ALPHABÉTISATION
EN
SCIENCE
DE
LA
TERRE
CONCEPTIONS ET OBSTACLES COGNITIFS
SUR LE CYCLE DE L'EAU À L'ÉCOLE PRIMAIRE
Benedetta MASSA Université de Gênes
MOTSCLÉS: ANALYSE DE PRÉCONCEPTIONS OBSTACLES COGNITIFS -APPRENTISSAGE DE SCIENCE DE LA TERRE - ÉCOLE PRIMAIRE
RÉSUMÉ: Le travail a pour but le décodage de modèles spontanés développés des élèves de l'école primaire (8-11 ans) sur le cycle de l'eau. Le thème, très important pour l'alphabétisation en Science de la Terre (la ressource eau) est très familier soit dans la vie quotidienne, soit par la diffusion des médias ou de l'école même. L'expérience, déroulée en Italie, dans une perspective de développement curriculaire et de formation de maîtres, montre la persistance des idées communes et de stéréotypes chez les éleves et les problèmes d'apprentissage qui en découlent.
SUMMARY : The work presents children's conceptions about the water cycle developed in the primary school (8-10 year-old). The very important topic of the Earth Science alphabet (the water resource) is fairly farniliar bath for its constant presence in daily life and through the media and the itself school diffusion. The experience shows the common sense and stereotyped views persistence taking place in children's minds and the Earth Science learning difficulties. It is carried out in Italy, in the view of bath primary school curriculum and the teacher's training developing.
1. INTRODUCTION
La Géologie, de par sa nature épistémologique, pose des difficultés à chaque niveau scolaire (Massa, 1990), mais des réflexions sur ce sujet ne sont pas assez développées par la recherche didactique. Dans une perspective d'alphabétisation efficace on est en train de dérouler un travail sur le cycle de l'eau, en Italie, à Gênes. Les élèves (8, 9 et 10 ans ) ont reçu à l'école quelques notions sur le sujet (même si partielle, et peut-être inadaptée) et les idées transmises implicitement pendant l'instruction peuvent elles-mêmes renfenner des obstacles dans les situations d'apprentissage; mais ces messages implicites, si bien employés, avec des modèles de savoirs (questionnements et situations naturelles, réelles) bâtis sur ces idées, peuvent représenter une base utile pour l'apprentissage (Sierpinska, 1988 ; Millar, 1989). 11 faut donc modéliser les connaissances, comparer les deux savoirs, en expliciter la structure, en particulier celle de l'apprenant, et ce ne peut être atteint qu'à travers de ses productions verbales, écrites, gestuelles (Tiberghien, 1989) : tirer pour le mieux les structures cognitives des élèves sur le cycle de l'eau non seulement à travers ce qu'il dit, mais aussi avec l'aide de son comportement, induit à appuyer l'analyse des protocoles sur celle des dessins, des vidéos et du contexte affectif, émotif et relationnel.
L'expérience, qui n'est pas simplement une acquisition efficace de connaissances par les élèves impliqués, se propose à long tenne comme modèle pour l'élaboration curriculaire d'un projet; les résultats non seulement peuvent contribuer à la recherche en didactique de la Géologie, mais représentent peut-être d'utiles références pour répondre aux nécessités, aujourd'hui pressantes, d'outils conceptuels et didactiques innovateurs pour l'application des nouveaux programmes ministériels et pour la nouvelle structure universitaire prévue pour la formation des maîtres.
On veut donc présenter ici quelques exemples de représentations des élèves en connexion avec la structure conceptuelle de la Géologie dans l'espoir que cette réflexion montre l'utilité de l'intégration des compétences dans l'analyse des préconceptions.
2. SCHÉMAS CONCEPTUELS PROPOSÉS
2.1 Méthodologie
Pour chaque élève (provenant d'écoles de quartiers assez voisins du centre de la ville), à partir d'un contexte bien organisé pour le relevé efficace (Briano, 1992) on a produit le protocole d'entretien, issu d'un réseau de demandes sur des concepts choisis (table 1 et 2), accompagné d'un dessin sur des éléments indiqués (fleuve, lac, puits, mer, source) : ce dernier étant le point de départ des demandes a aussi le but de montrer les corrélations avec le cycle de l'eau que les élèves utilisent spontanément dans l'activité libre proposée (Chan, 1993).
Les structures cognitives sur le sujet (tab. 2) sont explorées pendant l'entretien individuel (tab!.l) (15-20 minutes, conduits toujours par le même interviewer). La structure de l'expérience, dont la
composante cognitive est toujours au premier plan, par respect aux composantes non cognitives autour desquelles on amorce l'entretien, exige que l'élève se trouve toujours à son aise: le contexte
d'entretien (durée, niveau d'approfondissement des questions, bon profil scolaire des élèves,...). Pour les approfondissements sont prévues des expansions des questions dans le but d'inciter l'élèveà expliciter ses structures cognitives, en vérifiant même leur stabilité, la source d'infonnation, s'il yen a, le rôle de la fantasie : ES-lU sûr 1 Comment le sais-lU 1, Est-ce-que tu l'as penséàce moment-ci? Si tu ne l'as pas vu, comment l'imagines-lU 1 En est-il toujours ainsi?
Tableau 1. Grille d'entretien 1. L'eau du fleuve d'où vient-elle? 2 L'eau qui est dans le fleuveoùva-t-elle ?
3. En déhors de l'eau qui est dans les fleuves, dans les blcs et danslamer, où peux-tu trouver de l'eau? 4. L'eau dela pluie d'où vient-elle?
5. Où tombe la pluie?
6. L'eau dela pluie qui tombe sur la terre où va-t-elle ? 7. Qu'est-ce oui sevasseàl'eau oui est sous terre?
2.2 Choix des structures disciplinaires
On trouve la ressource eau sur la Terre, dans les mers (97,2%), sur la surface des continents - lacs et fleuves - (0,02%), dans le sous-sol (0,63%), dans les calottes glaciaires (2,15%), dans l'atmosphère (0,001%) ;elle se déplace de l'atmosphère, au sous-sol, sur la surface au niveau planétaire et le modèle de ce déplacement est le cycle de l'eau. Par rapport à la quantité totale, les réserves d'eau directement disponibles (celles de la surface et du sous-sol) ne sont pas illimitées pour l'homme, même si nous en disposons en généralàvolonté; elles ne sont pas toujours présentes où l'on veut, ni toujours disponibles en quantité suffisante, souvent l'activité humaine produit de la pollution. Les savoirsàgérer sur l'eau sont donc très complexes et le cycle de l'eau en représente l'alphabet. Le thème, considéré simple (on le propose fréquemment pendant la troisième année de l'école primaire) cache au contraire des difficultés: des connaissances de différents domaines des sciences (la Géologie et la Physique), les états physiques de l'eau (qui comporte de la conscience des transformations et de la conservation de la matière), une certaine familiarité conceptuelle avec des 'objets' qui peuvent n'être pas directement visibles, avec des phénomènes qui se passent en généralà une échelle au dehors de l'expérience. On peut prévoir que tout ce qui est souterrain ne peut que demeurer dans l'imagination ; par ailleurs le problème de 'l'eau cachée' a été un des problèmes géologiques plus débattus durant deux mille ans mais en même temps nous montre un des plus intéressants exemples au niveau méthodologique: d'un côté, les contraintes par des présupposés religieux (croyances, préjugés) et de l'autre, le désire d'exposer impartialement les différentes hypothèses en présence, puis les discuter au moyen d'arguments rationnels (Ellenberger,1988).
2.3 Décodage de structures des élèves
Les schémas proposés tiennent compte des résultats sortis de la littérature sur les vues des élèves sur l'évaporation (Bar,1994)et des schémas qu'on a repérés des réponsesà un questionnaire ouvert; on
veut explorer les connexions entre l'eau visible sur la surface (même à travers les dessins) (tab. 2a), les représentations de l'eau qu'on ne voit pas, dans le système du sous-sol et de l'atmosphère (tab. 2b) et surtout les interfaces, c'est-à-dire les liaisons entre les maillons visibles et invisibles d'une chaîne continue, le cycle: quels procédés mentaux conduisent les élèves à connecter le passage de l'eau de la surface à la vapeur (tab. 2cI) ? Il y a ici une transformation de l'eau de l'état où l'on peut la voir, la toucher, en un état où ce n'est pas possible et il y a aussi une conservation de la matière, délicat moment cognitif déjà bien argumenté dans la littérature ; peut-on ainsi expliciter des représentations significatives pour le passage de l'eau de la surface au sous-sol (tab. 2c2)? L'eau de la surface a-t-elle quelque rapport avec l'eau du sous-sol (tab. 2, c3) ? Il semble que les réponses les plus honnêtes aux questions posées puissent parvenir seulement à travers un travail qui analyse toutes les informations tirées d'une comparaison intégrée entre les protocoles, les dessins (pendant leur élaboration-même), les moments de réflexion (expressions, mouvements des yeux), chaque communication verbale et non verbale jointe à l'entretien. Le tab. 3 propose une sélection de structures conceptuelles de représentations d'élèves par rapport aux scientifiques.
Tableau 2. Schéma des structures conceptuelles choisies pour le cycle de l'eau a) eau sur la surface (fleuve-lac-mer)
montre les liaisons, s'il y en a, entre des 'maillons' de la 'chaîne' (le cycle de l'eau) visibles sur la surface recueil des entretiens sur les demandes 1 et 2 (tab.l)
b) eau 'invisible' (vapeur, couches souterraines)
montre ce qui peut indiquer si elle est représentée et comment recueil des entretiens sur les demandes 3 et 7 (tab.l) cr)interface eau de la surface-pluie-eau invisible (vapeur)
montre les connexions, s'il yen a, entre le système sur la surface et le système dans l'atmosphère recueil des entretiens sur les demandes 4 et 5 (tab 1)
cl)interface eau de la surface-eau invisible (eau du sous-sol, des couches souterraines)
montre les connexions, s'il y en a, entre le système de l'eau sur la surface et le système des couches souterraines recueil des entretiens sur la demande 6(tab 1)
c3) interface eau du sous-sol-eau de la surface (couches souterraines-puits-sources-fleuves)
montre les connexions, s'il y en a, du système de l'eau sur la surface avec le système de l'eau souterraine recueil des entretiens sur les demandes 7 et 1(tab 1)
On peut refléchir sur les résultats sur les deux côtés, celui de la discipline et celui de la recherche: - Du côté de la discipline le décodage des représentations a été proposé avec la conviction qu'il puisse favoriser l'apprentissage du cycle de l'eau_ On trouve une certaine idée de continuité de l'eau sur la surface, de l'eau de l'atmosphère vers la terre, de l'eau de la terre vers le sous-sol. Il yale plus souvent des parcours simples, des tracés linéaires, finis: ces idées sont presque toujours spontanées; la vision téléologique représente un obstacle cognitif: l'eau arrive dans le sous-sol par nécessité et ici elle s'arrête, l'eau sur la surface 'arrive', quelque chose se vide (le fleuve), quelque chose se remplit (le lac).
Table 3. Un exemple de décodage des représentations des élèves a) l'eaude la surface
- les fleuves ont pour origine des glaciers - l'eau sur la surface se déplace entre des lieux fennés
- l'eau sur la surface doit s'établir dans des lieux fIXés à cause de ses déplacements
b) l'eau "invisible" (tians le sous-sol et dans l'almosphère) - dans le sous-sol l'eau estliée seulement à la pluie et est accidentelle - iln'y a pas des parcours de l'eau dans le sous-sol, mais des réserves - dans l'atmosphèreil ya la vapeur (qu'est-ee-que c'est par rapport à l'eau?)
Cl)l'imerface eaude la surface-pluù- eau invisible (vapeur) - la vapeur vient de la mer
- la vapeur est en haut dans un récipient (ciel, nuages, air) qui renvoie la pluie sur la terre - la pluie vient de la vapeur, elle tombe partout (il ya de l'hésitation si la pluie va dans la mer) -- la vapeur est produite par la marmite qui bout, par la respiration
C2) l'interface eaude la surface-eau invisible (eau du sous-sol) - le terrain absorbe l'eaude la pluie
- l'eau arrive dans le sous-sol et ici elle s'arrête - l'eau du sous-sol arrive jusqu'aux racines des plantes c3) l'interface eau invisible (eau du sous-sol) - eau de la surface - l'eau gicle d'un trou du sous-sol
- l'eau agit surla roche pour en sortir (la troue) - la source est d'où naît l'eau
- l'eau du sous-sol va en bas iusau'à la mer
Les élèves n'imaginent pas spontanément l'eau invisible du sous-sol, mais seulement s'ils sont induits et en géneral il n'y a pas de l'eau consistante danslesous-sol, il n'y a presque jamais des parcours de l'eau, mais des réserves fermées; la vapeur au contraire est bien présente ainsi que l'eau de la pluie. La logique impose des connexions de parcours:leterrain absorbe l'eau de la pluie parce qu'il en est le récipient logique, l'eau du lac doit s'éloigner de quelque façon sinon le lac déborde. Il y a des stéréotypes: les fleuves et les sources naissent des glaciers, l'origine de la vapeur est lié plus facilementà une cause tangible (feu, bouche). Certaines représentations, telles qœ 'la vapeur vient de la mer' 'c'est un cycle', deviennent des stéréotypes ne renfermant pas les complexes opérations mentales qui sont impliquées; il y a d'un côté la vapeur dans un 'récipient' (ciel, nuages, air)qui renvoie la pluie sur la terre (la pluie vient de la vapeur), partout(ily a de l'hésitation si la pluie va dans la mer) ; de l'autre de l'eau qui se deplace vers l'haut: cela explique bien la pluie qui se sèche sur le terrain (on peut la voir! ) et la pluie qui vient de la mer (on l'a entendu 1), de la vapeur qui sort de la marmite qui bout, de la bouche. L'incohérence qu'on voit semble n'être pas un problème pour
l'élève; les interprétations incohérentes pour l'observateur extérieur ne le sont pas pour les élèves car, pour eux, les conceptualisations utilisées dans les différentes situations n'ont pas besoin d'être compatibles (Tiberghien, 1989) : ces logiques de la science comment peut-on alors les induire? Les "théories" qu'on trouve très souvent chez les élèves peuvent même ramener à celles des anciens: la théorie pluviale sur l'origine de l'eau des fleuves et des sources, le retour de la mer vers les terres, les réserves souterraines d'eaux douces et immobiles; transformations d'eau en air et vice versa dans les cavités profondes de la terre (Ellenberger, 1988). La cohérence est donc le produit d'une construction intellectuelle posée au départ, elle relève d'une exigence épistémologique.
Compte tenu de la discipline, les problèmes sur le parcours de l'eau, sur ses réserves et surtout sur les liaisons et les connexions entre les parcours, tous importants pour l'emploi de l'eau dans la vie quotidienne, semblent liés surtout au développement de l'abstraction et des capacités de transpositions conceptuelles en hors de l'expérience directe.
- Pour la recherche, l'analyse des représentations est un domaine où le intérêt potentiel commun entre les scientifiques et les psychologues, en abandonnant même quelque intérêt disciplinaire spécifique, peut favoriser l'apprentissage par l'étude des catégorisations des procédés mentaux, des évaluations de manière propre des signifiés et des différentes composantes qui concourent dans la construction et l'analyse des représentations, recherchés avec un très proche contact avec la discipline.
BIBLIOGRAPHIE
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