J`ai obtenu le CAPES de sciences physiques en juillet 2006, et je
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IUFM de Bourgogne Professeur certifié Intégrer l’histoire dans l’enseignement des sciences, par quels moyens et dans quels buts ? STAGIAIRE PLC2 SCIENCES PHYSIQUES MORLAT Romain Sciences Physiques 2006 MOREAU Michel 0367111J Préambule........................................................................................................................... - 3 Introduction ...................................................................................................................... - 4 I. Le désintérêt pour les sciences : tentative d’explication............................... - 6 II. Quels sont les objectifs nourris par un enseignement d’histoire des sciences ? ........................................................................................................................... - 7 1. Description des objectifs :................................................................................ - 7 2. Enseigner l’histoire des sciences, une idée nouvelle ?................................. - 8 a. Un petit détour par l’histoire de l’enseignement...................................... - 8 b. Les incitations dans les instructions officielles ....................................... - 8 3. Enseigner l’histoire des sciences : une approche de justification pédagogique ................................................................................................................. - 10 a. Rompre avec le sens commun : nous sommes tous des aristotéliciens.. - 10 b. Rompre avec l’apparente simplicité des principes physiques ............... - 12 c. Choix et méthodes ......................................................................................... - 12 d. Les enjeux au travers d’exemples .............................................................. - 13 e. Les objectifs connexes................................................................................. - 14 4. Intégrer l’histoire dans l’enseignement des sciences n’est pas le seul levier d’action.......................................................................................................................... - 16 III. Les essais réalisés en classe............................................................................ - 16 1. Présentation des travaux ................................................................................. - 16 2. La notion de référentiel en troisième ........................................................... - 17 a. Préparation de la séquence et document élève : voir annexe 1 ........... - 17 b. Analyse et déroulement effectif :............................................................. - 17 3. La découverte de la première pile électrique en cinquième ..................... - 19 a. Préparation de la séquence et document élève : voir annexe 2........... - 19 b. Déroulement effectif et analyse : ............................................................. - 19 IV. Bilan et perspectives.........................................................................................- 23 1. Du côté du prof ..................................................................................................- 23 2. Du côté des élèves .............................................................................................- 23 3. A l’avenir...............................................................................................................- 24 V. Annexes ....................................................................................................................- 26 Annexe 1 : préparation de la séquence menée en troisiéme ................................- 27 Annexe 2 Préparation de la séquence menée en cinquième..................................- 29 Annexe 3 : Documents élèves, troisième.................................................................. - 31 Annexe 4 : Documents élèves 5ème .............................................................................- 38 Annexe 5 : quelques productions d’élèves ................................................................ - 41 Bibliographie....................................................................................................................- 52 Résumé : ...........................................................................................................................- 53 Mots clés :........................................................................................................................- 53 - -2- Préambule J’ai obtenu le CAPES de sciences physiques en juillet 2005, et je suis actuellement professeur stagiaire au collège de Nuits Saint Georges. Ce collège compte durant l’année scolaire 2005/2006 environ 700 élèves, venus de 12 écoles primaires sur une trentaine de communes s’étendant assez largement de la plaine, à l’est, à l’arrière côte, à l’ouest. Ce collège était en 2003 le 6ème plus important du département en terme d’effectifs. A l’arrivée en 6ème, on remarque une forte hétérogénéité liée souvent à l’origine géographique des élèves. En effet, 30% des élèves peuplant le collège sont issus des écoles de Nuits Saint Georges, les autres venant de communes parfois fort éloignées où les écoles sont à faibles effectifs. Ce contraste est souvent cause de difficultés à l’entrée au collège, qui peuvent perdurer par la suite. Durant mon stage en responsabilité au collège Félix Tisserand, j’ai en charge 3 classes (deux cinquièmes et une troisième) et un groupe d’Itinéraires De Découvertes, ce qui porte mon volume horaire hebdomadaire à 7 heures. -3- Introduction L’enseignement est pour moi une découverte et constitue ma première expérience professionnelle. Quelques jours suffisent pour palper la difficulté de la tâche qui nous incombe, et l’ampleur du travail que cela occasionne. Respecter les instructions officielles et mener de la meilleure façon possible les diverses séquences de cours constituent l’étroit maillage de cette année. Mener et animer une séance devant un groupe d’élèves nécessite une préparation et une mise en scène dont l’équilibre est parfois délicat à trouver : entre essai, renouvellement, rien n’est sûr, et il en faut parfois peu pour rater une séance. Une entrée en classe un peu bruyante qui nécessite de hausser le ton et cela peut suffire à ne pas retrouver la sérénité nécessaire pour réussir le reste de la séance… L’année de stage en responsabilité permet fort heureusement de gagner en confiance et on le souhaite, en expérience d’un métier où on apprend chaque jour. Par la rédaction d’un mémoire professionnel, elle permet également d’avoir une réflexion sur différentes pratiques d’enseignement : à partir d’un problème rencontré en classe, quelles possibilités a-t-on pour le solutionner, que faudraitil essayer et mettre en pratique, et pour quel(s) résultat(s) ? Pour ma part, j’ai choisi de réaliser mon mémoire professionnel sur un sujet qui m’intéresse particulièrement : l’histoire des sciences. Ayant suivi lors de mon cursus universitaire un module d’histoire des sciences, je me suis aperçu grâce à l’enseignant qui dispensait cette formation que je pouvais jeter alors un regard nouveau sur les sciences physiques que j’avais apprises jusqu’alors… L’enseignant lui-même avait raconté l’anecdote suivante : « lorsque j’étais au lycée, je me souviens avoir eu des difficultés énormes à comprendre et appliquer le calcul intégral et la notion de dérivée. Je n’y comprenais rien, et le professeur d’alors me traitait de nul ! Quand plus tard, au fil de mon cursus universitaire, je me suis rendu compte que, des calculs des fluxions de Newton en passant par la querelle avec Leibniz, à la formalisation et la sémiologie actuelles s’était écoulée la durée de plusieurs vies humaines, j’ai été rassuré… » Louis de Broglie explique ce ressenti dans cet étonnant plaidoyer : -4- « Comme la méthode historique montre bien par quels chemins souvent tortueux l’esprit des hommes doit s’avancer pour parvenir à la vérité ! Comme, en ressuscitant des états de connaissances et des conceptions théoriques aujourd’hui dépassés elle nous fait sentir comment s’est formé notre science et sur quels substratum elle repose !... Comme tout individu, chaque science porte en elle les traces ineffaçables d’un long passé héréditaire. Et voilà une des raisons pour lesquelles l’histoire des sciences, en étudiant ces hérédités nous donne une meilleure compréhension de la valeur et des limites de notre savoir. L’histoire des sciences nous révèle aussi l’étroite solidarité qui lie les générations successives… Par la superposition et la convergence de leurs efforts, des générations de savants au prix d’erreurs, d’insuccès et de détours sans nombres sont parvenues à construire l’immense édifice de la science humaine. » Par rapport à un objectif d’enseignement précis dicté par les instructions officielles, la situation se présente ainsi : Intégrer l’histoire dans l’enseignement des sciences : par quels moyens et dans quels buts ? Dans un premier temps, une réflexion quant à la place de la science dans la société et les évolutions du système éducatif permettra de justifier le recours à l’histoire dans l’enseignement des sciences. Puis, on passera en revue les nombreux enjeux pédagogiques de cette introduction de l’histoire, même si la liste ne se prétend pas exhaustive. Il semble alors intéressant de rompre avec ce qui est d’usage dans les manuels scolaires, à savoir un recours à une étude documentaire en fin de séquence, le plus souvent une biographie de savant, ou le récit d’une expérience. L’objectif est de mettre l’aspect historique au cœur de la séquence d’enseignement en donnant un relief particulier aux difficultés rencontrées et à leurs dépassements par les savants de l’époque. -5- I. Le désintérêt pour les sciences : tentative d’explication La désaffection des bacheliers pour les filières scientifiques peut trouver son origine, entre autres, dans l’opinion globalement négative qu’a la société des sciences en général. Science ne rime plus avec progrès mais avec danger ou bien s’ouvre sur un vaste champ lexical dans lequel on retrouve pêle-mêle la bombe atomique et les produits cosmétiques à l’ADN. La dichotomie est simple ; la science est soit militaire donc dangereuse, soit elle nourrit des objectifs mercantiles, qui ne la rendent pas plus aimable pour autant. Ce premier paragraphe volontairement caricatural ne doit pas masquer une composante importante de la baisse d’effectifs des filières scientifiques : la menace dans les années 90 sur les perspectives d’emploi des diplômés scientifiques, rendant les difficultés d’apprentissage non compensées par une promesse d’avenir. Mais qu’est-ce que la science, et qu’est-ce qu’un enseignement des sciences à l’école doit faire transparaître ? La science peut être définie de multiples façons ; retenons en quatre : D’abord, la science est une démarche expérimentale rationnelle de découverte et d’explication du monde, démarche induite par la curiosité naturelle de l’homme pour son environnement. Deuxièmement, la science peut être vue comme une institution composée d’un ensemble de femmes et d’hommes avec leurs codes et leurs pratiques. Troisièmement, elle est aussi perçue comme un ensemble de connaissances et de résultats dont dispose l’humanité à un moment donné de son histoire. Enfin et c’est la partie la plus visible : les applications directes et l’aspect très technologique allant du stimulateur cardiaque au chien robot. On rejette la science car on rend responsable la démarche expérimentale d’explication rationnelle du monde (sens premier), d’avoir produit les pires inventions, comme la bombe atomique (sens quatrième). Les résultats changeants induits par la recherche scientifique et parfois les échecs face aux difficultés de résolution de problèmes actuels, comme la pollution, certaines maladies (sens -6- troisième) suffisent à jeter l’opprobre sur la communauté des chercheurs (sens second) qu’on accuse de manque d’efficacité, et sur la démarche expérimentale (sens premier) à laquelle on préfère parfois l’irrationnel. Ce terme, d’irrationnel auquel je fais référence mérite quelques précisions : dans toute tentative d’explication, il existe une zone de doute, où tests et réfutations s’opèrent. Le cardinal Poupard prétend que c’est dans cette zone que le scientifique doit laisser parler sa foi. De même, l’UIP (Université interdisciplinaire de Paris) prône la mort du matérialisme en réclamant la naissance d’une nouvelle science, plus spirituelle. L’Académie des sciences s’est aussi illustrée dans des rencontres organisées avec les membres de l’UIP. Cette dépréciation du rationalisme est aussi accentuée par la multiplication de pratiques obscurantistes (astrologie, sectes…) Enfin, confusion entre science et innovation technologique (sens quatrième), destinée à conserver un avantage compétitif dans une économie mondiale, conduit nécessairement à oublier la nécessaire durée à l’aboutissement d’une connaissance, opposée à l’impératif d’exclusivité propre à nos sociétés. Peut-être qu’au moins, présenter la science comme une grande aventure humaine avec ses nombreux écueils aura pour effet de démystifier le monde qui nous entoure en explicitant les relations étroites qui s’y nouent. II. Quels sont les objectifs nourris par un enseignement d’histoire des sciences ? 1. Description des objectifs : A ce stade, il est important de préciser que l’humilité enseignée par l’histoire des sciences peut nourrir plusieurs objectifs : 9 Une présentation de la science différente devant des futurs citoyens, à l’heure où celle-ci voit son image dégradée ; 9 Jean Rosmorduc, dans un article écrit pour l’observatoire des programmes du SNES décline l’utilité de l’histoire des sciences et des techniques en trois points : Utilité pour les sciences physiques elles-mêmes, Utilité pour l’acquisition d’une culture scientifique. -7- Enfin, utilité pour la formation du citoyen en l’incluant dans sa culture générale. 2. Enseigner l’histoire des sciences, une idée nouvelle ? a. Un petit détour par l’histoire de l’enseignement C’est après la massification de l’éducation des années 70 que sont apparues les difficultés liées à l’hétérogénéité des effectifs, et parfois aussi au désintérêt rampant pour certaines disciplines. Pour apporter des éléments de réponse à ces problèmes, est apparu durant la décennie 70 le terme de didactique, pédagogie intimement liée à une discipline particulière. Dans son ouvrage, Histoire de l’enseignement et de l’éducation depuis 1930, Antoine Prost date de la période charnière des années 70 la prise en compte des difficultés d’enseigner. L’élargissement du public scolaire a entraîné une modification des acquis culturels et donc un changement quant aux attentes de l’enseignement. Une enquête publiée en 1972 montre que 52 % des professeurs interrogés pensent que le courant passe mal entre leurs élèves et eux. 77 % pensent que leurs élèves « ne voient pas l’utilité de ce qu’on leur enseigne ». De son côté, les aspirations du public scolaire évoluent également entraînant un refus de la discipline autoritaire et de la pédagogie magistrale. Déjà en 1975, 74 % des jeunes étudiants souhaitaient des professeurs moins distants, 77,8 % des élèves de quatrième et de troisième désiraient choisir librement certaines matières chaque année. La partie suivante montrera toutefois l’antériorité de l’introduction de l’histoire dans l’enseignement des sciences par rapport aux constats évoqués cidessus. b. Les incitations dans les instructions officielles Danielle Fauque, dans un article publié dans le B.U.P., La dimension historique dans l’enseignement scientifique secondaire en France, est revenue sur les différentes incitations des programmes officiels motivant l’utilisation de l’histoire des sciences. Une dynamique internationale, mise en place il y a une trentaine d’années, a amené l’enseignement des sciences à la dimension historique. Ce désir d’ouverture culturel se retrouve au collège dans les nouveaux programmes de 1997 du cycle central : retracer l’histoire de la connaissance des états de la matière et étudier une documentation sur l’histoire du modèle moléculaire. -8- L’idée de l’enseignement de l’histoire des sciences est-elle nouvelle ? Date des changements 1941 : La réforme Carcopino 1953 : Conférence de Guy Lazergues 1965 : La réforme Fouchet 1978 : La réforme Laguarrigue Dans le détail… la réforme Carcopino propose d’exposer l’évolution historique des idées dans les classes littéraires. L’arrêté du 20 Juin 1947 indique pour les classes de mathématique : « les élèves ne doivent pas ignorer que la construction d’une science s’est accompagnée d’échecs et de tâtonnements ». Les élèves doivent de plus en plus être formés à des notions de physique moderne. Cependant, il est précisé lors d’une conférence : « il est bon de montrer aux élèves qui vont quitter le lycée comment la science a progressé au cours des siècles et comment nos connaissances se sont précisées. » A cette époque, Charles Brunold a beaucoup œuvré pour la méthode historique dans l’enseignement des sciences. Il prônait plus une méthode de la redécouverte. La réforme Fouchet de 1965 exclut toute référence à l’histoire des sciences en classe de seconde et de première littéraire et scientifique. Cette dimension réapparaît en 1966 dans l’étude de l’effet photoélectrique en classe de terminale scientifique. L’application progressive de la réforme Lagarrigue permet en section littéraire d’exploiter des expériences historiques ou de faire appel à l’histoire des sciences et des techniques de manière plus générale. Il apparaît que cette formule a connu un véritable succès - l’intérêt des élèves étant alors éveillé - si bien que l’enseignement des sciences en terminale littéraire redevient optionnel en 1983. Tableau 1 : l'histoire des sciences au fil des réformes L’introduction dans l’enseignement des sciences de l’histoire des idées scientifiques n’est donc pas nouvelle. Cependant, même si elle a beaucoup été encouragée dans les années 1950, elle a été complètement abandonnée dans les filières scientifiques à partir de la réforme Fouchet. La volonté de former des -9- scientifiques modernes, continue d’expliquer Danielle Fauque, contribue à faire l’ellipse de l’histoire. A l’heure actuelle, il est explicitement rappelé dans les programmes officiels des trois niveaux de collège : faire appel autant que possible à la dimension historique de l’évolution des idées. 3. Enseigner l’histoire des sciences : une approche de justification pédagogique Pour introduire ce paragraphe, je cite ici quelques unes des idées exposées par Gérard Chazal. Ces idées permettent de présenter comme logique les quelques enjeux développés après. Enseigner les mathématiques, les sciences naturelles ou les sciences physiques ne laisse que peu de place au débat en classe. Les élèves savent qu’on ne leur transmet pas quelque chose qui n’est pas certain. Si, en cours de physique, un professeur décrit la distance parcourue par un objet dans le cas 1 2 gt , l’élève pourra en d’une chute libre sans vitesse initiale comme étant 2 demander la démonstration ou une illustration expérimentale, mais en aucun cas contester ce résultat. L’enseignement des sciences est axé sur des résultats que l’élève doit comprendre, apprendre et appliquer. Cet enseignement est nécessairement dogmatique. Il pourrait être de bon usage, en introduisant une part de philosophie des sciences dans les classes de lycée, précise-t-il, d’expliciter la rigueur des définitions de la philosophie analytique (théorie, hypothèse, loi) tout en resituant les contenus des apprentissages dans une perspective historique éclairante. Pour la rédaction de ce mémoire, je me suis évidemment limité aux apports d’un développement historique, parfois en usant d’artifices, pour montrer la science à travers ses erreurs corrigées. Les apports de la philosophie analytique ne rentre pas complètement dans le cadre de ce travail, apports qu’il serait de plus relativement difficile à faire intervenir dans une classe de collège. a. Rompre avec le sens commun : nous sommes tous des aristotéliciens L’utilisation de l’histoire des sciences dans l’enseignement des sciences physiques résulte de la difficulté à comprendre certains concepts du fait de leur apparente contradiction avec le sens commun, le bon sens, la physique du sensible - 10 - comme on a pour habitude de qualifier celle d’Aristote. Le terme de sensible fait évidemment référence à ce qui est directement perceptible par nos sens. Par exemple, nos yeux nous font voir chaque jour le soleil se lever à l’est et se coucher à l’ouest, créant ainsi l’illusion de la mobilité du soleil autour de notre planète. Il est apparu que nous reproduisions au cours de notre construction mentale les mêmes raisonnements que ceux qui ont servi de supports à la physique d’Aristote. Cette difficulté à faire abstraction du sens commun engendre des obstacles de pensée qui peuvent perdurer au fil des années. Ainsi, on peut être capable d’apprendre une notion, le principe d’action réciproque de Newton par exemple, sans en être totalement convaincu. En effet, prenons l’exemple de deux équipes jouant au tir à la corde, les cordes étant reliées par un crochet. Si l’équipe se trouvant à gauche du crochet gagne, comment s’imaginer que les forces au point d’application du crochet se compensaient exactement ? Au point C, la force exercée par A sur B est de même norme mais de sens opposé à celle exercée par B sur A et ce même pendant le mouvement si A gagne. Dans ce problème, la définition du système d’étude est primordiale. Figure 1 : le tir à la corde L’histoire des sciences seule ne répond pas exactement à cette question, mais elle nous apprend avec quelle lenteur et quelles difficultés les découvertes et la résolution des énigmes se sont produites, et à quels obstacles se sont opposés les savants d’antan. - 11 - b. Rompre avec l’apparente simplicité des principes physiques « La science est circonstanciée ; elle ne joue que dans un univers empirique qu’elle sélectionne, qu’elle délimite et qu’elle qualifie avec précision en explicitant les conditions qui président à la validité de ses conclusions. » Cette citation de J.P. TERRENOIRE semble donner le La de toute démarche scientifique qui vise avant toute chose à isoler un problème parmi d’autres avant de l’expliquer. De là, naît une loi, ou une théorie au sens de la philosophie analytique, c'est-à-dire un objet qui rend compte de la réalité et qui possède un caractère prédictif. Mais cette théorie ne tombe pas du ciel, elle n’est pas arbitraire. Elle va émerger peu à peu à partir d’une convergence de faits expérimentaux. De son côté, l’explication d’essence divine va petit à petit laisser place au rationalisme et à la mathématisation. L’enseignement de l’histoire des sciences permet donc de rompre avec l’apparente simplicité de principes physiques ou chimiques énoncés sous forme de vérités indéniables et évidentes. Les sciences ne sont plus présentées comme une continuité de faits irréfutables et indépendants de tout cadre historique. Au contraire, certaines avancées n’ont pu voir le jour que dans un contexte bien déterminé, et ont été le fruit de longues recherches, d’échecs et de remises en cause avant leur énonciation dans les termes modernes que nous connaissons aujourd’hui. Une rapide et partielle histoire de l’optique éclairera ce propos plus loin. Quel est l’effet désiré ? Une approche historique qui prendrait en compte, d’une part les obstacles et les difficultés en les identifiant, d’autre part les interprétations divergentes, leurs motivations et leurs renversements serait de nature à atténuer le caractère dogmatique de l’enseignement des sciences évoqué plus haut. c. Choix et méthodes D’un point de vue didactique, ayons en mémoire la non linéarité du processus d’apprentissage, qui s’effectue par bonds, par dépassements d’obstacles, tout comme la non linéarité des découvertes. La perception de concepts scientifiques qu’ont certains élèves, ou même des adultes reproduit les mêmes erreurs que celles qui furent rencontrées au cours de l’histoire. Ainsi, la sphéricité de la Terre, dans une physique du sens commun, semble être une ineptie. Toutefois, cette ontogenèse de la pensée scientifique est limitée, explique l’épistémologue Gaston Bachelard : les contextes culturels et techniques ont tellement évolué, qu’il est difficile voire impossible de poser un regard ancien sur - 12 - certaines notions. Actuellement, nous utilisons chaque jour l’électricité, nous avons en tête un modèle de l’atome et même de la circulation du courant qui nous empêchent de nous poser les questions des pionniers ayant permis les premières découvertes et théorisations. L’incursion dans l’esprit des savants étudiés est risquée, car il est très difficile pour les élèves et pour nous aussi d’ailleurs de faire abstraction des connaissances actuelles. La méthode historique, ou du moins, une certaine démarche recommanderait de tout oublier pour re-découvrir ce qui a déjà été découvert. Je pense qu’il est possible tout en gardant acquis les savoirs actuels de se plonger par pur exercice dans des raisonnements passés non pour mieux apprendre et comprendre mais surtout pour palper les doutes et nécessaires controverses qui ont jalonné l’histoire des sciences. d. Les enjeux au travers d’exemples La connaissance ne va pas de soi, elle est le fruit d’erreurs répétées et corrigées, de la résolution momentanée de problèmes, en ce sens où la solution admise peut être à nouveau remise en cause. Cette résolution est intimement liée à l’évolution des idées philosophiques au cours des périodes de l’histoire, mais aussi des progrès techniques et des outils à disposition des savants. Ainsi, l’observation par Galilée des phases de Vénus ou des tâches solaires eut été bien plus complexe sans le concours des artisans verriers de la vallée de l’Arno en Italie. L’élaboration de concepts s’effectue par dépassements des obstacles, en rupture avec un mode de pensée précédent. En d’autres termes, a lieu une révolution. Il en fut ainsi entre partisans d’une théorie ondulatoire de la lumière, presque héritée d’Aristote et partisans d’une théorie corpusculaire, les « grains de lumière » formant le rayon lumineux. Ces deux approches ont tenté d’apporter des réponses à de nouvelles observations : • Etude du prisme, par Hooke en 1665, • Description du phénomène de diffraction de la lumière, par Grimaldi en 1665 également, • La vitesse de la lumière est déterminée par Roemer en 1876. Huygens défend l’hypothèse ondulatoire : « l’extrême vitesse dont la lumière d’étend de toutes parts (…) ce qui ne saurait être par le transport d’une matière » Comme pour le son, il évoque la possibilité d’une transmission de l’onde lumineuse de proche en proche, sans transport de matière. Cependant, cette théorie bute sur l’existence de lumière dans le vide. Il imagine alors un fluide - 13 - baptisé éther composé de particules très serrées d’une grande dureté et d’une importante élasticité. Huygens peut ainsi rendre compte de tous les phénomènes de l’optique géométrique observés jusqu’alors. Mais il est vrai qu’à cette époque, du XVIIIème au début XIXème siècle, l’aura de la pensée newtonienne qui visait à tout interpréter à l’aide du point matériel était forte. Newton lui-même expliquait la réflexion et la réfraction grâce aux forces exercées par les particules des corps transparents ou réfléchissants. Au début du XIXème siècle, Malus expliqua la biréfringence à l’aide de molécules lumineuses. Ce n’est qu’au milieu du XIXème siècle avec la découverte du phénomène d’interférence par Thomas Young que la théorie ondulatoire semble réellement prendre le pas sur l’autre explication. Les vibrations de l’onde ne sont plus alors longitudinales (comme le pensait Huygens avec l’analogie de la propagation du son), mais transversales, c'est-à-dire perpendiculaires à la direction de propagation. Maxwell assurera le triomphe provisoire avec sa théorie de l’électromagnétisme généralisée. Il a fallu attendre le début du XXème siècle et la découverte de l’effet photoélectrique pour qu’une synthèse des deux théories viennent bouleverser toute la physique moderne. La dualité onde corpuscule n’est pourtant pas sans soulever d’énormes difficultés de compréhension. Ainsi, la physique repose sur des modèles qui sont souvent loin de ce qui est observable et de ce qui peut s’expliquer par la simple intuition. L’imagination ou la représentation concrète d’un modèle relève de la prouesse intellectuelle et n’est pas possible parfois. e. Les objectifs connexes i) Redéfinir le statut de l’erreur ? Peut-être la dimension historique permet-elle aussi un travail sur le statut de l’erreur (peur de l’erreur) qui ne doit pas brider le travail de l’élève pendant, par exemple, une démarche d’investigation. Toutefois, il n’est pas question ici de justifier un enseignement où le droit à l’erreur deviendrait la loi. En effet, je suis à cette heure tout à fait craintif de certaines réactions d’élèves : « mais monsieur, on a le droit de se tromper ! » qui décrédibilisent grandement nos exigences d’enseignant. Il est important à ce stade de bien séparer ce qui est de l’erreur conceptuelle d’une représentation – erreur qu’il est intéressant d’aborder du point de vue de l’histoire des sciences car l’erreur sous-tend toute avancée d’une théorie – de ce qui est de l’erreur d’un élève à la fin d’une séquence, cette dernière pouvant être abordée sous deux angles : soit elle est le fruit d’un manque d’apprentissage, soit elle est un révélateur un peu tardif d’une incompréhension non levée. - 14 - Montrer les erreurs des savants, les écueils, les controverses et les falsifications ne doit pas conduire au relativisme et ne doit pas justifier le fait que l’élève ait le droit de faire des erreurs dans la résolution de ses exercices. Penser les sciences dans leur dimension historique comme une suite d’erreurs rectifiées risque d’amener l’élève à ne retenir que les doutes et les renversements. Certes, cela n’est pas inintéressant, mais il ne faudrait pas que cela masque l’essentiel, à savoir la difficile tentative d’explication rationnelle du monde. ii) Réconcilier les élèves avec les sciences physiques Rappelons également, comme l’indique Jean Rosmorduc, que 97 % d’une classe d’âge quitte le système éducatif à jamais allergique aux sciences physiques. Il faut reconnaître que l’enseignement des sciences est pour ces élèves un échec. Pour ces dires, il s’appuie sur l’ouvrage de Michel Hulin, Le mirage et la nécessité. Pour une redéfinition de l’enseignement scientifique de base, 1982, presse de l’E.N.S. Il suggère alors qu’un enseignement moins abstrait, plus ouvert aux questions de société serait de nature à intéresser davantage les jeunes. Ayant conscience de la nécessité d’apprendre et donc d’enseigner des contenus importants, la réflexion se porte plutôt sur la manière de motiver les jeunes peu attirés par les sciences. Yves Quéré (ancien directeur de l’enseignement à l’école polytechnique) écrivait en 1997 dans un article paru au B.U.P. : « imbiber d’Histoire l’enseignement des sciences, c’est rendre celle-ci tout simplement humaine et vivante ». Pour ma part, j’ai conscience que ce type d’enseignement peut ne pas convenir à tous les types d’élèves, et qu’il n’aura pas forcément l’impact voulu, comme en témoignent en annexes quelques unes de leurs productions. Pour les élèves de collège a priori « bons » en sciences et donc demandeurs de « vraie science », je pense que l’approche historique pourra les dérouter, voire les ennuyer. Mais peut-être que cet apport culturel leur sera utile plus tard dans leur cursus ; c’est une question dont je ne peux connaître la réponse. Pour les élèves plus faibles, il y a deux catégories : les « intéressés » qui n’arrivent pas à franchir certaines étapes, comme la mathématisation, et les « fâchés » - ceux dont Jean Rosmorduc parle plus haut. Le recours à l’histoire sera peut-être un moyen de re-motiver ces types d’élèves. Pourtant, cet enseignement présente ses limites et l’expérimentation en classe viendra apporter certaines preuves. En effet, pour s’intéresser à l’évolution des idées en science et s’en émerveiller, ou même pour s’interroger sur le concept de pensée scientifique, peut-être faut-il déjà posséder un bagage scientifique que seul le nombre d’années d’étude vient donner… - 15 - 4. Intégrer l’histoire dans l’enseignement des sciences n’est pas le seul levier d’action De longues et parfois infructueuses recherches ont conduit à la mise en place de nouvelles pratiques pédagogiques, comme dans notre discipline, l’introduction de manière quasi-systématique de séances de travaux pratiques. Plus récemment encore, des constats similaires ont motivé des travaux aux Etats-Unis, repris en France par Georges Charpak, qui ont amené à l’approche des sciences par l’expérience à l’école primaire (« la main à la pâte »). Dans les nouveaux programmes du cycle central, la même volonté de recours à la démarche d’investigation dans des séquences de cours de plus en plus nombreuses suit cette évolution : sa traduction dans des classes de collège et de lycée est l’utilisation souhaitée de la démarche expérimentale par les élèves dans le but de les rendre acteurs de leur apprentissage en les confrontant à leurs difficultés. Qu’en est-il finalement de l’efficacité de tels procédés, il semble trop tôt pour en juger convenablement. L’introduction d’éléments d’histoire des sciences distillés dans un cours de physique ou de chimie traditionnel nourrit approximativement les mêmes objectifs – dédramatiser les sciences physiques en présentant leurs évolutions – à ceci près qu’elle peut apporter en plus une culture générale qui est non négligeable. III. Les essais réalisés en classe 1. Présentation des travaux J’ai expérimenté deux thèmes principaux qui sont la notion de référentiel en troisième et en classe de seconde et l’invention de la première pile électrique en cinquième. Dans les deux cas, j’ai choisi l’approche suivante : 9 Une brève présentation historique pour re-situer le contexte et l’état des connaissances. - 16 - 9 Un ou plusieurs travaux de savants de l’époque, en se mettant à leur place pour tenter de faire revivre quelques siècles plus tard leur réflexion. 9 Un bilan qui rassemble les points essentiels à retenir. Le premier essai s’est déroulé durant le stage de pratique accompagnée dans une classe de seconde. Dans ce cours, le recours à l’histoire permettait un rappel du programme de troisième. Je n’ai pas fourni dans ce mémoire les documents relatifs à cette expérience. Puis en troisième, j’ai traité sensiblement la même question mais en mettant l’histoire au cœur de la séquence. Enfin, le troisième essai suit le modèle du deuxième. 2. La notion de référentiel en troisième a. Préparation de la séquence et document élève : voir annexe 1 b. Analyse et déroulement effectif : La séance d’essai s’est déroulée le vendredi 6 janvier, et le travail réalisé l’a été sur une durée d’environ 1h30, la première 1/2 heure étant occupée par une restitution de contrôle. Dans un premier temps, je leur ai expliqué que pour débuter la partie de mécanique, nous allions utiliser un procédé peu commun en cours de Physique : nous allions nous servir de l’histoire. Dans ce but, je voulais savoir quels étaient leurs connaissances et je leur ai demandé de répondre aux questions suivantes, sur feuille que j’ai ramassée : 9 Quels noms de savants connaissez-vous ? 9 Pouvez vous en citer les dates, ou au moins les situer dans une époque ? Ces fiches sont visibles dans l’annexe 5. Chez certains, je n’ai trouvé aucune réponse, chez d’autres en revanche, j’ai parfois été étonné. Il semble que des noms soient connus, par contre il est difficile de situer l’époque à laquelle les savants cités ont vécu. Des noms dans une classe sont revenus de manière systématique : Fleming et Pasteur, sans doute dus à leur professeur de SVT. J’ai ensuite débuté le cours à proprement parlé, en suivant le cheminement décrit dans la préparation (cf. annexe). Christophe Colomb a été cité par un - 17 - élève, ce que je n’avais pas prévu. Cette remarque étant pertinente, nous avons donc conclu en classe que les grands voyages ont eu leur importance dans l’évolution des représentations du monde. Le travail de schématisation des représentations héliocentrique et géocentrique s’est effectué sans difficulté majeure. Pour corriger, j’ai montré au vidéo projecteur une animation montrant le système solaire : les planètes sont en mouvement autour du soleil. La pièce de théâtre a été jouée sérieusement par deux élèves volontaires. Une réflexion commune de toute la classe a permis de finaliser la mise en scène : une potence a fait office de trépied. A l’issue de la représentation, un temps d’activité autonome relativement rapide a permis de répondre à l’ensemble des questions posées dans la fiche élève. Les questions n’ont pas posé de difficultés, et les élèves semblent avoir bien compris le problème : l’état de mouvement ou de repos d’un objet dépend du lieu d’observation. La partie « A retenir » a été complétée alors sans difficulté, seul le terme de référentiel n’était pas connu, mais je pense que ce n’est qu’une question de vocabulaire. Le travail sur la rétrogradation de Mars a permis de réinvestir rapidement cette notion de référentiel. J’ai pu à cette occasion apporter un certain nombre de remarques : • L’observation directe du phénomène ne l’explique pas, et peut induire une représentation erronée, comme celle de Ptolémée. • Pour résoudre le problème, il a fallu dépasser un obstacle en définissant le référentiel d’étude. • Un progrès, une évolution peut changer beaucoup de choses dans notre vision du monde. Durant cette séance, j’ai trouvé les élèves actifs et volontaires. Certaines de leurs remarques frôlent l’amusement ; Copernic a ainsi été qualifié de malin, pour son exemple cité dans le cours. Un rapide sondage en fin d’heure a montré qu’ils avaient été globalement intéressés, un élève a même dit que c’était mieux que d’habitude -je ne lui en demandais pas tant-, même s’il faut préciser que la fin de l’électricité a déjà été pour certain une cause de soulagement… Pour autant, il est difficile d’évaluer l’impact réel que ce cours a eu sur les élèves. Premièrement, je n’ai qu’une classe de troisième et n’ai donc pu tester l’efficacité de la leçon lors d’une évaluation sommative. Toujours dans le cadre d’une évaluation sommative, je ne pouvais pas interroger les élèves sur des notions indirectement abordées dans la séance, qui sont hors programme. - 18 - J’ai choisi à cette fin de proposer un travail facultatif et une petite feuille à compléter à la suite de l’évaluation. Ces travaux sont disponibles en annexe 5 : productions d’élèves. Au sujet de cette fiche, les résultats ont été très variables d’un élève à un autre. Ceux dont les réponses sont les plus complètes sont ceux qui habituellement constituent la tête de classe. Peut-être que cette introduction de l’histoire n’a pas eu alors l’effet escompté sur les élèves en difficulté en sciences physiques. Une évaluation plus poussée des résultats, notamment en comparant les connaissances des élèves avant et après la séance ne me semble pas significative. Les critères d’évaluation sont difficiles à cerner : faire une liste de scientifiques nouvellement appris n’a en soi rien de motivant. Parmi les réponses données, je trouve qu’il y a des choses très intéressantes, qui montreraient que le cours les a amené à conduire une véritable réflexion, notamment « cela nous a appris que ça a mis du temps pour savoir ce que l’on sait actuellement. » Au sujet du travail facultatif, seulement 5 élèves sur 18 m’ont fourni un document, soit un peu moins de 28 %. Ces élèves volontaires étaient venus me trouver pour demander des précisions à propos d’une question, qui proposait une réflexion sur une citation de Bachelard. Le terme de « connaissance commune » était à expliciter, mais il est vrai que cette question était peut-être trop ambitieuse et peu adaptée au jeune public. 3. La découverte de la première pile électrique en cinquième a. Préparation de la séquence et document élève : voir annexe 2 b. Déroulement effectif et analyse : Pour faire le lien avec le travail précédent, j’ai rappelé sur transparent les points importants acquis : 9 Réaliser à partir de leur schéma des circuits comprenant des piles, des lampes et des interrupteurs ; 9 Condition de circulation du courant dans un circuit : présence d’un générateur et d’un circuit fermé ; Lorsque j’ai annoncé la transition - mais au fait, qu’y a t il dans une pile et quand celle-ci a été inventée ?-, les élèves ont été interloqués. Afin de juger de leurs connaissances initiales mais surtout pour leur faire prendre conscience de - 19 - leurs doutes, je leur ai distribué une feuille de recueil d’idées initiales. Le travail sur la fiche a fait ressortir beaucoup de questions montrant leurs hésitations. J’ai pu alors dans la phase collective qui a suivi revenir sur quelques savants qui avaient été cités : Edison, Volta, Einstein et Galilée, qui venait d’être vu en cours d’histoire à l’occasion d’une leçon sur l’inquisition. Pour chacun d’eux, je situais l’époque et le ou les principaux travaux. Cependant, traitée rapidement sur un support transparent, sans traces écrites sur le cahier des élèves, cette partie de la séance devrait être mieux structurée : distribuer une fiche sur un savant – je pense à Thomas Edison, inventeur de la lampe à incandescence vue en cinquième -, assortie de questions à traiter pour la fois suivante serait d’un meilleur bénéfice pour l’élève. Ces documents élèves sont joints en annexe. Tous les élèves ne partagent pas les mêmes connaissances. Il existe aussi une certaine difficulté pour eux à restituer ce dont ils ne sont pas sûrs d’où des hésitations lors du travail sur la fiche. J’ai éprouvé des difficultés pour établir ce questionnement initial : comment interroger les élèves sur la constitution d’une pile et sur son fonctionnement ? J’ai choisi de poser la question suivante à une personne adulte qui n’avait a priori pas de connaissances précises : « qu’est-ce qu’il y a dans une pile ? ». Je me suis appuyé sur les réponses fournies pour faire les propositions aux élèves. Je craignais que sans propositions, il serait trop difficile pour eux de se positionner. Le réel travail d’étude commence alors avec la distribution des documents élèves. La lecture des textes, individuelle puis collective a amené la classe à répondre sans difficultés aux questions posées. Notamment à la fin de la première partie où la formulation de la question du chapitre était primordiale pour expliciter aux élèves l’enjeu de la séance : il fallait trouver un moyen permettant de faire briller une lampe de manière continue. Après une première recherche individuelle, cette partie a été corrigée collectivement. Ils ont semblé satisfaits de ce but à atteindre. La présentation des travaux de Galvani a suscité en eux beaucoup d’étonnement : l’interprétation de ses observations à l’aide de l’électricité animale leur a paru farfelue… Ce n’était pas dérangeant en soi : cela a été l’occasion d’insister sur la possibilité de l’erreur ou de l’interprétation erronée en science. Un élève l’a très bien compris et a formulé sa réponse ainsi : les savants n’ont pas toujours eu raison. A chaque fin d’étude, je faisais à l‘oral un bilan des connaissances de l’époque : qu’est-ce que l’on savait faire ? Que s’est-il passé ? - 20 - A l’étude des travaux de Volta, les élèves ont été rassurés et ont tout de suite adhéré à l’explication métallique de l’électricité. La schématisation de la première expérience a été traitée au tableau en confrontant des schémas d’élèves : lequel correspond le plus à la phrase de Galvani ? Une rapide discussion orale a abouti à la conclusion suivante : ce système ne produit que peu d’électricité, tout juste permet-il de ressentir un léger picotement sur la langue. Un élève a alors spontanément proposé d’assembler plusieurs éléments les uns sur les autres. J’ai été d’emblée satisfait de sa réponse, ce qui m’a conduit malheureusement à omettre la phase de recherche au brouillon par toute la classe. Cette observation permet de souligner l’importance du passage par l’écrit au brouillon, individuel, afin de laisser le maximum d’élèves s’interroger. Sans rentrer dans plus de détails, à la séance suivante, un élève m’a demandé si, en prenant des plaques plus larges et un carton plus grand, cela n’aurait pas amélioré la pile. Sa remarque était intéressante et aurait pu profiter à d’autres qui avaient les mêmes interrogations. Après avoir strictement rappelé les conditions de travail et consignes de sécurité nécessaire à l’expérimentation (utilisation d’acide chlorhydrique à une concentration de 0,1 mol/L comme électrolyte), j’ai décrit le matériel et expliqué le protocole. Une fois le travail terminé, je me suis déplacé dans chacun des groupes avec une diode électroluminescente, pour faire vérifier que celle-ci brillait bien, et de manière continue. Je posai alors deux autres questions : de quoi une pile est-elle constituée et pourquoi porte-t-elle le nom de pile ? A la fin de la séance, un bilan collectif a permis de conclure et de remplir la dernière partie de la fiche de travail. J’ai un avis assez positif sur cette séance, principalement car la problématique de la séance : « comment faire pour produire de l’électricité en continu ? » a été cernée par toute la classe. C’est à ce moment que tout le groupe s’est impliqué dans la recherche de solutions. Ils ont été assez surpris de l’expérience de Galvani, surpris aussi du caractère hasardeux de sa découverte. A ce stade, je pense avoir atteint trois objectifs de la séquence : Le développement d’une science est soumis à un objectif de progrès, elle peut-être le fruit d’un hasard bien venu, elle est l’aboutissement d’une suite d’erreurs rectifiées. Toutefois, la première partie d’étude de texte a été assez laborieuse pour certains qui attendaient avec impatience la raison pour laquelle il fallait emmener - 21 - la blouse ce jour-ci. Afin de rendre ce nécessaire travail plus attractif, j’ai essayé de lui substituer une vidéo, ou une animation, mais je n’ai pas été satisfait des supports trouvés qui étaient trop complets et destinés à un public plus âgé. Pour l’expérience, il a fallu un moment d’explication et de consignes. Cette partie a été assez délicate car d’une part, la proximité de la manipulation provoque un peu d’agitation et d’autre part, c’est à ce moment que je leur ai demandé de faire tremper les bouts de cartons dans l’acide. Le problème, c’est que les gants étant mis, il n’était plus possible de gérer les traces écrites. J’apporterais donc la modification suivante dans le scénario de la séance : un élève par binôme sera dans un premier temps désigné comme scribe qui remplirait les deux feuilles mais ne manipulerait pas. On peut envisager aussi de passer les gants sans les retirer sous l’eau pour éliminer l’acide restant. A la fin de l’expérience, il était frappant de voir la rapidité de certains et la lenteur d’autres. Le travail soigné était aussi une composante majeure de la réussite de l’expérience, ce qui a malheureusement amené à des échecs. Enfin, par rapport à ce que j’avais initialement prévu, c’est moi qui ai testé le fonctionnement des piles avec la DEL. En effet, se posaient deux problèmes : d’un point de vue strictement manipulatoire, il était impossible de leur faire toucher des fils avec les gants souillés d’acide. Je ne pouvais leur demander de les enlever, il aurait fallu les remettre pour ranger la paillasse (gant à usage unique) D’autre part, la difficulté résultant du branchement de la DEL aurait pu rendre plus flou le message initial. J’ai été malheureusement déçu par la toute fin de la séance, alors qu’elle représentait pour moi un aboutissement : vraiment peu de groupes ont manifesté une surprise et un étonnement (je ne parle pas d’émerveillement…) à la vue de la DEL éclairée. Il m’est venu seulement après coup, que pour apprécier l’histoire des sciences, il fallait déjà posséder de solides connaissances scientifiques. - 22 - IV. Bilan et perspectives 1. Du côté du prof Difficile dans une conclusion de ne pas faire de redit en rappelant ce qui a motivé ce travail, comme le désir d’enseigner les sciences physiques en montrant ses évolutions, ce qui sous tendait une rupture avec une philosophie dogmatique, et une présentation nouvelle : la science n’est plus orpheline des questions qui l’ont vu naître. Force est de constater qu’en pratique, il faut de nécessaires adaptations pour suivre au mieux ces lignes directrices. Les traduire au niveau du collège n’est pas aussi chose facile, ceci pour deux raisons principales : • Les compétences à évaluer des instructions officielles ne permettent pas toujours cette utilisation. • Le jeune public est-il à même de percevoir réellement une différence qui pour les initiés saute aux yeux ? D’autre part, si jamais cette différence est faite, ne risque-t-elle pas de créer des confusions en rendant plus floues les frontières entre matières ? Il est amusant de constater que Lavoisier écrivait en 1789 dans « Discours préliminaire du traité élémentaire de chimie » : « Ce n’est ni l’histoire de la science (…) que l’on doit faire dans un traité élémentaire ; on ne doit y chercher que la facilité, la clarté ; on en doit soigneusement écarter tout ce qui pourrait tendre à détourner l’attention… Les sciences présentent déjà par elles-mêmes assez de difficultés, sans en appeler encore qui leur sont étrangères ». Se pose alors cette autre question : serait-il plus judicieux de proposer ce genre de démarches à des élèves sinon plus âgés, au moins ayant une expérience de la matière plus importante ? 2. Du côté des élèves Ces différents essais m’ont montré, en troisième surtout, que les élèves peu intéressés ont été dans l’ensemble peu sensibles à la dimension historique. Ils n’ont manifesté aucune surprise ou enthousiasme particulier. C’était pour eux un cours de physique classique. A l’inverse, les élèves constituant la tête de classe ont montré eux beaucoup plus d’intérêt voire de curiosité. A noter tout de même que l’évaluation sommative de fin de séquence a montré que la notion de référentiel a été bien assimilée. - 23 - En cinquième, l’intérêt des élèves s’est nettement plus manifesté. Des remarques, comme la fréquence des erreurs, les savants qui n’ont pas toujours eu raison, mais aussi la lenteur de la découverte du monde qui nous entoure ont rendu cette séquence potentiellement intéressante. Cependant, comment contrôler si cette utilisation de l’histoire a eu sur les élèves un réel impact sur leurs apprentissages, sur leurs représentations des sciences physiques ? Et aussi, si changement il y a eu, celui-ci a-t-il été durable ? Les tests que j’ai élaborés sont grandement critiquables : • En troisième, le recueil demandait une liste de personnages ayant illustré l’histoire des découvertes. Si cela peut donner une idée de la culture générale des élèves, ça ne peut pas laisser supposer une quelconque perception de la matière. • En cinquième, les élèves étaient amenés à se prononcer sur des propositions la plupart erronées. Etaient-ce là réellement leurs représentations initiales ? Ceci conduit à avoir une petite réflexion sur les tests d’impact. A partir de quelques productions, la seule induction ne suffit pas à leur donner un sens particulier. En effet, il n’y a pas de reproduction de ces tests à différentes échéances dans l’année. Il ne leur était pas demandé de voter clairement pour le cours de Physique qu’ils ont préféré, si tant est qu’il en existe un... Pas de comparaisons possibles, donc, d’autant que les essais que j’ai menés l’ont été à une seule reprise dans des niveaux différents. L’enseignant a aussi une influence : s’il croît aux vertus supposées de ce qu’il pratique, les élèves ne sontils pas naturellement plus attirés vers le cours ? 3. A l’avenir.. Pour conclure, j’insiste sur le fait qu’il n’est pas question d’un recours systématique à l’histoire des sciences : déjà, le carcan des programmes et des impératifs horaires ne le permet pas, ensuite parce qu’un des objectifs de l’enseignement des sciences est de contribuer à la formation de scientifiques, d’où un souci d’efficacité passant nécessairement par un contenu important. Pour ma part, j’ai été satisfait, malgré les limites émises plus haut. Ce travail m’a permis de conduire une réflexion sur ma propre matière et sur la place de la science dans la société. Le souci de transmettre des connaissances m’a amené à tenter de nouvelles pratiques d’enseignement. Dans la mesure du possible, je continuerai à pratiquer ce genre de démarche en y apportant au fur et à mesure des améliorations, des rectifications, mais toujours autour de la même idée : - 24 - Faire de la science, ce n’est pas ingérer des réponses, c’est comprendre pourquoi ces réponses ont été amenées. Le manque de sens que l’on accorde à l’enseignement scientifique vient du fait que l’on a coupé le savoir des interrogations qui l’ont vu naître… - 25 - V.Annexes - 26 - Annexe 1 : préparation de la séquence menée en troisième Préparation de la séance : En troisième, deux thèmes se prêtent particulièrement bien à une présentation historique : • La notion de référentiel, qui peut être abordée à l’aide des différentes représentations du monde, • L’élaboration d’un modèle de l’atome. Compétences des programmes officiels : • Reconnaître un état de mouvement ou de repos d’un objet par rapport à un autre objet. Déroulement des activités : Approche historique : • Les représentations du monde, • Le travail de Galilée, vu par Bretch, • La rétrogradation de Mars. 1. Explication des deux représentations du monde : En présentant et en situant la pièce qui va être étudié en début de séance, je préciserai quelles étaient les deux représentations du monde : 9 Tout d’abord, la représentation géocentrique, héritée de l’antiquité et d’Aristote. Il peut être intéressant, avant de parler de la bonne appréciation qu’avait l’Eglise de cette conception, de dire tout simplement que c’est exactement ce que nous voyons, de là où nous sommes, c'est-à-dire de la Terre. On devra à ce moment faire le lien entre Terre, et Geo : la terre en Grec. L’Eglise, en cette période était très favorable à cette vision du monde, le monde créé par Dieu ne peut que voir la Terre en son centre, et les autres planètes tourner en faisant des cercles concentriques autour. (Cercle = figure parfaite) 9 En 1543, Nicolas Copernic (hollandais) propose une représentation qui lui semble mieux décrire la réalité : l’héliocentrisme. Faire le rapprochement immédiat : Helios : Soleil. A ce stade, rajouter rapidement que les difficultés étaient grandes pour faire accepter cette idée. - 27 - 2. Activité de schématisation des deux représentations : 9 Rapide, correction au tableau et au vidéo projecteur. Il n’est pas prévu de documents pour noter ces schémas, alors voir la possibilité de le faire au dos de la feuille. 3. Lecture et mise en scène de l’extrait de la pièce de Bretch : 9 Phase délicate : il faut qu’il y ait des volontaires motivés, et que le reste de la classe prenne au sérieux cette activité. Cette partie est très visuelle et il serait dommage qu’elle soit « ratée » Possibilité de récompenses si pas de volontaires 9 Le temps nécessaire est ensuite laissé aux élèves pour répondre sur leur fiche aux questions posées. 4. Le bilan est complété 9 Bien insister sur le vocabulaire : référentiel, et « par rapport » 5. Activité énigme : la rétrogradation de Mars : 9 Cette activité a pour objectif d’appliquer directement le bilan, en allant un peu plus loin car un travail sur calque avec un protocole est demandé. Les questions qui suivent ne devraient pas engendrer de difficultés. 6. un rapide travail sur les qualificatifs « translation » et « rotation » clôturera la séance 9 A partir de dessins sur la fiche de l’élève, ces mots, qui permettent de qualifier un mouvement observé devraient ressortir, car les définitions proposées sont bien cernées. Plus tard après la séquence sur le calcul de vitesse et sur le vocabulaire « accéléré, ralenti, uniforme », un travail sera proposé. - 28 - Annexe 2 Préparation de la séquence menée en cinquième Au départ, j’avais prévu de débuter le programme d’électricité par cette séquence ; appelée alors séquence 0 : « Et si l’électricité n’avait pas été découverte… » Cependant, j’ai pensé qu’il serait plus profitable de réaliser au moins une séance de travail sur la première leçon, avant de faire cette présentation. En effet, je pensais que pour que l’utilisation de l’histoire des sciences soit vraiment intéressante, il serait bon que les élèves aient en tête des points de repères pour faire le lien entre la pile utilisée en TP et la pile VOLTA réalisée en classe. De plus, comme j’utilise une diode électroluminescente pour prouver l’existence d’un courant, la condition double de générateur et de circuit fermé pour l’établissement du courant est souhaitée connue. La difficulté principale rencontrée a été celle de l’élaboration du document élève et du scénario de la séance. En effet, j’ai du adapter les textes proposés pour bâtir une séquence qui correspondait vraiment à mes objectifs. Le document initial est un long texte dont l’étude complète en cours semblait laborieuse. Les questions qui étaient posées à la suite du texte n’étaient pas non plus de nature à lever les ambiguïtés ou les représentations initiales erronées des élèves. Déroulement des activités : 1. Activité 1 : Le but est de faire émerger les représentations initiales des élèves : 9 Citer des noms de scientifiques, y associer une époque et une découverte. 9 Que se passe-t-il dans une pile, de quoi est-elle faite ? Sous forme de grille - questionnaire à ramasser. 2. Activité 2 : Au fil des découvertes en électricité : 9 Le phénomène de l’électricité statique ; activité documentaire + expérience au bureau. On donnera la caractéristique principale : produit de l’électricité par décharge, ou par à coup. Problème : avec une expérience au bureau ; et en faisant référence au cours précédent, faire constater aux élèves que la lampe brille de manière continu - 29 - lorsqu’elle est alimentée par une pile. Donc que l’électricité statique ne permet pas de faire fonctionner les appareils électriques. 9 Une nouvelle activité documentaire présentera alors brièvement la découverte de Galvani. Cette étape a pour but de faire ressortir le caractère hasardeux de certaines découvertes scientifiques. 3. Activité 3 : construction de la pile Volta 9 Confronter l’explication de Volta à celle de Galvani : qu’est-ce qui les oppose ? En montrant la controverse, je demande aux élèves de prendre partie pour l’une ou l’autre des théories. On montre que l’erreur est une constante dans une démarche scientifique. 9 Reproduire la démarche de Volta : Il constate que l’association de deux métaux séparés d’un milieu conducteur provoque l’apparition d’un faible courant… Il décide alors de placer plusieurs couples à la suite les uns des autres… Tout cela se passe en 1800. 9 Réalisation de l’expérience en classe. 4. Activité 4 : synthèse Sous forme de questions : 1. Finalement, de quoi est constituée une pile électrique ? 2. Quel est le grand avantage de la pile par rapport aux machines électrostatiques dont on parle au début du texte ? 3. Pourquoi a-t-on donné le nom de pile à cette invention ? 4. De quelle année date l’invention de la première pile électrique ? Une pile électrique est constituée d’un assemblage de métaux et de milieux conducteurs répartis en différentes couches. Une pile permet de faire circuler l’électricité en continu, à l’inverse des machines électrostatiques qui produisent de l’électricité par à coup. On a donné le nom de pile à cette invention car les différents éléments qui la constituent sont empilés. Cette pile a été inventée en 1800 par Volta. - 30 - Annexe 3 : Documents élèves, troisième - 31 - La ……………………………….. du mouvement Objectifs : • Comment décrire correctement et précisément le mouvement d’un objet ? • Comment qualifier un mouvement ? I. Un peu d’histoire : les différentes représentation du monde. Depuis l’antiquité jusqu’au Moyen Age, les savants se sont toujours posés la question du mouvement des astres. Deux idées s’affrontèrent violemment au Moyen Age, et une querelle éclata entre les partisans d’une représentation héliocentrique et ceux d’une représentation géocentrique. Le système géocentrique a été imaginé par Ptolémée au IIème siècle. Il présente le Soleil et les planètes tournant autour de la Terre. Le système héliocentrique est lui plus récent, il date du XVIème siècle. Copernic, qui en est l’instigateur pensait que le soleil était au centre et que les planètes, y compris la Terre, tournaient autour. Galilée (1564-1642), éminent savant du XVIème siècle a pris partie dans ce débat en défendant l’hypothèse héliocentrique. Dans le texte ci-dessous, extrait de la pièce de Bertolt Bretch, la vie de Galilée (1939), Galilée aborde la question avec son neveu : 1 5 10 15 20 25 Galilée : - Ce que je t’ai dit hier, l’as-tu compris depuis ? Andrea : - Quoi ? L’histoire de Copernic avec la rotation ? Galilée : - Oui. Andrea : - Non. Pourquoi voulez vous que je comprenne ? C’est très difficile et je vais avoir seulement 11 ans en Octobre. Galilée : - Justement, je veux que toi aussi tu le comprennes, c’est pour çà que je travaille et que j’achète ces livres coûteux au lieu de payer le laitier. Andrea : - Mais je le vois, que le soleil, le soir, s’arrête ailleurs que le matin. Avec çà, il ne peut pas être immobile ! Jamais de la vie. Galilée : - Tu vois ! Qu’est-ce que tu vois ? Tu ne vois rien du tout. Tu écarquilles les yeux, c’est tout. Ecarquiller n’est pas voir. (Il pose le trépied en fer au milieu de la chambre.) Ceci est le soleil, donc. Assieds-toi. (Andrea s’assied sur une des chaises, Galilée est debout derrière lui.) Où est le soleil, à droite ou à gauche ? 30 35 40 45 Andrea : - A gauche Galilée : - Et comment ira-t-il à droite ? Andrea : - Si vous le transportez à droite, naturellement. Galilée : - Seulement de cette manière ? (il soulève Andrea avec la chaise et accomplit avec lui-même une demi rotation.) Où est maintenant le soleil ? Andrea : - A droite. Galilée : - Et il a bougé ? Andrea : - Cà non. Galilée : - Qu’est-ce qui a bougé ? Andrea : - Moi. Galilée : - Faux ! Idiot ! La chaise ! Andrea : - Mais moi avec elle ! Galilée : - Evidemment, la chaise c’est la Terre. Tu es assis dessus. • Le point de vue du neveu : De quel phénomène, dont nous sommes témoins tous les jours, Galilée et son neveu parlent-ils ?....................................... ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Pour Andrea, Est-ce le Soleil ou la Terre qui se trouve en mouvement ? Qui est immobile ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Quel est pour lui le lieu d’observation ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… • Le point de vue de Galilée : Pour prouver son point de vue, quelle expérience Galilée réalise-t-il avec son neveu ? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Dans l’expérience que Galilée réalise avec son neveu, qui est en mouvement ? Qui est immobile ? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Que représentent la chaise et Andrea dessus ?................................................................................................................................ Quel est le lieu d’observation pour Galilée ? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. - 32 - A retenir : En physique, le lieu d’observation d’un mouvement est appelé ……………………………………. Pour bien décrire le mouvement d’un objet, il faut avoir défini avant le ……………………………………………………dans lequel le mouvement est étudié. On décrit alors le mouvement d’un objet …………………………………….. à ce …………………………………….. • Application 1 : pour montrer que son idée était possible, Copernic a utilisé l’exemple suivant : « …lorsqu’un navire flotte sans secousse, les navigateurs voient se mouvoir, à l’image de son mouvement, toutes les choses qui lui sont extérieures et, inversement, ils se croient être en repos, avec tout ce qui est avec eux. Or, en ce qui concerne le mouvement de la Terre, il se peut que ce soit de façon pareille que l’on croit le monde entier se mouvoir autour (d’elle). » Que veut-il dire ? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Cite d’autres exemples de la vie courante dans lesquels on est confronté aux mêmes observations : • ……………………………………………………………………………………………………………………………… • …………………………………………………………………………………………………………………………….. • Application 2 : Résolution historique d’une énigme : la rétrogradation de Mars II. Comment définir un mouvement ? Comment définir une trajectoire ? Définition : La trajectoire d'un mobile est l'ensemble des positions successives occupées par le mobile dans l'espace au cours du temps. Activité 1 : Trace les segments A1B1 et A2B2. Que peut-on dire de leur direction dans les deux positions de la voiture ?............................................................ .......... Relie les points B1 et B2, A1 et A2. Que peut-on dire des trajectoires de A et de B ? ………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… Activité 2 : Dessine sur le cercle ci-contre les positions A2 et B2 des points A et B après une rotation dans le sens des aiguilles d’une montre d’un angle de 70°. Que peut-on dire des directions respectives des segments OA1 et OA2 ? ………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. Le point O se déplace-t-il ? ………………………………………………………………………………………………… Où se trouve le point O ?...................................................................................... A retenir : Parmi les différents types de mouvements, on distingue : Les mouvements de ………………………………………………. : dans un mouvement de translation, chacun des segments d’un objet conserve une direction fixe. • Les mouvements de …………………………………… : dans un mouvement de …………………………………, chacun des points d’un objet décrit un arc de cercle centré sur le même……………………………………………………………………………………………... Quand les trajectoires des différents points de l’objet étudié sont des droites, la translation est …………………………………………………. • - 33 - La rétrogradation de Mars : une énigme qui souleva bien des problèmes… En 1601, Kepler (photo ci-dessous), astronome et mathématicien autrichien fasciné par les idées de Copernic tente d’expliquer le mouvement de Mars vu de la Terre. Ce mouvement appelé rétrogradation posait à cette époque un gros problème. En effet, il ne correspondait pas à « la marche » normale des planètes dans le ciel, car la planète Mars semble revenir en arrière : Dans l’antiquité, ce phénomène a déjà été observé, et Ptolémée, plus tard tenta de l’expliquer à l’aide des épicycles : La planète tourne autour de la Terre (référentiel géocentrique), et tourne également sur un cercle dont le centre est situé sur l’orbite. Cette explication, paradoxalement, donnera des résultats plutôt bons. Résolution de l’énigme : A la lumière de tes connaissances actuelles sur la notion de référentiel, tente d’expliquer ce curieux phénomène de rétrogradation… I. Utilisation du référentiel héliocentrique : nous nous situons ………………………………………………………………… Le schéma suivant représente les positions successives de la Terre et de Mars au cours du temps, vues depuis le soleil. Le cercle intérieur représente la Terre, le cercle extérieur représente Mars. Que fait la Terre par rapport à Mars entre les positions 5 et 7 ? …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… Cette constatation permet-elle d’expliquer la rétrogradation ? …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… Que faudrait-il faire pour expliquer convenablement le mouvement de Mars vu depuis la Terre ? …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… - 34 - II. Utilisation du référentiel géocentrique : • Prends une demi feuille de papier calque, • Trace dessus deux axes perpendiculaires, et nomme T l’intersection des axes. • Tu dois faire correspondre le point T avec la première position de la Terre, en veillant à ce que les axes tracés sur le calque soit rigoureusement parallèles à ceux du schéma. Note M1, la position de mars correspondante. • Puis, refais la même opération pour la position 2 de la Terre, et note M2 la position de Mars… • …et ainsi de suite jusqu’à la position 12… Comment est la trajectoire de Mars dans le référentiel géocentrique ?.................................................................................... A-t-on résolu l’énigme quant au mouvement de Mars ? Pourquoi ? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. TRAVAIL FACULTATIF : Pour aller plus loin : • Combien de siècles a-t-il fallu pour aboutir à la découverte de la notion de référentiel ? • Dans l’Antiquité, un grec, Aristarque de Samos avait pressenti que c’était la Terre qui tournait autour du soleil et non l’inverse. Il pensait que les orbites des planètes étaient circulaires. o Cherche la définition d’orbite dans le dictionnaire, o Quelle erreur a-t-il fait par rapport à nos connaissances actuelles ? (Quelle est la forme des orbites des planètes ?) • Une observation directe du phénomène de rétrogradation de Mars permet-elle de comprendre exactement de quoi il s’agit ? • Parmi les deux explications exposées (les épicycles de Ptolémée et la relativité du mouvement), quelle est celle qui semble intuitive ? Quelle est celle qui demande une réflexion et un recul plus grand ? • Commente la phrase suivante : « la connaissance commune, la plupart du temps non seulement s’oppose à la connaissance scientifique, mais elle y fait obstacle. » (Bachelard) • Quels sont les noms de savants que tu as appris dans ce chapitre ? - 35 - Une situation plus compliquée : Où va tomber la balle lâchée du vélo ? Un cycliste roulant à vitesse constante sur une piste horizontale lâche sans la lancer une balle qu'il tient dans la main (figure 1). A votre avis, où se trouvera le cycliste et son vélo lorsque la balle touchera le sol (figure 2, 3 ou 4) ? Notice : Comment changer de référentiel ? • Numéroter les positions successives sur chaque trajectoire. • Prendre une demi feuille de papier calque, y tracer une droite à environ 3 cm du bord inférieur et placer un point M sur cette droite approximativement au milieu de la feuille. • Faire coïncider la droite tracée avec la trajectoire du cadre et le point M avec la 1ère position : pointer alors, avec une couleur différente, la première position de la balle. • Faire glisser la feuille de calque pour faire coïncider M avec la 2ème en conservant la superposition de la droite avec la trajectoire du cadre : pointer la deuxième position de la balle. • Répéter l'opération pour toutes les autres positions. Questions : 1. Repasser chacune des trajectoires avec une couleur différente. 2. Identifier chacune des trajectoires, et préciser quelle allure celles-ci possèdent. 3. Calculer la vitesse du point du cadre entre les positions 4 et 5, puis entre les positions 11 et 12, sachant qu’entre deux images successives, 0,04 s se sont écoulées ? 4. Comment appelle-t-on de manière complète ce type de mouvement ? 5. Dans quel référentiel a-t-on réalisé ces tracés ? 6. En s’aidant de la notice et d’une feuille de papier calque, effectuer un changement de référentiel 7. Quel est le nouveau référentiel dans lequel les mouvements sont observés ? 8. Décrire l’allure des trajectoires obtenues dans ce nouveau référentiel ? 9. Finalement, où tombe la balle lâchée du vélo ? 10. Calculer la vitesse de la balle entre les positions 4 et 5, puis entre les positions 11 et 12 ? 11. Comment appelle-t-on de manière complète ce type de mouvement ? - 36 - - 37 - Annexe 4 : Documents élèves 5ème - 38 - Leçon N°7 : Et si la pile électrique n’était pas inventée ? Quand et par qui la première pile électrique a-t-elle été inventée ? De quoi est-elle constituée ? I. Au fil des découvertes en électricité… 1. Les machines électrostatiques : nous sommes au XVIIème siècle. Lis le texte suivant et réponds aux questions suivantes : Bien avant la première pile électrique, on pouvait produire de l’électricité à l’aide de machines électrostatiques. Ces machines donnaient de l’électricité «par à coup » grâce aux frottements de deux matériaux l’un contre l’autre. On a tous fait l’observation un jour ou l’autre des cheveux attirés par un peigne si celui-ci a été auparavant frotté avec de la laine ou encore du bout de papier qui peut être soulevé par une règle, frottée également. L’électricité statique est même capable de produire de petites étincelles. 1. Cite un instrument de la vie courante qui produit une décharge électrique. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 2. Quand on allume une lampe avec une pile plate, la lampe brille-t-elle de manière continue ? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 3. Cela te semble-t-il possible avec un appareil qui produit une décharge électrique ? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 4. Trouve la phrase qui correspond à notre problème, ou l’énigme à résoudre dans cette leçon ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….... ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 2. Les premières lueurs… au XVIIIème siècle Luigi Galvani est professeur d’anatomie. Alors qu’il travaille sur l’anatomie des batraciens, il remarque par hasard un phénomène très curieux : en touchant le muscle d’une grenouille –morte, forte heureusement- en deux endroits au moyen de tiges métalliques différentes, il remarque que le muscle se contracte vivement. Galvani interprète ce phénomène très curieux en disant que le muscle contient de l’électricité, qu’il appelle électricité animale, et que le contact avec les tiges métalliques provoque la décharge de cette électricité d’un point à un autre. 1. Cherche dans le dictionnaire la définition du mot interpréter ? ……………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 2. Galvani a choisi d’expliquer son observation en se servant de l’électricité animale, que penses-tu de son interprétation ?........................................................................................................................................................................... ........................................................................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................................................................ 3. Connais-tu d’autres exemples dans l’histoire où les savants s’étaient trompés ? …………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 4. Que peux-tu conclure des deux exemples précédents ?................................................................................................... ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 5. Choisis l’adjectif, ou groupe de mots qui correspond le mieux à la découverte de Galvani : Voulue, réfléchie, fruit du hasard ? Fais une phrase avec la proposition retenue : …………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. - 39 - II. La fin du XVIIIème siècle ; voilà la solution de notre énigme… Alessandro Volta, un autre grand savant Italien remarque que ce phénomène n’est pas limité aux grenouilles : si l’on touche avec la langue les extrémités de deux tiges de fer et de cuivre, on ressent un léger picotement et un goût acide. Il propose alors une explication différente de celle de Galvani : il pense que l’électricité est créée non pas par le muscle de la grenouille ou la langue de l’homme, mais par le cuivre et le fer à condition que ceux-ci soient séparés par un milieu humide et conducteur. 1. Quelle différence y a-t-il entre l’explication de Galvani et celle de Volta ?................................................................ ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 2. Réalise une expérience : Tu disposes du matériel suivant : Un morceau de cuivre, Un morceau de zinc, Un bout de carton imbibé d’acide, qui est conducteur. Propose un schéma d’expérience en t’aidant de la phrase : «L’électricité est créée par le cuivre et le zinc à condition que ceux-ci soient séparés par un milieu humide et conducteur » 1. A ton avis, est ce que ce système créé beaucoup d’électricité ?.................................................................................... ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 2. Comment faire pour produire plus d’électricité ?............................................................................................................... ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Pour cela, nous allons utiliser le matériel suivant : (identifie chaque élément en plaçant la légende) Dessine dans ce cadre ton expérience : 3. Explique comment tu vas assembler les différents éléments de l’expérience. 4. Vérifie que ton expérience permet de faire briller faiblement une diode électroluminescente. Schéma : 5. Conclusion : complète le texte suivant : Pour produire de l’électricité de manière continue, nous avons réalisé l’expérience suivante : nous avons empilé du …………………………..et des morceaux de ……………………………………………………………………………………….. L’acide permet de rendre le carton …………………………………………………………………………………………cet empilement a permis de ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Nous avons fabriqué une …………………………... 6. Peux-tu expliquer pourquoi est-ce que nous donnons le nom de pile aux éléments qui produisent de l’électricité ?................................................................................................................................................................................ ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….... - 40 - Annexe 5 : quelques productions d’élèves - 41 - - 42 - - 43 - - 44 - - 45 - - 46 - - 47 - - 48 - - 49 - - 50 - - 51 - Bibliographie • Jean Rosmorduc, Histoire de la physique et de la chimie, DE THALES A EINSTEIN, COLLECTION axes sciences. • Jean Rosmorduc, texte écrit pour l’observatoire des programmes du SNES. • Antonio Fischetti et Guillaume Lecointre, CHARLIE RAMENE SA SCIENCE, Vuibert CHARLIE HEBDO. • Antoine Prost, HISTOIRE DE L’ENSEIGNEMENT ET DE L’EDUCATION DEPUIS 1930, tempus. • Jacques Toussaint, Didactique appliquée de la Physique Chimie, Nathan pédagogie. • Gérard Chazal, Philosophie des sciences et pédagogie, collaboration à l’ouvrage collectif La philosophie saisie par l’éducation, CRDP Bourgogne. • Yves Quéré, Enseignement des sciences et Histoire, article paru au Bulletin de l’Union des Physiciens, octobre 1997. • Christine Blondel, A quoi peut servir un enseignement des sciences ?, article paru au Bulletin de l’Union des Physiciens, février 2004. • Danielle Fauque, La dimension historique dans l’enseignement des sciences en France, article paru au Bulletin de l’Union des Physiciens, avril 1998. • Maurice Bernard, L’histoire dans l’enseignement des sciences physiques, article paru Bulletin de l’Union des Physiciens, été 1997. • APISP, Bulletin d’information des professeurs d’initiation aux sciences physiques, septembre 2005. • Jean Jeandaly, textes illustrés d’histoire des sciences, CRDP Haute Normandie. - 52 - Intégrer l’histoire dans l’enseignement des sciences, par quels moyens et dans quels buts ? Résumé : Intégrer l’histoire dans l’enseignement des sciences n’est pas une idée nouvelle, mais cette idée n’a pas toujours suscité un enthousiasme partagé. Après un rappel des constats qui ont motivé ce travail, une présentation théorique des vertus reconnues de l’histoire des sciences vient précéder la description et l’analyse de la mise en pratique. Mots clés : Science et société, pédagogie, instructions officielles, enseignement dogmatique, sens commun, erreurs rectifiées. Les essais concernent les niveaux cinquième et troisième. - 53 -
