La démarche d’investigation Stage inter-degré - Montréal - 9 au 11 janvier 2013 Hervé Froissard

La démarche d ’investigation  Pour construire des savoirs scientifiques à partir d ’exemples concrets.  Pour assurer la formation méthodologique des élèves au travers des productions réalisées  Pour motiver les élèves et leur faire aimer les sciences en donnant du sens et en s ’appuyant sur le concret.

Deux exemples de démarches d’investigation au collège En SPC et en 5ème : sources primaire et secondaire de la lumière ; distinction entre diffusion et réflexion En SVT et en 3ème : chaque chromosome est constitué d’ADN

Une investigation en classe de 5ème , en SPC Une situation déclenchante Monsieur et Madame Labricole sont sur la route des vacances et en pleine nuit, un  chauffard les pousse dans le fossé. Les dommages sont heureusement peu importants : un pneu crevé ! Aide les à y voir clair pour qu’ils puissent changer leur roue !  Indice …les valises sur le toit contiennent : - Un pull noir, des affaires de toilette. - Des draps blancs - Un tee shirt bleu marine - Des chaussettes vertes. - Une couverture rouge. - Une carte routière.

Comment éclairer un objet Hypothèses proposées par les élèves - Diriger la lumière des phares sur le pneu à l’aide d’un miroir (trousse de toilette). Disposer le drap blanc devant les phares pour éclairer le pneu crevé Disposer et orienter le drap blanc de manière à éclairer le pneu crevé  D’autres hypothèses sont écartées comme : Badigeonner la roue de dentifrice ( difficilement réalisable). Attendre le lever du soleil. Appeler un dépanneur. Décrocher un phare pour l’orienter sur la roue. Rouler jusqu’au prochain point lumineux …

Enoncé d’un protocole pour modéliser la situation Liste de matériel fourni Tissu blanc, noir, colorés Miroir Lampe de poche … Modélisation: mise à l’épreuve des hypothèses En manipulant , les élèves sont assez surpris de l’efficacité de leur dispositif et comprennent l’importance de l’orientation de l’écran blanc. Présentation des résultats et confrontation aux données Structuration du savoir Une source primaire produit elle-même la lumière qu'elle émet. Une source secondaire diffuse la lumière qu'elle reçoit. Les objets clairs diffusent mieux la lumière que les objets foncés

Introduction de la notion de propagation rectiligne de la lumière. Prolongement Introduction de la notion de propagation rectiligne de la lumière. Schématisation du dispositif Tracé des rayons lumineux Remarques On peut utiliser l’image pour soulever le problème de la représentation du faisceau lumineux émis par les phares ; est-il réellement visible ?… Distinction entre les phénomènes de réflexion et de diffusion.   

Des chromosomes dans des cellules de racine de jacinthe Une investigation en classe de 3ème, en SVT Une situation déclenchante Des chromosomes dans des cellules de glandes salivaires de larves de chironomes Des chromosomes dans des cellules de racine de jacinthe Les filaments colorés en vert ou en rose dans ces cellules sont des chromosomes Les chromosomes, présents dans le noyau sont le support du programme génétique.

Quelle est la molécule constitutive des chromosomes? Définition d’un projet: comment va-t-on faire pour répondre à cette question? 1ère étape: isoler le matériel génétique (les chromosomes) 2ème étape: mettre en évidence le contenu chimique des chromosomes Matériel nécessaire Matériel biologique: kiwi, banane, chou fleur, oignon … Matériel de laboratoire : mortier, pilon, tube à essai, filtre, entonnoir, Produit chimique: alcool, acide acétique, colorants spécifiques Matériel de sécurité: gants, lunettes

Structures et molécules Définition du projet 1ère étape: isoler le matériel génétique (les chromosomes) Il faut éclater les cellules Libérer le contenu des noyaux 2ème étape: mettre en évidence le contenu chimique des chromosomes Utiliser des colorants spécifiques On dispose de plusieurs colorants. Des colorants utilisés pour mettre en évidence différentes structures ou molécules Colorants Structures et molécules Coloration Rouge soudan Les lipides Rouge Bleu de méthylène Les noyaux Bleu Lugol (eau iodée) L’amidon Bleu violet Réactif de Schiff L’ADN Rose Carmin aluné La cellulose Vert de méthyl Vert

Mettre à l’œuvre le projet Eclatement des cellules Mortier et pilon pour broyer et désorganiser les tissus Pour obtenir une solution de molécules Pour isoler le constituant chromosomique Obtention d’un filament, constituant des chromosomes

Utilisation de différents colorants Préparation à la coloration Acide acétique Coloration de l’ADN Réactif de Schiff

Présentation des résultats et confrontation aux données Structuration du savoir L’information génétique, portée par les chromosomes, est constituée d’ADN.

Les étapes de la démarche d ’investigation Motivation : des faits observables « d’où est-ce qu’on part?  »  Problématisation « qu’est-ce qu’on cherche à comprendre? »  Définition d’un projet « comment va-t-on faire pour chercher? »  Mise en œuvre du projet « l’investigation elle-même »  Confrontation «  a-t-on trouvé ce que l’on cherchait ? Est-ce conforme ?»  Structuration du savoir «  le savoir construit : ce que l’on a expliqué, compris, découvert »  Appropriation du savoir « est-on capable d’utiliser ce que l’on a appris ? »

La motivation ou situation déclenchante un bilan des connaissances acquises antérieurement une situation proche de la préoccupation des élèves,  un fait d’actualité,  une perturbation, liée à une confrontation des représentations des élèves ou à l’étude d’un document relatif à l’histoire des sciences,  une confrontation entre des acquis et un fait nouveau,  des observations du réel… Un motif pour chercher, Une raison de chercher, Un prétexte pour chercher

Phase essentielle d’appropriation de la recherche La problématisation C’est la phase de questionnement Formulation d’un problème à résoudre Formulation d’un phénomène dont on cherche à comprendre le mécanisme Formulation d’une opinion dont on veut faire un savoir Formulation d’un inconnu que l’on veut explorer Phase essentielle d’appropriation de la recherche

Favoriser l’autonomie pour donner du sens à l’investigation La définition d’un projet Formulation des hypothèses à vérifier, de leurs conséquences vérifiables Formulation d’un projet d’observation (dans la nature, en laboratoire, etc.) Formulation d’un projet de modélisation, de simulation Formulation d’un projet d’exploration de bases de données ou de bibliographie Laisser chercher les élèves, de ne pas leur imposer un raisonnement par des consignes trop nombreuses et trop détaillées. Favoriser l’autonomie pour donner du sens à l’investigation

Les élèves savent ce qu’il font et pourquoi La mise en œuvre du projet L’investigation sensu stricto Mise en œuvre d’un protocole expérimental Observation macroscopique, microscopique… Utilisation d’un logiciel pour simuler Modélisation analogique, numérique Recherche documentaire Variété infinie de possibilités Les élèves savent ce qu’il font et pourquoi

Redonner sa place à l’erreur dans l’investigation La confrontation Faits recherchés / faits découverts Résultats prévus / résultats obtenus Idées initiales / épreuve des faits Au final, a-t-on trouvé ce que l’on cherchait Redonner sa place à l’erreur dans l’investigation

« Ce qu’on sait, savoir qu’on le sait La structuration du savoir Enoncé de la notion construite Structuration des savoirs en relation avec les savoir-faire Eventuellement, énoncé de ce qui reste à comprendre « Ce qu’on sait, savoir qu’on le sait ce qu’on ne sait pas, savoir qu’on ne le sait pas, c’est savoir Véritablement » Confucius

L’investigation, une démarche pour acquérir des compétences L’appropriation du savoir et du savoir-faire Modifications des conceptions initiales Idées fausses « vaincues »??? Mise en application et réinvestissement des compétences (savoirs et savoir-faire): exercice, QCM… Evaluation sommative des savoirs et des savoir-faire L’investigation, une démarche pour acquérir des compétences

Mise au point: La démarche d’investigation n’est pas unique ou exclusive et tous les sujets d’étude ne se prêtent pas à sa mise en œuvre. Une présentation par l’enseignant est parfois nécessaire, mais celle-ci ne doit pas constituer l’essentiel du cours dans lequel la participation des élèves à la construction des leurs savoirs et savoir-faire est à privilégier.

Bloc 2 – La démarche d'investigation Travail proposé A partir d’un thème d’étude, construire une démarche d’investigation en ciblant une ou des compétences (1er degré de la complexité = formation mono objectif). Prévoir : les acquis des élèves l’organisation du travail - les consignes aux élèves - les modalités de formation des élèves à l’acquisition de la (ou des) compétence(s), les aides ou coups de pouce, les critères de réussite…. les réponses ou les productions attendues la ou les notions construites à chaque niveau.

Quelques exemples de thèmes : L’unité du vivant à l’échelle cellulaire Un caractère commun Le cycle de vie d’un végétal Le développement des animaux et des végétaux selon les saisons La fleur : le lien entre la fonction et la structure La germination Les modes de reproduction des êtres vivants La parenté entre les êtres vivants La circulation sanguine La respiration La reproduction sexuée La procréation …