Les sciences au cycle 3 connaissances, obstacles et démarches

Les sciences au cycle 3 connaissances, obstacles et démarches spécifiques Page 1
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
HOST – GIORDAN – Une didactique pour les sciences expérimentales, BELIN 1999
2
L’évolution des idées en physique, EINSTEIN et INFELD, Payot

Les sciences au cycle 3 connaissances, obstacles et démarches spécifiques Page 2
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.
Déstabilisation
Intériorisation

Les sciences au cycle 3 connaissances, obstacles et démarches spécifiques Page 3
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 Objectif obstacle Objectif visé
• 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)
• 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
• 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

Les sciences au cycle 3 connaissances, obstacles et démarches spécifiques Page 4
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.

Les sciences au cycle 3 connaissances, obstacles et démarches spécifiques Page 5
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 »)