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Selon les résultats de la dernière étude PISA [1] la culture scientifique est le point faible des élèves français. Ces derniers y obtiennent en effet leur moins bon rang par discipline, proche de la moyenne des pays de l’OCDE [2]. Par ailleurs, au niveau européen, de nombreux travaux ont mis en évidence un déclin inquiétant de l’intérêt des jeunes pour les études scientifiques. L’enseignement des sciences est l’un des principaux facteurs généralement incriminés. Soucieuse de l’évolution de son potentiel de recherche et d’innovation, la Commission européenne a commandé une étude à un groupe d’experts. Ces experts ont formulé des conclusions dont la principale est « Renverser la pédagogie utilisée pour enseigner les sciences à l’école, en la faisant passer de méthodes essentiellement déductives à des méthodes basées sur l’investigation permet d’augmenter l’intérêt des jeunes pour les sciences » [3]. Cette recommandation pose la question de ce qu’est une démarche d’investigation et les conditions de sa mise en œuvre dans un cadre scolaire.

Les modèles scientifiques, des outils pour le chercheur

Parmi la littérature abondante sur la question de la place des modèles et de la modélisation en sciences, les travaux de M. Bunge [4] sont particulièrement éclairants. Les modèles sont considérés comme des outils conceptuels qui permettent de faire le lien entre théorie et réel. La rencontre entre assertions théoriques et références empiriques n’est en effet pas directe. Elle s’effectue à un niveau intermédiaire que constituent les modèles scientifiques. La résolution de problèmes scientifiques passe alors par un travail de modélisation. Ainsi, les modèles sont des outils pour penser et pour comprendre le monde, produits dans le cadre d’un projet donné. Selon ce point de vue, ils sont au cœur de l’activité du chercheur et la modélisation est une démarche partagée par l’ensemble de la communauté scientifique.

Des modèles aussi dans l’enseignement des sciences

De très nombreux travaux ont été consacrés à l’analyse de situations de classe au cours desquelles des élèves étaient engagés dans des activités de modélisation Certains de ces travaux ont conduit à l’élaboration d’ingénieries didactiques pour lesquelles les modèles conceptuels - présentés sous la forme de textes, schémas, maquettes ou modèles informatiques - pouvaient être élaborés par les élèves et/ou utilisés dans le cadre de l’étude de phénomènes scientifiques.

Ainsi, dans la classe également, il existe des liens étroits entre modélisation et résolution de problèmes. Les activités d’exploration consistent à utiliser des modèles conceptuels pour décrire, expliquer, prédire le comportement des systèmes. Les activités de création consistent à imaginer de nouvelles manières de concevoir ces systèmes et prévoir l’existence de nouveaux aspects du réel [5]. Cette conception de l’enseignement des sciences vient souligner l’importance, pour l’apprentissage, de la mise en relation des modèles scientifiques fondamentaux avec les résultats d’investigations empiriques. Selon ce point de vue, il existe des liens étroits entre démarche d’investigation et démarche de modélisation.

Les situations de classe privilégiées pour la mise en œuvre d’un travail d’investigation sont donc celles qui permettent aux élèves de se confronter au réel. Le travail de laboratoire et la classe de terrain sont deux dispositifs qui permettent ce type de confrontation. Expliciter les modèles en jeu pour donner du sens au travail conduit

Les élèves dont le dialogue est retranscrit ci dessous sont des lycéens engagés dans une classe de terrain de géologie dans le Briançonnais. Ils tentent de montrer que la formation des Alpes comprend une phase d’accrétion océanique. Un travail préalable les a conduit à identifier que le modèle géologique de l’accrétion océanique prévoit la formation de minéraux (hornblende, chlorite, actinote), marqueurs de l’hydrothermalisme qui caractérise ce phénomène. Les élèves du binôme (notés E1 et E2) recherchent ces minéraux sur un affleurement et tentent d’en réaliser une photographie.

E1 : Viens là j’ai une auréole...

E2 : Au milieu c’est du pyroxène, c’est une auréole de quoi ?

E3 : Pyroxène et là c’est actinote...

E1 : ... Et chlorite. Ben on va tout prendre... Regarde là y’a... le vert, le noir et là y’a de la hornblende. Il faut que tu prennes les tr... deux.

E2 : Les deux côtés il faut que je prenne ?

E1 : Ouais.

E2 : Ben c’est gentil, je vais me faire (...)...

E1 : Mais non... tu prends une fois ça, une fois ça. (...)

E1 : Tu prends ça, le but c’est de prendre ça...

E2 : Prends un bon zoom là dessus, tu veux pas plutôt zoomer complètement, parce que c’est important... non mais zoome carrément sur le...Moi je la tiens si tu veux la pièce [6]. (...)

E2 : Ce qu’on veut voir c’est ça ! (...)

E1 : C’est de la hornblende. Mais c’est de la hornblende c’est pas pareil...Donc c’est la photo combien ?

Deux éléments caractérisent la situation présentée. Il s’agit d’une part de l’engagement des élèves dans la tâche qui leur est confiée. Les observations qu’ils réalisent leur permettent de distinguer les différents minéraux présents dans la roche et d’en débattre. Il s’agit d’autre part, de l’autonomie dont ils font preuve dans la réalisation de cette tâche. D’un point de vue didactique, l’explicitation du modèle scientifique en jeu est un élément fondamental de la situation. Les élèves savent ce qu’ils cherchent et pourquoi ils le cherchent. Les investigations conduites sont ainsi guidées par le travail préparatoire qui a consisté dans l’analyse d’un modèle scientifique. Ce modèle permet aux élèves de prévoir des états du réel et de déterminer les observations à réaliser. Le temps consacré à la détermination du protocole d’observation permet ainsi de donner du sens au travail effectué et rend possible la conduite d’investigations en autonomie.

Les modèles des « lunettes conceptuelles » pour conduire un travail d’investigation

La situation illustrée par le dialogue suivant correspond à un travail de cartographie sur le terrain. Deux lycéens recherchent les limites de différentes formations géologiques afin de les reporter sur une carte. Le modèle scientifique qu’ils ont étudié prévoit une succession de type gabbro/complexes filoniens/basaltes.

E2 : Là ça change non ?

E1 : Non tu retrouves la même chose.

E2 : Ouais, c’est vrai mais...

E1 : Parce que ça doit virer vers le gabbro.

E2 : T’es sûre ?

E1 : Moi je dis gabbro, métagabbro, vers les complexes... et après basalte.

E2 : Ouais mais justement, basalte ça devrait être les plus au-dessus car tu sais, quand la truc elle s’est Crac [7]. Donc on va trouver le basalte là bas et en bas si ça se trouve c’est les métagabbros.

E1 : Ou de l’autre côté...

Ce second exemple illustre la manière dont le modèle scientifique, qui a été explicité et travaillé en classe, permet aux élèves de s’engager dans la résolution du problème de manière autonome. Ce n’est pas une investigation tous azimuts qu’ils mettent en œuvre mais une investigation guidée par les prévisions qu’un modèle scientifique permet d’établir. Ce modèle joue alors le rôle de « lunettes conceptuelles » qui donnent du sens aux observations réalisées et permettent de focaliser l’attention sur les données pertinentes au regard du problème à résoudre.

Des enjeux pour l’apprentissage

Une démarche d’investigation procède d’une démarche de modélisation et l’explicitation du (ou des) modèle(s) scientifique(s) en jeu est un élément important à prendre en compte pour que des élèves puissent s’engager dans ce type de démarche de manière autonome. Ceci est lié au fait qu’une démarche d’investigation consiste dans la mise en tension d’un modèle scientifique avec un référent empirique qui se constitue lors d’activités de laboratoire ou de terrain.

L’enjeu de la mise en œuvre d’une telle démarche réside dans la possibilité donnée aux élèves de travailler sur des situations complexes et proches du réel et ainsi de développer des capacités à expliquer plutôt qu’à appliquer. Il s’agit également qu’ils perçoivent le sens des activités que leurs enseignants conçoivent et qu’ils comprennent les démarches et les arguments qui fondent les connaissances scientifiques.

Ces aspects constituent probablement des clefs pour la valorisation de l’enseignement des sciences et l’augmentation de l’intérêt des élèves pour ces disciplines.