LES AIDES A LA DIDACTIQUE,
OUTILS D'INTRODUCTION
DU DEBAT SCIENTIFIQUE EN PHYSIQUE
Jérôme VIARD
Collectif de didactique des sciences expérimentales Institut de Formation des Maîtres, Université de Grenoble 1 LEMD,CNRS
MOTS·CLES : DEBAT SCIENTIFIQIUE - CHANGEMENT CONCEPTUEL - CHANGEMENT DE PARADIGME - AIDES DIDACTIQUES.
RESUME:La didactique, la controverse, dans l'acquisition des connaissances apparaissentàbeaucoup aujourd'hui comme un des moteurs du changement conceptuel et de l'apprentissage de la résolution de problèmes. Mais alors qu'en mathématiques ce débat peut se limiteràla confrontation d'énoncés généraux àdes exemples et des contre exemples,iln'en est pas de même en physique, de nombreuses aides ou outils didactiques s'avèrent souvent utiles ou indispensables. La proposition qui était faite dans cet atelier était celle d'un échange d'expériences sur la mobilisation d'outils didactiques permettant l'établissement d'un débat scientifiqueàpropos d'une question de physique élémentaire. Parmi ces expériences, un exemple d'utilisation d'aides didactiques pour l'introduction du débat scientifique dans un enseignement de mécanique est présenté.
SUMMARY :Itis often believed, that controversy and dialectical process in knowledge acquisition, are the driving element of conceptual-change and problem solving leaming.Ifindeed, in mathematics, this scientific discussion may be limited to general statements formulation and its criticism by means of exarnples and counter-exarnples, we believe that it is not the case in physics, where sorne didactical helps are often needful. The basic idea, in this workshop, was to propose sorne exchanges of experiences to the purpose of a physical elementary course. As a matter of fact, sorne illustrations in mechanics are derived.
l-L'IMPORTANCE DU DEBAT SCIENTIFIQUE DANS L'ACQUISITION DE NOUVELLES CONNAISSANCES
1.I.Un intérêt manifeste pour le débat scientifique
De nombreux auteurs ont souligné le fait que toute acquisition théorique importante implique la remise en cause du consensus existant à un moment donné dans la communauté scientifique au prix d'un important et parfois très vif débat d'idées, que ce débat soit un débat social ou au contraire intériorisé. Ainsi lean Rosmorduc caractérise la période qui va d'Aristote à Galilée comme le passage "de la physique du sens commun à celle du doute" (Rosmorduc 1985). Cest la crise du paradigme dominant qui ouvre la voie à une nouvelle théorie (Kuhn 1970). De làà supposer que la pratique de ce débat d'idée baptisé pour la circonstance "débat scientifique" soit une des composantes fondamentales de la pratique scientifiqueà laquelle doivent être initiés les étudiants et que d'autre part le conflit interpersonnel soit un des stimulants du changement conceptuel par lequel les étudiants abandonneront leurs conceptions initiales pour faire place au concept scientifique, il n'y a qu'un pas allègrement franchi par d'autres auteurs.(Legrand et al. 1986; Thorley et al. 1987.) D'autres enfin se réfèrent au moins implicitement à la même pratique en évoquant un processus dialectique d'enseignement (Hestenes 1987) Il s'agit donc de "simuler dans la classe une micro-société scientifique" (Drouhard 1987 citant Brousseau 1986) pour permettre à l'élève de faire l'expérience fondamentale de l'activité scientifique qui est "celle de la contradiction (rationnellement argumentée lors d'un débat réel ou intériorisé)" (Drouhard idem).
1.2. Le débat scientifique en mathématique et en science expérimentale
En mathématiques cette expérience de la contradiction prendra une forme unique celle de la formu-lation d'énoncés généraux et de leur défense ou de leur critique au moyen d'exemples et de contre exemples lors des problèmes rencontrés dans l'activité mathématique. Il en va différemment en sciences expérimentales et en particulier en physique ou tout une part de l'exercice de la contradiction consistera à produire ou à recueillir des faits scientifiques que l'on opposera ou au contraire citera à l'appui de telle ou telle thèse ou théorie. Cette production des faits expérimentaux ne se limite pas comme une certaine tendance actuelle voudrait le laisser croireàla seule pratique de la modélisation entendue comme une technique qui consiste à tailler dans une réalité donnéeàpriori pour la faire rentrer moyennant certaines approximations dans le cadre d'une théorie donnée. Autrement dit, il ne suffit pas pour introduire le débat scientifique en sciences expérimentales et en particulier en physique de transposer une pratique élaborée et validée en mathématique tout en lui adjoignant la pratique de l'approximation. Cette dichotomie grossière entre théorie d'une part et réalité support de la modélisation d'autre part, toutes deux donnéesàpriori puis confrontées l'uneàl'autre n'est qu'une nouvelle mouture du vieil inductivisme (Viard 1987) dont l'inéfficacité didactique aussi bien qu'épistémologique est maintenant bien établie (lohsua, Dupin 1987).
1.3.Le renoncementàl'idée d'une réalité objective immédiatement accessible et ses implications Les physiciens les plus lucides et les plus conséquents ont renoncé, bien que non sans difficultés,au mythe d'une réalité objective indépendante et que l'on puisse appréhender rationnellement comme telle, c'est-à-dire indépendemment de son observation (D'Espagnat 1979 et 1985) pour en produire ensuite une description approchée au moyen de modèles prédictifs ou non. Tous les mots sont importants,ilne s'agit pas de nier l'existence d'une réalité indépendante mais de la possibilité d'en avoir une vision, objective, exacte
complète,iln'y a pas d'image idéale antérieure àla perception etàses limitations.
n
n'existe donc pas de référence absolue àlaquelle, soit les modèles et les théories de la science officielle, soit les modèles et les théories alternatifs des étudiants (conceptions, représentations) pourraient être confrontés et cette relativité fonde une certaine équivalence de statut entre ces différentes connaissances quelles que soient par ailleurs leurs différences. Aussi "fausses" et frustres que puissent apparaître àl'enseignant les conceptions des étudiants, elles ont "un versant producteur de sens" (Johsua Dupin 1987), d'intelligibilité. "Elle servent de base active aux raisonnements et aux conduite des sujets" (Johsua Dupin idem).Autre conséquence, la seule invalidation possible en définitive d'un modèle ou d'une théorie ne peut venir que d'un dysfonctionnement intemeconstaté par ceux qui les sollicitent dans leur lecture-reconstruction de la réalité,il n'y a pas d'expérience cuciale isolée opposable de l'extérieur et contredisant la théorie ou le modèle qui ne puisse être réinterprétée par un nouveau développement de celle théorie, cela estvraiaussi bien pour les "experts" que pour les "apprentis" physiciens (Johsua idem, Halloun et Hestenes 1985). En définitive l'enjeu du débat, de la confrontation c'est le choix de la grille de lecture, du cadre interprétatif, du paradigme àpartir duquel les données expérimentales prendront sens et viendront renforcer les choix théoriques implicites ou non. Mais s'il n'y a pas d'expérience cruciale, cependant, la production d'anticipations sur une expérienceàvenir est le moyen par excellence de la mobilisation des connaissances des étudiants et seule cette mobilisation, cette implication pourra déboucher sur une crise éventuelle du paradigme pouvant conduire à son remplacement moyennant certaines conditions.
2.UN EXEMPLE DE DEBAT SCIENTIFIQUE EN MECANIQUE ELEMENTAffiE AYANT RE· COURS A PLUSIEURS AIDES DIDACTIQUES
2.1. L'introduction du débat
Le problème suil'8Ilt est proposé aux Jlart1c1J)ant3 del'allllier:
Je suis en vélo, je me promene tIanquilementsur uneroutehorizontale
liune1'i1llsse cons1ll.ll1e. Di3tr8i1ement, après avoir décaderwsèmonvélo,
j'ai oublié les clés demon antivol al'8Ilt de pertir, sur mon poX1ll
bllltl:~eanièreè,l'aplombdu mo:YllU
delaroue mière.
Mes clés tombent,je continue maroute. Un observateur extérieur surIe bord de la route est témoin de la scène. Question: au moment précis où les clés atteignent le sol et compte tenu du fait que la résistance de l'air n'a pas d'effet appréciable sur le mouvement des clés, quelles seront les positions relatives du vélo et des clés au moment indiqué? Comment seront-ils l'un par rapportàl'autre?
2.2.L'enseignant ou l'animateur enregistre les anticipations des participants qui sont les suivantes:
3 2 1
Les anticipations: peuvent se ramener à trois types: la première le vélo est loin devant les clés au moment de leur contact avec la route; la deuxième le vélo est devant les clés; la troisième le vélo estàla même hauteur que les clés.
Lesargumentations: première position: lorsque les clés quittent le vélo elle n'ont plus de vitesse horizontale et tombent tout droit, le vélo lui continue sa route au moment du choc elle sont donc séparée de la distance horizontale parcourue par le vélo pendant leur chute verticale. Deuxième position, lorsque les clés quittent le vélo elles ont la même vitesse que le vélo mais comme elles ne sont plus entraînées par le vélo, elles perdent de leur vitesse et parcoureront donc pendant leur chute verticale une distance inférieure à celle parcourue par le vélo.Troisième position, les clés ont au moment de leur chute la même vitesse que le vélo et comme rien ne les freine, elles conservent leur vitesse et parcourent pendant leur chute verticale la même distance que le vélo.
L'enseignant fait simplement remarquer que le point crucial de l'argumentation pour les deux premiers points de vue estl'interaction du vélo et des clés tant que les clés sont solidaires du vélo, le vélo exerce sur ces dernières une action d'entraînement qui communiqueàces dernières sa propre vitesse ou entretient, maintient leur vitesse.Sanscette action d'entraînement la vitesse ne peut se conserver soit elle cesse immédiatement, soit elle s'épuise peu à peu .
2.3.Première aide didactique: utilisation d'une caméra vidéo
Une fois ces anticipations énoncées, un premier constat s'impose la diversité des réponses et leur irréductibilité.La conciliation au moyen du seul discours apparaissant impossible, l'enseignant propose une expérimentation: quelqu'un va courrir avec une balle à la main et la laisser tomber, la scène sera filmée etl'on observera les mouvement relatifs de la balle et du coureur et notamment la position relative de la balle et du pied du coureur au moment ou la balle arrive sur le sol. Cette expérience est identiqueà celle proposée dans un article de "Pour la Science" (McCloskey 1983).
Le résultat est un peu variable suivant les cas tantôt la balle arrive en coincidence avec le pied du coureur, tantôt légèrement en arrière mais même dans ce cas les observateurs qui avaient misé sur les positions 1 et 2 (chute des clés en arrière du vélo) considérent que leurs anticipations ont été infIrmées.Certains cependant font l'objection suivante: si la chute avait été plus longue, on aurait peut-être pu constater un retard important. L'expérience n'est donc pas absolument décisive pour tous, et surtout elle n'apporte pas de réponse àla question: pourquoi la troisième prévision s'est-elle réalisée?
Cene expérimentation est généralement bien appréciée des étudiants car elle comporte un enjeu, la vérification des anticipations dans lesquelles ils se sont impliqués auparavant, l'expérience n'est pas gratuite mais a son fondement dans une question restée sans réponse. La vidéo permet de renouveler si besoin est l'expérience facilement, enfm l'imprécision même de la mesure n'est pas sans avantage car elle fait apparaître immédiatement la nécessité d'un jugement en référenceàl'intention de l'expérimentateur: la marge d'erreur
permet-elle ou non d'infinner une anticipation et ainsi l'écueil de la magie de l'appareillage ultra-sophistiqué dont le verdict se substituera à l'opérateur peut être évité.
2.4.Deuxième aide didactique: L'analyseur d'interaction
L'expérience ne propose pas d'alternative aux argumentations qui ont conduit aux anticipations contredites et à l'analyse qui les soutend. TI a déjà été souligné que quelque chose d'important se jouait au niveau de l'action du vélo suriesclésou de la main du coureur sur la balle mais comment aller plus loin? En introduisant un médiateur de l'action du support qui permettra de visualiser la direction de cette action:
-~O
Freino.
EntraJ:nementSi\mebelle en mouvement est reliéeè.uneficelle etla ficelleè.unsuppon,
plUllieUIll ces peuvent se pxésenleX;la ficelle est détendU8 . ~ _ ~
et dans ce cesaucuneaction n'est exercée parla ficelle , ~ ou bien la ficelle est leOOU8etla ficelle peut être venicale ou horizontale:
Si la ficelle est venicalle, elle exercera une action de sustentation, si elle est horizontale, elle exercerauneaction soit d •entreînement soit de !rein selonlesens du mouvement etlaposition delaficelle.
) Sens du mouvement On peut encore combiner les actions entre elles:
Entraînement et sus1enlation
Preinet sll:l1entalion
\
Dans un premier temps du moins cette visualisation des actions est bien ressentie par les étudiants et ne rencontre pas d'opposition. Cet outil défini peut être ensuite utilisé pour l'analyse des interactions entre le coureur et la balle ou entre le vélo et les clés, de la façon suivante: le mouvement conjoint du coureur et de la balle sera simulé par le déplacement d'un portique auquel est accroché un pendule. Le pendule est plongé dans un récipient rempli d'eau de façon à amortir ses oscillations. Le système est posé au bord d'une table puis mis en mouvement et déplacéàvitesse constante (approximativement) et arrêtéàl'autre extrémité de la table. Il est alors demandé de décrire les diffférentes phases du mouvement caractérisées d'une part, par l'état de la vitesse qui peut-être croissante, constante ou décroissante et d'autre part par le type d'action exercée par le support sur la balle suspendue.
Le résultat quasi-unanime de cette analyse est illustré par le dessin suivant, avec les commentaires "pendant la phaseàvitesse constante il n'y a pas d'action d'entraînement de la balle" , "on se trouve dors dans la même situation qu'au repos."
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" . i . u t _ 1 œ su...Ce constat contredit alors les présupposés qui soustendaient l'argumentation en faveur d'une chute de l'objet à l'arrière de son support: s'il n'y a pas d'action d'entraînement le mouvement horizontal des deux objets support et supporté est seulement un mouvement concomittant et sans aucun lien de causalité, le support n'intervient en rien dans le mouvement horizontal de la balle et la rupture du lien ne perturbera en rien le mouvement horizontal de la balle.
Mais les choses ne se passent pas toujours idéalement ainsi, parfois les acteurs du scénario précédent au moment même où ils prennnent conscience que l'analyse des types d'interaction existant entre le support et l'objet devrait les conduire àremettre en cause, leur propre système de penser, la base théorique qui soustend leur vision du mouvement préfèrent remettre en cause la procédure d'analyse des interactions sur laquelle ils n'avaient exprimé aucune réserve jusque là.
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