Les modèles au service des savoirs scientifiques en classe de seconde
Présentation du modèle et de la modélisation
En se basant sur Evrard, T. et Amory, B, les auteurs de Les modèles des incontournables pour enseigner les sciences, on apprend que la thématisation du concept de modèle nous vient de la physique au cours du XIXe siècle et que, l’un des premiers à en proposer un est Maxwell, physicien et mathématicien, (1831-1879) sur l’électromagnétisme et le développement d’équations différentielles. Les premiers modèles correspondent à une modélisation représentative, c’est à dire qu’ils présentent les connaissances scientifiques établies à un moment donné. 7/61 A partir de là, le concept « modélisation » devient explicite et est un choix de méthode, car en réalité, les modèles furent toujours utilisés mais dans un sens implicite. Sur ce, des controverses naissent entre les scientifiques « contraints de justifier l’utilisation d’hypothèses mécanistes face à une opposition positiviste et phénoménologie » (Evrard, T. et Amory, B.,2015). Le livre explique, de plus que « La mise en avant des modèles et de la modélisation en physique est donc liée à un conflit épistémologique » (Evrard, T. et Amory, B.,2015). Et Suzanne Bachelard (1979), philosophe et universitaire française ajoute que « Les problèmes posés par l’utilisation des modèles renvoient toujours finalement à des questions fondamentales telles que : “ Qu’est-ce qu’expliquer pour la science de telle époque ? ” ». L’auteur du livre ajoute que « La prise en compte ou non de la modélisation dans l’enseignement n’est donc pas neutre quant à l’idée de la science que l’on souhaite promouvoir » (Evrard, T. et Amory, B (2015) .p14) En ce qui concerne la Biologie, cette controverse existe aussi, un peu plus tard, dans le thème de la génétique à l’aide d’explications particulaires du modèle de Boltzmann et Thomson ; l’un physicien et philosophe et l’autre physicien, face à Morgan, embryologiste et généticien qui, en 1909 leur reproche « de reprendre les vieilles explications préformistes où les caractères des adultes sont contenus dans les œufs ». Puis en 1913 Morgan propose des explications particulaires, des modèles, pour les facteurs génétiques portés par les chromosomes (drosophile). Un modèle va, au cours du temps, se perfectionner et évoluer. Les scientifiques cherchent à établir un modèle parfait prenant en compte toutes les découvertes scientifiques afin de proposer un modèle universel et fonctionnel. Si on prend l’exemple de la classification des êtres vivants. On remarque que le modèle de classification n’a cessé d’évoluer depuis sa première apparition à l’Antiquité proposé par Aristote( -350 avant JC). Ce modèle antique proposant les bases de la classification, mettait l’Homme à part et proposait des entités avec des parties similaires et non similaires tout en conservant les caractères fonctionnels. À la même époque, se faisait la distinction entre deux règnes; animal et végétal, par Théophraste qui proposait une classification des plantes (selon leur forme et leur utilité). 8/61 Par la suite, ces modèles ont évolué ; premièrement par une classification basée sur des croyances (1492/1789). Tournefort propose une logique agglomérative et Jussieu une logique par différence, Carl Von Linné établit une classification en sept ordres (Règne, Phylum, classe, ordre, famille, genre et espèce) ainsi qu’une nomenclature binomiale, puis il utilise différents caractères pour classer les espèces. Leibniz est le premier à proposer une échelle des êtres par paliers, comprenant les roches, les animaux, les hommes, les anges et enfin Dieu. Puis l’idée est reprise par Bonnet, une cinquantaine d’années plus tard, il propose 9/61 une échelle linéaire reflétant la création et en considérant l’Homme supérieur aux autres espèces.Scala Naturae créée par Aristote et améliorée par Leibniz Vers les années 1800 commence alors les prémisses transformistes avec Cuvier, qui propose une anatomie comparée. Il définit, par ailleurs, des plans d’organisations malgré le catastrophisme qui explique les discontinuités entre les êtres vivants et un refus de l’évolution. 10/61 Puis, Lamarck, toujours en 1800, remet en cause que l’immuabilité des espèces ne suit pas la théorie du catastrophisme de Cuvier, et qu’il doit exister une continuité régulière entre les êtres vivants. Il est l’un des premiers à proposer l’hérédité des caractères acquis dans le principe « la fonction crée l’organe ». Ce principe est illustré grâce à l’analogie du cou des girafes qui, à force de tirer dessus pour manger les feuilles en hauteur c’est agrandit. Une cinquantaine d’années plus tard, la théorie de l’évolution naît, grâce à Wallace et Darwin. Lors de grands voyages, notamment celui de 6 ans à bord du Beagle, Darwin propose la théorie de la sélection naturelle pour comprendre pourquoi certains individus survivent dans un environnement donné. Il observe le polymorphisme qui correspond à une variation intra-spécifique. Il observe également l’allopatrie, correspondant à une séparation d’une population initiale sur deux aires géographiques différentes engendrant la naissance d’espèces différentes. De plus, Darwin écrit son livre en 1859 De l’origine des espèces grâce au manuscrit de Wallace tendant vers les mêmes idées. Ainsi, la classification reflète l’évolution.
La place des modèles dans l’enseignement des Sciences de la Vie et de la Terre
Mise en place des modèles et de la modélisation dans l’enseignement En reprenant les auteurs Evrard, T. et Amory, B (2015) dans le livre Les modèles des incontournables pour enseigner les sciences, nous apprenons que les modèles n’ont pas 15/61 toujours été enseignés et que l’apprentissage de la science (Biologie et Géologie) n’était basé que sur des investigations empiriques et laissait de côté l’imagination et la recherche d’explications. L’apparition du terme « modèle » dans l’enseignement français apparaît pour la première fois dans les années 1980 pour la structure interne de la Terre : « Modèle de fonctionnement du globe exprimé dans une théorie dont on soulignera les imperfections résiduelles (programme de 1erS) ». Beaucoup, ne considérant les maquettes uniquement comme des modèles d’observation, disent que ce modèle est « une simple méthode alternative quand on ne peut rien faire d’autre » et qu’il permet seulement d’expliquer ce qui n’est pas observable. Pourtant les idées changent et en 2001 les programmes précisent que « L’exercice de modélisation du réel est sans doute la démarche la plus importante et aussi la plus difficile dans la démarche scientifique », mais le concept de « modélisation explicative » n’apparaît que dans les programmes de Géologie et très peu en Biologie sauf pour « Modélisation de la synthèse des protéines » et pourtant savoir modéliser des faits observés fait partie d’une des six compétences scientifiques à avoir en classe de terminale. Par la suite les programmes officiels imposent l’utilisation d’une modélisation explicative pour construire les notions scientifiques. La difficulté la plus importante, quand on parle de modèle explicatif, est que celui-ci ne doit pas servir qu’à observer et expérimenter, mais il doit avoir pour but principal d’apporter des explications. Pour cela, dans le livre Les modèles des incontournables pour enseigner les sciences (Evrard, T. et Amory, B (2015)), l’auteur nous propose de prendre en compte « des productions d’élèves comme autant d’essais de modélisation » pour éviter « une vision empirique des sciences ». Ainsi, les représentations initiales des élèves, ayant valeur de modélisation, ne seraient pas utilisées dans le seul but d’amener une expérimentation ou une observation du modèle en question, mais permettraient, au cours d’une séquence, d’inviter les élèves à représenter un phénomène selon les connaissances déjà abordées. Par la suite, la classe pourrait débattre de la cohérence des modèles ainsi proposés.
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