SNP 323: didactique des sciences et technologies II Brahim El Fadil brahim.elfadil@usherbrooke.ca Cours 5 - Session: hiver 2017 El Fadil hiver 2017

Les démarches scientifiques Plan de cours Les démarches scientifiques Rôles des acteurs de la démarches (élèves et enseignant) (texte de Hasni et Samson (2007-2008) Points communs et caractéristiques distinctives entre les différentes démarches scientifiques et technologiques (texte en englais, Bybee (2011)) Vidéo: démarche scientifique (meurtre ou accident: 1h10min) Visite au musée (17 ou 31 mars) Consignes pour l’examen. POINT 1: http://www.cmec.ca/science/framework/ Le Cadre commun de résultats d'apprentissage en sciences de la nature M à 12 est né du Protocole pancanadien pour la collaboration en matière de programmes scolaires (À l'intention des conceptrices et des concepteurs de programmes d'études) 4 Principes de base en vue de la culture scientifique au Canada «La culture scientifique devrait demeurer une image abstraite guidant la réforme de l'enseignement des sciences.» M. Eisenhart (1996) À la lumière de la vision de la culture scientifique et de la nécessité de développer cette culture au Canada, quatre principes de base ont été élaborés dans le contexte du présent Cadre. Les conceptrices et concepteurs de programmes d'études sont invités à noter que ces principes présentent quatre aspects critiques de la culture scientifique de l'élève. Ils reflètent le caractère global et les liens étroits qui caractérisent l'apprentissage et doivent être considérés interdépendants et complémentaires. Les résultats d'apprentissage du Cadre seront décrits en relation avec les principes de base qui suivent. 1er principe de base : Sciences, technologie, société et environnement (STSE) ­ L'élève sera apte à mieux comprendre la nature des sciences et de la technologie, les interactions entre les sciences et la technologie et les contextes social et environnemental des sciences et de la technologie. 2e principe de base : Habiletés ­ L'élève développera les habiletés requises pour la recherche scientifique et technologique, la résolution de problèmes, la communication de concepts et de résultats scientifiques, la collaboration et la prise de décisions éclairées. 3e principe de base : Connaissances ­ L'élève construira des connaissances et une compréhension des concepts liés aux sciences de la vie, aux sciences physiques et aux sciences de la Terre et de l'espace, et appliquera sa compréhension à l'interprétation, l'intégration et l'élargissement de ses connaissances. 4e principe de base : Attitudes ­ On encouragera l'élève à développer des attitudes favorisant l'acquisition de connaissances scientifiques et technologiques et leur application pour le bien commun de soi-même, de la société et de l'environnement. _________________________ POINT 2: Dans les programmes de sciences et technologies du primaire et du secondaire, la compétence disciplinaire 1 (“Proposer des explications ou des solutions à des problèmes d’ordre scientifique ou technologique” au primaire et “Chercher des réponses ou des solutions à des problèmes d’ordre scientifique ou technologique” au secondaire) met l’emphase sur les démarche à caractère scientifique et le lien entre ces démarches et la construction des savoirs disciplinaires (concepts et modèles scientifiques). Au primaire les concepts sont désignés sous l’appellation de savoirs essentiels. Ces savoirs «s’articulent autour de quelques concepts unificateurs qui permettent de faire des liens entre les domaines (d’apprentissage) : la matière; l’énergie; les forces et les mouvements; les systèmes et l’interaction» (Gouvernement du Québec, 2001, p. 157). Au secondaire, ils sont désignés sous l’appellation de concepts prescrits. El Fadil hiver 2017

Démarche d’investigation scientifique Discussion À quelles conditions fait-on des sciences ? Comment peut-on rendre les ST intéressantes pour les élèves (au moins 3 éléments de réponse) « faire » des sciences … mettre en œuvre une démarche Intéressantes … lien vers un contexte. El Fadil hiver 2017

Problématisation Examination détaillée l’exemple du lézard vivipare (Lacerta vivipara) Examination détaillée Règne: Animal Embranchement: Chordés (vertébrés, squelette) Classe: Reptile (terrestres, T˚ variable, corps allongé, recouvert d’écailles) Ordre: Squamata (reptiles qui changent régulièrement de peau) Famille: Lacerta (animaux diurnes, 4 membres, grimpeurs, etc.) Genre: Zootoca (couleur variable, etc.) Espèce: Zootoca vivipara (nom de l’espèce). Remarque: au primaire, vous n’avez pas à appremdre la classification, mais vous devez devez 1) comprendre comment elle se fait et être capable de classer des collections simples d’êtres vivants; 2) d’être capable de placer de nouveaux êtres vivants dans une une classification déjà établie: Classification des être vivants: faire la # entre trier, ranger et classer. - Trier: regrouper en deux catégories selon un critère ouquel on répond par oui ou par non (ex: trier selon la présence de poils ou d’os: oui= présence; non = absence) Ranger: mettre en ordre selon ordre croissant ou décroissant (ex: ranger la liste des animaux par ordre alphabétique, par ordre de taille… Classer (en science): pour classer, il faut 1) d’abord chercher les caractéristiques communes à la collection d’êtres vivants que l’on veut classer; 2) puis mettre dans un même ensemble (boite) ceux qui ont les mêmes caractéristiques en commun. Ainsi, on créer des ensembles que l’on peut mettre les uns des autres (des groupes emboités) ce qui devient une classification. Jusqu’à maintenant, rien de particulier! Allons plus loin. El Fadil hiver 2017

Pratiquez la classification Classer les êtres vivants suivants: Pigeon, chat, poisson rouge, singe, mouche, vers de terre, coccinelle, chauve-souris, papillon, homme. Donner vos résultats sous forme d’un arbre (ensembles emboités). A. Hasni 2009

Problématisation Régime alimentaire Il se nourrit d’araignées ou certains d’insectes (de grillons des bois). Mode de reproduction chez les animaux Reproduction sexuée Type de fécondation Interne Mode de développement Ovovivipare comme les vipères. Glisser un mot sur la distinction entre les animaux et les végétaux (régime alimentaire, reproduction …) Rappel des modes de développement Ovipare: l’œuf se développe entièrement à l’extérieur (oiseaux, poissons, etc.) Vivipare: l’œuf se développe à l’intérieur de la femelle (la majorité des mammifères) Ovovivipare: l’œuf est totalement indépendant de la femelle, mais celle-ci le conserve à l’intérieur de son corps jusqu’à ce qu'il soit prêt à éclore (certains reptiles et poissons). El Fadil hiver 2017

Problème scientifique L’observation suivante a étonné les scientifiques et a mené à plusieurs recherches: Certains reptiles résistent à des températures qui se situent nettement au-dessous de zéro. Le lézard européen (Lacerta vivipara) est imbattable. Il est capable de survivre au moins trois semaines à la température de -3,5 degrés. Comment cela est-il possible ? Pourquoi, est-il dangereux pour un lézard de vivre à une telle température? https://antiopa.info/120-lezard-vivipare-lacerta-vivipara-reptile-orvet.htm El Fadil hiver 2017

À la base de l’apprentissage des ST … Popper (1985) : « La science ne commence que s’il y a problèmes. Ceux-ci surgissent avant tout lorsque nos attentes se trouvent déçues ou que nos théories nous conduisent à des difficultés, à des contradictions » Bachelard (1938) : « l’esprit scientifique nous interdit d’avoir une opinion sur des questions que nous ne comprenons pas, sur des questions que nous ne savons pas formuler clairement. Avant tout, il faut savoir poser des problèmes» W. Derome: «N’avance rien que tu ne sois capable de prouver». El Fadil hiver 2017

La problématisation, un thème récurrent … Caractéristiques nécessaires pour une bonne problématisation ? … questions pertinentes (pour qui ?); … faire naître le besoin d’explication chez l’élève; … lien avec la vie à l’extérieur de l’école; La contextualisation … car elle est une source de motivation pour les élèves … favorise le transfert des apprentissages de l’école vers la vie réelle… El Fadil hiver 2017

Quelques outils de contextualisation La situation-problème Problème ouvert, complexe, etc. Les domaines généraux de la formation (DGF) Les approches intégratrices : L’apprentissage par projet et par problèmes L’interdisciplinarité. El Fadil hiver 2017

Pourquoi les DGF? Source de motivation pour les élèves Sous-tend des visées éducatives (responsabilisation de l’élève dans l’adoption de saines habitudes de vie, etc.) (Gagnon, 2006, p. 32-33) Permet la sélection de savoirs dans l’explosion de ceux-ci Que nous apportent les DGF ? Source de contextes infinis Situations diversifiées qui amènent des angles d’approche variés des ST (montre les ST sous différents jours). El Fadil hiver 2017

Exemple Imaginez un contexte : Je cherche à explorer avec les élèves de 5e année les conducteurs et les isolants thermiques Identifiez les points forts de votre contexte Piste d’exploitation El Fadil hiver 2017

Retour aux démarches scientifiques Remarque: il ne faut pas croire que la DIS est une méthode qu’on peut appliquer et trouver la solution au problème à 100%. Il faut comprendre que la démarche expérimentale n’est pas la seule manière de démontrer en science. Il y a aussi l’«observation provoquée » qui permet de vérifier (justifier) une hypothèse ; La nécessité de contrôler les différentes variables (ou hypothèses opérationnelles); Une étape clef : la conception du protocole. Et celle-ci ? C’est une démarche scientifique ? Un chercheur prend une mouche, qui, comme chacun sait, possède 2 paires d’ails, comme tous les insectes. Il la pose sur la table et lui dit : “vole !”. Sans hésiter, la mouche s’envole. Le chercheur note son observation et reprend la mouche et une paire de ciseaux et lui coupe une aile. Il la repose ensuite sur la table et crie: vole mouche! La mouche défi sa douleur et s’envole dans les airs. Le chercheur note ses observations, rattrape la mouche et lui coupe l’aile opposée à celle déjà coupée. Il l’a pose sur la table et crie encore: vole mouche! La mouche vole difficilement à basse altitude. Le chercheur, re-note ses observations, reprend la mouche et lui coupe une troisième aile. Il l’a pose sur la table et crie: vole mouche! La pauvre mouche n’arrive pas à voler, mais saute d’une place à l’autre sur la table. Le chercheur note son observation, reprend la mouche et lui coupe la dernière aile. Le fameux chercheur crie: vole mouche!, la mouche ne bouge pas. Il crie: vole mouche! La mouche ne répond plus. Le célèbre chercheur crie Eurêka en s’inspirant d’Archimides et note sa conclusion: “ Lorsqu’on lui coupe toutes ses ailes, la mouche devient sourde” El Fadil hiver 2017

Interprétation La science n’administre pas des preuves, mais apporte des justifications; Ces justifications font appel à des concepts, des modèles, des théories; Ces interprétations peuvent être remises en cause en utilisant d’autres concepts, d’autres modèles, d’autres théories. Conclusion: Modèles et démarche de modélisation… - Ce n’est pas la seule manière de démonter en science (voir par exemple le travail de terrain); - Une « observation provoquée » qui permet de vérifier (justifier) une hypothèse (Ex.: théorie de l’évolution, Darwin); La nécessité de contrôler les différentes variables (ou hypothèses opérationnelles); Une étape clef : la conception du protocole. L’expérience choisie est en fonction des hypothèses ainsi que l’accessibilité des objets, de la possibilité ou non de contrôler des variables, etc. El Fadil hiver 2017

Choix de la démarche selon la situation (le problème) Situation A À la suite d’une discussion en classe sur les végétaux, un élève a affirmé que les plantes ont besoin uniquement de l’eau pour se développer. D’autres élèves n’étaient pas d’accord avec cette affirmation. Ils ont décidé de prouver scientifiquement les besoins nutritifs d’une plante, c’est-à-dire, les éléments qui lui permettent de se nourrir et de se développer. El Fadil hiver 2017

Choix de la démarche selon la situation (le problème) Situation B Au printemps, un groupe d’élèves s’est donné comme défi de décrire de manière scientifique la manière avec laquelle les feuilles apparaissent progressivement sur les arbres. El Fadil hiver 2017

Choix de la démarche selon la situation (le problème) Situation C Dans une voiture, des voyants lumineux nous informent sur les niveaux des différents liquides (essence, huile, etc.). Comment utiliser ce principe pour fabriquer, avec des moyens simples, un réservoir d’eau qui nous avertit quand le niveau baisse à un litre? El Fadil hiver 2017

La diversité des démarches à caractère scientifique Voici décrites sommairement, trois situations nécessitant le recours à une démarche à caractère scientifique ou technologique:   Décrire les démarches à caractère scientifique ou technologique que les élèves pourraient suivre dans chacune des trois situations précédentes. Quels sont les points communs et les caractéristiques distinctives des démarches proposées ? N.B Décrire les démarches à suivre, non pas les résultats. El Fadil hiver 2017

Qu’est ce que la démarche expérimentale? Trois principaux attributs, qui sont constamment en interaction, caractérisent la démarche expérimentale: La formulation d’une question d’ordre scientifique La formulation d'une hypothèse L’argumentation La formulation d’une question d’ordre scientifique : on est face à quelque chose qui intrigue, qui interpelle ou préoccupe (comprendre le comportement d’un animal, trouver une nouvelle ressource alimentaire, etc.) La formulation d'une hypothèse : avancer ou anticiper une explication plausible. Elle doit être cohérente; construite sur la base des savoirs reconnus; et avoir un pouvoir d’explication (ex. "les plantes ont besoin de lumière pour se développer) L’ argumentation: à travers des expériences El Fadil hiver 2017

Caractéristiques de la démarche expérimentale Pour corroborer ou réfuter une hypothèse, le scientifique conçoit et réalise une expérience. La phase d'expérimentation exige toujours un protocole précis : décrire le matériel et les produits utilisés; indiquer les étapes de la démarche ou le dispositif technique approprié; ne faire varier qu'un seul paramètre pour que l'hypothèse puisse être jugée; mettre en place un témoin; être capable de reproduire l’expérience de manière identique de nombreuses fois. Visualiser le vidéo de la DIS Traditionnellement, la démarche expérimentale renvoie à une succession simplifiée de 6 étapes (OHERIC): on Observe, O; on émet une Hypothèse, H; on fait une Expérience, E; on Raisonne, R; on Interprète, I; on Conclut, C. La méthode OHERIC est en réalité une reconstruction par la pensée a posteriori ! Dans certains cas, à cause de la nature des objets à étudier, l’expérimentation n’est pas faisable : certains objets sont inaccessibles (comme les étoiles), on peut recourir alors à l’observation; d’autres peuvent être dangereux ou difficiles à manipuler, on recourt à la modélisation ou la simulation; parfois l'expérimentation n’est pas possible, on peut faire alors appel aux enquêtes (par exemple en épidémiologie) Ainsi, Observations, enregistrements de données, modélisation et simulation et enquêtes sont également des démarches scientifiques. El Fadil hiver 2017

Apprentissages potentiels à travers le recours à des démarches à caractère scientifique en classe Le recours à la démarche expérimentale dans l’enseignement vise des apprentissages disciplinaires propres aux ST. Habiletés: énoncer sa propre formulation du problème, rechercher une relation causale, formuler des hypothèses, repérer une grandeur, imaginer un dispositif expérimental, faire la liste de tous les paramètres contrôlés, rechercher des indicateurs, envisager les causes d'erreurs, observer, faire des mesures, lire des résultats d'une expérience, argumenter, discuter les apports de son expérimentation et la comparer avec celles d'autres, reconnaître les limites d'une hypothèse, etc. Attitudes: curiosité, esprit critique, imagination créatrice, communication, etc. El Fadil hiver 2017

DIS vs DCT: points communs et distinctions Pour bien comprendre les points communs et les distinctions entre les deux démarches, DIS et DCT, référez aux figures 1 à 8 dans l’article de Bybee (2011). Pour bien comprendre le rôle de chaque acteur dans les démarches scientifiques ou technologiques, référez-vous au texte de Hasni et Samson (2007-2008). Nota: les 2 documents sont accessibles sur le site: snp323elfadil.weebly.com Discuter les docs en classe. El Fadil hiver 2017

Informations pertinentes 10$ pour le musée Date de la visite (17 mars en AM, Gr 02: 9h à 10h30; Gr 01: 10h30 à 12h) Quelques informations sur l’intra du 13 mars. Attention aux modifications dans le plan du cours. Horaire de l’examen final (14h à 17h) El Fadil hiver 2017