Les sciences au cycle 3 connaissances, obstacles et démarches

Les sciences au cycle 3 connaissances, obstacles et
démarches spécifiques
Stage « enseigner les sciences au cycle 3 » IUFM Evreux décembre 2011 – Bernard DISSON
La circulaire « Une nouvelle ambition pour les sciences et les technologies à l'École » (mars 2011)
prévoit une « actualisation des connaissances scientifiques pour les professeurs qui n'ont pas de
formation universitaire dans ce domaine ».
Nous allons surtout nous attacher à parcourir les programmes pour voir ce que les élèves doivent
apprendre, ce qu’ils peuvent apprendre et comment ils acquièrent des connaissances en sciences.
Quelles connaissances scientifiques sont enseignées à l’école
élémentaire ?
Les programmes de 2008 commencent ainsi : « Les sciences expérimentales et les technologies ont
pour objectif de comprendre et de décrire le monde réel, celui de la nature et celui construit par
l’Homme, d’agir sur lui, et de maîtriser les changements induits par l’activité humaine. Leur étude
contribue à faire saisir aux élèves la distinction entre faits et hypothèses vérifiables d’une part,
opinions et croyances d’autre part. »
A l’école élémentaire on enseigne bien sûr des connaissances, capacités, mais on vise prioritairement
les attitudes :
Curiosité
Créativité
Confiance en soi
Pensée critique
Activité investigatrice
Ouverture aux autres
Prise de conscience et gestion du milieu social et naturel 1
Les sciences enseignées à l’école élémentaire sont des sciences qualitatives, des sciences sans
formule, qu’on oppose aux sciences quantitatives enseignées à partir du collège et qui font appel aux
formules mathématiques.
Exemple : Si on demande aux élèves de construire une guirlande électrique, on se contentera
d’observer que plus il y a d’ampoules moins elles brillent. La connaissance de la loi d’Ohm n’est pas
nécessaire à l’observation du phénomène.
Citons Einstein : « La plupart des idées fondamentales de la science sont essentiellement des idées
simples et peuvent en général être exprimées dans un langage que tout le monde comprend ... Aussi
longtemps que nous nous occupons seulement d’idées physiques fondamentales, nous pouvons nous
passer du langage mathématique ... »2
Retour sur la démarche d’investigation
La chaîne pédagogique OHERIC (Observation, Hypothèse, Expérience, Résultats, Interprétation,
Conclusion) Elaborée par André GIORDAN en 1976 a depuis été l’objet de critiques :
On a depuis proposé d’autres modèles de cheminement scientifique, qui accordent une place
essentielle aux données initiales (connaissances, croyances, représentations ...) et au caractère non
linéaire de cette chaîne pédagogique.
1
2
HOST – GIORDAN – Une didactique pour les sciences expérimentales, BELIN 1999
L’évolution des idées en physique, EINSTEIN et INFELD, Payot
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Nous allons porter notre attention sur la première étape de cette démarche : Quel traitement pour
ces données initiales lorsqu’elles forment un obstacle à une nouvelle connaissance scientifique ?
Faire sans, faire avec, faire contre ?
Faire sans c’est dispenser le savoir de manière transmissive qui ne permet pas de construire des
compétences scientifiques.
Il convient donc de faire avec (des connaissances pré requises facilitantes) ou faire contre des
représentations qui font obstacle à la compréhension du monde réel.
Obstacles et construction de situations didactiques (ASTOLFI &
PETERFALVI, 1993)
Les auteurs montrent comment partir d’un objectif obstacle pour aller vers un concept visé.
L’objectif obstacle est formé d’un réseau d’idées associées qui explique la résistance de l’obstacle.
On doit alors définir ce que l’obstacle empêche de comprendre et rechercher les conditions de
possibilité pour le franchissement de l’obstacle.
Intériorisation
Déstabilisation
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Un exemple : l’évaporation.
Les élèves ne pensent pas spontanément que l’évaporation de l’eau existe dans la nature. Ils ont une
conception de génération spontanée des nuages. La question de la gestion des eaux douces ne peut
être mise en débat (par exemple dans le cadre de l’EDD) si cet obstacle n’est pas franchi.
Réseau d’idées associées
• L’évaporation, c’est l’eau qui
bout
• Pour évaporer, il faut
chauffer l’eau jusqu’à
ébullition
• Il n’y a que l’eau chaude qui
s’évapore
• L’évaporation de l’eau c’est
sa disparition (ou sa
transformation en air)
Objectif obstacle
• L’évaporation de l’eau
« froide » en milieu naturel
• L’influence en dehors de la
chaleur d’autres facteurs
(agitation, courant d’air)
• La conservation de la
matière
• Le changement d’état liquide
vapeur
Objectif visé
• L’évaporation existe dans la
nature
• La vitesse de l’évaporation
est variable
• L’agitation, la surface, la
température influent sur la
vitesse de l’évaporation
• Le changement d’état : l’eau
ne disparaît pas, elle se
transforme. Elle réapparait
dans la phase de
condensation
Zoom sur « Le ciel et la terre »
Le mouvement de la terre et des planètes autour du soleil.
Les représentations du système solaire sont basées sur des conventions qui ne correspondent pas au
réel. Même si les objets du système solaire sont représentés de manière fidèle, les distances ne sont
pas proportionnelles et ne permettent pas de percevoir les immenses espaces de vide qui séparent
les différentes planètes. L’image mentale que l’on se fait du système solaire n’est pas une image qui
se rapproche du réel, mais « l’image d’une image ».
Dessin d’un élève de cycle 3
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Quelques représentations dans trouvées dans les livres
Ce que verrait un observateur « sorti » du système solaire.
Quelques pistes pour favoriser une perception du système solaire.
1) Rotation, révolution, jour/nuit, les saisons
L’observation ne permet pas de comprendre
- que la terre tourne sur elle-même,
- qu’elle tourne autour du soleil,
- qu’elle est inclinée sur son axe,
ce qui explique l’alternance jour / nuit et les saisons.
On peut choisir l’angle de l’histoire de l’astronomie pour montrer l’évolution des représentations de
l’univers au cours des siècles. Les connaissances actuelles sur le système solaire sont le fruit d’un
cheminement de plusieurs siècles où les approches du monde réel ont parfois subit des régressions.
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Les connaissances sont nées d’observations directes, puis d’utilisation d’objets technique, et de
calculs prédictifs.
Représentation artistique du modèle
géocentrique d'après Ptolémée.
Le système héliocentrique
Une preuve de l’expansion de
l’univers …
2) L’univers c’est essentiellement du vide
Un exemple de défi : représenter le rapport entre la taille du soleil, de la terre, de la lune et les
distances réelles : Réaliser une maquette avec la même échelle taille des planètes/distances au
Soleil.
Représentation de la terre, du soleil à l'échelle 1/1 000 000 000
diamètre de la terre
12 742 km
1,2742 cm
diamètre du soleil
1 392 000 km
139,2 cm
Distance terre soleil
159 000 000 km
15900 cm
On devra donc construire une maquette de la terre de 1,2 cm (une bille), un soleil de 1,39 m, et un
terrain de 139 m !
3) Modéliser la gravitation : technique du trampoline.
Une boule de Bowling est placée au centre d'un trampoline. Le trampoline va se creuser sous l'effet
du poids de la boule. De ce fait, si on lance une bille pour qu'elle passe à proximité, celle-ci va être
déviée par la courbure du creux (on parle de puits gravitationnel). Si la vitesse n'est pas suffisante
pour sortir du creux, la petite bille va finir par "s'écraser" sur la boule et par y rester collée. Tout se
passe, pour un observateur extérieur, comme si la boule de bowling avait attiré la petite bille, alors
qu'en fait la petite bille n'a fait que suivre la courbure de la toile. En faisant varier la vitesse de la bille
on la verra
- tomber sur la boule (« météorite »)
- décrire une orbite (« satellite »)
- s’approcher de la boule puis échapper à son attraction. (« astéroïde »)
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4) Autre défi : Comment récolter un peu de matière (extra – terrestre) du système
solaire ? Technique de la bassine.
Les recherches des élèves leur permettront de savoir ce que sont les étoiles filantes, que des
micrométéorites tombent en permanence sur la terre et que celles-ci sont contiennent très souvent
du fer.
Pour récolter ces poussières de météorites, il suffit de laisser dehors une bassine plusieurs jours. Les
micrométéorites se déposeront avec la pluie. On filtre l’eau, on laisse sécher le filtre et on récupère
la poussière de météorites avec un aimant.
4) Des logiciels pour modéliser l’espace
Après les activités précédentes qui ont permis aux élèves de se confronter au réel, on peut utiliser
des outils gratuits, téléchargeables qui permettent d’observer un ciel virtuel, très réaliste :
Un observatoire virtuel : Stellarium http://www.stellarium.org/fr/
Un vaisseau spatial : Celestia http://celestia.fr/
On peut par exemple visualiser un éclipse de lune avant ou après l’avoir observée en direct.
Les 8 domaines de programme de sciences et technologie à l’école
Les fiches qui suivent reprennent pour les 8 domaines des programmes les principales sources
d’obstacles qui peuvent apparaître chez les élèves et quelques principes qui peuvent faciliter leur
franchissement.
Ces fiches s’inspirent en partie du document « Fiches connaissances – CNDP 2002 », et de la
documentation de « La main à la pâte »
Ces documents sont conçus pour être complétés, amendés, modifiés au gré des observations et des
projets menés par les enseignants dans leur classe.
Liste des fiches :
1 – Le ciel et la terre
2 – La matière
3 – L’énergie
4 – L’unité et la diversité du vivant
5 – Le fonctionnement du vivant
6 – Le fonctionnement du corps humain et la santé
7 – Les êtres vivants dans leur environnement
8 – Objets techniques
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Fiche 1 : Le
ciel et la Terre
Programmes
Le mouvement de
la Terre (et des
planètes) autour
du Soleil, la
rotation de la Terre
sur elle-même ; la
durée du jour et
son changement
au cours des
saisons.
Difficultés provenant
des liens avec le
vocabulaire courant
Difficultés provenant
des idées préalables
des élèves
Objectif obstacle
(ce que l’obstacle
empêche de
comprendre)
Concept visé
(conditions de
possibilité pour le
franchissement de
l’obstacle)
Le soleil « se lève », « se
couche »
Le jour
La hauteur du soleil
Nom des planètes et
astrologie
Satellite = construit par
l’homme
Durée du jour = durée
d’ensoleillement
Représentation
géocentrique
Confusion rotation
révolution
Saisons éloignement
terre soleil
Proportionnalité entre
objets (étoiles planètes)et
distances
Orbite pesanteur et
gravitation (pourquoi le
soleil et les planètes ne
tombent pas ?)
Phase de la lune = ombre
de la terre
Privilégier d’abord
l’observation directe,
avant de recourir aux
modélisations.
Programmer des
observations sur l’année ;
Réaliser des maquettes en
respectant les échelles.
Simuler la gravitation.
Lumière = électricité
Ombre / ombre portée
Présence de lumière sans
source.
Ombre et lumière = objets
matériels
Distinguer lumière émise
et lumière diffusée.
Utiliser une source de
lumière de petite taille.
Distinguer dans les
schémas les objets réels
des représentations du
trajet invisible de la
lumière.
Le mouvement de
la Lune autour de
la Terre.
Lumières et
ombres.
Volcans et séismes,
les risques pour les
sociétés humaines.
Représentation de la
partie superficielle et
stéréotypée d’un volcan
Méconnaissance du
caractère permanent de
l’activité de la terre.
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Fiche 2 : La matière
Programmes
Difficultés provenant
des liens avec le
vocabulaire courant
Difficultés provenant
des idées préalables
des élèves
Objectif obstacle
(ce que l’obstacle
empêche de
comprendre)
Concept visé
(conditions de
possibilité pour le
franchissement de
l’obstacle)
L’eau : une
ressource
- états et
changements
d’état ;
- le trajet de l’eau
dans la nature ;
- le maintien de
sa qualité pour
ses utilisations.
Solide souvent opposé à
fragile, mou.
Gaz = combustible
Vapeur = nuage blanc
(condensation)
Difficultés liées à l’idée
de conservation et à
l’existence de quelque
chose d’invisible.
L’eau en s’évaporant se
transforme en air
Ebullition = bulles d’air
Expériences distinctes sur
l’ébullition et
l’évaporation.
Observation directe puis
modélisation.
L’air et les
pollutions de
l’air.
Le langage courant
renforce l’idée de non
matérialité de l’air.
Mélanges et
solutions.
Confusion dissoudre et
fondre
Confusion entre
mélange et l’action de
mélanger.
L’air existe mais n’a pas
acquis le statut de
matière.
L’air est plutôt perçu
comme contenant
(atmosphère dans
laquelle on déverse des
substances) que
contenant
Perception difficile de la
conservation de la
matière : le sucre ou le
sel disparaissent dans
l’eau.
Confusion entre eau
limpide, pure, propre,
potable.
Situations simples de
mélanges hétérogènes,
décantation filtration.
Solutions de sucre ou de
sel. Conservation de la
masse, récupération du
produit dissous par
évaporation.
Les déchets :
réduire,
réutiliser,
recycler.
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Fiche 3 : L’énergie
Programmes
Difficultés provenant
des liens avec le
vocabulaire courant
Difficultés provenant
des idées préalables
des élèves
Objectif obstacle
(ce que l’obstacle
empêche de
comprendre)
Exemples simples
de sources
d’énergies
(fossiles ou
renouvelables).
Besoins en
énergie,
consommation et
économie
d’énergie.
Energie =
comportement humain,
force et rapidité.
Difficulté à concevoir
des transferts d’énergie
avec des effets faibles
(ex. mouvement d’une
montre)
Difficulté à distinguer
- Source
d’énergie
- Transfert
d’énergie
- Stockage
- Effets
(mouvement,
chaleur,
lumière ...)
et à concevoir des
investigations ciblées
Concept visé
(conditions de
possibilité pour le
franchissement de
l’obstacle)
Simplifier la définition de
la notion. Ex : « la vitesse
du vent met en
mouvement une hélice ».
Proposer des défis
expérimentaux ex :
soulever un objet avec le
vent.
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Fiche 4 : L’unité
et la diversité du vivant
Programmes
Difficultés provenant
des liens avec le
vocabulaire courant
Difficultés provenant
des idées préalables
des élèves
Objectif obstacle
(ce que l’obstacle
empêche de
comprendre)
Présentation de
la biodiversité :
recherche de
différences entre
espèces vivantes.
Le vocabulaire courant
ne favorise pas toujours
la notion d’espèce .
(confusion entre espèce
et race)
Les élèves perçoivent
mieux les différences
que les ressemblances.
Connaissances sur la
classification
fragmentées et non
hiérarchisées.
Erreurs dues à des
ruptures
morphologiques au
cours de leur
développement
Présentation de
l’unité du vivant :
recherche de
points communs
entre espèces
vivantes.
Concept visé
(conditions de
possibilité pour le
franchissement de
l’obstacle)
Nécessité de développer
des capacités pour
observer et classer.
Voir les interventions de JM. LE CHANONY :
« Observer ça s’apprend »,
« La classification des êtres
vivants ».
Présentation de
la classification
du vivant :
interprétation de
ressemblances et
différences en
termes de
parenté.
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Fiche 5 : Le
fonctionnement du vivant
Programmes
Difficultés provenant
des liens avec le
vocabulaire courant
Difficultés provenant
des idées préalables
des élèves
Objectif obstacle
(ce que l’obstacle
empêche de
comprendre)
Les stades du
développement
d’un être vivant
(végétal ou
animal).
Confusion entre cycle de
vie et cycle saisonnier.
La mort est souvent
présentée comme un
accident de parcours et
non le terme inéluctable
de l’existence d’un être
vivant.
Termes correspondant à
des concepts à
construire : être vivant,
organisme, végétal ...
Persistance de la
confusion vivant = en
mouvement.
Les élèves sont plus
sensibles aux histoires
individuelles des êtres
vivants qu’aux étapes
des cycles de vie.
Confusion œuf / ovule
(œuf de poule).
La fleur est perçue
comme un élément
décoratif.
Forte charge
d’affectivité en ce qui
concerne les animaux.
Chez les animaux, le
rôle du mâle est
souvent omis.
La reproduction sexuée
des plantes à fleurs est
difficilement perçue
Les conditions de
développement
des végétaux et
des animaux.
Les modes de
reproduction des
êtres vivants.
Pas toujours de relation
entre fonction et
support anatomique
(ex : poumon
/respiration)
Concept visé
(conditions de
possibilité pour le
franchissement de
l’obstacle)
Privilégier l’observation
directe (petits élevages,
cultures ...)
Tenir compte du facteur
temps.
Introduire les étapes non
repérables par la
documentation.
Les expérimentations
doivent être motivées par
un problème clairement
posé.
Plusieurs observations
sont nécessaires pour tirer
une conclusion.
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Fiche 6 : Le
fonctionnement du corps humain et la santé
Programmes
Difficultés provenant
des liens avec le
vocabulaire courant
Les mouvements
corporels (les
muscles, les os
du squelette, les
articulations).
Première
approche des
fonctions de
nutrition :
digestion,
respiration et
circulation
sanguine.
Reproduction de
l’Homme et
éducation à la
sexualité.
Confusions fréquentes :
Nutrition et
alimentation,
Respiration et souffle,
Vaisseaux sanguins et
veines
Perturbations liées aux
expressions autour du
mot cœur.
Difficultés provenant
des idées préalables
des élèves
Objectif obstacle
(ce que l’obstacle
empêche de
comprendre)
Concept visé
(conditions de
possibilité pour le
franchissement de
l’obstacle)
Les élèves pensent
souvent que le
squelette est mobile par
lui-même comme dans
les dessins animés.
Représentations
stéréotypées des os,
difficulté à représenter
les muscles et leurs
attaches qui
permettraient les
mouvements.
Idée du fonctionnement
de l’intérieur du corps
comme un sac clos.
Le rôle actif des muscles
respiratoires n’est pas
perçu.
L’idée de circulation
sanguine n’est pas
toujours perçue.
Forte charge affective
De nombreux élèves
pensent que la « petite
graine » donnée par le
papa contient un bébé
en miniature que la
mère va se contenter de
faire grossir pendant la
grossesse.
L’emploi de maquettes
suppose une comparaison
critique avec la réalité
observée lors du
mouvement. Eviter les
élastiques pour
représenter les muscles
qui fonctionnent en
contraction et non en
allongement.
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Fiche 6 : Le
fonctionnement du corps humain et la santé (suite)
Programmes
Difficultés provenant
des liens avec le
vocabulaire courant
Difficultés provenant
des idées préalables
des élèves
Objectif obstacle
(ce que l’obstacle
empêche de
comprendre)
Concept visé
(conditions de
possibilité pour le
franchissement de
l’obstacle)
Hygiène et santé
: actions
bénéfiques ou
nocives de nos
comportements,
notamment dans
le domaine du
sport, de
l’alimentation, du
sommeil.
Pour les élèves, le terme
santé est souvent un
état bien défini et en
partie figé.
Au départ les enfants
pensent que la santé est
un acquis qui ne peut
être remis en cause par
des faits, des actions
dont ils ne sont pas
responsables.
La définition de la santé
donnée par l’OMS est ici
précieuse : la santé, c’est
l’état de bien-être physique,
mental et social. Les
agressions physiques et
mentales sont inévitables.
Les buts de l’éducation sont
de fortifier la capacité de
faire face à ces agressions.
Tout en mentionnant les
risques,
les maladies et les
dysfonctionnements, il est
important de privilégier une
approche résolument
positive de la santé en
insistant, non pas sur l’état
de bonne santé, démarche
qui pourrait exclure certains
enfants, mais bien sur la
notion de capital santé
individuel, capital que
chacun peut et doit
apprendre à préserver.
Favoriser les échanges avec
des professionnels de santé,
les parents, etc.
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Fiche 7: Les êtres
Programmes
L’adaptation des
êtres vivants aux
conditions du
milieu.
Places et rôles
des êtres vivants
; notions de
chaînes et de
réseaux
alimentaires.
L’évolution d’un
environnement
géré par
l’Homme : la
forêt ;
importance de la
biodiversité.
vivants dans leur environnement
Difficultés provenant
des liens avec le
vocabulaire courant
Milieu ne signifie pas
ici centre.
Difficultés provenant
des idées préalables
des élèves
Objectif obstacle
(ce que l’obstacle
empêche de
comprendre)
Les élèves pensent
que les êtres vivants
d’un milieu sont
indépendants les uns
des autres. Ils
n’imaginent pas que
la compétition entre
les végétaux soit
possible. Ils
n’acceptent pas
spontanément que les
animaux se mangent
entre eux.
Concept visé
(conditions de
possibilité pour le
franchissement de
l’obstacle)
Ne pas présenter des
chaînes alimentaires en
s’appuyant
sur le sens de la prédation :
le lapin mange
l’herbe. Il faut indiquer le
sens de circulation de la
matière : l’herbe est mangée
par le lapin.
Voir les ressources EDD :
http://edd27.ac-rouen.fr
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Fiche 8 : Objets
Programmes
techniques
Difficultés provenant
des liens avec le
vocabulaire courant
Difficultés provenant
des idées préalables
des élèves
Objectif obstacle
(ce que l’obstacle
empêche de
comprendre)
Circuits
électriques
alimentés par des
piles.
Règles de
sécurité, dangers
de l’électricité. 3
Polysémie des mots :
courant, conducteur...
Fermer la lumière =
ouvrir le circuit !
Leviers et
balances,
équilibres.
Le vocabulaire courant
confond poids et masse,
mais il n’est pas utile
d’aborder cette
distinction à l’école
primaire. Il suscite de
nombreuses confusions
entre force, effort,
poids, et parfois même
vitesse, mouvement.
Ces notions sont trop
complexes pour être
définies ou même
abordées à l’école
primaire.
Les objets et les
installations qui utilisent
une source d’énergie
électrique ne se prêtent
pas à la notion de circuit
et de circulation du
courant.
Les élèves associent la
propriété de conducteur
à l’objet et non à la
substance.
Les efforts, les forces
sont pour les élèves
exercés par les muscles
et produisent de la
fatigue. Le fait qu’un
objet inerte puisse
exercer une force sur un
autre objet nécessite
une transposition
difficile.
Objets
mécaniques,
transmission de
mouvements.
Concept visé
(conditions de
possibilité pour le
franchissement de
l’obstacle)
Réaliser des expériences
avec des montages
comportant des contacts
électriques fiables.
Retrouver et représenter
la présence d’un circuit
électrique sur des
appareils simples.
l’école primaire, on se
limite à l’étude de
dispositifs (réels, fabriqués
ou simulés) dans lesquels
l’équilibre est obtenu avec
un fléau horizontal :
balançoire horizontale,
balance romaine, flèche
d’une grue, «mobiles »
construits par les élèves.
Les mécanismes n’ont pas
à être étudiés pour euxmêmes. Leur utilité doit
être justifiée par leur
emploi dans des dispositifs
réels. Il est indispensable
d’opérer avec du bon
matériel ou de bons
matériaux.
3
Attention
Il faut attirer l’attention des élèves sur le fait que l’on ne doit pas refaire à la maison, avec les prises
de courant, les expériences faites en classe avec des piles. Attention également aux courts circuits
prolongés des piles.
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