Place des modélisations en SVT

La place des modélisations dans l’enseignement des
SVT
1. Modèle, modélisation et simulation
2. La place de la modélisation dans l’activité scientifique
3. Place des modèles dans l’enseignement des sciences de la Terre
1. Modèle, modélisation et simulation
1.1 Modèle
Le modèle est une représentation.
Il peut se rapporter à un objet ; il est alors de même forme, souvent de taille plus réduite. On
parle de maquette ou de modèle réduit. Dans le domaine scientifique, il est une
représentation simplifiée, souvent formalisée d’un processus, d’un système (source : le
Robert). Son objectif est alors descriptif, explicatif ou prédictif.
Il peut aussi être un système physique, mathématique ou logique représentant les structures
essentielles d’une réalité et capable à son niveau d’en expliquer ou d’en reproduire
dynamiquement le fonctionnement (source : Trésor de la langue française).
Le modèle est réducteur.
Volontairement ou non (par ignorance de tous ses paramètres), il réduit la complexité du
réel afin de le comprendre ou le faire comprendre. Il est différent de la réalité (donc faux ?).
Construit autour d’hypothèses, il doit être testé par confrontation au réel (les objets,
l’expérience, le terrain). C’est cette validation qui lui permet d’acquérir une dimension
prospective.
Le modèle est un outil.
Très pragmatiquement, l'intérêt d'un modèle réside dans sa capacité à apporter une réponse
"satisfaisante" aux questions que l'on se pose à propos d’un objet réel et qui a donné lieu à
la confection du modèle. Ainsi la conception et la construction du modèle sont précédées de
la définition de l’objectif qu’on s’assigne. Il y a donc une infinité de modèles possibles d’un
objet : chacun a « sa ressemblance » avec l’objet mais c’est à l’un ou à l’autre qu’on
accordera la préférence.
Dans le domaine scientifique, un modèle est donc une construction matérielle ou
abstraite "ressemblant" à l'objet modélisé, selon un certain nombre de
caractéristiques pertinentes au regard des données disponibles et de l'objectif
poursuivi.
Un modèle peut être, à propos d’un phénomène, la représentation qu’on s’en fait au regard
des connaissances et des moyens d’investigation dont on dispose. « L’exemple de la
tectonique des plaques donne l’occasion de comprendre la notion de modèle scientifique et
son mode d’élaboration. Il s’agit d’une construction intellectuelle hypothétique et modifiable.
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Au cours du temps, la communauté scientifique l’affine et le précise en le confrontant en
permanence au réel. Il a une valeur prédictive et c’est souvent l’une de ces prédictions qui
conduit à la recherche d’un fait nouveau qui, suivant qu’il est ou non découvert, conduit à
étayer ou modifier le modèle. La solidité du modèle est peu à peu acquise par l’accumulation
d’observations en accord avec lui. Les progrès techniques accompagnent le
perfectionnement du modèle tout autant que les débats et controverses. » (programme 2010
de la classe de première scientifique).
Le modèle est aussi une représentation d’un phénomène, réduite à dessein. Ainsi, le modèle
de la tectonique des plaques ou de la structure de la terre est volontairement simplifié
lorsqu’on le présente en classe de quatrième.
Le modèle peut être analogique.
C’est alors un modèle physique (maquette, schéma ou toute autre représentation). La
notion d'analogie est d'abord géométrique (ressemblance avec l’objet étudié) mais elle
repose également sur de solides bases scientifiques, par exemple les propriétés des
matériaux utilisés (ainsi la modélisation en géologie des phénomènes de plis ou de cassures
implique l’utilisation de matériaux qui répondent à des critères précis de granulosité, de
propriété rhéologiques, etc. .)
Le modèle analogique a souvent une fonction explicative ("ça marche comme") mais peut
aussi avoir une fonction prédictive ("si ça marche comme ... alors, si je fais ceci, je devrais
obtenir cela"). Le test de la fonction prédictive va permettre d'explorer les limites de validité
du modèle, voire de lui substituer progressivement un modèle original plus performant.
Le modèle peut être numérique.
Il est alors mathématique s'appuyant sur des équations phénoménologiques (modèles à
base physique) ou sur des schémas de fonctionnement (modèles conceptuels) ou
probabiliste (stochastique).
1.2 Modélisation
C’est l’opération de construction d’un modèle. L’élaboration d’un modèle est motivée par un
ensemble de questions auxquelles ce modèle doit contribuer à répondre. Elle se traduit par
un choix, celui des variables que le concepteur jugera importantes.
1.3 Simulation
«méthode technique permettant de produire de manière explicite un processus quelconque.
(source : Le Robert 1995).
C’est la mise en oeuvre dynamique d’un modèle. Elle peut être « manipulatoire » (modèle
analogique) ou informatique (modèle numérique).
Le modèle est donc un outil de description. Sa construction (ou modélisation) est une
technique expérimentale qui simplifie l’observation du réel. Elle est aussi une méthode
d’exploration d’hypothèses concurrentes. Ces trois caractéristiques appartiennent à l’activité
scientifique.
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2. La place de la modélisation dans l’activité scientifique
2.1 On modélise et on simule pour représenter et pour comprendre
La modélisation n’est pas une activité qui vise à reproduire du réel. C’est l’élaboration d’un
outil possédant une efficacité descriptive mais aussi explicative. Lorsque le modèle
théorique est validé et les situations simulées connues, l’intérêt de la simulation est de
permettre à ceux qui la réalisent (les acteurs qui agissent sur les facteurs contrôlables du
modèle) de se familiariser avec la réalité qu’elle représente, donc d’acquérir des
connaissances.
2.2 On modélise et on simule pour regarder vers le futur
Dès lors que le modèle est validé, il acquiert une dimension prédictive. On peut donc l’utiliser
pour l’anticipation et l’aide à la décision.
Construction du
modèle
(modélisation)
Construit
Mise en œuvre
(simulation)
Dynamique
Modification
(révision)
Provisoire
Modèle
(analogique,
numérique)
Représenter
Comprendre
Prévoir
Le modèle en Sciences
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3. Place des modèles dans l’enseignement des sciences de la Terre
3.1 Les modèles, la modélisation et la simulation dans les programmes
Au collège :
(Dans la présentation qui suit les citations en caractères droits sont extraites du texte des programmes, celles en
italique sont extraites du document de référence « ressources pour la classe ».)
L’allusion à l’utilisation de modèles n’apparaît dans les programmes du collège qu’au niveau
de la classe de quatrième. Néanmoins, dès la sixième, il est fait allusion à l’établissement de
schémas relationnels ou de schémas bilans (lesquels peuvent être considérés comme un
premier niveau de modélisation).
Dans le cadre d’une progressivité de la formation aux méthodes, la classe de Quatrième est
pointée comme « l’occasion également d’entreprendre les apprentissages liés à l’élaboration
de modèles simples et d’exercer la capacité de synthèse qui se développe progressivement
chez l’élève de cet âge ». La déclinaison des capacités en situation d’apprentissage indique :
participer à la conception et la mise en œuvre d’une maquette modélisant le
transport et le dépôt des particules (Des maquettes ou modèles analogiques peuvent
être utilisés pour aider à la compréhension de certains phénomènes géologiques, par
exemple un transport avec granoclassement. Ces modèles et maquettes (souvent
très éloignés de la réalité par la durée du phénomène, l’échelle, l’inclinaison d’une
pente, la pression exercée) ne devront pas être utilisés indépendamment de la
discussion sur les limites et les analogies.
percevoir la différence entre réalité et simulation (modélisation) afin de réfléchir à la
validité d’une maquette.
participer à la conception et la mise en œuvre d’un protocole pour modéliser un
séisme et le trajet des ondes sismiques dans la Terre.
percevoir la différence entre réalité et simulation (modélisation) afin de réfléchir à la
validité du modèle de propagation des ondes.
Ainsi est systématiquement associé à l’utilisation d’un modèle la réflexion sur ses limites et
sa validité.
Le recours au modèle prend sa place dans la diversification pédagogique.
« La construction des notions du programme se prête à l’utilisation de supports très divers,
biologiques et géologiques : le réel (toujours à privilégier) et des outils permettant de
l’observer, des DVD, des photographies, de l’EXAO, Internet, des logiciels, des maquettes,
des modèles… »
Elle est également un support pour un travail de groupe :
« A plusieurs reprises, la compréhension des phénomènes géologiques peut être favorisée
par l’utilisation et/ou la réalisation de maquettes simples rendue possible par un travail en
groupes » (classe de quatrième).
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« La manipulation de maquettes de chromosomes par des groupes différents, pour
comprendre leur possible répartition lors de la formation des cellules reproductrices, fait
surgir les différentes combinaisons possibles, et fait apparaître la diversité des gamètes ».
(classe de troisième).
Au lycée
Classe de Seconde :
La démarche d’investigation est réaffirmée comme celle qui s’impose avec une large palette
des méthodes et outils du scientifique :
« Des activités pratiques, envisageables pour chacun des items du programme,
seront mises en oeuvre chaque fois que possible. Le professeur s’assurera que les
élèves utilisent des méthodes et outils différenciés sur l’ensemble de l’année. Ainsi, il
est indispensable que chaque élève rencontre l’occasion d’aller sur le terrain, de
disséquer, de préparer et réaliser des observations microscopiques, d’expérimenter
avec l’aide d’un ordinateur, de modéliser, de pratiquer une recherche documentaire
en ligne, etc. »
L’approche de situations complexes réelles et son association avec le travail de terrain est
soulignée. Il est évident, même si elle n’est pas évoquée de cette façon, que l’exploitation
des informations recueillies pourra mettre en œuvre un appel aux modèles et à la
modélisation. Celle-ci fait d’ailleurs partie des capacités à mobiliser et à développer :
« Capacités et attitudes développées tout au long du programme : pratiquer une
démarche scientifique (observer, questionner, formuler une hypothèse, expérimenter,
raisonner avec rigueur, modéliser…..).
« Capacités et attitudes :
Extraire et exploiter des informations, si possible sur le terrain et/ou modéliser pour
comprendre les caractéristiques d’un gisement de combustible fossile (structure,
formation, découverte, exploitation).
Construire une argumentation (de nature manipulatoire1 et/ou documentaire) pour
montrer l’inégale répartition de la quantité d’énergie solaire reçue selon la latitude, et
ses conséquences.
Recenser, extraire et organiser des informations et/ou manipuler (dissections,
maquettes, etc.) pour comprendre le fonctionnement du système musculo-articulaire.
L’enseignement d’exploration « méthodes et pratiques scientifiques » repose, entre autres
choses, sur l’acquisition de connaissances et de compétences et l’initiation des élèves à la
démarche scientifique. L’utilisation de la modélisation et le recours à la simulation sont des
composantes riches de cette démarche.
Classe de Première S (programme 2011) :
« Le programme propose d’aborder la notion de modèle à travers l’exemple de la tectonique
des plaques ; il s’agit d’une approche historique qui prolonge, précise et argumente le
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1 Ne s’agit-il pas d’un modèle ?
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modèle étudié au collège. Elle donne l’occasion de comprendre la notion de modèle
scientifique et son mode d’élaboration. D’abord construction intellectuelle hypothétique, on
montre comment elle s’affine et se précise par confrontation au réel. Sa valeur prédictive
conduit à la recherche de faits nouveaux qui conduisent à étayer ou modifier le modèle. La
solidité du modèle est ainsi peu à peu acquise. »
Parmi les capacités et aptitudes à acquérir figurent la réalisation et l’exploitation de
modélisations :
Réaliser et exploiter des modélisations analogique et numérique pour établir un lien
entre propagation des ondes sismiques et structure du globe,
Concevoir une modélisation analogique et réaliser des mesures à l’aide de dispositifs
d’expérimentation assistée par ordinateur de propagation d’ondes à travers des
matériaux de nature pétrographique différente,
Concevoir une modélisation analogique et réaliser des mesures à l’aide de dispositifs
d’expérimentation assistée par ordinateur de propagation d’ondes à travers un même
matériau mais à des températures différentes pour comprendre la différence entre
lithosphère et asthénosphère.
Concevoir, réaliser et exploiter un modèle analogique (à propos de l’âge des
sédiments en contact avec le plancher océanique),
Réaliser des modélisations analogiques et numériques pour établir les liens entre
amincissement de la lithosphère, remontée, dépressurisation et fusion partielle de
l’asthénosphère sous-jacente et formation d’une nouvelle lithosphère,
Modéliser la circulation de fluides de densités différentes non miscibles dans des
roches perméables,
Concevoir une modélisation et suivre un protocole pour comprendre comment une
structure géologique associée à un recouvrement imperméable constitue un piège à
liquide.
Classes de Première L et ES (programme 2011) :
L’allusion aux modèles concerne plus particulièrement la partie « de l’œil au
cerveau » : décrire le modèle de l’œil réduit, modéliser l’accommodation du cristallin.
Classe de terminale S (programme 2001):
« Utilisation de logiciels établissant des arbres phylogénétiques. »
« Utilisation de logiciels de modélisation moléculaire montrant les anticorps et la
réaction antigène-anticorps. »
3.2 Les difficultés propres aux sciences de la Terre
Comme l’indiquent E. Sanchez, M. Prieur et D. Devallois dans leur rapport de recherche sur
l’enseignement des sciences de la Terre (INRP mai 2004), « les élèves éprouvent des
difficultés à se situer dans l’espace et le temps ». Les phénomènes étudiés portent sur des
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objets dont l’échelle dépasse l’expérience individuelle de l’élève qui ont des difficultés à
appréhender les trois dimensions. Les volumes sont le plus souvent représentés dans un
plan, la reconstruction de l’espace géologique nécessite donc d’être capable de passer du
plan au volume et inversement.
L’autre difficulté est celle du temps et plus particulièrement les rythmes différents qui
caractérisent les phénomènes géologiques étudiés : l’éruption volcanique ou le séisme
affectent des temps courts, la sédimentation ou les déformations d’origine extensive ou
compressive affectent des temps longs. Enfin ces phénomènes sont dans la plupart des cas
des déplacements (coulée de lave, mouvements tectoniques), c’est dire qu’ils font
simultanément référence à l’espace et au temps.
« Ainsi les objets et phénomènes géologiques partagent largement un caractère
d’inaccessibilité à l’élève » (E. Sanchez). Si l’objet peut être observé directement (travail de
terrain), l’étude des phénomènes conduit les enseignants à l’élaboration de maquettes
explicatives ou descriptives qui tentent de modéliser l’objet ou le phénomène étudié.
3.3 La place du modèle
Comme déjà évoqué, l’inaccessibilité des objets et phénomènes géologiques conduisent les
enseignants à articuler leur démarche autour de « maquettes ». Ce sont des objets
construits en fonction de leur ressemblance analogique avec les objets étudiés. Cette
démarche relève bien d’une démarche scientifique, le modèle trouvant sa place dans une
démarche d’investigation (voir « place et rôle des modèles en sciences de la Terre » Eric
Sanchez site Acces-INRP). Dans ce contexte, la manipulation a pour objectif d’obtenir des
résultats et d’installer de nouvelles connaissances. Elle est aussi un moyen de
motivation : « l’élève s’intéresse davantage et comprend mieux lorsqu’il est confronté au
concret qu’il peut toucher, et agir ». Ces modèles ont donc un rôle didactique doublé d’un
rôle pédagogique lié à la mise en activité de l’élève.
Les professeurs soulignent souvent la difficulté d’élaborer des modèles accessibles : « les
modélisations utilisées ne sont pas probantes, les manipulations sont du bidouillage »,
autrement dit les modèles sont qualifiés de peu rigoureux car « non représentatifs de la
réalité » (E Sanchez). Il est important de rappeler ici qu’un modèle n’est qu’une
représentation volontairement ou involontairement simplifiée. Cette simplification est
l’essence même de cette approche expérimentale puisque, en fonction de l’objectif
scientifique, seules certaines grandeurs sont paramétrées (Y Branquier). Mais
l’exploitation d’un modèle n’a de sens qu’assortie d’une critique du modèle et d’une
recherche de ses limites.
Il n’en demeure pas moins que le modèle utilisé doit présenter la meilleure adéquation
possible avec l’objet ou le phénomène étudié. L’élaboration de modèles « réalistes » est
difficile. Cela tient à la grandeur exceptionnelle des objets concernés, aux matériaux mis en
jeu, aux paramètres impliqués. Néanmoins l’objectif est bien de comprendre mais aussi
d’approcher une quantification (d’une déformation, d’un pendage, de la longueur d’une
coulée, de la forme d’un cône volcanique, etc.)
Ceci pose une double question : celle des matériaux qui vont représenter les matériaux
naturels, celle du dimensionnement des modèles réduits, c'est-à-dire de leur mise à l’échelle.
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Ainsi donc certains modèles utilisés dans l’enseignement ne sont pas pertinents. La
simplification qu’ils adoptent les rend scientifiquement douteux. Comment affiner les modèles
utilisés afin de repousser leurs limites et de les utiliser comme outils d’expérimentation ?
Sources et ressources
Pour la Science dossier « la modélisation informatique, exploration du réel » juillet
septembre 2006,
Les dossiers de l’ingénierie éducative « aborder les enjeux de l’environnement » n° 53
décembre 2005
Place et rôle des modèles dans l’enseignement des Sciences de la Terre ((Eric Sanchez,
Michèle Prieur INRP mai 2005)
http://acces.inrp.fr/acces/terre/didacgeo
L’enseignement des sciences de la Terre en seconde (» (Eric Sanchez, Michèle Prieur,
Daniel Devallois INRP Mai 2004)
http://acces.inrp.fr/acces/terre/equipes/didacgeo/publications/enquetepublications/
Le modèle analogique (B. Darley IUFM Grenoble)
http://www.ac-grenoble.fr/svt/SITE/prof/peda/TP/laser/modele.htm
Modèle analogique de point chaud (ac-Lyon)
http://www2.ac-lyon.fr/enseigne/biologie/ress/geologie/pointchaud/pointchaud.html
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