M. Prieur- E. Sanchez- J. Barrère Modéliser, simuler, manipuler pour comprendre les conséquences des rejets anthropiques de carbone sur l’effet de serre M. Prieur- E. Sanchez- J. Barrère

Contexte de recherche Analyse des pratiques de modélisation en géosciences ACCES Équipe de didactique des sciences de la terre modèles, modélisation, simulation et écoles de terrain Modélisation climatique- Banques de données SIG modélisation du cycle du carbone et ses impacts climatiques EducTice TICE, didactique des disciplines, démarche d’investigation

Modéliser, simuler : quels rôles pour le chercheur ? Modèle conceptuel Simuler… pour éprouver un modèle pour définir son domaine de validité pour établir des prévisions Programmation Environnement de simulation Simulation Réel (Buty 2000, Vince 2000, Beaufils 2000)

Questions de recherche Quel(s) type(s) de situations doit-on mettre en place pour que les activités de modélisation et de simulation s’inscrivent dans un travail d’investigation scientifique et que le modèle scientifique puisse jouer son rôle d’instrument pour cette investigation ? Quels apprentissages les activités de modélisation et de simulation permettent-elles ? Quelles difficultés les élèves rencontrent-ils lors de la conduite de telles activités ?

Hypothèses de recherche Modèle conceptuel Modèle théorique Modélisation Expliciter le modèle en jeu Instrumenter le travail d’investigation Environnement de simulation Donner une place au réel Faire évoluer un modèle initial L’explicitation du modèle (du formalisme utilisé, des concepts en jeu et de la modélisation informatique), donne du sens aux activités réalisées et permet aux élèves de réaliser certaines tache de manière autonome L’instrumentation du raisonnement : raisonner en termes de compartiments et de flux que l’on peut manipuler à l’écran Proposer des activités qui consistent à faire évoluer un modèle initial (activités de modélisation et simulation) et d’établir des prévisions (activités de simulation) Permettre une explicitation du modèle en jeu Donner une place au réel : articuler des activités de modélisation et de simulation avec des activités de laboratoire, de consultation de banques de données Réel … la modélisation et la simulation comme des étapes de l’investigation scientifique (van Joolingen 2007)

Méthodologie de la recherche : une ingénierie didactique Analyse à priori de la place de la modélisation et simulation dans l’enseignement du cycle du carbone Identification des activités-élèves de modélisation et de simulation Relevé et analyse des traces de l’activité des élèves (productions, enregistrement audio, vidéo…)

Dévolution du problème L’homme est-il responsable de l’augmentation des GES et donc du réchauffement climatique ? Construire un modèle numérique à compartiment du cycle du carbone

Identifier caractéristiques et propriétés d’un modèle à compartiments Décrire un modèle à compartiments : Formalisme de description :variable, compartiment et flux, - formalisme de représentation, formalisme mathématique « Les activités humaines produisent du CO2 responsable d’une augmentation de la concentration de ce gaz dans l’atmosphère. » Atmosphère Q CO2 instant t Apports anthropiques  q / an q CO2 par an Bois, pétrole, gaz, calcaire… Q’ CO2 instant t Difficultés liées au vocabulaire et aux concepts sous-jacents Pas de difficulté majeure Maîtrise insuffisante des notions mathématiques

Paramétrer et construire un modèle numérique Interroger des banques de données pour déterminer : la concentration initiale de CO2 dans l’atmosphère (unité ppmv), La valeur moyenne du flux anthropique (unité Gt de C) Construire un modèle numérique à l’aide de Vensim (logiciel de modélisation à compartiment) Atmosphère 355,7 ppmv 778 Gt de C Apports anthropiques  q / an 6,4 Gt de C/an Bois, pétrole, gaz, calcaire… Q’ CO2 instant t Difficultés : concepts de chimie (masse molaire, concentration…) Certaines difficultés à utiliser l’interface

Simuler et identifier de nouvelles nécessités du modèle Simuler et comparer les valeurs calculées par le modèle aux valeurs mesurées sur le terrain calculée mesurée

Identifier de nouvelles nécessités et modifier le modèle La mise en cause du modèle construit n’est pas spontanée

Modifier le modèle numérique - Créer et paramétrer un ou plusieurs nouveaux flux - Modifier le paramétrage du compartiment atmosphère (bilan des flux)

Simuler pour paramétrer le modèle calculée mesurée Évaluer la valeur du flux de CO2 qui est piégé hors de l’atmosphère calculée mesurée

Suites envisageables… Déterminer le rôle du puit océan et biosphère … Existe-t-il des preuves de l’existence d’échanges entre l’atmosphère et la biosphère, nous proposons donc de nous appuyer sur : Des études faites au laboratoire (EXAO au cours desquelles nous pourrons quantifier les échanges gazeux à l’aide de sonde à CO2 …). Ces études sont conduites en utilisant des échantillons de végétaux ou sur une mini serre. On pourra mesurer les flux de carbone au niveau des végétaux et ou du sol en faisant varier différents facteurs, notamment l’éclairement, la température et la pco2. Les résultats obtenus ont surtout une valeur qualitative (montrer l’effet fertilisant du CO2 sur la photosynthèse – l’effet de la température sur la respiration du sol etc.), Des mesures réalisées sur le terrain (de nombreuses stations d’écophysiologie mesurent les flux de co2, … au-dessus de nombreux écosystèmes à différentes latitudes, sur tous les continents…). Toutes ces données confortent les choix qui accompagnent la construction du modèle. Une telle approche représente une nouvelle vision des mécanismes de PS et de respiration intégré dans une perspective planétaire.

Suites envisageables… Simuler avec le modèle du chercheur pour comprendre le rôle des GES Le logiciel Vensim permet de construire progressivement un modèle de complexité croissante (copier-coller). Nous n’avons pas construit le modèle complet avec les élèves… seule la première étape de construction a été conduite par les élèves. Pour les modèles complexes, ils ont exploité les modèles déjà construits que l’on présente comme le modèle du chercheur. Le modèle du chercheur n’est pas le réel. Il existe des différences entre les valeurs mesurées et les valeurs calculées par le modèle… L’analyse des valeurs calculées par le modèle permet de : Répondre à la question initiale : L’Homme est-il responsable de l’augmentation des GES présents dans l’atmosphère? Préciser la réponse : Où est passé le CO2 d’origine Anthropique? On découvre qu’une partie importante du CO2 anthropique a été piégé par la biosphère (photosynthèse) et l’autre partie par les océans froids. On découvre aussi que le réchauffement d’une part et la déforestation d’autre part stimule le dégazage des sols… (Permafrost) Avant de lancer le modèle sur le XXI siècle l’élève doit pour voir argumenter les choix : Si la population continue à croître et si les inégalités nord sud s’estompent, alors les émissions de GES vont progresser… la température globale de la planète augmentant, je prévois que les puits océaniques et biosphériques risquent de diminuer etc. les sols vont libérer un surplus de CO2 …

Premiers résultats… Des difficultés d’ordre conceptuel La modélisation compartimentale la prise en compte de concepts de différents champs disciplinaires Des difficultés d’ordre pédagogique la prise en main de l’outil informatique La durée des activités la mise en place d’un travail pluridisciplinaire Un changement de statut du modèle dans la classe est possible. Le modèle, un outil pour : comprendre, raisonner, expliquer, prédire conduire une démarche d’investigation de manière autonome

Perspectives … Projet CORISE : Conception de Ressources pour l’Investigation Scientifique dans l’Enseignement INRP (ACCES, EducTice), LIG de Grenoble PPF Apprentice option de pratiques expérimentales en classe de seconde (expérimentation de la DGESCO)