Investigation scientifique et modélisation pour l’enseignement des sciences de la Terre -

Contribution à l’étude de la place des technologies numériques dans la conduite d’une classe de terrain au lycée

Après avoir défini un cadre pour l’investigation dans la discipline scolaire des sciences de la Terre, nous cherchons à identifier les variables didactiques pertinentes pour que les élèves puissent s’engager de manière autonome dans ce type de travail, et à discuter les rôles que les technologies peuvent jouer dans une telle démarche. Notre recherche s’inscrit dans le cadre des théories socio-constructivistes. L’apprentissage est considéré comme résultant d’interactions : interactions entre un sujet-apprenant et un objet à connaître, interactions avec un milieu didactique élaboré par l’enseignant, interactions avec des instruments et interactions sociales de ce sujet-apprenant avec ses pairs et l’enseignant.

Ce travail nous a conduit à explorer différents cadres théoriques. Il s’agit d’abord des travaux d’épistémologie et de didactique des sciences de la Terre sur les rapports que la discipline entretient avec le temps et l’espace et qui apportent un éclairage sur les difficultés rencontrées par les élèves dans la discipline pour se constituer un registre empirique à travers la connaissance des objets et propriétés du réel. Il s’agit également des travaux qui portent sur la place de la modélisation dans le travail du chercheur[2] et dans la classe[3]. Il s’agit enfin des travaux sur la médiation instrumentale au cours de l’apprentissage et en particulier sur la place des artefacts informatiques dans ce processus. Les environnements informatiques sont ainsi considérés comme des instruments[4] qui sont construits par les apprenants au cours de leur activité.

Notre point de vue est que l’apprentissage des sciences s’appuie nécessairement sur la conduite d’une démarche d’investigation c’est-à-dire une démarche qui, dans le cadre de la résolution d’un problème, conduit à mettre en tension un modèle scientifique et un registre empirique[5] constitué lors d’activités de laboratoire ou de terrain.

Ce travail se situe ainsi à l’intersection de deux champs de la recherche en éducation : les didactiques des sciences et les environnements informatiques pour l’apprentissage humain. Il vise à questionner deux hypothèses que nous considérons comme majeures :

Hypothèse 1 : Une démarche d’investigation procède d’une démarche de modélisation et le modèle scientifique en jeu est appelé à jouer un rôle clé pour que les élèves puissent s’engager dans cette démarche de manière autonome. Ce rôle réside dans le fait que l’investigation conduite consiste à mettre en tension ce modèle avec un registre empirique.

Hypothèse 2 : La question de l’instrumentation de la démarche d’investigation est une question centrale et l’intérêt d’un Environnement Informatique pour l’Apprentissage Humain ne réside pas dans le fait qu’il permet d’automatiser ce type d’activité mais dans le fait qu’il peut permettre de les médiatiser c’est-à-dire d’assister les élèves dans leur démarche d’investigation et de permettre au professeur d’exercer un certain contrôle sur ce processus.

Afin d’éprouver ces hypothèses, nous avons conçu un scénario d’apprentissage dans lequel des lycéens de terminale scientifique étaient engagés dans une classe de terrain. La méthodologie mise en œuvre s’appuie sur l’analyse d’un traçage informatique de l’activité des élèves ainsi que sur une analyse de leurs verbalisations et de leurs productions. Nous avons donc élaboré un dispositif permettant de recueillir et de représenter ces traces informatiques et conçu une grille d’analyse décrivant les différentes tâches d’un travail d’investigation pour analyser les verbalisations des élèves. C’est la mise en relation de ces deux types de traces qui permet d’analyser l’activité des élèves et d’éclairer le rôle joué par l’application dans l’instrumentation du travail d’investigation.

Nous avons été amené à concevoir Géonote[6], l’application informatique que les élèves ont utilisée. Cette application est intervenue à deux niveaux dans notre travail. En premier lieu, la conception de Géonote s’est prolongée dans l’usage que les élèves ont pu en faire au cours de nos expérimentations. Par ailleurs, cette application a permis d’instrumenter, à travers le traçage de l’activité des élèves, le travail de recherche que nous avons conduit.

Les résultats obtenus montrent que la conception de situations permettant à des élèves de s’engager dans un travail d’investigation résulte d’une double approche :

- une approche didactique qui conduit à l’explicitation du modèle scientifique afin qu’il puisse jouer son rôle d’outil pour la conduite d’une démarche d’investigation scientifique. Cette explicitation permet alors aux élèves d’utiliser le modèle comme un « outil pour penser » au cours des différentes phases de cette démarche ;

- une approche instrumentale, c’est-à-dire que la conception de l’EIAH se poursuit dans l’élaboration des scénarios d’apprentissage dans lesquels il est utilisé. L’application intervient alors en participant à la reconfiguration de l’ensemble du processus d’apprentissage. Elle permet ainsi d’élaborer des situations d’apprentissage dans lesquelles les élèves peuvent s’engager de manière autonome et construire des connaissances en s’affrontant aux difficultés qu’ils rencontrent.

La prise en compte de ces deux dimensions – explicitation du modèle scientifique en jeu dans le travail d’investigation à conduire et mise à disposition d’un EIAH destiné à instrumenter le travail de constitution du registre empirique et la confrontation de ce registre au modèle scientifique - permet alors la conception de scénarios d’apprentissage qui possèdent une certaine valeur générique mais dont la souplesse permet d’envisager que des enseignants puissent se les approprier et les adapter à leurs propres besoins.