L'apprentissage de la démarche expérimentale à l'école

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Le but de cette page est de présenter un tableau avec des exemples précis de séquences d'apprentissage pour chacune des étapes proposées que je rappelle ci-dessous:

savoir formuler des hypothèses:
* savoir retrouver l'hypothèse scientifique émise par un expérimentateur à partir de l'analyse d'une description d'expérience
* ne pas confondre hypothèse scientifique et supposition
* formuler une hypothèse comme une affirmation (et non comme une question)
savoir proposer et conduire une expérience :
* savoir faire la liste de tous les paramètres contrôlés
* savoir ne faire varier qu'un seul paramètre pour que l'hypothèse puisse être jugée
* savoir ce qu'est un témoin et le mettre en place
savoir interpréter une expérience - émettre un jugement sur l'hypothèse de départ
savoir exposer ses résultats et défendre sa démarche (apporter des preuves scientifiques) : c'est notamment un des points essentiels de la pédagogie "La main à la pâte"
savoir rédiger et mener de façon rigoureuse un protocole : le cahier d'expérience réalisé dans la pédagogie "La main à la pâte" en est un excellent exemple.

Voici des exemples pris dans le Tavernier (Enseigner la biologie et la géologie à l'école élémentaire, Bordas, 1996) et dans le Cantor et al. (De la découverte du monde à la biologie aux cycles II et III, Nathan pédagogie, 1996).

Exemple 1
extrait de Maryline Cantor et al., De la découverte du monde à la biologie aux cycles II et III, Nathan pédagogie, 1996, p 39
Textes (L'eau a-t-elle de l'importance sur la germination des haricots et pour la germination du blé ? pas beaucoup d'eau, pas d'eau, beaucoup d'eau, graines de haricot, graines de blé, 1er pot, 2ème pot, 3ème pot; L'eau a de l'importance sur la germination des graines de blé et sur la germination des haricots).
Pour l'analyse voici quelques pistes:
* quel apprentissage a eu cet élève ?
* que faut-il modifier pour cerner des étapes précises d'apprentissage (quelquechose de moins ambitieux et plus réaliste) ?
* la question posée peut-elle être considérée comme une hypothèse ?
* la conclusion est-elle scientifique ?
* quels sont les paramètres contrôlés ? combien y en a-t-il ? ont-ils tous été listés par l'élève ?

Exemple 2 extrait de Tavernier, Enseigner la biologie et la géologie à l'école élémentaire, Bordas, 1996, p 41

*A. Le problème à étudier*
La chouette repère avec exactitude la position d'une proie dans une obscurité totale. Quels organes des sens utilise-t-elle?
*Travail à réaliser:* Faire l'analyse des résultats de ces expériences pour répondre à la question ci-dessus.
*B. Des expériences pour comprendre*
1ère expérience : Une chouette est installée dans un local totalement obscur dont le sol est jonché de feuilles mortes. Si on lâche une souris, la chouette tourne immédiatement la tête en direction du nouvel arrivant et se laisse tomber sur sa victime avec une extraordinaire précision.
2e expérience : A l'aide d'un fil, on tire un petit objet inodore sur le sol. La chouette localise immédiatement l'objet et l'attaque.
3e expérience : On bouche les deux oreilles de la chouette et on recommence la première expérience. L'oiseau est devenu incapable de capturer la souris.
4e expérience : On bouche l'une des deux oreilles de la chouette et on recommence la première expérience. L'oiseau fait alors d'importantes erreurs de localisation.

Questions pour guider l'analyse de l'exercice:
* à quel concept fait appel cette expérience ?
* les hypothèses sont-elles formulées ?
* que doit trouver l'enfant ? qu'apprend-il ?

Exemple 3 extrait de Tavernier, Enseigner la biologie et la géologie à l'école élémentaire, Bordas, 1996, p 67

Réaumur (1683-1757), naturaliste et physicien français, a réalisé les premières expériences sur la digestion. Voici l'une d'elles, faite sur un rapace qui rejette par son bec tout ce qui n'est pas digéré par son estomac.
« Une buse, à qui j'avais seulement arraché quelques plumes des ailes pour la laisser vivre en liberté dans mon jardin, fut destinée à des expériences. Je plaçai dans un gros tube de fer blanc ouvert par les deux bouts, un morceau de viande. Le tube ainsi garni fut donné à la buse pour son premier déjeuner. Ce ne fut que le lendemain que je trouvai le tube qu'elle venait de rendre : il avait toute sa rondeur, on ne découvrait sur sa surface extérieure aucune trace de frottements. Le morceau de viande avait été réduit peut-être au quart de son premier volume ; ce qui en restait était couvert par une espèce de bouillie, venue probablement de celles de ses parties qui avaient été dissoutes.»

Pourquoi Réaumur enferme-t-il la viande dans un tube de fer ? A quoi voit-il qu'il y a digestion chimique ?

Questions pour l'analyse:
* dans ce travail sur l'histoire du concept de la digestion, le concept dominant (paradigme) était-il le même que le concept actuel ? (la physiologie était balbutiante (cartésienne, mécaniciste*): même si, par exemple, la preuve expérimentale de la circulation remonte à William Harvey (1578-1657), il faut attendre Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) pour la formulation d'un concept de respiration proche du concept actuel )
* l'élève est-il capable d'imaginer un autre concept que le concept actuel ? Connaît-il l'ancien concept, historiquement exact pour l'interprétation de l'expérience ? N'est-ce pas un artifice de dire que l'interprétation est triviale (justement à la portée d'un enfant moderne) ?
* d'une façon plus générale comment et dans quel but utiliser l'histoire des sciences au primaire ?

Exemple 4 extrait de Tavernier, Enseigner la biologie et la géologie à l'école élémentaire, Bordas, 1996, p 117

Une expérience facile à réaliser pour montrer qu'une plante absorbe de l'eau.

Questions pour guider l'analyse:
* comment appelle-t-on le tube B ? le montage est-il judicieux ?
* retrouver toutes les étapes non formulées de la démarche ?
* comment utiliser un tel montage en classe dans une séquence ?

Exemple 5 extrait de Tavernier, Enseigner la biologie et la géologie à l'école élémentaire, Bordas, 1996, p 145 (utilisé dans le sujet de l'académie de Créteil au CRPE 1996)

La fécondation artificielle de la truite est présentée ici sous forme d'une description d'expérience et non comme un reportage

Extrait du cahier d'activités CM2, biologie

Questions posées :

Quelle conclusion peux-tu dégager de cette expérience ?

Comment appelle-t-on un ovule fécondé ?

(textes: Une expérience chez les animaux; en comprimant avec la main le ventre d'une truite femelle, on récolte des centaines de petits ovules qui sont répartis en deux lots. Premier cas: le premier lot d'ovules est aussitôt placé dans une eau bien aérée; les ovules ne se développent pas et dégénèrent en quelques jours. Dans ce cas on n'obtient pas de petits poissons. Deuxième cas : le deuxième lot est arrosé par les spermatozoïdes d'une truite mâle (récoltés en comprimant le ventre d'un poisson mâle). Ces ovules sont ensuite placés dans une eau aérée. Quelques semaines plus tard chaque ovule a donné un petit poisson.)
Questions pour l'analyse :
* quel est le concept ?
* quelle est l'hypothèse émise pour cette "expérience" ?
* pourquoi ce geste technique n'est-il pas une vraie expérience ?

Exemple 6 extrait de Tavernier, Enseigner la biologie et la géologie à l'école élémentaire, Bordas, 1996, p 197 (utilisé dans le sujet du CRPE de La Réunion 1999)

TOUTES LES GRAINES GERMENT-ELLES ?

Philippe et Catherine pensent que, pour obtenir rapidement de belles germinations, il faut de l'eau et une température suffisante. Chacun sème des graines de pois. Quinze jours plus tard, Philippe conclut : "mon expérience me permet d'affirmer que les graines de pois ont besoin d'eau pour germer". Catherine lui rétorque : "ton expérience ne prouve rien".

Expériences de Philippe

conditions résultats

1. arrosage régulier

dans la classe (20°)

2. pas d'arrosage

dehors (5°)

Expériences de Catherine

conditions résultats

1. arrosage régulier

dans la classe (20°)

2. pas d'arrosage

dans la classe (20°)

3. arrosage régulier

dehors (5°)

1. Quelles conclusions Catherine peut-elle tirer de ses expériences (compare-les deux à deux) ? Les semis ont été faits à la même profondeur, dans la même terre, dans des pots identiques placés dans les mêmes conditions d'éclairement.

Les expériences de Catherine

diffèrent par...

donnent comme résultat :

conclusion

1 et 2

l'arrosage

les graines

germent en 1

ne germent pas en 2

A 20°, les graines ont besoin d'eau pour germer

1 et 3

2 et 3

2. Compare de la même façon les deux expériences de Philippe. Peut-on tirer une conclusion quand deux conditions varient à la fois ?
3. Quelles expériences proposes-tu pour savoir si la lumière est nécessaire à la germination des graines ?

Au cours de leurs activités scientifiques, et pour répondre à une question posée, les élèves sont parfois conduits à imaginer des expériences leur permettant de mettre à l'épreuve les hypothèses formulées. Ils apprennent alors qu'on peut comparer deux expériences à la condition qu'elles ne diffèrent l'une de l'autre que par un seul caractère. Ce document permet de vérifier ou de consolider cette acquisition fondamentale.

* Extrait de "la machine humaine": une explication de l'homme à l'aide de la philosophie post-cartésienne qualifiée de mécanisme ou mécanicisme (Joseph Beaude, encyclopédie Universalis, article "Descartes"):
« Par son corps, l'homme fait partie de la nature mécanique. Corporellement, il n'est que matière et tous les processus biologiques s'expliquent comme les phénomènes physiques par « la figure et le mouvement ». C'est dire qu'une biologie mécaniste proprement dite n'existe pas, puisqu'elle se définirait comme une biologie sans l'idée de vie. Dans la préface des Principes où il décrit l'arbre du savoir, Descartes parle d'une « médecine ». Il s'agit d'une médecine dont les principes généraux se trouvent dans une théorie générale des animaux-machines, qui ne fait elle-même qu'appliquer aux corps vivants les lois universelles de la physique mécaniste. Le corps de l'animal et de l'homme ne fonctionne pas autrement, sinon de manière plus complexe, que n'importe quelle machinerie fabriquée par les hommes. Dans le traité de L'Homme , Descartes nous en avertit, proposant lui-même des modèles: horloges, fontaines, moulins, orgues. « Ainsi que vous pouvez avoir veu, dans les grottes & les fontaines qui sont aux jardins de nos Roys que la seule force dont l'eau se meut en sortant de la source est suffisante pour y mouvoir diverses machines, & mesme pour les y faire jouër de quelques instrumens, ou prononcer quelques paroles, selon la diverse disposition des tuyaux qui la conduisent.
Et véritablement l'on peut fort bien comparer les nerfs de la machine que je vous décrits, aux tuyaux des machines de ces fontaines; ses muscles et ses tendons, aux autres divers engins & ressorts qui servent à les mouvoir; ses esprits animaux à l'eau qui les remuë, dont le cœur est la source, & les concavitez du cerveau sont les regars... »
Par son corps, l'homme n'est donc qu'une petite partie de l'Univers aux lois duquel il est soumis; d'ailleurs, L'Homme de Descartes, édité après la mort de son auteur, était prévu pour venir à la suite du traité du Monde dont il ne devait que constituer une partie. Mais ces lois, c'est l'homme aussi qui les pense. Par la pensée, il comprend la machine qu'est son corps et la mécanique du monde. Pour Descartes, la médecine mécaniste, comme la physique, se fonde sur la distinction de la pensée et de l'étendue. Mais cette distinction de l'esprit et de la matière n'est pas seulement cartésienne. Pascal, par exemple, n'est pas loin de Descartes sur ce point: « Par l'espace, l'Univers me comprend et m'engloutit comme un point; par la pensée, je le comprends. » Chez plusieurs des premiers mécanistes, la mécanisation de l'homme suppose une métaphysique, ou tout au moins l'idée que l'homme par sa pensée peut devenir « maître et possesseur » de l'univers corporel tout entier, précisément grâce à sa mécanisation radicale. En pensant que son corps est une machine intégrée à la grande machine de l'Univers, l'homme assure sa dignité. La mécanisation des choses et de lui-même répond chez l'homme du XVIIe siècle à une volonté de parvenir à l'intelligibilité la plus totale.» retour texte