Méthodologie scientifique Cours n°1 : la démarche d’investigation scientifique Méthodologie scientifique Emmanuel Marcq (Univ. de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines / LATMOS) M1 MEEF– module EC162a Mercredi 05/09/2017

Adaptation au public scolaire

Historique Antiquité (Aristote) Premier questionnement : « comment savoir si ce qu’on sait est vrai ? » Définit le premier les formes de raisonnement valides ou approchées Raisonnement inductif : généralisation à partir de cas particuliers (intuition nécessaire pour élaborer une théorie, mais pas toujours valide !) Raisonnement déductif : prévision sur un cas particulier à partir d’une théorie générale (permet de valider, au moins provisoirement, une théorie) Mais méfiance envers l’observation/l’expérience (« les sens peuvent nous tromper »)

Historique Moyen-âge (Ibn al Haytham / Alhazen) Premier spécialiste d’optique physique. (Al-Kitab al-manazir) Traduit en latin (et diffusé en Occident) par Roger Bacon L’observation et l’expérimentation prennent une place majeure

Historique Époque moderne Époque contemporaine René Descartes, Discours de la méthode Approche réductionniste (« comprendre les parties pour comprendre le tout ») pour arriver à un savoir objectif. Époque contemporaine Karl Popper, La logique de la découverte scientifique Réfutabilité : « Une connaissance n’est scientifique que si l’on peut prouver un jour qu’elle est fausse ou incomplète. »

Et les mathématiques ? Liens forts dans certaines disciplines Mais Physique > Chimie > … Les mathématiques y sont vues comme un outil Mais Tout ce qui est mathématique n’est pas scientifique Exemple : astrologie Il y a des sciences très peu mathématisables Exemple : certaines branches de la biologie ou de la géologie

Résultat (analyse critique ⇒ notion de limite) Résumé Modifié d’après Nathan État des connaissances Observations perspectives Résultat (analyse critique ⇒ notion de limite) CONCLUSION (généralisation)

Sciences de l’observation Exemple : astronomie, géologie, etc. Impossibilité d’expérimenter sur les objets étudiés en faisant varier un seul paramètre. Compensée par les observations : La possibilité d’observer de nombreuses fois des objets ou des phénomènes similaires (ex: un seul Soleil / des milliards d’étoiles ; une seule Terre / des milliards de planètes…) Un postulat (révolution Copernicienne): « le Soleil est une étoile comme les autres / la Terre est une planète comme les autres » Comparaison entre les observations et les prédictions d’un modèle théorique (souvent mathématisé)

Sciences humaines Utilisent aussi la démarche d’investigation Histoire à partir de documents d’archives Sociologie, économie à partir de statistiques, questionnaires, enquêtes de terrain. Particularités Recours presque impossible à l’expérimentation directe pour des raisons éthiques. Influence importante du scientifique sur le comportement des individus observés.

Premier exemple Étape de problématisation Rôle « idéal » du professeur « Des formes de vie peuvent-elles apparaître de façon spontanée ? » par Pasteur au XIXe Rôle « idéal » du professeur Reformuler les conceptions naïves des élèves sous forme de questions scientifiques

Premier exemple Étape d’expérimentation Rôle « idéal » du professeur Réflexion : « Si mon hypothèse est vraie, alors…  Un milieu nutritif convenablement stérilisé et bien isolé ne doit pas permettre l’apparition de microbes » Prévoir aussi les expériences témoin : mener (presque) la même expérience… : avec un milieu non stérilisé (mais toujours isolé) ; avec un milieu stérilisé (mais non isolé). Rôle « idéal » du professeur Recenser les idées des élèves, trier les idées testables et proposer des expériences pour les tester. Proposer les expériences témoin.

Premier exemple Étape d’interprétation des résultats bruts Collecte des données, tracé de graphiques « Pas de croissance microbienne dans les ballons stérilisés, croissance microbienne dans les ballons témoin » Étape d’analyse des résultats Souvent mathématisée : calculs, traitements statistiques, utilisation d’outils numériques (tableurs, base de données) Rôle « idéal » du professeur Enseignement « classique » des techniques d’interprétation et d’analyse : adaptées au niveau des élèves ; en lien avec les matières fondamentales.

Premier exemple Conclusion Étapes ultérieures Réponse à la question posée et généralisation éventuelle « La croissance microbienne est due à des germes déjà présents en solution et dans l’environnement, mais détruits par la stérilisation. » « Pas de génération spontanée » Étapes ultérieures Discussion : limites de la technique utilisée, cohérence avec les connaissances et travaux passés Polémique (historique) sur les techniques de stérilisation. Perspectives : nouvelles questions scientifiques « Le vivant ne naît que du vivant » ⇒ Origine de la vie ? Communication : à destination de la communauté scientifique, puis de la société dans son ensemble (congrès, publications) Académie des Sciences Rôle « idéal » du professeur Faire consigner la conclusion sur un support pérenne (cahier)

Exemple en astronomie « La lumière est-elle déviée par les objets massifs ? » Certaines théories prétendent que non, la relativité générale d’Einstein le prétend Seule l’observation peut permettre de trancher. Protocole d’observation Attendre une éclipse totale de Soleil Mesurer précisément la position apparente des étoiles visibles près du Soleil

Exemple en astronomie Résultats Conclusion Déviation égale à celle prédite par la théorie de la relativité générale Conclusion Les théories concurrentes qui ne prévoyaient aucune déviation ou bien une déviation différente sont réfutées Einstein devient une célébrité mondiale…

Exemple en ingénierie Problématique d’ordre pratique « Comment faire un bon sablier d’une durée de 3 min ? » Définition d’un « bon » sablier : cahier des charges Expériences et mesures Tester différentes caractéristiques du sablier qui jouent sur le résultat Taille de grains de sable, diamètre de l’orifice, volume de sable, etc… Conclusion « Un sablier qui vérifie le cahier des charges doit avoir les caractéristiques suivantes : … »