Introduire l’histoire des sciences en classe pour travailler les représentations de la/des science(s)

Introduire l’histoire des sciences en classe de sciences pour travailler la NoS

Si les programmes de physique et chimie de l’enseignement secondaire français soulignent depuis longtemps l’intérêt d’introduire des éléments d’HS en classe (Fauque, 2006), ils laissent implicites les visées d’apprentissage d’une telle introduction4. Depuis tout aussi longtemps, des voix se sont élevées contre l’introduction de l’HS afin de faciliter l’apprentissage de contenus scientifiques. Selon Nicole Hulin (1996), Henri Bouasse en 1901 et Richard Feynman dans les années 1970-1980 soulignent, entre autres, que des hypothèses abandonnées et des idées obsolètes pourraient être retenues par les élèves.

Par ailleurs, sur le plan de la recherche, que ce soit à l’international ou en France, des études montrent que les enseignants de sciences rencontrent des difficultés à la mise en œuvre de l’HS en classe et expriment un besoin de formation et de ressources (Henke & Höttecke, 2015 ; Beaufils, Maurines & Chapuis, 2010). De plus, même ceux pour qui la dimension épistémologique est importante tendent à la négliger en faveur de l’acquisition de savoirs et savoir-faire scientifiques (Lederman, 2007). Enfin, les manuels d’enseignement accordent peu de place à l’HS et l’image de la/des science(s) qu’ils renvoient est réductrice, voire déformée (Allchin, 2004), même si des évolutions sont perceptibles (Beaufils & Maurines, 2013).

Ces différents constats nous ont guidés, il y a une vingtaine d’années, à expliciter et à associer à l’introduction de l’HS en classe de sciences une problématique liée à un apprentissage épistémologique. Le programme de recherche que nous avons alors débuté s’est orienté vers l’élaboration de ressources pour les professeurs et l’expérimentation de séquences innovantes d’enseignement visant à transmettre une représentation plus riche et plus authentique des sciences aux élèves (Allchin, 2011). Nous supposons, entre autres, qu’une telle introduction peut contribuer à (re)motiver les élèves pour les sciences (élèves et étudiants qui se représentent la science guère que comme un ensemble de faits théoriques et expérimentaux qu'il faut retenir). Notre approche didactique de l’HS se rapproche ainsi de celle valorisée par Agustín Adúriz-Bravo (2010), Dietmar Höttecke, Andreas Henke et Falk Riess (2012). Elle n’est pas un but d’apprentissage en tant que tel. Elle est avant tout un moyen pour faire réfléchir les élèves sur les sciences et les sensibiliser aux conceptions contemporaines de l’activité scientifique. Elle diffère en cela de l’approche mobilisée dans les travaux inscrits dans la lignée de Martin Monk et Jonathan Osborne (1997) dite de la reconstruction didactique, dont l’objectif est en premier lieu l’apprentissage scientifique (Décamp & Hosson, 2012 ; Hosson & Kaminski, 2007).

Afin de répondre aux questions soulevées par une telle introduction de l’HS, nous avons inscrit notre réflexion dans une perspective curriculaire, ce qui supposait d’avoir comme points de vigilance la cohérence, la progressivité et la complémentarité des objectifs et dispositifs d’enseignement (Lebeaume, 1999). En ce qui concerne l’élaboration et l’expérimentation d’une séquence d’enseignement donnée, il s’agissait d’expliciter et préciser les réponses à plusieurs questions (voir Tableau 1). Certaines portent sur la séquence telle qu’elle pourrait être élaborée et mise en œuvre en classe par un enseignant : quelle cohérence entre les finalités de l’enseignement des sciences (former un scientifique, former un futur citoyen) et les objectifs d’apprentissage épistémologiques retenus, les contenus proposés (scientifiques, historiques, épistémologiques), les tâches dévolues aux élèves et à l’enseignant, sans oublier les contraintes liées au contexte d’enseignement (les programmes, la classe, l’établissement) ? D’autres portent sur le suivi lié à la recherche (repose-t-il sur des questionnaires, des observations, des entretiens ?) et les contraintes liées à la recherche (entre autres celles liées à la formation de l’enseignant). D’autres encore portent sur les conditions d’élaboration et d’expérimentation de la séquence elle-même : l’enseignant est-il en mesure de mettre en œuvre un dispositif innovant au plus près des intentions didactiques ayant présidé à son élaboration par le chercheur (ingénierie didactique dite de première génération) ou a-t-il besoin d’une formation préalable ? Est-il possible de s’appuyer sur un collectif de chercheurs-enseignants pour coconstruire la séquence et l’expérimenter (ingénierie de deuxième génération) ? Cette approche qualifiée de processus symbiotique par Höttecke, Henke et Riess (2012) semble celle à privilégier car elle permet aux chercheurs de s’appuyer sur l’expérience des conditions d’enseignement des enseignants, et aux enseignants de se former et mettre en œuvre la séquence au plus près des intentions didactiques. Sous-jacentes à ces différentes questions, il y a celles liées au cadre théorique qui sous-tend l’élaboration de la séquence d’enseignement et son expérimentation. Il y a non seulement celles concernant l’apprentissage et l’enseignement, mais aussi celles qui ont trait à la NoS (sur quelle conceptualisation de la/des science(s) s’appuyer ?) et à l’HS (quelles ressources historiques mobiliser ? Quels éléments introduire en classe et comment ?).

Nous avons commencé par préciser les contours de dispositifs d’enseignement innovants cohérent avec notre projet d’introduire l’HS à des fins épistémologiques et à élaborer des ressources dans le domaine de l’optique (Maurines & Beaufils, 2011), certaines étant mises en œuvre en classe, d’autres y étant expérimentées dans le cadre d’une recherche doctorale (Slaïmia, 2014 ; Slaïmia & Maurines, 2017).

Tous ces dispositifs sont inscrits dans un cadre socio-constructiviste de l’apprentissage et de l’enseignement. Ils ont pour point commun de reposer sur des dossiers de documents à caractère historique à destination des élèves intégrés dans des séquences d’enseignement de type investigation documentaire. Une autre de leurs particularités est d’être centré sur un objectif épistémologique donné. Les documents sont construits pour pouvoir travailler une caractéristique déterminée de l'activité scientifique, dans le cadre d'un épisode historique particulier s'inscrivant dans le programme de la classe considérée. L’originalité de l’approche consiste à répartir l’information historique sur l’ensemble des documents : cela permet de donner suffisamment d’information pour limiter la réduction inévitable de l’image de la/des science(s), de ne pas décourager les élèves lors de la lecture, de limiter le temps consacré à l’activité. Le travail de lecture du corpus de documents est réparti sur la classe et l’extraction des informations est le plus souvent guidée par une consigne qui dépend de l’objectif épistémologique poursuivi. Il en est de même de l’activité de synthèse faite en classe, sous la direction de l’enseignant, qui vise une production-type permettant la visualisation synoptique des informations recueillies (diagramme, tableau). À notre connaissance, il n’existait aucune proposition de ressources historiques de ce type en physique-chimie lorsque ce projet d’investigation documentaire à caractère historique a été réalisé (Höttecke, Henke & Riess, 2012). De par sa nature, il relève d’un enseignement explicite de la NoS (Abd-El Khalick, 2013) et non d’un enseignement implicite qui mobilise l’HS sans pour autant travailler et institutionnaliser des objectifs d’apprentissage épistémologique en fin de séance au même titre que ceux d’apprentissage scientifique.

La NoS selon une approche anthropologique des pratiques scientifiques

Parallèlement à ce travail sur l’introduction de l’HS en classe de sciences, nous avons précisé la représentation de la/des science(s) sur laquelle il repose. Nous souscrivons à l’idée que, pour comprendre la façon dont les scientifiques génèrent des connaissances par leur activité, une pluralité de points de vue est nécessaire. Inscrivant nos recherches dans une perspective curriculaire, nous avons fait le choix d’un cadre de référence large, susceptible d’ouvrir le champ des possibles, au niveau de l’enseignement secondaire et supérieur, pour la formation d’un futur scientifique et d’un futur citoyen.

Nos recherches mobilisent une grille multidimensionnelle d’analyse de la NoS que nous avons élaborée en faisant appel aux différents types d’études sur les sciences (voir Tableau 2) et en nous appuyant sur le concept de pratiques sociales de référence introduit par Jean-Louis Martinand (1986). Nous avons retenu neuf dimensions, elles-mêmes déclinables en sous-dimensions et catégories, pour interroger les sciences et en traduire la cohérence propre, les caractériser telles qu’elles sont pratiquées au sein de différentes communautés. Cinq des neuf dimensions se réfèrent à l’épistémologie « classique » et permettent de caractériser les savoirs et leurs modalités d’élaboration. Trois autres se rapportent à la sociologie et à l’HS : elles permettent de rendre compte de leur inscription dans une communauté et une société et d’appréhender leur évolution au cours du temps. Une dernière renvoie à la psychologie des sciences et permet de caractériser les individus, leurs qualités/dispositions et attitudes. Un des intérêts d’un cadre multidimensionnel d’analyse de la NoS est d'offrir autant de dimensions qu’il en possède et de permettre l’examen de l’image des sciences (renvoyée par les textes institutionnels, les situations d’enseignement, les propos d’étudiants ou d’enseignants), non seulement en termes de conformité avec les représentations contemporaines de l’entreprise scientifique, mais aussi en termes de richesse et de complexité. L’hypothèse sous-jacente est que le degré de richesse de la vision des pratiques scientifiques dépend du nombre et de la diversité des dimensions et caractéristiques pertinentes mobilisées, le degré de complexité dépend quant à lui de la façon dont elles sont mises en relation.

Comparativement aux caractérisations proposées à l’étranger par Sibel Erduran et Zoubeida R. Dagher (2014), et en cohérence avec notre choix de visées éducatives multiples, nous avons introduit deux dimensions supplémentaires pour caractériser le scientifique d’une part (dimension psychologique) et le situer historiquement d’autre part (dimension historique). Nous avons par ailleurs introduit des sous-dimensions pour tenir compte du contexte culturel et de l’arrière-plan métaphysique et ontologique des pratiques, ainsi que des normes et valeurs qui les orientent (sous-dimensions « Visées et caractéristiques générales des sciences »). Il s’agit d’une approche anthropologique des pratiques, dans la mesure où elle met au centre du questionnement l’Homme saisi dans toutes ses dimensions, dans son unité et sa diversité. Attentive à la singularité des acteurs et à leur multidimensionnalité, elle les considère comme des personnes qui agissent en scientifiques, comme des acting person as scientist pour reprendre l’expression de Lisa M. Osbeck et ses collaboratrices (2013 : 29).

L’intérêt d’une approche des pratiques sociales articulée à la psychologie et à l’anthropologie est de permettre d’articuler les savoirs et les acteurs/personnes, et ainsi de conférer une inscription humaine et socio-culturelle aux savoirs scientifiques. Un autre encore est d’offrir un cadre d’analyse multidimensionnel pouvant être mis en œuvre pour caractériser non seulement les sciences, mais aussi d’autres domaines/pratiques de connaissance, et ainsi permettre de dégager leurs points communs et leurs différences. Cette approche nous semble pouvoir permettre de répondre à la visée éducative, défendue par Edgar Morin, de la nécessité de faire « connaître ce qu’est connaître » (Morin, 2000 : 2). Comme pour Marie Larochelle et Jacques Désautels (1992 : 5), il ne s’agit pas pour nous « de promouvoir la supériorité du savoir scientifique sur les autres savoirs, mais bien de le resituer au sein de la panoplie des jeux de connaissance inventés par les hommes et les femmes pour organiser, de façon viable, leurs expériences de cognition ». Nous visons ainsi une complexification épistémologique selon une approche (multi-)culturelle. Dans la lignée de William W. Cobern et Glen S. Aikenhead (1998), nous considérons l’apprentissage des sciences comme un franchissement de frontières culturelles, a cultural border-crossing.

La grille de lecture proposée par cette approche anthropologique des pratiques scientifiques ne dit rien de leurs caractéristiques et ouvre sur un questionnement large à leurs propos. Selon les objectifs éducatifs et de recherche poursuivis, elle est susceptible d’évoluer pour s’adapter au problème exploré, certaines dimensions et sous-dimensions pouvant être privilégiées par rapport à d’autres, et d’être couplée à des outils complémentaires d’analyse, tels que les schémas proposés par les didacticiens pour rendre compte des démarches scientifiques ou de la modélisation.

La recherche doctorale que nous détaillons ci-après s’appuie ainsi non seulement sur la grille de la NoS présentée en tableau 1, mais aussi sur le schéma de la modélisation proposé par Maurines (2010) dans son étude sur l’enseignement des sciences face au fait religieux (voir Figure 1). Souscrivant à l’idée que, si le paradigme oriente l’activité d’une communauté et la cimente, il n’en existe pas moins des différences entre scientifiques et diverses qualités de consensus, en particulier à propos de la composante métaphysique (Kuhn, 1982), Maurines propose un schéma explicitant cette composante métaphysique du paradigme et l’existence d’un noyau commun de présupposés fondant la pratique scientifique. Ce schéma vise ainsi à montrer que l’activité de modélisation repose sur des présupposés et valeurs, c’est-à-dire des critères de positionnement théorique et de choix, plus ou moins partagés et explicités. Certains sont partagés par les scientifiques à une époque donnée et stables dans le temps (par exemple le principe du matérialisme méthodologique), d’autres sont interprétés différemment, remodelés et redéfinis (par exemple les éléments qualifiés d’auto-explicatifs par Stephen Toulmin [1973]). Ce schéma « se décline différemment selon le domaine de recherche auquel on s’intéresse et les phénomènes que l’on cherche à interpréter, selon qu’il se rapporte à une communauté donnée ou à un scientifique particulier […] » (Maurines, 2010 : 359). Il peut ainsi faire l’objet de deux niveaux d’analyse, celui d’un scientifique, un individu considéré comme une personne, et celui d’une communauté scientifique donnée, l’institution, ce qui résonne avec les propos de Yves Gingras (2016 : 15) dans son introduction à l’analyse du processus historique de séparation des institutions scientifique et religieuse : « Sur le plan méthodologique, on doit donc d’abord déterminer les échelles d’analyse. »

Choix d’un objectif épistémologique et d’un contexte d’enseignement

Les études sur les représentations des élèves de la/des science(s) montrent qu’elles sont souvent incohérentes et éloignées d’une vision socio-constructiviste des sciences. Comme le note Deng et ses collaborateurs, ces représentations « naïves » s’éloignent d’une vision « informée » où « la connaissance est construite de façon active par un individu pensant seul ou au travers d’échanges. Elle n'est pas reçue ou transmise passivement de l'environnement […]. Elle ne vise pas la découverte d'une réalité objective et certaine (ou vraie) existant indépendamment du monde éprouvé par l’individu et social » (Deng et al., 2011 : 964 ; notre traduction)7.

Ce résumé proposé par Feng Deng et ses collaborateurs rejoint les constats faits par d’autres chercheurs à propos des modèles et de la modélisation (Treagust Chittleborough & Mamiala, 2002 ; Cheng & Lin, 2015). Dans l’activité de modélisation, la dimension théorique est sous-estimée en faveur de la dimension empirique. La démarche inductive est privilégiée (on part de l’observation, des mesures et on généralise). Un modèle décrit la réalité telle qu’elle est (la vérité est celle de la correspondance modèle-réalité et non celle intersubjective au sein d’une communauté). Cela résonne avec les recherches sur la NoS (Lederman, 2007) qui montrent que la dimension « sociale » de l’activité scientifique (la dimension collective et argumentative de la preuve) est sous-estimée et que la dimension « humaine » est peu perçue/réduite (l’observation est « neutre », alors qu’elle est chargée de théorie et repose sur des présupposés et des valeurs).

Étant donné qu’une représentation de l’observation comme fondatrice des savoirs scientifiques, « neutre » et indépendante de tout cadre théorique et métaphysique, apparaît comme une difficulté majeure pour l’acquisition d’une vision socioconstructiviste de la/des science(s), le choix a été fait de travailler cet obstacle en proposant une situation d’enseignement à caractère historique. Parmi les différents thèmes au programme de l’enseignement de physique-chimie en lycée8, celui intitulé « Temps, mouvement et évolution » de la classe de terminale S a retenu l’attention, et plus précisément le contenu désigné par « Révolution de la Terre autour du Soleil ». Le préambule du cycle terminal (première et terminale S) recommandait en effet « l’approche historique comme démarche didactique destinée à mettre la science en contexte et en culture ». De plus, dans la partie portant sur le système solaire, il était noté que : « La plus grande révolution dans l’histoire de la pensée, l’hypothèse copernicienne, n’a pas été avancée pour des raisons liées aux observations du temps, qui trouvaient une explication apparemment plus naturelle dans la cosmogonie aristotélicienne. » Par ailleurs, le programme laissait la possibilité d’introduire des activités documentaires, en mettant l’accent sur la modélisation : « Les supports d’informations proposés aux élèves seront multiples et diversifiés. […] L’exploitation sera conduite en passant par l’étape d’identification des grandeurs physiques ou chimiques pertinentes et par celle de modélisation. »

Questions de recherche

La recherche doctorale s’est alors orientée, entre autres9, vers l’exploration des représentations des élèves sur l’inscription humaine et sociale des savoirs dans le cas particulier de l’observation d’une part, et vers l’examen de la possibilité de les faire évoluer grâce à l’introduction de l’histoire de la transition géo-héliocentrique d’autre part. Parmi les différentes questions explorées dans la recherche, nous retenons celles présentées ci-dessous afin de montrer comment les outils d’analyse présentés plus haut ont guidé l’élaboration de la séquence d’enseignement et l’analyse de son impact sur les élèves.

Pour les élèves, quelle est la place de l’observation dans la pratique scientifique, plus précisément l’observation doit-elle être première ou non, est-elle orientée ou non par un cadre conceptuel ?Pour les élèves, un savoir scientifique résultant de l’observation reste-t-il ou non chargé de théorie ? Décrit-il ou non une réalité indépendante de l’observateur ?Quelles dimensions de la NoS sont évoquées par les élèves ? Quelle place accordent-ils aux dimensions associées à l’Homme, la communauté scientifique et la société ?Quelle est l’évolution des représentations des élèves en termes de positionnement d’une part, de dimensions évoquées et de leur richesse d’autre part ?

Méthodologie

Dans la lignée des propositions précédentes, une séquence de type investigation documentaire a été élaborée pour la classe de terminale S. Une étude historique et épistémologique des modèles d’univers a conduit à la rédaction de sept textes sur la transition géo-héliocentrique pour les élèves, mettant en valeur l’interpénétration des différents éléments qui façonnent les sciences. Chacun des sept textes contextualise la contribution d’un scientifique, aussi bien sur le plan sociétal qu’individuel : certains des présupposés et valeurs qui ont orienté son travail sont mentionnés, certains renvoyant au contexte culturel de l’époque et à la religion. L’annexe 1 met en perspective un des textes, celui sur Nicolas Copernic, avec la grille multidimensionnelle de la NoS et le schéma de la modélisation fondée sur des présupposés proposé par Maurines (2010). Les six autres textes ont été consacrés à Aristote, Claude Ptolémée, Tycho Brahe, Johannes Kepler, Galilée, Isaac Newton.

La séquence d’enseignement innovante consiste en une séance en demi-groupe de deux heures, suivie de deux séances en classe entière d’une heure. Le suivi de l’expérimentation repose sur trois questionnaires. Le tableau 3 présente la structure de la séquence et les outils élaborés pour le recueil de données. La séquence a été expérimentée dans le cadre contraint d’une classe de terminale S auprès de 30 élèves en mai 2015 par l’enseignant qui réalisait la thèse10. Les outils proposés aux élèves pour extraire les informations des textes et préparer l’activité de synthèse sont présentés en annexe 2. Au nombre de deux, ils portent sur un scientifique et se présentent sous la forme d’un tableau à renseigner et d’un diagramme à compléter. En cohérence avec les objectifs visés et les textes élaborés, ce diagramme, inspiré du schéma de la modélisation proposé par Maurines (2010), évoque l’existence non seulement du registre scientifique théorique, mais aussi du registre métaphysique qui sous-tend la pratique du scientifique. Un registre religieux est également mentionné afin d’inscrire la science dans un contexte culturel et considérer le scientifique comme une personne pouvant avoir des croyances métaphysiques religieuses11. L’annexe 3 présente le document de synthèse distribué par l’enseignant en fin de séance.

Les questionnaires passés au début de la séquence (Q1) et immédiatement après (Q2) comportent chacun six questions ouvertes ou fermées avec demande de justification. Q1 proposait des questions générales inspirées pour partie de la littérature sur la NoS et Q2 des questions contextualisées à la transition géo-héliocentrique. En suivant Allchin (2011), le questionnaire Q3 passé quinze jours après vise à estimer la capacité des élèves à réinvestir ce qu’ils ont appris au cours de la séquence innovante dans un autre contexte historico-scientifique. Il se présente sous la forme d’un texte portant sur la découverte de Neptune et la (non-)découverte de Vulcain, accompagné de quatre questions ouvertes.

Les réponses fournies par les élèves à chaque questionnaire ont été analysées question par question et les résultats de certaines questions d’un même questionnaire ont été croisés afin de lever, si possible, certaines ambiguïtés ou repérer l’existence éventuelle de profils d’élèves. Deux types d’analyse ont été réalisés. D’une part, les réponses ont été catégorisées par un processus itératif couplant analyse a priori et a posteriori, et certains types de réponses ont été rapprochés de positionnements épistémologiques allant de positionnements naïfs à informés. D'autre part, la grille de la NoS a été mobilisée pour repérer les dimensions des pratiques évoquées dans une réponse et ce, indépendamment du nombre de fois où une dimension est évoquée par l’élève. Un exemple de codage de réponses obtenues est présenté dans le tableau 4. La recherche de la stabilité intersubjective du codage sur l’ensemble du corpus reste à finaliser.

Pour estimer l’impact de la séquence sur un point épistémologique particulier, les résultats obtenus à des questions portant sur ce point ont été comparés, questions formulées de manière générale avant enseignement et contextualisées après (voir par exemple les questions associées aux figures 5 et 6). Cette comparaison a été faite aussi bien pour les résultats en termes de positionnement que ceux en termes de dimensions.

L’impact de la séquence sur la richesse des représentations de la NoS de la part d’un élève et de la classe a été estimé à l’aide de deux critères : le nombre de dimensions évoquées à un questionnaire d’une part, la répartition de ces dimensions d’autre part. Compte tenu des objectifs poursuivis dans la séquence, il était notamment attendu après enseignement un nombre de dimensions évoquées plus élevé qu’au début de la séquence et une présence plus importante des dimensions témoignant de l’inscription humaine et socio-culturelle des savoirs : visées (au travers de la sous-dimension « Présupposés et valeurs »), attitudes/qualités (des acteurs), société (contexte culturel et religieux).

Résultats

Nous présentons les résultats obtenus sur la place et le rôle de l’observation dans l’élaboration des savoirs scientifiques, puis nous montrons comment l’analyse en termes de dimensions de la NoS permet d’apporter des éléments de réponse sur l’inscription humaine et sociale de ces savoirs. Les histogrammes présentés ci-après donnent la répartition des unités d’analyse (ua) repérées dans les réponses fournies par l’ensemble des élèves à une question (voir Figures 2 à 5) ou à l’ensemble des six questions des questionnaires Q1 ou Q2 (voir Figure 6). La figure 7 donne la répartition obtenue pour deux élèves pour lesquels le même nombre d’ua a été repéré au questionnaire Q1, la figure 8 la différence entre les nombres d’ua repérés avant et après enseignement pour chaque élève de la classe.