ARTheque - STEF - ENS Cachan | Modèles en écologie : transposition didactique

MODELES EN ECOLOGIE

TRANSPOSITION

DIDACTIQUE

Christian SOUCHON

UER Didactique, Université Paris VII

et

Groupe EDEN

MOTS CLES

Modèles - Simulation - Ecologie - Système - Utilisation didactique.

RESUME

A paltir dt= la plesentation de quelques IIIOdéles et simulations en Ecologie sont envisagés ct' ulle pal t l' i ntelêt et les lIIOyens de mise en oeuvre d'une" pédagogie de la modelisation" d'autre part l'utilisation passible de l'informatiyue.

KEY 'JORDS Modélling

SUMMARY

SI muLot ion - Ecology - SystelllS - Pedagogical use,

Surne SilliulatllJl'S drld nlOJelb ir! Ecolugy are pre6ented in arder tu 1nvest1gate on ulle hand the actv<1ntage and tl,e different ways of practical application

ot

"peddgogiGal l!JClJél 1 lf,g" , on u'e alLer hand tLe possi ble use of computlng.

NOTES

Les éléments de la discussion recuetllis avec l'aide de Mme S. GARDELLI, C.E.E. de Muntdauphin, sont inclus d~ns ce texte.

Un dossier sur Id "Furêt. simulée" peut être obtenu auprês de C. SOUCHON, Groupe EDEN, lB [ ue des Fosses St. Jacques, 75005 PARIS,

La présentation de concepts, de résultats de tr-avaux de recherche en Ecologie fait largement appel aux schémas représentant des lWdéles à comparti ments, des l'é5eaux d 'i nterrelations, de5 cycles d'éléments et des cheminelOOht5 de flux d'énergie, La partie "moderne" de l'Ecologie, considérée alors coIIll1le science des Ecosystèmes <Ecologie "systémique", distinguée de l'Ecologie "factorielle") base largement son approche sur la démarche systémique. Les travaux particuliers de IOOdél1sat!on mathématique et de simulation sont en outre nombreux et divers 11 suffit de se référer à l'énorme sonune de travaux d" B.C. PATTU U971 a 1976) ou â

d'autres ouvrages tels que F.H, l'REliKJEL et D."'. GOODALL l197lJ) ou J.H. JEFFERS (1978) pour s'en convaincre.

Nous voudr Ions amorcer i ci url pla Idoyer poor u ne pè.Ji<l.i.0~i e de JjLmliié.liQ<l.Li.un, 6usceptlble d'expressions vallées dans de multiples champs disciplinaires: c'est. davantage à tItre d' Illostration de cette approche generale que corome exemple5 6pécifiques que 60nt présentées Ici quelques forwulatioll5 didactiques de IIlJdéllsation.

J, Que~ues modélisatioD5 à usage didac~uaen EcoJugie 1> I!..IL~le dynamique d'éyolutlon :

Une forêt "naturelle". réserve ou conduite par le trait8IDent dit en futdie jardinée, fournit un Inventaire démographique constant <fig. 1) on pourrait dire qu'une telle forêt e6t en changement continuel pul6que des arbres àgés meurent ou 60nt exploités et qu' 11 y a régénér-ation par de Jeunes arbl'es nouveaux.

Un lWdéle à trois nlv"aux d'application pédagogique a ete fabriqué pour rendre compte d" ce duuble phénomène d" "constance statistique" et de dynamique interne; 11 repose sur une composition do!!mogrophique simplifiée (iig, 2) rDdis de mème allure que celles réellement observées lfig. 1).

Les ,déments graphiques de présentation de ces trois appJicatiorls sont donn"" par les figures 3 à 5).

2) ~~leà cDmpart~

Il est susceptible d'être construit par les "Iéves a partir d'un t".te décrivant, par exemple, le cycle des éléments minéraux à partir du sol vers la plante

En donnant des valeurs aux stocks et flux, on peut Ilfaire tourner-" un modèle

si celui-ci s'avére insuffisant, rechercher un oodéle 11 ... (fig. 6 et tableau 1). 3) UJL~,;Lproie-préd"teUL

Inspiré du phénomène de surpàturage par' les Lemmings <petits Rongeurs de Scandinavie), qui conduit à certains ooments à des phénomènes de régulation par "suicide collectif". Au lieu d'utiliser les equations classiques présentées pour ce type de modéle dons les traités, et de 5e servir de l' ol'dinateur pour fuurnir des courbes d1ffèrentes selon les Valeur::) J'~ntrè~ données aux para~tres, on préfère un

.36

1

2.b

25 55 115

18

12

6

3 1

El&"_L: 1 nventai re démographique dans une forêt en réserve (Fontai ..ebJ eau)

El&-e_2 Inventaire fictif valant pour les modeles :

a) "niVèàU èlèrne:ntalre" et "niveau secondaire" présentes en Fig. j ~l 4 ; b) "niveau universite" présenté en Fig. 5.

E4L;l :Modele niveau "élêmenlaift311_{. Avec de jeunes tnfdnts, ii LOf1ditiüll d'avoir un}

repHage spatial précis <ex.: barriere dans le coin "n haut a droi tel, on peut reconstituer les stades d'évolution des 4 sous-parcell-=s l, 2, 3, 4, D~ ~O aIlS en 20 ans, 1 devle .. t 2, puis 4, puis 3 L'~nsemble n~st8 identique j 18 ~:>tdtÜ:: V reproduit. dIsposition identique le stade \.

"I

n

r--0 --,

"

·--i

,

"

0

.

0

.'

1

"

0 0

.

0

.'

.

0

'"

0

,

₀ 0 _~ 0

"

,,

,

_,

'

,.'

.

, ,

.

.

,

.

0

'.'

.

'.

..

.

_, 0 0 0 0 0 .'

.

: '

0 0 0

"

0 0

.

0

.

0 0

..

.

"

0 Cl> 0 ₀

:.

'"

..

0 0 0 0

"

0 0 °

"

0 ,

,

.

,

.

_,

,

₀ 0 Cl>

.

,

..

_, , 0 0

.

'"

.

"

_:

,

_,

, '

.

, , "

'"

..

.

__ J

.

1

.

•L_~' ,

, ,

,

__ J

,

,

Modèle "niveau secondaire" ( ! ) . La figure représente deux stades successifs à 20 ans d'intervalle; au stade V on retrouvera J.

O

, 0

o ••

•

,0 \'l 1 , 1 __ -.J III

•

o

:11-20o~' ,21 _30

0'"

JI

_{\'l :31 -"10",,>}

o

:"11 -80a"~

o

:81 .120

an,

o

,0

---,

0° 1

o

1

°

III

°

'i

°

0

°

0

.°

0 ••0 •

0

0. 11**",,"*0 0

°

• 0 :

*.

0 1- il- .. ... 1 1

ii"'-il"

0 . 0 * °0"'1 L· • • .. • ...*__...J

..

*

* *0

••

•

•

o

'.

--,

. 0 ·

-**"'1

•

O·

*" .. O • .. 0

..-• ... *..-•..-•..-•

0 .... • • .. .. "* III '"

°0"''''

o

0

..

de?

'"

..

o

0

0°

o

o

r--l " l , 0 ' 00

o

o

o 0 1 olll a L __

Mociele "niveau université" qui se rapproche davantage d'une dfsposiUon réelle en lorêt.

Le

(kg/bal, dont la lIlOi tlé ,,,tenue par le bois B et l'autre moitié en retour R au rudimentaire ne comprenant que les compartiments feuilles, bois, sol, avec Ei~ : Kodéle à compartiments pour le cycle d'un élément minéral. Si l'on

FeuJle~ 1---13oi,~

i

S:

iva

9€

.501

1+--

E.n

•

l

50(/5 -

Sol

modèle un (kg/bal; F flux initialement, 40 au considére S stock du sol,100 annuel vers la plante

sol via les feuilles; on peut constater l'épuisement progressif du stock S (voir le tableau Il. AilS 1 2 3 4 5 6 7 ~ - - - -

- -

~. _ . _ - -_{- - -}

-S 100 80 60 40 20 10 5 F 40 40 40 40 20 10 5 1 -B 20 20 20 20 10 5 2,5 - - -

- _ .

- - - - ~ -R 20 20 20 20 10 5 2,5

-lJl~JLJ : Evolution du sto... k de l'élément minéral dans le 601 au cours du temps. Si cela ne correspond pas

a

la réalité, ou si l'on soubaite l'équilibre, il faut "Jouter d'autres entrées: engrais, ou apport depuis Ull "utre co,"parttment ("sous-sol"). liaIS peuvent intervenir aussi des~Jl..Q : leGsivage, ... Que Ge passe-l-ll lors d'une coupe: forestièl-e ?

Ans 3 - - - ~ -

-N B

AB

C - - - ---100 1000 100 100 -105 1000 100 105 110 995 99 110 115 984 98 115 121 967 96 121 -127 942 94 127 ---~-134 909 90 134 _.-

.,

.

..

...

Tabl eau I l

A partir- d'un p"turage de Biomasse B = 1000 <unité arbitraire) pouvant produir" annuellemeJ.t lib c 100. si les Lemmings N= 100 consollllll8nt C = 100, il Y a équilibre,

... 1s si la population N croît de 5 % par an, C s'accroit et la biomasse B est entamée. On p~ut fdire intervenir un phénomène de régulation tel que la réduction de la populatloll de L,'IWDings a 10 ~ de son effectif <mimant le "suIcide collectif").

10

d.__--_

dlJ..5

~

1 1

o

-+---,.r---6

500

SdOll le lIlO"",nt plus DU moins tardif de la régulation, le pAturage pourra se reconstitut2r plus ou 'llOins vite (A', BI>, OU sera au contraire voué

a

la destruction <C'). Entre les points de départ de B' et C' se situe donc un point de désequilioJe irrevel~ible.

calcul par itération <qui peut être conduit manuellement) et qui permettra notamment d' obGerver l'importance du DlOlOOnt d' illtervention du phénomène de régulation <t"bleau II et fig.

'no

Il. flgrgi6sement et mlGe en oeuvre pédagogique de la dé~:

D'autre exemples en Ecologie ont été évoqué6 en discus610n : ge6lion pAturage-eau dan6 un sY5téme Gahéllen, geGtlon fore6tiére et effetG écologique6 (à partir du premier modéle présenté), un autre champ 6erai t celui de l'Economie s.l. touchant tout probleme de ge6Uon (de ressources - y compris hUDldllles -, d'un équlpelOOnt, d'un aménagement, ... ). Ainsi, des problèlOOs aussi variè6 que le fonctionnement d'une centrale marée-motrice, l'optimisation d'un (-éseau de communication, la présentation d'un phénomène social COIlUlle le chômage, l'exploltaUolI d'une ressource issue de la biomasse, pourraielll être aboniés.

Si l'on souhaite établir une véritable pédagogie de la modélisation basée Gur l'élaboration de modèles etlou de simulations, il faut tout d'abord essayer de donner à l'élève le maximum d' illitiatives dans les processus de cOllstruction. Un des moyens les plus faciles à utiliser, est de fournir au depart un texte et de demander d'en extraire un modèle. Ainsi, par exemple, à parUr' de la descriptioll de la circulation des éléments minéraux dans un écosystème, i l est possible d'obtenir un modéle à compartIments la recherche documentaire de données quantitatives permettra d'obtenir des valeurs plau6ibles <parfois approchées) pour les 6tocks et les flux. Une attelltion particuliére, dans les cas qui le nécessitellt, sera donnée à l'examen de la forme des flux dans le temps après un déboi6elOOnt, la perte d'éléments minéraux du compartiment sol par pluvio'lesslvage est d'abord brutale, puis se ralentit Dans la pratique, un dialogue maître-élève fourni et argumellté, la recherche et l'examen critique de documents, la mise au clair des dêmarches de réflexioll, l'identification des élémellts du modèle, les êver.tuelles formulations mothèDldtiques (v.als.. rablables) permettant la simulation, les analyses CIitlques, les

mod1t1cations des modèles, les simulations obtenues successivement sont susceptibl"s de donner un ensemble tles ricbe. Va"s un tel contexte, l'activité de l'élève, la mobIlisatIon de ses connaissances, l'exercice de son esprit d'analY6e et de réflexion s' "xercent réellement en contrepoint heureux des trop fréquentes démar'ches didactiques académiques et dogmatiques.

Selon nous, le problème de l'utilisation de l'infolmotique se situe bien en aval. Tout d'dbord, sur ces sujets, Il est pratiqu .. ment exclu d'établir sur ordinateur des dialogues int"ractifs leur pauvreté selait telle qu'ils deviendraient inutiles en regard de la richesse du dialogue maitre-élève et qu'ilG demanderaiel,t un effort de programmation disproportionné avec le résultat obtenu <cette remarque vaut d'ailleurs pour beaucoup de didacticiels déjà élaboré6). Par cm.tre, l'utilisation de l'ordinateur, comme outil de calcul etlou de stockage de

données et pour traduire graphiquement les multiples cas de figure d'une simulation,

est hautement 50uhal loble, même 51 dans un premier temps cl:la n'est pas

indispensable et si le simple matériel papier-crayon peul suftire. Plusieurs participants aux Journées ont fait part de leurs expériences

- P. VAN KLAVEREII, du Collége de Honte-Carlo, a rappelé que grâce à Ull langage adapté à l'utilisation de la méthode Honte-Carlo, on peut visualiser facilement sur ordinateur le compOl-tement d'une simulation du modèle proie-predaleur.

- B. VUILLEUIIIER, du L.D. F.S. de l'Université de Genève, dlspos.'nt d'un logiciel STELLA <pour IIacintosb ou IBII-PC> qui semble tout à fai t adapte à la d"rna, che que nous préconisons:

• identifications de compartiments, • attribulions de valeurs à des stocks, • valeurs et Ilformes·' des flux ...

CQ~ll.t.üun

La presentation ci-dessus n'est que celle d'un essai qUI deruallde a etr~ mi~ux

assis, notamment par une expèrirut=ntation dans les classes. Une compardison avec le05

jeux (voir J. TAYLOR, 1983) - comprenant l'examen du statut didacti"lIe des règles dans ceUX-Cl - selo.it certainement tl'ès utile. Ltargument.jtion-~ldiJoy~rpour une pédagogie de la modélisation ne vaudra que par la preuv8 d'ulle efficdcitè qui reste à evaluer. En outre, le passage de certains thèmes par les moyens inforllliltiques n2cessite d'abord un travail de mise au point. puis une mise en oeuvre elfe~tive et une évaluation sérieuse lors du fonctionnement réel avec des élèves,

FI<ENKIEL

(r.

N ) et GOJDALL (D.Il.) Ed. - 1978 - SllllliktilllLJllQ,h,UiIJl._Q.L=iLUlllll!;:ll..\.û ~1lb.h:lI&· SCOPh 9,1. 'Jiley, Chichester et N.Y., pp. 1-112.

J EHERS (J.N. 19'18 - A.!L_in~lil.IL....~~~lliÙ.)'~-,-__lLi.J.iL~~l&l ilppil",;.uiillli<. Ed. Al nuld, Londres, pp. 1-199.

PATT~N lB.l..) Ed. 19'11

AcadeIlli c f'r-ess1 ILY., vol.

pp. 1-5;1:;).

1976 - Systems aoal)lsÜ, "od si"ui"tiQrL.i.lL.E~. à IV <respectivement pp. 1-610, pp. 1-592, pp. 1-622,

TAYLOR <l.L.) - 1983 - G..u..ill&....JllL.i'.iJau1..a.1.iQo and ilamiD~oYi[oDmentaleducatillll. UNESCO, Paris Div. ai Sc., Tech. and Vac. Educ. Env. Educ. S8JI"s 0'2, pp. l-101.