La démarche scientifique expérimentale à travers l histoire des sciences

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1 IUFM de l Académie de Montpellier Site de Montpellier La démarche scientifique expérimentale à travers l histoire des sciences MEMOIRE PROFESSIONNEL de Maths - Sciences *Soutenance le 3 mai 2000 *Directeur de mémoire : Ludovic PROUTEAU *Assesseur : Me BERNARD-BORDARIER *Niveau scolaire : Bac Pro *Lieu : Lycée Professionnel Méditerranée Auteur : Olivier MISS 1

2 Résumé Dans ce mémoire professionnel, je propose une approche originale de la démarche expérimentale, avec pour base de travail un état des lieux des connaissances en mécanique au XVIIe siècle. J ai essayé de mettre des élèves de Bac Pro en situation de découverte, pour les amener à réfléchir sur les méthodes de construction du savoir scientifique. L objectif de ce travail est une appropriation de la démarche expérimentale scientifique par les élèves, impliquant un gain d autonomie et un développement du sens critique. Mots clé : * démarche * dogme * expérience * connaissance * raison * mesure * hypothèse * modèle * méthode * histoire Summary In this dissertation, I propose a novel approach of the experimental procedure using as a work basis a review of 17 th century knowledge in mechanics. I attempted to place BAC PRO students (professional secondary school students) in a situation of discovery to lead them to reflect on the methods used to construct scientific knowledge. The aim of this work is the appropriation by the students of the scientific experimental procedure which implies increasing their autonomy and developing their critical mind. Keywords: * procedure * dogma * experiment * knowledge * reason * measurement * hypothesis * model * method * history 2

3 Réservé au Jury : 3

4 SOMMAIRE Introduction I) Réflexion théorique A) Pourquoi présenter la démarche expérimentale scientifique? 1) Choix du sujet 2) Choix du support B) Historique : d Aristote à Galilée 1) Platon 2) Aristote 3) Archimède 4) Jean Buridan 5) Galilée 6) Newton C) La méthode expérimentale scientifique 1) La méthode scientifique 2) L observation, l expérience, la mesure et l incertitude 3) Modèle, validation 4) Résumé II) Application au cours de Bac Pro industriel A) Lien avec les programmes, objectifs B) Comparaison Bac Pro / XVIIe siècle 1) Que sait un élève de BAC PRO a) En théorie b) En pratique : représentations des élèves 2) Comparaison, conclusion C) Elaboration / déroulement du cours 1) Méthode 2) Attitude pédagogique 3) Déroulement du cours Bilan Bilan de la séance Réinvestissements possibles Limites de la méthode pédagogique Conclusion ANNEXE 1 : Bibliographie ANNEXE 2 : Glossaire 4

5 Remerciements Je tiens à remercier toutes les personnes qui m ont permis de réaliser ce travail dans de bonnes conditions et m ont éclairé de leurs conseils avisés. Je remercie entre autre André Ponge et Hubbert Maillol, formateurs à l IUFM ; Ludovic Prouteau, tuteur de mémoire ; Chantal Branque, tutrice de pratique accompagnée ; et Sophian Ruel, collègue féru d histoire des sciences. Je remercie aussi tous les collègues du Lycée Mas de Tesse pour leur accueil chaleureux et leur soutien. 5

6 Introduction Molière disait qu il préférait «une tête bien faite qu une tête bien pleine»,g. Bacchelard va plus loin et parle d une tête «refaite». Le plus important est bien de savoir penser, mais il nous faut aussi dépasser nos préjugés et nous débarrasser de notre fausse connaissance. Pour cela, il faut avant tout disposer de la bonne méthode. De plus, J. Piaget a montré que «pour assimiler les notions et concepts plus complexes, l esprit doit retraverser toutes les étapes, et résoudre tous les problèmes qui se sont posés à l humanité pour arriver à la construction de ces concepts». C est cette réflexion qui m a donné l idée de reconstruire le savoir et surtout l évolution des méthodes avec les élèves, en utilisant comme support l histoire des sciences elle-même, qui retrace précisément l évolution de la pensée scientifique jusqu à nos jour. 6

7 I) Réflexion théorique A) Pourquoi 1) Choix du sujet : Pourquoi s intéresser à la méthode (plutôt qu au contenu)? Æ de quelle façon devrait-on présenter un cours de sciences? L histoire des sciences me paraît avoir un intérêt primordial au point de vue pédagogique, parce que son étude peut nous fournir d intéressantes indications sur la façon même d enseigner les sciences. En effet lorsqu on étudie l histoire des sciences, on constate que notre savoir n est en fait qu un tissus d erreurs rectifiées, fruit de longues réflexions et hésitations, et sans cesse en évolution. Il est donc impensable d enseigner les sciences de façon dogmatique, comme si le savoir était figé, immuable et évident, en oubliant de mettre l accent sur le fait que : *«le savoir a une histoire», il est construit, * la façon dont les découvertes se sont faites est aussi importante que la découverte elle-même car elle nous apprend la méthode qui mène à la connaissance et qui forme l esprit scientifique : La méthode scientifique. *la connaissance scientifique est dynamique, elle est en perpétuelle évolution. De plus, si on décide de s engager dans cette voie, c est à dire enseigner les méthodes et construire le savoir, on favorise le processus d apprentissage chez l élève car «on ne retient que ce qui est compris (ou construit?)» Il me semble donc primordial que les élèves prennent conscience de cet aspect dynamique de la connaissance scientifique, et qu ils aient à leur disposition cet outil intellectuel puissant qu est la méthode expérimentale scientifique (que nous détaillerons plus loin). C est pourquoi j ai choisi de présenter un cours en mettant l accent plus particulièrement sur l aspect méthodologique de la construction du savoir ; c est à dire que nous essayerons d adapter le cours de telle sorte qu il développe chez l élève son sens de la méthode expérimentale. 7

8 2) Choix du support a) Quel support pour présenter la démarche expérimentale scientifique? Æjustification de l emploi d une expérience historique Une expérience historique me paraît toute indiquée comme support pour la présentation de la démarche expérimentale, car elle nous fournit tout le matériel nécessaire à la problématique et à la réflexion sur le sujet. Tout d abord le côté anecdotique d une découverte peut parfois prendre un aspect amusant, et ainsi fournir une approche ludique et vivante à un problème ou une notion scientifique difficile tout en fournissant une problématique de départ. Mais surtout l analyse d une expérience historique permettra aux élèves de réfléchir et de s interroger sur les conditions dans lesquelles progresse la science, et sur la façon dont elle le fait ; j entends par là : *Pourquoi s est-on posé telle question? (problème pratique, résultats expérimentaux en désaccord avec la théorie précédente, sujet controversé ) Æ L élève y trouvera de l intérêt *Comment s est-on donné les moyens de la résoudre? Que savait-on sur le sujet à l époque? De quels instruments disposait-on (instruments de mesure, montages expérimentaux)? Quels moyens méthodologiques ( par tâtonnement, par une démarche de réflexion raisonnée)? Æ L élève se mobilise *Pourquoi si difficilement, en surmontant quels obstacles (préjugés, fausses représentations, généralisations abusives, notions à inventer ou à abandonner)? Æ L élève prend conscience que ses propres difficultés, à acquérir certains concepts par exemple, sont fondées et il les surmonte en revivant le cheminement de réflexion de l humanité. Ces questions étant à la base de la démarche expérimentale, voilà pourquoi j ai choisi de présenter un cours en m appuyant sur une expérience historique ; reste à savoir laquelle choisir. 8

9 b) quelle expérience historique? Æ justification du choix du plan incliné Notre objectif est donc de présenter à des élèves la démarche expérimentale scientifique, je pense que dans ce but l expérience du plan incliné telle que l a réalisée Galilée au XVIIe siècle (d un point de vue cinématique) est un choix tout indiqué pour plusieurs raisons : *Elle constitue un tournant décisif dans l histoire des sciences, et marque le début de l ère scientifique par l originalité de la méthode employée.(la reproductibilité du résultat en justifie la validité, la théorie basée sur le fait expérimental, etc )Elle est donc tout à fait représentative de la démarche expérimentale scientifique. De plus : *Cette expérience figure au programme du Bac Pro condition indispensable. *Le support est connu des élèves qui l ont déjà utilisé pour étudier les équilibres statiques. *Elle est simple de réalisation, et peut être réalisée avec des moyens rudimentaires. *riche d interprétations fécondes. Elle amorce ainsi le cours de mécanique, c est une leçon importante qui pose les fondements de la mécanique classique et qui permet d enchaîner sur d autres leçons. Elle débouche notamment sur : La loi du mouvement de la chute des corps Le principe de l inertie La composition des mouvements J ai donc choisi l étude cinétique d un mobile sur plan incliné comme support pour présenter la méthode scientifique expérimentale devant des élèves de Terminale BAC professionnel Carrosserie. 9

10 B) Historique : d Aristote à Galilée L étude du mouvement constitue l un des problèmes fondamentaux sur lesquels se sont penchés les savants depuis très longtemps. Pour comprendre ce que l expérience du plan incliné avait de révolutionnaire, il nous faut étudier l histoire de la mécanique et des méthodes à partir des anciens (les Grecs) 1) Platon : La raison seule mène à la connaissance Le mouvement a des causes intentionnelles (428 / 348 av J.-C.) Platon était un rationaliste : «l idée ou la pensée est à la base de toute connaissance» Et lorsqu il cherche à expliquer les phénomènes naturels, il le fait en termes de causalité : «Y a-t-il uniquement des causes inhérentes à la nature, nécessaires, errantes, sans finalité et privées d intelligence?» Non, pour lui il s agit d un «principe volontaire, intelligent et sage» : c est l action de dieu. En mécanique les causes sont nécessaires et dérivent d opérations intentionnelles. Ceci est un trait caractéristique de l époque pré-scientifique, où les hommes remplissent d eux même les phénomènes naturels en projetant sur eux leurs propres passions, en cherchant la finalité. 2) Démocrite : Le déterminisme Les lois de la nature (460 / 370 av J.-C.) Un ordre ne peut s instaurer que si les processus naturels ne sont pas soumis au hasard. «les mêmes conditions provoquent toujours dans la nature des résultats invariablement les mêmes». Partant de ce principe dicté par l intuition, une recherche des lois régissant cet ordre est rendue possible. Il ne reste donc plus qu à les trouver. 3) Aristote : On ne peut pas appliquer les mathématiques à la physique Les corps se meuvent parce que c est leur nature (384 / 347 av J.-C.) Aristote était le disciple de Platon, il reste l un des philosophes les plus universels, son œuvre immense constitue l un des fondements de la culture occidentale, et le rayonnement de sa pensée se prolonge jusqu à nos jours. 10

11 La tradition aristotélicienne soutenait que l on pouvait trouver toutes les lois qui régissent l univers par la seule réflexion, vérifier par l observation n était pas nécessaire ; la pensée d Aristote était sur ce point mal comprise. Sa physique est un système cohérent et rigoureux (mais faux), qui vise à expliquer le pourquoi, la finalité des évènements, et notamment explique le pourquoi de la chute des corps. Sa vision de la physique (mécanique) : Aristote raisonne ainsi : «Les corps se meuvent parce que c est leur nature». Il existe une différence fondamentale entre le repos et le mouvement. Les observations sur lesquelles se fondent la physique d Aristote sont indéniables : La flamme s élève, les pierres tombent. Il y a des objets légers par leur nature même et des objets lourds par leur nature même. La chute des corps est un phénomène naturel et évident (il n est aucun besoin de l expliquer). L univers aristotélicien est un cosmos (un ordre) dans lequel chaque chose a une nature et une place déterminées. Il existe par conséquent deux sortes de mouvement : *le mouvement naturel, par lequel toute chose déplacée tend à regagner sa place *Le mouvement violent, qui déplace une chose de sa place naturelle. L ordre (cosmos) est un état naturel qui tend à se prolonger tant qu on ne lui fait pas violence. On n a donc pas besoin d expliquer l absence de mouvement : le repos. Dans cette perspective le mouvement se présente comme un «état transitoire» *le mouvement naturel s arrête quand l objet a retrouvé sa place ; *le mouvement violent s arrête quand la violence cesse, on ne peut pas imaginer que se prolonge indéfiniment quelque chose de «contre nature» ; et si la cause cesse, l effet cesse. La flamme monte parce qu elle est légère. Le mouvement violent exige en revanche l action continue d un moteur extérieur associé au mobile : le bateau s arrête quand le vent cesse de souffler. Aristote, en effet, n admet pas l action à distance : quand le mobile est séparé du moteur, l action doit logiquement cesser. «Le corps en mouvement s arrête quand la force qui le pousse ne peut plus agir de façon à le pousser» Conséquences cruciales de la théorie Aristotélicienne du mouvement : *La nature a horreur du vide (si la nature était vide les corps regagneraient leur place instantanément) *On ne peut donc pas appliquer les mathématiques à la physique (car les figures géométriques se meuvent seulement dans l univers vide des mathématiques) 11

12 4) Archimède : l alliance avec les mathématiques et le recours à l expérience Les corps se meuvent car ils sont de densités différentes (287 / 212 av J.-C.) Grand mathématicien, Archimède s éloigne de la physique d Aristote car il utilise l expérimentation physique pour obtenir des démonstrations mathématiques. Il développe considérablement la statique, le principe du levier, et le célèbre principe qui porte son nom. Sa démarche est nouvelle car il prend du recul par rapport à l observation immédiate. Æ Il n y a plus d intention dans le mouvement des objets mais juste des différences de densité! La pierre tombe car elle est plus dense que l air, ou que l eau. Un grand pas dans la méthode est franchi ; l alliance avec les mathématiques et le recours à l expérience, qui deviendront les piliers de la physique moderne, restèrent néanmoins à l état d ébauche. 5) Jean Buridan : Critique du dogme aristotélicien La théorie de l impétus (1300 / 1358 ) à Paris A la théorie d Aristote qui avance que la continuation du mouvement suppose l action actuelle d un moteur, il oppose la thèse selon laquelle elle résulte d un élan (impétus) transmis par le moteur à l objet mû. «l impétus maintient et prolonge le mouvement» L idée est intéressante, mais ce n est qu au XVIIIe siècle que s opère la révolution conceptuelle qui fait apparaître la notion d accélération c est à dire la variation de vitesse dans le temps. Jean Buridan est, par sa vision des choses, un des précurseurs de la quantité de mouvement. (1564 / 1642) 6) Galilée Recherche de lois les plus générales possibles Utilisation des mathématiques pour la formulation de ces lois Recours quasi-systématique à l'expérience et aux mesures. Le mouvement se conserve Les mouvements se composent sans se contrarier Tel était l axe de recherche de Galilée, pour parvenir à ses fins : «Parmi tous les moyens éprouvés dont nous disposons pour parvenir à la vérité, se trouve le principe de faire appel au raisonnement seulement après l expérience. En effet, une erreur peut se glisser dans un raisonnement et même s y cacher, alors qu il est absolument impossible que l expérience sensible soit contraire à la vérité.» 12

13 Galilée fait sien ce principe emprunté à Aristote, et c est au nom de ce principe qu il le combattra sur le terrain de la mécanique. Par exemple, personne avant Galilée ne s était donné la peine de vérifier concrètement si des corps de poids différents tombaient vraiment selon des vitesses différentes. Du haut de la tour de Pise (selon la légende) il lâche divers objets de masses différentes, qui arrivent simultanément quand on peut négliger la résistance de l air Galilée fait aussi rouler des billes de poids différents sur des pentes douces : Ces mesures montrèrent que chaque corps voit sa vitesse augmenter dans la même proportion quel que soit son poids. La chute est donc indépendante du poids. Æ C est un premier pas dans la méthode : la vérification par l expérience! Galilée formulait ainsi ses préoccupations : «Sur les problèmes du mouvement, il me manquait un principe absolument indubitable, que je pourrai poser comme axiome pour expliquer les phénomènes observés.» Il a l intuition qu il existe une loi de la chute des corps, pour l étudier il a l idée géniale de ralentir le mouvement par un plan incliné. Des résultats qu il obtient, il déduit : que la vitesse est proportionnelle au temps de chute que la distance parcourue est proportionnelle au carré des temps Æ La théorie s appuie sur le résultat de l expérience, et non plus sur le seul raisonnement. Il réalise aussi des expériences de pensée : «Si vous poussez un ballon, puis le laissez aller, il continue son mouvement pendant un certain temps, puis s arrête. Plus vous éliminez les obstacles à ce mouvement, plus le ballon continuera à rouler longtemps. En éliminant le frottement, vous prolongez le mouvement. Si on imagine que les frottements soient complètement éliminés, et que la surface soit complètement lisse, il n y aurait alors aucun obstacle physique qui arrêterait le mouvement du ballon : Celui ci continuerait éternellement son mouvement.» Æ On en déduit que si aucune force n agit sur un objet, il continuera sans arrêt son mouvement en ligne droite : c est le principe de l inertie. On peut arriver à la même conclusion avec une autre expérience d esprit : lorsqu on lâche une bille sur un plan incliné, l accélération est d autant plus forte que le plan est incliné. Donc plus le plan se rapproche de l horizontale et plus l accélération est faible. Inversement si on lance la bille du bas du plan, la décélération sera d autant plus rapide que la pente sera forte, et d autant plus faible que la pente sera douce. Par extrapolation on en déduit que si le plan est à l horizontale la bille n accélèrera pas et ne décélèrera pas non plus : la vitesse sera constante. Conclusion : L action sur un corps n a pas pour résultat une vitesse mais un changement de vitesse! La révolution Galiléenne fonde la physique sur l expérience, non sur la spéculation, ce qui garantit des bases solides à la connaissance. C est là la vraie révolution Galiléenne. 13

14 (1642 / 1727) 7) Newton Les mathématiques complexes La notion de force Le principe de l inertie Le principe fondamental de la dynamique Par la suite, Newton utilisa les mesures de Galilée comme base de ses lois du mouvement. Dans les expériences de Galilée, un corps roulant sur une pente est toujours soumis à la même force (son poids) dont l effet est d augmenter sa vitesse. Cela montre que la véritable action d une force est de modifier la vitesse d un corps, et non simplement de le mettre en mouvement comme on le pensait avant. Cela signifie aussi que lorsqu un corps n est soumis à aucune force, il continue à se déplacer en ligne droite à la même vitesse. Ceci constitue la 1 ère loi de Newton qu il explicite en 1687 dans ses «Principia Mathématica» : c est le principe de l inertie, théorie expliquant le mouvement des corps dans l espace et dans le temps. Il développe aussi les mathématiques complexes nécessaires à l analyse de ces mouvements. La 2 nde loi ou principe fondamental de la dynamique, pose les bases de la dynamique. Le 1 er principe n est en fait qu un cas particulier du 2 nd principe. Il aura fallu tout ce temps depuis Aristote pour que l on s intéresse au pourquoi du mouvement, non plus en terme de finalité mais de cause. On doit aussi à Newton le principe d égalité de l action et de la réaction, qui constitue la 3 ème de ses lois. On voit à travers cette historique que la science a emprunté bien des chemins avant d arriver aux conclusions qui nous paraissent maintenant évidentes. On nous présente en effet souvent la physique de cette façon : un édifice achevé et immuable. Mais c est une grave erreur de jugement que de considérer ainsi les résultats scientifiques. La science contemporaine n est pas une science de l évidence, elle est le fruit d un travail long et incertain, basé sur une méthode : la démarche expérimentale scientifique, qui elle même est le résultat de siècles de tâtonnements. 14

15 C) La méthode expérimentale scientifique Finalement, quelle est la méthode expérimentale scientifique utilisée de nos jours par les chercheurs? Tout d abord qu est ce que la méthode? 1) La méthode scientifique La méthode dans les disciplines scientifiques est un vaste sujet de débats. Il existe bien des tentatives de construction théorique d'une méthode qui serait la méthode idéale pour l'obtention de résultats proprement scientifiques. Par opposition au processus, (enchaînement ordonné répondant à un certain schéma et aboutissant à un résultat déterminé, une espèce de mécanique incontrôlable), la méthode devient une démarche volontaire qui doit fournir un moyen infaillible d aboutir à la «vérité scientifique». Cette vérité se traduisant le plus souvent par une modélisation la plus fidèle possible de la réalité. Même plus : la méthode doit être capable de toujours améliorer la qualité des connaissances. On l a vue dans la partie historique, la méthode utilisée de nos jour est très différente de celle des grecs par exemple, qui cherchaient les «causes intentionnelles». La démarche qui doit mener de façon la plus sûre possible au résultat scientifique s appuie maintenant (comme le fit Galilée) sur la mesure et sur l expérience. 2) L observation, l expérimentation, la mesure et l incertitude Dans son acception la plus immédiate, l'observation du monde est l'acte par lequel nos sens nous informent sur celui-ci, c est l expérience première. Mais l'observation brute est sans contenu : elle ne devient digne d'intérêt que si l'intelligence s'en saisit. Il faut dépasser cette expérience première de la réalité, «le fait coloré et divers» selon G. Bacchelard, pour nous intéresser au fait scientifique. Galilée faisait rouler des boules sur des plans inclinés, les lâchait de la tour de Pise et mesurait des temps de chute : par ces expériences, il mettait en œuvre une démarche d'expérimentation et se comportait en expérimentateur. L'expérimentation se frotte au réel qu'elle interroge. C'est la façon qu'a notre science de poser une question à la nature. En ce sens et le plus souvent, il n'y a pas d'expérimentation sans idée préalable, sans intention, sans «forçage» par lequel l'expérimentateur s'impose ou perturbe le cours naturel des choses. Pour aller vers toujours plus de rigueur, la mesure est le partenaire incontournable de l expérience. L'observation quantifiée des régularités du réel est la base même de la science : «Le monde est écrit en langage mathématique» (Galilée, XVIIe siècle) 15

16 La mesure s'est développée dans deux directions. D'une part, elle s'adresse à des quantités de moins en moins perceptibles aux sens : la vitesse ou l'accélération. D'autre part, la mesure s'est éloignée progressivement des phénomènes macroscopiques pour aller vers le microscopique. La mesure participe ainsi au travail d abstraction et de modélisation du réel. Notons au passage que la mesure en physique est constituée de deux données indissociables : La valeur de la mesure elle même et l incertitude sur cette mesure; c est seulement dans ces conditions que la mesure devient significative. 3) Modèle, validation En se basant sur les résultats quantifiés de l expérience le physicien formule des hypothèses, élabore des théories. Ces théories seront à leur tour validées ou infirmées par l expérience, en partant du principe que c est la reproductibilité à l infini qui valide le modèle. Stephen Aukins s exprime ainsi en soulignant les limites d un modèle : «Une théorie est un modèle décrivant une partie de l univers avec un ensemble de règles se vérifiant aussi bien à l intérieur du modèle que dans la réalité observée. Pourtant ce modèle n existe que dans notre esprit et ne peut avoir d autre réalité, de quelque nature que ce soit.» La méthode scientifique de base est donc celle qui fait confiance à l'observation et l'expérimentation, la mesure, l'extrapolation des résultats par généralisation (l induction), et la confirmation à l'infini de ces résultats au travers d'une multitude de vérifications. Elle repose dans ses grandes lignes sur le Schéma OHERIC : Observation Æ Hypothèse Æ Expérience Æ Résultats Æ Interprétation Æ Conclusion En fait, la réalité est plus complexe et le cheminement n est pas aussi linéaire; le dialogue entre hypothèses et expérience est permanent. Le fruit de ce dialogue est le résultat proprement scientifique, avec tout ce qu il comporte d incertitudes et de limites. 16

17 4) résumé On peut schématiser (tout en gardant à l esprit les limites d une telle simplification) le processus de la Démarche Expérimentale Scientifique ainsi : Bilan des connaissances : *théorie *notions *domaine de validité bilan constat Formulation d un problème : *Limite ou insuffisance de l ancienne théorie *résultats incohérents *théories divergentes ou contradictoires réflexion Hypothèse(s) : *Nouvelle théorie *Restriction / extension du domaine de validité *nouvelles notions *notions à construction Conclusions : *hypothèse juste *hypothèse fausse *on ne peut pas conclure *formulation Analyse interprétation Résultats : *Confirmation *Infirmation * précision réalisation Expérience : *vérification *reproductibilité du résultat * recherche des contres exemples 17

18 II ) Application au cours de Bac Pro industriel A) Lien avec les programmes, objectifs On peut lire dans le bulletin officiel des programmes : Pour le BEP : «L enseignement des sciences poursuivra donc une double finalité : 1- Faire acquérir des connaissances et entraîner à leur utilisation 2- Contribuer à l éducation méthodologique du lycéen. L expérimentation scientifique associée à la réflexion théorique, permet à l élève de participer à la construction de son savoir. Il sera notamment entraîné à : Définir l objet de son étude Inventorier les paramètres dont dépendent les phénomènes Formuler des hypothèses ( ) Choisir le mode de saisie et d exploitation des données à recueillir lors d une expérimentation. Enoncer une loi expérimentale, en estimer les limites.» On retrouve ici, dès le BEP, la démarche expérimentale scientifique dans ses grandes lignes. C est cet enseignement méthodologique que j ai choisi de mettre en avant, visant à développer l initiative, la rigueur et l esprit critique. On peut déjà faire la remarque que la leçon que je présenterai peut tout à fait trouver sa place dans un cycle de BEP. L expérience sera alors d autant plus intéressante que les élèves seront plus vierges de connaissances et de représentations scolaires, notamment sur la mécanique. Pour le Bac Pro : «Outre l intérêt qu elle présente vis-à-vis de l appropriation de techniques et de concepts, la démarche expérimentale (qui est au fondement des programmes) contribue à former les esprits à la rigueur et à l honnêteté intellectuelle.» Dans la même optique que le BEP, on souligne l importance de la démarche dans l appropriation du savoir. En m inspirant des textes officiels, l objectif que je me fixe est non seulement d enseigner la démarche expérimentale scientifique, mais aussi de la faire redécouvrir aux élèves. Pour cela je vais m efforcer de les mettre dans les conditions qui ont vu naître cette méthode, en essayant de les guider le moins possible et de susciter chez eux le questionnement approprié. 18

19 B) Comparaison Bac Pro / XVIIe siècle Peut-on comparer la culture d un élève de BAC Professionnel Carrosserie et celle d un érudit en mécanique au 17 siècle? Autrement dit, dans quelle mesure peut-on faire revivre le cheminement de pensée de Galilée à des élèves qui ont déjà un certain baguage scientifique, qui sont imprégnés de l environnement technologique dans lequel ils vivent, et à qui on a déjà présenté un modèle cohérent et construit de la physique? 1) Que sait un élève de BAC PRO sur la mécanique? (mécanique du solide bien entendu) a) En théorie Si on se réfère au programme officiel, en théorie, l élève qui sort de BEP industriel est capable de : connaît : sait : Modéliser une action mécanique par un vecteur Les notions de force, de vitesse et d accélération Le principe d interaction Les Conditions d équilibre d un solide Choisir un référentiel Calculer une vitesse moyenne Reconnaître un mouvement de translation rectiligne uniforme. Calculer une accélération Expérience : Chute libre sur ESAO ou autre Ou mobile sur un rail à coussin d air incliné Æ x=f(t) :Parabole et V=f(t) : droite Il est néanmoins prudent de faire un bref état des lieux chez nos élèves. b) En pratique : représentations des élèves Le but est ici de cerner les représentations des élèves principalement sur les notions de mécanique, en vue d établir un bilan des connaissances. C est le point de départ de tout travail pédagogique. Si ce sondage est effectué avant le cours (ce qui est le cas) il peut susciter un questionnement, une remise en cause de leur propre savoir : Les élèves doivent prendre conscience que la difficulté d expliquer une notion est un signe d une mauvaise compréhension. On peut aussi enchaîner sur un débat socio-cognitif qui fera émerger encore plus les fausses représentations ou mettra en évidence leurs insuffisances. J ai posé les questions suivantes aux élèves de BAC PRO carrosserie du Lycée Méditerranée, en leur laissant environ 15 minutes avec pour seules consignes de répondre librement, sans craindre «d écrire une bêtise», ainsi que de ne pas échanger leurs points de vue : 19

20 *Comment expliquez-vous le mouvement d un corps en chute libre? Et comment le décrivezvous? *Qu est ce que la vitesse? Comment la représente-t-on? *Qu est ce qu une force? Comment la représente-t-on? Voici les résultats obtenus : Test réalisé en terminale Bac Pro Carrosserie, Lycée Méditerranée Comment 1) Cela fait une ligne en tombant expliquez-vous le 2) C est un mouvement rectiligne perpendiculaire au sol mouvement d un 3) le mouvement d un corps en chute libre s explique par un corps en chute mouvement rectiligne uniformément accéléré libre? 4) ( ) S explique par la chute d un objet sans en rencontrer un autre Et comment le et qui chute grâce à l attraction terrestre et à l apesanteur. décrivez-vous? Mouvement rectiligne uniformément accéléré. 5) Quand un objet chute quel que soit sa hauteur il se heurte au sol, ce phénomène est du à l attraction terrestre. Ce mouvement s accélère plus la hauteur de chute est importante, on dit que ce mouvement est uniformément accéléré. 6) Un corps est en mouvement suivant sa position à cause de son centre de gravité. Exemple : un homme en chute libre ira plus vite les bras le long du corps, s il écarte les bras et les jambes, son centre de gravité change et le corps va moins vite. 7) Un corps quelconque soit sa masse et son volume lorsqu il n est pas tenu par une force opposée et égale à l attraction terrestre se trouve en chute libre. On observera alors la chute de ce corps dans un mouvement uniformément accéléré. Toutefois cette expérience ne pas être effectuée dans le vide d air ou en apesanteur. 8) Le mouvement d un corps s explique dans une chute libre. Dans les objets qui rencontrent la force de la pesanteur, que la chute dans la force terrestre qui fait le mouvement. Qu est ce que la vitesse? Comment la représente-t-on? 1) C est un corps en mouvement 2) C est le mouvement d un corps dans l espace. Une vitesse est représentée en m/s 3) La vitesse est v = at, c est le résultat de l action par le temps. 4) La vitesse est présente lorsqu un corps est en mouvement par rapport à une distance pour un temps donné. On la représente en m/s 5) La vitesse est le mouvement d un objet dans l espace, on la représente par une distance par le temps. 6) La vitesse est un déplacement. Moins on mettra de temps pour parcourir une distance, moins on ira vite. On peut la représenter par une courbe t = f(d) 7) La vitesse c est la mesure effectuée d après un corps en mouvement sur un temps et une distance donnée. La représentation graphique d une vitesse se fait avec une courbe qui varie selon la vitesse. 8) La vitesse c est lorsqu un corps est en mouvement par rapport à la distance et le poids. 20

21 Qu est ce qu une force? Comment la représente-t-on? 1) C est l action d un corps en mouvement 2) Une force est un effort représenté sur papier, souvent sous forme de vecteur. Unité : le Newton (N). 3) Une force est une action soumise sur un objet. F=PS Représentation : F vecteur 4) On représente une force par des vecteurs et elle s exprime en Newton. 5) Une force est une action émise par un objet pour le déplacer 6) La force est un effort exercé en un point sur le sujet. La force est représentée par un vecteur force, exemple : vecteur F. 7) Une force est définie par un effort exercé en un point sur un solide. Elle est représentée par un vecteur modélisé par une flèche. Une force a obligatoirement une direction un sens une intensité et un point d application. 8) Elle représente une force par une vitesse dans l espace en fonction du poids (pascal, Newton) L analyse de ces réponses, dont le contenu constitue déjà une mine de renseignements, aboutit aux conclusions suivantes : Sur le mouvement d un corps en chute libre : x On constate un amalgame entre les notions d explication et de description. x Un élève sur deux évoque l attraction terrestre comme cause de la chute libre. x La description est en général correcte et la majorité des élèves ont acquis le fait qu une chute libre est rectiligne uniformément accélérée. Æ Au niveau du mouvement uniformément accéléré, nous pouvons constater le bon résultat du travail effectué en BEP ; pourtant la cause de la chute des corps est connue de seulement la moitié des élèves! Ceci me paraît un signe inquiétant de graves lacunes. Sur la vitesse : x Il apparaît en grande majorité une confusion entre mouvement et vitesse, un seul élève a défini la vitesse comme une «mesure du mouvement». Æ La vitesse est finalement une notion subtile, c est le rapport de deux grandeurs non homogènes. Il semble, de manière maladroite, que les élèves aient conscience du caractère relatif de la vitesse. Sur la notion de force : x La force apparaît clairement comme une action exercée sur un objet, cependant il n apparaît pas que tout ce qui a pour effet une variation de vitesse d un corps est une force. Ceci se comprend car la notion de force est loin d être évidente. Æ Finalement les élèves semblent savoir globalement ce qu est une force, même si la façon de l exprimer laisse à désirer et qu il reste encore de grandes zones de flou autour de cette notion. On constate les confusions liées à la représentation sous forme de vecteur : «la force s applique en un point» alors qu un vecteur est une modélisation qui représente quasiment toujours la résultante d une infinité de force. Parfois la force est «émise par l objet». 21

22 3) Comparaison, conclusion Finalement peut-on comparer la culture scientifique de l élève de Bac Pro à celle du XVIIe siècle, et en quel sens? Ces élèves sont sensés maîtriser les notions de mouvement, vitesse et force. Le fait qu il subsiste encore énormément de lacunes et d erreurs montre bien que les notions n ont pas étés comprises en profondeur. En ce sens, leurs connaissances ne sont pas si éloignées de celles du XVIIe siècle. Malgré tout leur attitude manque de curiosité car ces concepts sont pour eux connus et acquis. Du fait de leur environnement, ce sont des notions complètement banalisées ; par exemple la vitesse se lit sur le compteur de la voiture. En fait ils ne s étaient jamais vraiment posé la question : «qu est ce que la vitesse?» Cette vitesse posait pourtant des problèmes aux savants de l époque. Depuis les grecs, le rapport était considéré comme une simple relation entre deux grandeurs ou nombres, qui se devaient d être homogènes. Un rapport n était pas en soit une grandeur, et n était donc pas quantifiable. On ne pouvait concevoir le rapport de deux grandeurs non homogènes, ce qui posait de sérieux problèmes pour la quantification et la mesure de la vitesse. L approche de ces élèves est donc évidemment très différente de celle du XVIIe. Conclusion : Il est clair que les élèves de Bac Pro ne sont pas au même stade que les savants du XVIIe siècles. Leurs connaissances, bien que plus complètes, sont relativement floues ; ce qui permettra quand même un bon travail de redécouverte. Le principal problème, pour l objectif que je me suis fixé, sera l apparente banalité du sujet. Il faudra donc susciter le questionnement, réveiller l intérêt. 22

23 C) Elaboration / déroulement du cours 1) Elaboration du cours Comment allons nous procéder? On peut envisager différentes stratégies pour construire ce cours. Une analyse avec les élèves de l historique de l expérience du plan incliné pourrait être intéressante mais les élèves seraient alors passifs. Une mise en situation de redécouverte me semble plus enrichissante. Comme disait J. Piaget : «Ce qu on enseigne aux élèves, on les empêche de le découvrir». C est dans cet esprit que j ai choisi de construire le cours, qui se présente ainsi (dans ses grandes lignes) : Les éléments de bases étant donnés (état des connaissances au XVIIe), la problématique est amenée par une réflexion sur les points de vue différents, un débat d idée peut s engager. Le champ est libre à l investigation, les élèves proposent des hypothèses, des expériences, qui pourraient prouver la validité de leur propre théorie, ou seulement fournir des éléments de réponse. On peut ensuite comparer la démarche des élèves avec celle de Galilée (l objectif étant quand même de coller au plus près à cette démarche), et extraire de cette confrontation le principe de la démarche expérimentale scientifique. Cette méthode a l avantage d impliquer les élèves dans la construction du cours, elle leur permet une meilleure acquisition et un gain d autonomie. 2) attitude pédagogique Il me semble de plus que l attitude pédagogique doit être en accord avec la démarche enseignée. Comment enseigner de façon dogmatique une méthode qui prône le sens critique? Et rester crédible dans le même temps? Ainsi, je pense que la démarche enseignée et la façon de l enseigner doivent aller de pair vers un traitement non dogmatique : x x x du mode de formulation du mode de relation au contenu du mode d établissement de la preuve. 23

24 On peut schématiser la conversion à effectuer pour le passage d une attitude dogmatique à non dogmatique. Je donne en parallèle des exemples portant sur une situation pédagogique et sur une situation scientifique. Traitement dogmatique Attitude pédagogique Traitement non dogmatique Implicite mode de formulation explicite, classer, définir Vitesse distance temps «la vitesse est une grandeur proportionnelle à la distance, et inversement proportionnelle au temps ; on la définie donc comme le rapport de d sur t. «Tu as 12 sur 20 au contrôle» «Tu es en progrès, cette note est l une des meilleures, c est du bon travail» Certitudes, vérité mode de relation au hypothèse, provisoire,approximatif Contenu de pensées r r F ma «Jusqu à preuve du contraire, il semble que le PFD soit une bonne approximation de la réalité». Dans les cas où la vitesse est proche de celle de la lumière, il est faux. «tu es nul» «Il semble que tu sois faible en physique, tu peux certainement améliorer tes résultats?» Généralisation mode d établissement recherche des contre-exemples abusive de la preuve précision du domaine de validité «les corps tombent Contre-exemple : c est faux dans d autant plus vite le vide. Cette loi est vraie dans les qu ils sont plus massifs» cas où on ne peut pas négliger les (cf. le kg de plume et de plomb) frottements de l air. «tu ne comprendra jamais rien» «tu as bien répondu tout à l heure, mais dans ce cas précis tu as tort.» dogme Démarche scientifique Démarche expérimentale 24

25 3) Déroulement du cours J ai expérimenté ce cours après avoir réalisé le travail sur les représentations des élèves (cf. paragraphe B-1-b ). L amorce se fait par la proposition suivante : «replaçons-nous dans un contexte particulier : le XVIIe siècle, en Italie, au cœur d un débat polémique sur l explication de la chute des corps.» La problématique n est pas clairement exposée, elle va émerger peu à peu du débat qui suivra. Différentes idées s affrontent, que j expose aux élèves : L idéologie dominante d Aristote Sur le mouvement : *Les corps se meuvent parce que c est leur nature *Il existe 2 sortes de mouvements *Le mouvement est lié à l action méthode : *On ne peut pas appliquer les mathématiques à la physique *La raison mène à la connaissance L explication du mouvement du javelot lorsqu il quitte la main du guerrier est peu satisfaisante (idem : La trajectoire du boulet de canon), elle fait appel à l air comme moteur lorsque la main a lâché le javelot. On critique cette vision : Jean Buridan propose sa théorie de l impétus, qui maintient et prolonge le mouvement après l action du moteur. Jean Buridan : Sur le mouvement : *Théorie de l impétus Æcritique du dogme Archimède pour ce qui est de la méthode, a déjà appliqué les mathématiques à la physique, il a eu recours à l expérience pour formuler son principe, et il s en sert pour expliquer la chute des corps : les corps se meuvent car ils sont de densités différentes. Archimède : Sur le mouvement : *les corps se meuvent car ils sont de densités différentes méthode : *Il a recourt à l expérience, il se sert de son principe pour expliquer la chute des corps, il applique les mathématiques à la physique. Æ recours à une loi 25

26 Après cet exposé, je propose un exercice pour que les élèves s imprègnent des différentes théories. La consigne est la suivante : «trouvez des arguments en faveur de chaque théorie et des objections qu on pourrait lui faire». C est l étape du bilan des connaissances, il est important d examiner tous les points de vue, de s approprier toutes les données avant d avancer sa propre hypothèse. Cet exercice permet en plus de s imprégner de l état d esprit de l époque et de développer le sens critique. *Je fais quelques remarques : «Ces explications répondent elles à la même question?» ÆIls sont d accord sur le fait que chaque théorie «ne voit pas les choses sous le même angle». «Quelle méthode vous semble la plus valable? Pourquoi?» ÆA première vue toutes les méthodes semblent bonnes. «Quelle théorie vous semble la plus valable» Æ Les élèves à ce stade ne prennent pas partie pour l une ou l autre des théorie, mais le besoin d une réponse se fait sentir, de même qu une problématique claire. Ce «manque» au niveau de la question est voulu, savoir poser une question en termes clairs et précis fait partie intégrante de la démarche scientifique expérimentale. Il faut donc mettre les élèves en situation, même si le résultat n est pas probant. * J interviens alors pour guider les élèves : «Galilée se pose un problème : il a l intuition qu il existe une loi universelle de la chute des corps.» C est la Formulation de la question, de la problématique : «Pourrait-on trouver cette loi? Et quelles sont les grandeurs qui vont intervenir?» Æassez facilement les grandeurs sont répertoriées: hauteur, temps, vitesse et masse. Après réflexion sur celles qui sont le plus aisément accessibles (la masse ne varie pas, on ne sait pas mesurer la vitesse), tout le monde est d accord sur le fait que l objectif est de trouver une loi qui relie la hauteur de chute et le temps écoulé : h = f(t) * «quelle méthode allons nous employer pour trouver cette loi (avec les moyens du XVIIe)? C est à dire la façon dont ces grandeurs sont liées?» Là, nous allons étudier les faits plutôt que de conjecturer : c est la phase de construction de l expérience. Quels sont les moyens mis à notre disposition? Les élèves sont confrontés aux problèmes de l expérimentateur : ils sont perdus, les questions restent sans réponses. Comment repérer la hauteur de chute? Comment mesurer le temps sans horloge ni chronomètre? Je suis obligé de dévoiler l astuce : pour ralentir la chute et en même temps repérer la position on utilise un plan incliné, pour le temps on mesure la hauteur du liquide qui s écoule d un récipient percé. Il reste ensuite à peaufiner l expérience ; quel type de mobile, quel type de plan, quels relevés faire 26

27 * La fin de l heure arrivant, je fais un bilan de la séance, je reprends les étapes clés de notre cheminement : bilan des connaissances formulation de la question construction de l expérience *La séance suivante doit comporter dans la même optique : la mise en œuvre du procédé expérimental l exploitation des résultats la conclusion : la formulation de la loi de la chute des corps Elle sera suivie d une réflexion sur la validité du résultat obtenu. Est-ce une description ou une approximation du réel? Quelles sont les limites, les incertitudes sur cette loi? Dans quelles mesures ce résultat est-il provisoire? Quel est le principe de la méthode employée? En quoi cette méthode est-elle plus valable que les autres? Sur quoi repose-t-elle? (mesure, expérience prépondérante, reproductibilité) Quels ont été les obstacles à surmonter (abandonner l explication finaliste)? 27

28 III) Bilan A) Bilan de la séance Durant cette heure de cours, les élèves ont été confrontés à une forme différente d enseignement. Le coté historique a particulièrement suscité leur intérêt. Mais cette approche originale d un problème de physique les a néanmoins surpris, et pour certains mis mal à l aise. Il n est pas aisé de changer spontanément d attitude quand on vit dans un environnement technologique et qu on a reçu pendant toute sa scolarité les résultats de la science comme vérités indiscutables (dogmatiques). Le passage d une démarche passive de l élève à active n est pas facile, de plus on substitue à un savoir sûr, stable, sécurisant, une connaissance à construire, hypothétique, critiquable. Ce sentiment d insécurité chez les élèves est donc tout à fait compréhensible. Ce passage est pourtant incontournable pour qu ils puissent un jour accéder à un savoir objectif, et à l autonomie. Globalement cette séance a eu pour principal effet de soulever des interrogations, auxquelles les élèves n étaient certainement pas préparés. Le souhait que je fais est que les réflexions qui ont été lancées portent leurs fruits sur le long terme. Pour cela il faudrait pouvoir suivre tout au long de l année l évolution des élèves en continuant dans la même optique de travail, et en contrôlant l acquisition de la méthode. B) Réinvestissements possibles La démarche expérimentale détaillée dans ce cours est valable dans n importe quel contexte scientifique, mais aussi dans d autres disciplines. Il serait bénéfique pour les élèves d organiser des activités de réinvestissement en collaboration avec d autres professeurs de matières différentes. Ceci permettrait de contrôler l acquisition réelle de la méthode, puisque l outil ainsi dégagé de sa discipline devient réutilisable. C) Limites de la méthode pédagogique Donner les moyens d accéder à l autonomie est un but très légitime. Néanmoins la méthode pédagogique employée est longue ; elle est liée à une maturation intellectuelle que chaque élève doit accomplir seul, et qui peut se faire plus ou moins vite. Cette exigence au niveau du temps est difficilement compatible avec les obligations de résultats, liés à l objectif de l examen qui pousse au «bachotage» plutôt qu à une compréhension en profondeur. Certainement la solution se trouve-t-elle à mi-chemin entre ces deux extrêmes. L utilisation de l histoire des sciences est ici relativement facile, tant au point de vue du contenu qu au niveau de la réalisation de l expérience. Cette approche n est évidement pas toujours possible, car les progrès des sciences font que les appareils sont de plus en plus sophistiqué, et on arrive rapidement à un niveau où un simple plan incliné ne suffit plus. Je pense quand même que cette approche historique est à privilégier chaque fois que cela est possible, car elle enrichi le cours de manière considérable. 28

29 Conclusion La vie de la physique consiste en une approximation toujours plus poussée de la réalité, et cela au travers de bouleversements permanents (concepts, notions, échelle). Pour s adapter à l évolution du monde et des science, les élèves doivent maîtriser les méthodes qui leur permettront de comprendre l évolution des connaissances. De plus, la méthode expérimentale est universelle ; elle peut s appliquer dans de nombreux cas, de nombreuses disciplines, c est donc un moyen pédagogique privilégié : une méthode pour «apprendre à apprendre». Développer cette méthode chez l élève, c est le rendre plus autonome et acteur de la construction de son savoir. De mon point de vue de professeur stagiaire, étudier la démarche expérimentale m a dévoilé des pistes pédagogiques très intéressantes, notamment sur la façon d enseigner les sciences. Le support que constitue l histoire des sciences m a pour cela été d une aide précieuse, et mérite selon moi d être plus utilisé. 29

30 ANNEXE 1 : BIBLIOGRAPHIE «Sur les sentiers de la science» Ed Albin Michel Collection dirigée par André Georges «La formation de l esprit scientifique» Ed Librairie philosophique J. VRIN G. Bachelard «Que sais-je? : Histoire de la physique» PUF Guy Guaydier «Que sais-je? : La didactique des sciences» PUF IUFM de Grenoble «Le Trésor : dictionnaire des sciences» FLAMMARION Michel Serre et Naila Farouki «La physique moderne et ses théories» Ed idées nrf Arthur March «Une brève histoire du temps» FLAMMARION Stephen Aukins «Encyclopédie UNIVERSALIS» «Les cahiers de Science & Vie : Ce que les grecs ont vraiment inventé» *CD-rom «Galilée, et pourtant elle tourne» ARBORESCENCE Guy Casaril «Einstein et son temps» HAVAS édition électronique Daniel Garric 30

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