Présentation des nouveautés dans l`enseignement de la Géologie

Présentation des
nouveautés dans
l’enseignement de
la Géologie : applications interactives
et modules Géosciences 3D
Projet AGATE
(PEPS CNRS 2014)
ACCES (EA 3749, IFÉ-ENS de
Lyon) | F. Morel-Deville, A. Rivière, T. Lhuillier
LGL-TPE (UMR 5276, CNRSENS de Lyon-UCBL) |
N. Coltice
ICAP (UCBL) | T. Rivière,
F. Urien, N. Van-Reeth
Présentation des nouveautés dans l’enseignement de la Géologie : applications interactives et modules Géosciences 3D
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Historique
L’équipe ACCES de l’IFÉ travaille depuis de nombreuses années à mettre à disposition
du corps enseignant des ressources sur des parties du programme qui présentent des difficultés ou qui manquent de supports pédagogiques. Ceci est d’autant plus vrai en Géologie
où les élèves rencontrent classiquement deux types de difficultés : la représentation des
phénomènes géologiques en trois dimensions (3D) et l’intégration des différentes échelles
d’observation, d’espace et de temps.
C’est ainsi qu’en 2012, nous avons exploré le logiciel Gplates pour déterminer ses potentialités dans l’enseignement de l’historique de la théorie de la tectonique des plaques en
classe de première S. Ce logiciel s’est cependant rapidement avéré trop complexe pour une
utilisation dans l’enseignement secondaire et c’est au cours de nos recherches que nous
avons rencontré Nicolas Coltice, professeur à l’Université Claude Bernard-Lyon 1. Nicolas
Coltice avait débuté en 2012 le projet « Géosciences 3D » qui utilisait les compétences du
laboratoire ICAP de Lyon 1 pour créer des modules en trois dimensions (3D) pour expliquer divers mécanismes propres à la géologie.
La discussion engagée s’est avérée très constructive. Les modules déjà réalisés se présentaient sous forme de vidéos consultables en ligne ou en téléchargement. Une seule (le mécanisme au foyer) présentait un embryon d’interactivité. Cela nous a permis d’envisager la
possibilité de créer des applications alliant à la fois la 3D et l’interactivité, indispensables
pour répondre aux exigences disciplinaires des programmes de SVT, à savoir :
-
proposer des « démarches d’investigation » grâce auxquelles les élèves s’approprient
des notions et des concepts à l’interface de plusieurs disciplines ;
utiliser des modèles numériques afin de confronter des données théoriques avec les
mesures de terrain.
Historique de la théorie de la tectonique des plaques
La théorie de Wegener
La première application « dérive des continents » permet de traiter la naissance de la
théorie de Wegener en reprenant les différents arguments que celui-ci a utilisé dans sa publication. Le globe mobile et « zoomable » présente les différents continents dans la position actuelle et il est possible de superposer diverses couches.
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Figure 1 : Le globe , position actuelle
Figure 2 : Les tillites de 300Ma
Figure 3 : Les âges des formations géologiques.
Figure 4 : Les fossiles du permo-trias géo-référencés.
L’interactivité réside dans le choix de la
couche à afficher et dans le positionnement
des continents. En effet, un clic sur la zone
centrale du contient fait apparaître un bouton permettant translation et rotation.
L’élève peut ainsi déplacer les continents
à sa guise de la manière la plus judicieuse en
fonction des informations qu’il possède.
Figure 5 : Bouton de translation rotation sur le contient africain
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En phase finale du travail et sans que
l’information soit en clair, l’association de
touches P.A.N. permet de positionner les
continents pour reconstituer la Pangée.
Figure 6 : Reconstitution de la Pangée
Le passage à la tectonique des plaques
L’accumulation des connaissances des années 1960-1970 en particulier celles concernant l’étude du
fonds des océans a permis d’élaborer la théorie de la tectonique des plaques. L’application « De la
dérive des continents à la tectonique des plaques » permet de faire travailler les élèves sur ce changement de paradigme. L’application est limitée à l’ouverture de l’Atlantique Sud et à la rotation
relative des plaques africaine et sud-américaine. L’écran d’accueil présente le globe mobile et
« zoomable » avec les continents africain et sud-américain ainsi que la topographie des fonds de
l’Atlantique Sud.
La première étape consiste à déterminer
le pôle de rotation eulérien relatif aux
plaques africaine et sud-américaine. Pour
cela, on utilise la géométrie des failles
transformantes. On sélectionne tout
d’abord trois failles transformantes puis un
clic sur le globe fait apparaître un pôle de
rotation avec trois cercles dont les centres
sont sur l’axe eulérien et qui se superposent
aux failles.
Le module Tectonique des plaques de
Géosciences 3D explique parfaitement le
mécanisme. Un test de fermeture permet
d’affiner cette position.
Figure 7 : Recherche du pôle de rotation relatif.
Une fois cette position mémorisée, la seconde étape consiste à introduire le temps pour définir
une vitesse angulaire de rotation. Sans remplacer les exercices classiques permettant de comprendre
la notion d’accrétion océanique et de tapis roulant, les démarches proposées permettent de donner
une vision plus globale.
Deux pistes indépendantes et non obligatoires sont proposées.
En posant le postulat (par simplification) que la vitesse d’ouverture a été constante au cours du
temps, une feuille de calculs, associée à l’application, permet de transformer les vitesses linéaires
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actuelles d’écartement de deux stations GPS correctement choisies de part et d’autre de la dorsale
médio-atlantique en vitesse angulaire.
L’interrogation de la banque de données GPS times Series permet d’obtenir les données brutes à
traiter ou directement une vitesse linéaire d’écartement. Les formules prédéfinies transforment cette
vitesse linéaire en vitesse angulaire. On peut alors entrer cette valeur dans l’application pour la
mémoriser.
La deuxième méthode consiste à utiliser des limites sur le fond de l’océan qui sont parfaitement
datées.
On peut faire apparaître la carte de l’âge du fond de l’océan ou la carte des anomalies magnétiques.
Il n’a malheureusement pas été possible techniquement de faire disparaître la croûte océanique
par le centre à mesure de la fermeture lorsqu’on remonte le temps. La solution qui a été retenue a
été de choisir une limite datée, d’effectuer une rotation eulérienne des deux plaques pour faire correspondre les deux limites de même âge et de noter cet âge dans l’application. L’application calcule
alors la vitesse angulaire correspondant à cette période d’ouverture de l’océan.
Figure 8 : Choix de la limite oligocène -Éocène
Figure 9 : Le choix de cette limite est validé
Figure 10 : A l’aide du curseur , on effectue la rotation pour faire coïncider les deux limites
et on note l’âge de 23 Ma défini grâce à l’échelle des temps géologiques.
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Quatre calculs sont envisageables :
Figure 11 : Limite oligocène -Éocène à 23 Ma
Figure 12 : Limite Crétacé sup-Paléocène à 66Ma
Figure 13 : Limité Crétacé inf-Crétacé sup à 100Ma
Figure 14 : Fin du superchron 34 à 83 Ma
L’écran de synthèse permet de présenter tous les résultats obtenus et de les comparer aux valeurs
estimées par le monde scientifique.
On obtient ainsi la position du pôle de rotation défini par l’utilisateur, la position du pôle de rotation actuel ainsi que la position d’un pôle virtuel résultant, tenant compte du fait qu’il n’y a pas eu
un mais plusieurs pôles de rotation .
Le tableau de droite récapitule les vitesses de rotation définies grâce aux diverses méthodes et les
compare aux valeurs scientifiques.
Intérêts pédagogiques de ces applications.
La stratégie de création de ressources de l’équipe ACCES a toujours été de rester au plus proche
des données scientifiques en évitant les documents interprétatifs de seconde main qui sont si souvent utilisées avec nos élèves.
Les données de l’application « dérive des continents » n’ont pas été simplifiées dans un but pédagogique. La couche des âges des formations géologiques est ainsi beaucoup plus complexe que
celle que l’on trouve dans les documents traitant des arguments de Wegener . Cela pousse
l’utilisateur à un travail de réflexion et d’analyse réelle de l’image ce qui est très différent du document classique de nos livres dont l’interprétation saute aux yeux sans aucune analyse.
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Il en est de même pour les positions des fossiles du Permo-Trias qui correspondent à des positions géo-référencées tirée de la « Paléobiology database ». La présence de fossiles à une localisation
qui n’est pas en accord avec l’interprétation générale (Lystrosaurus ou Glossoperis sur le continent
eurasien).
Ainsi l’utilisation de l’application ne correspond pas simplement à l’illustration d’un concept
que le professeur doit transmettre mais correspond à une démarche de réflexion ou le concept se
construit progressivement à la suite d’interrogations. La confrontation des arguments pour et des
arguments contre permet à l’utilisateur de construire un compromis cohérent qui correspond à la
notion de théorie scientifique. Les documents papier, trop synthétiques ne permettent que rarement
ce travail.
Cela concerne essentiellement l’aspect interactif de l’application. La vision du globe en 3D et la
possibilité de déplacer un continent fait immédiatement surgir plusieurs interrogations scientifiques.
•La notion de mouvement relatif : Est ce Amérique du sud qui se déplace ou est ce l’Afrique ? ou
les deux ?
•La notion de latitude et de climat : Si les continents ont changé de latitude, les zones climatiques du passé ont dû être différentes de ce que nous connaissons aujourd’hui.
•La notion d’accrétion/subduction : Même si les termes ne sont pas utilisés à ce moment du programme, la vision du globe montre que si deux continents s’éloignent d’un côté , cela signifie qu’il
se rapprochent de l’autre côté.
L’utilisation de cette application ne sert pas uniquement à illustrer une connaissance exigible du
programme officiel mais permet de réfléchir à la construction théorique et d’entrevoir les implications de cette théorie. Il s’agit donc d’un modèle scientifique perfectible mais riche d’enseignement.
Ainsi, la deuxième application , s’appuyant sur le premier modèle, permet d’élaborer une nouvelle vision et beaucoup de nouvelles interrogations. C’est ainsi que l’on juge de la richesse d’un
modèle.
Le positionnement du pôle de rotation établi par rapport à la courbure des failles transformantes
amène lorsque l’on teste la fermeture à fermer l’atlantique sud aux faibles latitudes mais laisse un
espace important dans la partie la plus au sud. Cela amène à se questionner sur la validité de la méthode.
La recherche intuitive d’une meilleure position ou l’observation de la topographie des fonds
océaniques avec une bonne définition, par exemple sur Google Earth, permet d’observer que la position de ce pôle a changé au cours du temps. L’application utilise dans la synthèse la position résultante de ces différentes rotations eulériennes au cours du temps. Les déplacements des continents
ne sont plus libres et indépendants comme dans l’application « dérive des continents » mais contraints par le pôle de rotation eulérien. L’explication de cette contrainte s’explique par le mécanisme
d’accrétion océanique.
L’introduction du temps vient alors apporter des arguments dans ce sens. L’utilisation des données GPS permet de définir la vitesse angulaire de rotation actuelle. En remontant le temps, on estime l’âge d’ouverture de l’océan atlantique Sud.
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La comparaison des vitesses estimées à partir des divers repères temporels montre la difficulté à
obtenir une « vérité » scientifique. L’âge d’ouverture de l’océan atlantique sud varie selon la méthode entre 96 Ma et 139 Ma alors que l’âge communément admis par la communauté scientifique
est de 130 Ma. Comprendre cette dispersion des résultats, proposer des explications, analyser les
imperfections du modèle proposé présente autant d’intérêt si ce n’est plus , que la simple recherche
de la valeur de l’âge d’ouverture.
Cette application permet ainsi de montrer toute la portée d’un modèle scientifique.
Enfin, ces applications ont été présentées à Formaterre 2014 à Lyon en novembre puis lors des
journées académique de formations à Orléans en avril.
Dans les deux situations, les démarches pédagogiques proposées ont été fortement appréciées
avec parfois beaucoup d’enthousiasme. Les applications sont également utilisées à l’université Lyon
1 auprès des étudiants de licence
Lors d’utilisation en classe de première, elles ont fortement intéressé des élèves plus accrochés
par l’enseignement de mathématique que des SVT.
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