HISTOIRE DES SCIENCES ET
RÉFLEXION ÉPISTÉMOLOGIQUE DES ÉLÈVES
Pierre FILLON LN.R.P. Paris
MOTS-CLÉS: HISTOIRE DES SCIENCES - MÉTA COGNITION - DONNER DU SENS
RÉSUMÉ: La place de l'histoire des sciences dans l'enseignement scientifique français est très marginale. Pour sortir de cette situation, nous présenterons deux finalités que l'on peut lui assigner dans l'enseignement des sciences. En s'appuyant sur des exemples et en analysant les contraintes liéesà l'introduction de l'histoire des sciences, nous verrons qu'elle peut permettre à l'élève de : - réfléchir sur le fonctionnement interne de la science et redonner du sens aux activités de classe, - prendre du recul par rapportà ses propres représentations.
SUMMARY : History of science holds a place of very little importance in the french scientific education. To settle the situation, we produce here two purposes that can be assigned to its presence in the teaching of science. With the study of examples and analysis of the constraints du to the introduction of history of science, we will see that it can lead the student :
- tothink about the inner-running of science and give back sens to classe's activities, - tostand back from his own conceptions.
1. HISTOIRE DES SCIENCES ET ENSEIGNEMENT
1.1 Comment l'histoire des sciences est-elle utilisée?
En France, l'histoire des sciences a une place très marginale dans l'enseignement malgré les recommandations contenues dans les programmes. La recherche menée à l'I.N.R.P. sur ce sujet a relevé quatre modes principaux d'utilisation dans les classes:
- réalisation de biographies sommaires de savants,
- études de chronologies des découvertes (scientifiques et techniques), - description de quelques expériences célèbres,
- recoursà l'anecdocte (celle-ci est utile et plaisante si elle est limitée; par contre son usage trop appuyé peut conduireàun renforcement de représentations fausses sur la science).
Toutes ces référencesàl'histoire des sciences sont internesà la discipline;iln'y a jamais d'approche pluridisciplinaire où les relations entre la science, la technique et la société sont envisagées.
1.2 Pourquoi une telle situation ?
Il y a plusieurs causesàcelte situation; parmi celles-ci on peut retenir :
- l'absence de toute référence à l'histoire des sciences dans la formation initiale des professeurs ainsi que dans les concours de recrutement depuis 1920 (N. Hulin),
- l'absence de réflexion organisée sur les utilisations pédagogiques possibles de l'histoire des sciences et des techniques (avant la recherche menée par l'I.N.R.P.),
- les craintes et les interrogations des professeurs sur l'utilisation de l'histoire des sciences en classe: - la crainte que les élèves ne se souviennent mieux des concepts périmés plutôt que ceux actuellement admis; l'histoire des sciences est une histoire "jugée" qui se distingue sur ce point de l'histoire sociale ou politique;
- l'idée que l'introduction de l'histoire des sciences ne pourrait se faire qu'en construisant les concepts avec les élèves dans l'ordre chronologique de leurs découvertes;
- le parallélisme entre les obstacles que doivent surmonter les élèves pour construire certains concepts et ceux qu'ont dû dépasser les physiciens et chimistes pour les élaborer: sur ce point les avis sont très tranchés mais pas toujours argumentés;
- la nécessité de travailler de façon pluridisciplinaire si on veut développer une approche extemaliste : cela impose une modification profonde des pratiques des enseignants du secondaire;
- la perte de temps par rapportàun enseignement axiomatique qui serait plus efficace.
1.3 Que faire de l'histoire des sciences en classe?
Les deux principaux concepts théoriques, qui ont servi de baseàla recherche pour mener ses analyses et proposer des utilisations pédagogiques, sont ceux d'obstacle épistémologique de G. Bachelard et de paradigme et de révolution scientifique deT.Kuhn .
Dans ses conclusions, la recherche I.N.R.P. ne propose pas de créer une nouvelle discipline dont le but serait d'enseigner de façon systématique l'ensemble de l'histoire des sciences et des techniques tout au long du cursus scolaire,àl'image de l'histoire sociale ou politique. Elle ne suggère pas non plus qu'un tel enseignement puisse être intégré, sous celle forme même réduite, dans celui de la discipline.
Par contre, deux grandes finalités pédagogiques sont réservéesàl'histoire des sciences: 1.Une finalité d'ordre culturel:
Cette orientation viseà modifier et / ou à créer certaines représentations sociales de la science. Il est possible d'envisager la modification de représentations telles que la technique découle de la science (aspect temporel mais aussi hiérarchique), les avancées scientifiques et techniques ne sont pas directement liéesàune demande sociale ou encore le chercheur est solitaire, il n'est pas réellement inséré dans la société. Celle finalité permet de rendre plus explicites les relations qui existent entre la science, la technique et la société. Elle demande une approche externe à la discipline où le professeur doit travailler en équipe pluridisciplinaire.
2. Une finalité d'ordre didactique:
Celle finalité tend, d'une part, àaider l'élèveàconstruire une représentation du fonctionnement interne de la science tout en redonnant du sens aux activités réalisées en classe; elle peut lui pemlettre, d'autre part, de prendre conscience de son propre fonctionnement pour construire des connaissances. De façon plus ponctuelle, elle peut aider l'élèveàmieux construire certains concepts en considérant autrement ses propres conceptions. Cette orientation donnéeà l'histoire des sciences correspondàune approche plus interne à la discipline et ne nécessite pas un travail pluridisciplinaire. Dans la suite de cet exposé, deux exemples portant sur les deux aspects de la finalité d'ordre didactique seront développés. Ils correspondentàdes séquences d'enseignement expérimentées en classe; elles sont organisées autour de textes historiques.
2. RÉFLÉCHIR SUR LE FONCTIONNEMENT INTERNE DE LA SCIENCE ET REDONNER DU SENS AUX ACTIVITÉS DE CLASSE
2.1 Quel modèle pédagogique?
Le but de ce travail de réflexion, mené avec les élèves, est de leur permettre de créer des relations entre des pratiques de classe et des pratiques de référence du domaine de la recherche. Bien que les textes historiques présentent des difficultés d'utilisation avec les élèves, ils permettent, pour certains d'entre eux, de bien mettre en évidence des aspects du fonctionnement interne de la science.
Ces mises en relation imposent au professeur de s'écarter, préalablement, du modèle pédagogique dominant au collège et au lycée. Ce modèle a été décrit dans le rapport de la recherche menéeà l'I.N.R.P., intitulé "Les enseignements en troisième et seconde - ruptures et continuités".
On peut émettre l'hypothèse que ce modèle pédagogique de type transmission-réception ne permet pas àl'élève de construire des représentations du fonctionnement de la science et ne l'empèche de donner
Pour pennettre aux élèves de réaliser les mises en relation avec les principales phases de la démarche scientifique, il faut qu'ils aient vécu eux-mêmes préalablement ces différentes phases dans des situations de classe. Cela oblige le professeur a mettre en oeuvre un modèle constructiviste d'apprentissage avant de pouvoir utiliser l'histoire des sciences. Dans de telles séquences d'enseignement, des situations-problèmes sont proposées aux élèves avec une dévolution suffisante; les élèves ont la possibilité d'exprimer leurs représentations lors de conflits socio-cognitifs organisés dans la classe. D'autre part, les élèves ont la possibilité d'émettre des hypothèses, de construire des dispositifs expérimentaux pour les tester ce qui leur pennet de pouvoir remettre en cause leurs représentations, si il y a lieu. Enfin l'expérimentation est étroitement liée et articulée avec une conceptualisation ou une modélisation pour expliquer les phénomènes étudiés ou en prévoir de nouveaux.
2.2 Des activités qui perdent progressivement du sens
De telles pratiques pédagogiques lorsqu'elles rentrent dans la coutume didactique de la discipline peuvent perdre progressivement, aux yeux des élèves, le sens que le professeur y place. La "routinisation" de telles stratégies modifie l'impact qu'elles peuvent avoir sur les apprentissages méthodologiques.
Il est apparu aussi que les élèves ont une totale méconnaissance des modes de fonctionnement méthodologique de la science et ne font pas le lien avec les pratiques de classe.
2.3 Le recours à l 'histoire des sciences
L'introduction d'éléments d'histoire des sciences, concernant des analyses de démarches suivies lors de l'élaboration du savoir, peut aideràréduire les deux dysfonctionnements précédents graceàun effet de miroir permettantàl'élève de se voir "fonctionner" avec une prise de reculàcaractère social. L'isomorphisme partiel qui existe entre les démarches mises en oeuvre en classe et celles de la science en général est rendu plus transparent aux élèves. Il leur permet en outre:
- de construire des représentations sur le fonctionnement interne de la science,
- de redonner du sens à des activités de classe par la mise en relation avec des pratiques sociales de référence qui sont, habituellement, très difficiles d'accès aux élèves,
- de prendre conscience du mode de constmction de la connaissance en science: cette réflexion des élèves permettrait d'éviter leur transformation en consommateur de science lorsqu'ils arrivent en classes de première ou de terminale scientifique.
Le texte suivant, qui a servi de suPPOrt aux activités en classe de quatrième, a été lu par Lavoisier en 1783 devant j'Académie Royale des Sciences. Dans ce texte, Lavoisier présente une analyse de sa propre démarche lors de l'identification du produit de la combustion du di hydrogène dans l'air. On identifiera aisément les objectifs pédagogiques spécifiques liésàchaque partie du texte. Les aides apportées aux élèves (vocabulaire et questionnement) n'ont pas été reproduites faute de place. Enfin, on n'oubliera jamais de situer le texte dans son environnement scientifique, social et politique.
Première partie du texte:
... Les premières tentatives qui avaient été faites pour déterminer la nature du résultat de la combustion de l'air inflammable remontent à 1776 ou 1777. À cette époque, M. Macquer ayant présenté une soucoupe de porcelaine blanche à la flamme de l'air inflammable qui brûlait tranquilement à l'orifice d'une bouteille, il observa que cette flamme n'était accompagnée d'aucune fumée fuligineuse; il trouva seulement la soucoupe mouillée de gouttelettes assez sensibles d'une liqueur blanche comme de l'eau, et qu'il a reconnue, ainsi que M. Sigaud de la Fond, qui assistait à cette expérience, pour de l'eau pure ... Je n'eus pas connaissance alors de l'expérience de M. Macquer, et j'étais dans l'opinion que l'air inflammable, en brûlant, devait donner de l'acide vitriolique ou de l'acide sulfureux. M. Bucquet, au contraire, pensait qu'il en devait résulter de l'air fixe.
Deuxième partie du texte:
Pour éclaircir nos doutes, nous remplîmes, au mois de septembre 1777, M. Bucquet et moi, d'air inflammable obtenu par la dissolution du fer dans l'acide vîtrîolique, une bouteille de cinqà six pintes; nous la retournâmes, l'ouverture en haut, et, pendant que l'un de nous allumait l'air avec une bougie à l'extrémité de l'orifîce de la bouteille, l'autre y versa très promptement, à travers la flamme même, deux onces d'eau de chaux; l'airybrûla d'abord paisiblement à l'ouverture du goulot qui était fort large; ensuite la flamme descendit dans l'intérieur de la bouteille, et elle s'y conserva encore quelques instants. Pendant tout le temps que la combustion dura, nous ne cessâmes d'agiter l'eau de chaux et de la promener dans la bouteille, afin de la mettre, le plus qu'il serait possible, en contact avec la flamme; mais la chaux ne fut point précipitée; .... en sorte que nous reconnûmes évidemment que le résultat de la combustion de J'air inflammable et de l'air atmosphérique n'était point de l'air fixe.
Troisième partie du texte :
.... Cette expérience, qui détruisait l'opinion de M. Bucquet ne suffisait pas pour établir la mienne: j'étais, en conséquence, curieux de la répéter et d'en varier les circonstances, de manière à la confirmer ou à la détruire. Ce fut dans l'hiver de 1781 à 1782 que je m'en occupai, et M. Gingembre, déjà connu de l'Académie, voulÙt bien être mon coopérateur pour une expérience qu'il m'était impossible de faire seul.... Nous répétâmes deux fois cette expérience, en substituant à l'eau de chaux, dans l'une, de l'eau distillée, dans l'autre, de l'alcali affaibli; l'eau après la combustion, se trouva aussi pure qu'auparavant; elle ne donnait aucun signe d'acidité, et la liqueur alcaline était précisément dans le même état qu'elle était avant l'expérience.
Ces résultats me surprirent d'autant plus, que j'avais auparavant reconnu que, dans toute combustion, il se formait un acide, que cet acide était l'acide vitriolique, si l'on brÙlait du soufre, l'acide phosphorique, si l'on brûlait du phosphore, l'air fixe, si l'on brûlait du charbon; et que l'analogie m'avait porté invinciblement àconclure que la combustion de l'air inflammable devait également produire un acide.
3. PRENDRE CONSCIENCE DE SES PROPRES CONCEPTIONS AVEC L'HISTOIRE DES SCIENCES
3.1 Problématique didactique
La recherche en didactique des sciences a montré que certaines représentations et modes de raisonnement spontanés peuvent être des obstacles lors de la construction des concepts. Si on ne prend pas garde à les faire exprimer et à les remettre en cause par les élèves, le savoir qu'ils construiront risque d'être un mixte des conceptions antérieures et du nouveau savoir proposé. L'obstacle n'est pas dépassé mais seulement contourné ou déplacé. Il prend alors un visage nouveau. Pour espérer sunmonter durablement l'obstacle, j'élève doit être en mesure de l'identifier dans une situation nouvelle. Pour cela, il doit avoir pu se décentrer par rapport à celui-ci. Ainsi face à un certain type de situations qu'il est en mesure de reconnaître, il doit savoir qu'il aura tendance à raisonner d'une manière qui l'empèchera d'aboutir au résultat demandé.
3.2 Proposition de stratégie pédagogique
Vouloir apprendre à l'élève à mieux connaître ses conceptions spontanées pour s'en défier dans certaines situations, c'est en quelque sorte, lui apprendre la vigilance critique vis-à-vis de ses propres comportements. Au-delà, il devra être en mesure de mettre en oeuvre, à la place, un mode de pensées alternatif.
Pour que l'élève prenne concience de ses modes de pensées, il est généralement proposé de les lui faire exprimer puis de les mettre en contradiction avec ceux de ses camarades (conflits socio-cognitifs) ou avec l'expérience (conflits socio-cognitifs).
Il est possible, dans certains cas, de confronter ces modes de pensées (qui font obstaclesà la construction du savoir visé) avec les premières idées des scientifiques dans le même domaine. Cela a pour but de créer chez l'élève une décentration à caractère social qui peut être, pour lui, un véritable "révélateur" de ses propres représentations. Le mode de pensées initial des scientifiques doit être de même nature que celui des élèves bien que les différents protagonistes ne soient pas du tout dans les mêmes situations.
Cette prise de conscience de leur propre mode de pensées par les élèves en liaison avec l'histoire des sciences penmet en outre:
- un changement de statut de l'erreur en science; l'élève est, en partie, déculpabilisé pour une erreur que tout le mode commet en début d'apprentissage,
- de comprendre que le savoir se construit par réfutation de certaines idées,
- un renforcement des moyens de mémorisation d'un modèle explicatif "erroné" dont il faut se méfier dans une nouvelle situation,
- désacraliser le statut du savant.
Par la suite, le modèle explicatif actuellement retenu par la communauté scientifique est mieux accepté et mémorisé par les élèves.
3.3 Modèle spontané des élèves et modèle initial des physiciens
Vouloir utiliseruntexte d'histoire des sciences en classe dans le but d'exploiter le parallélisme les modes de pensées des élèves et ceux des premiers chercheurs demande qu'on s'interroge avant sur la pertinence d'un tel lien. Tout d'abord les différents modes de pensées (élèves et physiciens) dans un même domaine doivent avoir été étudiés pour en connaître les limites respectives. Cette étude comparative, tenant compte des situations différentes des protagonistes, permet ensuite de juger de la pertinence de l'utilisation pédagogique envisagée.
Prenons le cas en électrocinétique du concept de courant électrique dans les conducteurs métalliques et de sa modélisation spontanée par les élèves et celles des physiciens du début du XIXe siècle. Les deux modèles des courants antagonistes en question sont assez proches dans leurs structures. Voyons rapidement ce qui les distingue.
Modèle initial des physiciens:
Jusqu'en 1840, les physiciens ont été influencés par les raisonnements utilisés en électrostatique. En particulier, le schème de décharge électrostatique est très prégnant dans leur esprit. La pile est considérée comme un condensateur (bouteille de Leyde)àcharges et décharges continues. La notion de circuit électrique n'apparait que vers 1820 et les effets sont envisagés comme la conséquence de deux courants antagonistes, d'électricités positives et négatives, circulant en sens inverses dans le circuit. Pour répondre aux diverses observations expérimentales, ce modèle est progressivement complexifié. Parallèlement, Ampère introduit le concept de courant électrique (avec un sens conventionnel: celui de l'électricité positive) sans abandonner l'idée des courants antagonistes. Ce n'est qu'avec l'hypothèse de Stoney (1874) sur l'électron et sa mise en évidence expérimentale par J.l.Thomson (1888) que le modèle électronique s'imposera progressivement.
Modèle spontané des élèves:
De nombreux travaux de didactique se sont intéressés aux modèles spontanés des élèves sur le courant électrique. Il semblerait que la nécessité expérimentale de placer deux fils pour alimenter une lampe par une pile possédant deux bornes différenciées soit àl'origine du modèle des courants antagonistes. Les élèves de 13 ans, n'ayant aucune idée des phénomènes électrostatiques, n'envisagent pas la pile comme un condensateur (bien qu'il la considèrent souvent comme un réservoir d'électricité) ayant la possibilité de se décharger et de se recharger. Lorsque l'élève a connaissance d'un modèle circulatoire de courant unique, il l'intègreàses connaissances antérieures mais en le modifiant en un modèle avec "épuisement" (disparition progressive) du courant dans les dipôles traversés. Ce modèle perdure alors dans l'esprit des élèves.
Malgré des différences notables sur l'analyse des causes de l'apparition d'un tel modèle de courants antagonistes chez les élèves et les physiciens, il a été jugé intéressant d'utiliser le parallélisme des deux modes de raisonnement aux fins didactiques citées plus haut.
4. CONCLUSION
Nous avons vu que l'histoire des sciences peut être utilisée pour permettre aux élèves de réfléchir sur: - les modes de fonctionnement de la science et la manière avec laquelle elle est enseignée,
- leurs propres modes de pensées qui peuvent faire obstaclesà la construction d'un savoir.
Mais ces deux sortes de réflexion guidée des élèves demandent du temps pour les meneràbien. Aussi le facteur temps est-il un argument fréquemment utilisé pour rejeter de telles activités. Les deux finalités précédentes sont-elles assez importantes pour y consacrer un peu de temps?
Vouloir construire avec les élèves quelques éléments de culture scientifique, alors que notre enseignement en est totalement dépourvu, mérite qu'on y consacre quelques heures d'enseignement chaque année.
Vouloir les amener à réfléchir sur des modes de pensées, qui constituent des obstacles à la construction du savoir, dans le but de pouvoir les surmonter dans de nouvelles situations, doit encourager les professeursà y consacrer aussi un peu de temps. L'obstacle repéré peut devenir, pour le professeur, un objectif-obstacle dans le sens donné par J.-L. Martinand. Mais pour traiter de cette manière un obstacleà l'apprentissage en science, il faut que plusieurs préalables soient réalisés: - disposer d'études didactiques relativesà quelques obstacles notoires qui méritent un traitement relativement long,
- disposer d'études historiques sur des obstacles épistémologiques qu'ont eu à surmonter les scientifiques; le parallélisme avec les obstacles rencontrés par les élèves doit être pertinent,
- disposer d'un corpus de textes historiques qui peuvent être utilisés avec des élèves.
Ces dispositions ne sont pas encore réalisées pour tous les domaines de contenus en physique et en chimie. Lorsque cela sera fait, les professeurs aurontàleur disposition, avec l'histoire des sciences, des moyens supplémentaires pour développer la culture scientifique de leurs élèves et aider ces derniersà surmonter des obstacles à la construction du savoir en science.
BIBLIOGRAPHIE
AUDIGIER F., FILLON P., Enseigner l'histoire des sciences et des techniques .. une approche pluridisciplinaire, Paris: I.N.R.P., 1991.
BACHELARDG., Laformation de l'esprit scientifique, Paris: Vrin, 12 e édition, 1983.
COLOMB 1.(dir.),Les enseignements en troisième et seconde .. ruptures et continuités, Paris: l.N .R.P., 1993.
HULIN N., L'histoire des sciences dans l'enseignement scientifique: aperçu historique,Revue française de pédagogie, 1984,66, Paris.
KUHN T.S. ,La structure des révolutions scientifique, Paris: Flammarion, 1983.
MARTINAND J.-L., in BEDNARZ N., GARNIER C. (diL),Construction des savoirs. Obstacles et conf/its, Ottawa: Cirade / Éd. Agence D'Arc Inc., 1989.
