Nous n’avons pas trouvé de corrélations étroites opératrices - type de concepts, les évolutions indiquent une mobilisation d’opérateurs explicatifs diversifiés lors des apprentissages pour les concepts chimie, biologie, écologie, et nous conserverons cette donnée pour notre expérimentation. Enfin, nous avons mis en relation toutes les évolutions précédemment identifiées avec l’assimilation du modèle du cycle de la matière, recueilli par test quatre mois après apprentissage. Ce travail indique l’importance non pas de certains contextes ou de certains opérateurs du test 1 ou du test 2, mais plutôt celle d’une richesse des réponses du second test, comportant à la fois contexte, relations et opérateurs pour une meilleure assimilation du modèle. L’ensemble de ces données est plus favorable que l’utilisation des concepts nécessaires au fonctionnement du cycle que sont autotrophes et hétérotrophes. La comparaison des analyses pour les schémas de modèles modifiés ou absents nous oblige à moduler ces premières conclusions : pour ces élèves, un nombre non négligeable de réponses du test 2 présentent l’ensemble contexte, relations, opérateurs. Nous devons alors comparer la nature de ceux-ci avec le groupe précédent. Nous relevons en particulier le grand nombre de re-contextualisations vers l’écologie et dans la dernière analyse, la mobilisation du recyclage. À ce niveau de scolarité, l’écologie est-elle un contexte fragile, qui ne permet pas un ancrage suffisant pour l’assimilation du cycle de matière ?
5. CONCLUSION
Construits grâce à des approches diversifiées et riches de concepts issus de plusieurs disciplines scientifiques, les cycles de matière sont des élaborations complexes, dont les phénomènes se déroulent à différentes échelles. L’apprentissage d’un modèle simple du cycle de la matière s’accompagne d’une évolution des conceptions vers les concepts de chimie, de biologie et d’écologie, l’établissement de relations et la mise en œuvre d’opérateurs dynamiques, et ces trois ensemble favorisent son assimilation. Nous retiendrons ces données pour notre expérimentation : la conception et la réalisation de modélisations des cycles biogéochimiques de l’oxygène et du carbone en classe de seconde, ainsi que la nécessité de renforcer les concepts écologiques.
BIBLIOGRAPHIE
ARTIGUE M., Ingénierie didactique, in Recherches en didactique des Mathématiques, 1990, 9-3. HAGUENAUER C., Comprendre par les cycles et les cycles pour apprendre ou le concept de cycle, indicateur de la connaissance, des sciences de la nature à l’écologie forestière, Thèse de Doctorat, Université de Nancy 1, 1991.
MARTINAND J.-L. et al., Nouveaux regards sur l’enseignement et l’apprentissage de la modélisation en sciences, Paris : I.N.R.P., 1994.
RUMELHARD G., La régulation en biologie Approche didactique : représentation, conceptualisation, modélisation, Paris : I.N.R.P., 1994.
