La physique et son enseignement au XXIème siècle

André Giordan

Qu'il était beau le temps où il n'y avait qu'à enseigner les sciences, sans se demander si celles-ci étaient comprises ! Quelques évaluations somatives suffisaient pour croire que la matière était acquise et rassurer parents, élèves, enseignants et inspecteurs.
Les programmes étaient facile à établir, suivant l'évolution logique des connaissances (mécanique, thermodynamique, électricité, électromagnétisme, optique, etc.). Il suffisait alors de prendre " un peu de chaque" et de répartir ces ingrédients en fonction des lobbies disciplinaires, des traditions établies ou des besoins spécifiques de la société en professionnels particuliers.
Aujourd'hui, l'enseignement des sciences ne peut plus se suffire de cette place de "faire valoir". Les transformations de notre société sous l'impact du développement scientifique et technique font que l'on se retrouve tout autant analphabète en ce début de XXIème siècle si l'on ne possède pas un optimum de savoirs scientifiques, qu'on pouvait l'être au début du XXème quand on ne savait pas lire...

Paradoxalement à ce besoin grandissant de sciences, leur enseignement tel qu'il se pratique actuellement ne donne pas les résultats qu'on serait en droit d'escompter. Les évaluations effectuées depuis plus de vingt ans dénoncent clairement ce fait (Giordan, 1987). Les connaissances enseignées sont oubliées au bout de... quelques semaines ! On retrouve à l'université les mêmes difficultés que celles observées à l'école maternelle. Pourquoi? Parce que les sciences ennuient les élèves, notamment ceux du collège et du lycée.

Et pourtant, elles sont partout, jusque dans notre environnement le plus quotidien. Qu'adviendra-t-il de notre planète si des ressources fondamentales comme l'eau, l'air sont de plus en plus souillées? Et si la température continue d'augmenter? Et si la couche d'ozone disparaît ? Que dire de notre santé, si la nourriture n'est plus suffisamment saine ou si de nouvelles maladies se développent ? Que se passera-t-il si des biens tels que le génome humain, la biosphère, le savoir et la culture se font happer par les lois du "marché" accéléré que nous avons connu ces 10 dernières années ?
Autant de questions où une réflexion et une compréhension des sciences et plus particulièrement des phénomènes physiques deviennent des "passages obligés".

Ces perspectives ne sont pas les seules transformations qui poussent à remettre en question les cours habituels :
1. Le public change. Depuis 20 ans, tous les élèves d'une classe d'âge parvient au collège. Leurs attentes de l'école, leurs rapports aux enseignants et aux savoirs ne sont plus les mêmes.
2. Les nouvelles technologies de l'information et de la Communication offrent de nouvelles possibilités d'apprendre. A terme, elles vont transformer le recueil et le traitement de l'information, la maîtrise des algorithmes, l'argumentation et la production de projet.
3. De nouvelles idées sur apprendre ont émergé. Parmi celles-ci, le modèle allostérique qui bouleverse totalement les idées sur l'apprendre et avec elles, le rôle de l'enseignant.

En tant que tel, tous ces éléments ont de quoi nous inquiéter sur l'avenir de notre profession. Sans dramatiser, nous devons accepter qu'une certaine manière d'appréhender l'école et l'enseignement est résolument terminée... Ce deuil est à faire si nous voulons parvenir à anticiper le changement. A nous de le penser en interne et de nous y préparer. Sans une telle réflexion, nous risquons d'être bousculés plus cruellement de l'extérieur1.

Pour démarrer cette réflexion, deux questions s'avèrent fondamentales :
- Quoi enseigner et pourquoi ? et
- Comment l'enseigner pour que notre enseignement soit profitable à nos élèves ?

 

1. Les enjeux du XXIème siècle

Notre société est face à une série de défis -voire de périls- qu'elle doit tenter de surmonter au plus tôt et où l'enseignement de la physique a un rôle important à jouer. D'abord, il y a le défi socio-économique. Son origine est à chercher dans les transformations excessivement rapides des modes de production, engendrées par l'expansion des savoirs scientifiques et techniques et leur relation de plus en plus étroite avec l'économie.
La mondialisation de cette dernière, favorisée par les débauches télématiques et des transports plus aisés, l'a encore accentué. L'informatisation, la robotisation à tous vents commencent à déstabiliser fortement nos institutions, nos liens sociaux et nos façons de vivre : que devient le travail par exemple ?...

Deuxièmement, on trouve les défis environnementaux, conséquence directe des révolutions industrielles successives. Nos rejets, nos processus d'exploitation, de consommation vont au-delà des capacités autorégulatrices des écosystèmes et même de la biosphère. Avec nos déchets radioactifs, nous polluons la Terre pour au moins les 100 000 prochaines années. Cette façon de gérer notre planète risque d'exclure définitivement, en même temps que nous-mêmes, les générations futures.
Mais les dangers sont partout et surtout autour de nous, on l'a vu avec la question de l'amiante et aujourd'hui avec celles des pollutions non-ionisantes liées au développement du téléphone portable et des multiples antennes. Les récupérations des piles ou de l'aluminium qui sont souvent présentées comme un symbole d'écocytionneté ne sont pas sans effets secondaires graves si elles ne s'inscrivent pas dans une perspective d'ensemble qui implique de nous interroger sur nos façons de produire et de... consommer.

Avantages et limites de la récupération de l'aluminium

Troisièmement, notre société rencontre des défis éthiques ; nous savons manipuler les espèces, nous développons des autoroutes de l'information, nous nous apprêtons à nous cloner nous-mêmes, sans même en imaginer les conséquences, en nous interrogeant très peu sur l'intérêt de le faire. Ces enjeux nous renvoient à des défis politiques qui devraient être ceux d'aujourd'hui. On ne peut laisser les graves questions auxquelles nos sociétés sont confrontées au seul marché : quelle politique des transport souhaitons-nous ? Quelle politique de l'énergie ?...
Tous ces sujets demanderaient à être débattus très largement dans une société démocratique. Derrière se posent immédiatement la question des savoirs désormais "utiles" ou optimums pour poser les "bonnes" questions aux experts et participer le plus largement aux décisions...

Ces défis nous poussent à en affronter un plus grave encore, celui de notre sentiment d'impuissance. Pourtant, et ceci peut paraître paradoxal, une prise de conscience nous oblige à jeter un regard différent sur notre propre environnement socioculturel. Car nous nous rendons compte que si nos sociétés continuent à se développer de la façon dont elles le font actuellement, elles risquent d'imploser, et l'humanité peut finir par se détruire.
En effet, la plupart de nos repères ont été balayés ou sont en passe de l'être. La logique classique, la causalité linéaire, le déterminisme strict s'avèrent incomplets. Les notions d'espace, d'énergie, de temps, de matière, etc... ont été remises en question au cours du siècle. L'énergie peut devenir de la matière, le temps peut se contracter, l'espace est courbe, la vitesse est relative, l'électron devient une onde ou une particule selon l'observateur, le chaos peut être organisateur, l'univers n'est pas permanent. Nous ne sommes que l'un des produits d'une histoire, celle de la matière, celle de l'énergie, celle de l'univers ; mais d'un "univers qui n'a pas d'adresse" et dont nous ne sommes même pas le centre ! Après autant de douches froides, rien d'étonnant que nous soyons un peu désarmés, sans repère et sans projet fondateur. Notre défi culturel pour le siècle qui commence est ainsi tout tracé.

 

2. L'état de l'enseignement actuel... ou l'écart à limiter

Les nouveaux programmes de physique-chimie appliqués par exemple en classe de Troisième à la rentrés scolaire 1999-2000 traduisent une évolution. L'objectif principal est d'apporter des réponses à des problèmes qui se posent dans l'environnement quotidien des élèves. Deux grandes parties sont proposées, pour chacune d'elles des questions très pratiques sont avancées :

1. "Des matériaux au quotidien"
- "comment se réalise un tri sélectif ?",
- "quel autre type d'emballage ?",
- "peut-on brûler sans risque les matériaux d'emballage ?",

2. "Notre environnement physique"
- "à quoi correspond une facture électrique ?",
- "quelles sont les caractéristiques des prises de secteur ?".

L'intention est séduisante..., notamment en liaison avec les enjeux ci-dessus. Un pas irrémédiable paraît entrepris pour dépasser la "physique pour la physique", "la physique des équations", cette conception de l'enseignement qui a fait tant de mal à l'image et à l'intérêt de cette discipline.
Cette option l'est d'autant plus que les manuels scolaires indiquent dans leur avant-propos que "chaque chapitre est conçu pour éveiller la curiosité, susciter des interrogations, inviter les élèves à observer, manipuler et réfléchir sur les résultats d'expériences".

Malheureusement, quand on y regarde de plus près, que ce soit dans le détail des questions du programme, ou que ce soit dans les consignes "officielles" ou "officieuses" fournies aux enseignants, tout est illusion... Ces propositions pour une physique enseignées "autrement"tombent à plat. Elle ne sont qu'un ornement, voire un paravent. Au mieux, restent-elles au stade des "bonnes intentions".

Derrière cette nouvelle façade, se profile toujours "l'ancienne" physique, celle qui découle des habitudes de l'université ou des préparations aux Grandes Ecoles, c'est-à-dire, une physique à usage exclusif des futurs chercheurs ou ingénieurs.

Par exemple, sur le point "Notre environnement physique" se traitent :
- "peut-on décrire le mouvement d'un objet ?",
- "le mouvement d'un objet est-il modifié ?",
- "un objet se déforme-t-il ?"
- "quelles relations existe-t-il entre poids et masse d'un objet ?"

Quant au point "Lumière et images", il regroupe chichement -on peut se demander pourquoi ? à moins de penser qu'il a dû se passer sur ce plan un sacré marchandage- :
- comment obtient-on une image à l'aide d'une lentille ?",
- quels appareils forment des images ?"; le tout limité "au fonctionnement d'un appareil imageur" (sic) et "au rôle de l'oeil en tant que système imageur" (resic !)2 .

Pour satisfaire à "l'esprit" du programme, les livres scolaires - où l'organisation des chapitres font trop souvent autorité auprès des enseignants- ajoutent à la confusion ambiante. Ainsi le livre d'un grand éditeur propose sous le titre " L'électricité dans la matière" :
- comment ont évolué nos idées sur l'atome ?
- quelles sont les caractéristiques des atomes ?,
- comment expliquer le courant électrique dans un métal ?
- comment définir et représenter un ion ?
- comment expliquer le courant électrique dans une solution ?

En un seul chapitre, sont présentés et réglés "les constituants de l'atome : noyau et électrons", "les ions comme atome ou groupement d'atomes qui a perdu ou gagné un ou des électrons", "un premier modèle du courant électrique", "le passage du courant dans une solution", "le sens du déplacement des ions selon le signe de leur charge"... Rien de moins ! Est-ce bien raisonnable ?..

Bien sûr, le tout est illustré d'images (le plus souvent publicitaires) ou de situations issues de la vie quotidienne. Mais combien d'implicites sont à traiter par le "pauvre" enseignant dans sa classe pour faire sens dans "la tête" de l'élève... Le tout, en une ou deux séquences pédagogiques...
On flaire ici, n'ayons pas peur de le dire, l'incompétence ! Peut-on méconnaître autant les difficultés de l'apprendre pour se permettre de proposer de tels programmes, aussi denses et lourds? Comment peut-on imaginer "faire apprendre", même à un premier niveau, "le fonctionnement de l'oeil", "la vision", "les défauts de l'oeil et leurs corrections" en une seule séquence ?...
On en vient à se poser des questions certaines sur les supposés "spécialistes" qui ont conçu un tel programme! Que connaissent-ils de la réalité de la classe ? Ont-ils cherché à repérer où se situent les élèves ? Ont-ils conscience qu'une différence fondamentale existe entre "apprendre pour être capable de mobiliser" et seulement "mémoriser pour obtenir une note suffisante"?
L'écart entre ce qui est mis en avant comme exigences de savoirs à faire acquérir et les questions ainsi que le cadre de références du public qui est censé se l'approprier est immense. En ont-ils conscience ? L'ont-ils pris en compte dans leurs délibérations ? Ont-il envisagé les conditions nécessaires pour mener à bien leur projet ? Ont-ils au moins cherché à évaluer la faisabilité de leur programme ?... Nous en doutons très fortement!

Quant à la volonté réelle de travailler sur du quotidien, n'est-ce pas plutôt un voeu pieux ou un leurre, à moins que ce ne soit une supercherie3, voire une "pub" démagogique pour faire passer la pilule "sciences"...? Quels rapports entre de "fausses" questions supposées "quotidiennes" comme "qu'est le courant électrique dans un métal ou une solution ?" placées dans la partie "Matériaux au quotidien" et "Electricité et vie quotidienne", située dans "Notre environnement physique ?".
Et pour ce qui est des questions... peut-on dire qu'elles sont quotidiennes, quand on lit :
- "l'influence d'une "résistance" dans un circuit électrique",
- "l'intensité dans une résistance quand on augmente la tension appliquée",
- "les qualités conductrices des métaux".

En fait, pour qui sont-elles quotidiennes, à part pour l'enseignant de physique qui a grandit avec lors de ses études? Sa pensée en est toute imprégnée ; il regarde le monde à travers cette optique. Tout naturellement, il lui paraît évident de répondre de la sorte à une "question simple, par le biais de documents à exploiter et de manipulations à réaliser et/ou à analyser". Pour l'élève, c'est une toute autre affaire...

En ne répondant pas à leurs questions, en traitant les sujets de manière abstraite, cet enseignement provoque de l'ennui, du désintérêt qui font que les jeunes se détournent des sciences. Résultat, le questionnement baisse au cours de la scolarité4 et nous pouvons observer dans les hautes écoles que le nombre des futurs scientifiques a chuté brutalement ces dernières années.
Plus grave encore, l'éducation scientifique et technique contribue grandement à fabriquer de l'exclusion. En effet, à cause du rôle social qu'on lui fait jouer, de nombreux adolescents et jeunes adultes ne voient en elle qu'un facteur de sélection scolaire par l'échec. Il est important qu'en tant qu'enseignant de sciences nous prenions conscience de l'ensemble de ces problèmes.

Pourtant, la simple manière de poser une question peut dénoter une grande différence de point de vue. Dire qu'on va étudier la composition de l'air, ce n'est pas la même chose que dire qu'on va examiner si l'air de telle ville est pollué. Dire qu'on va chercher quelle est la nature du courant électrique, ce n'est pas la même chose que de dire qu'on va faire une installation électrique et travailler sur les précautions à prendre.
Le statut du savoir scientifique dans les deux perspectives n'est pas identique. Dans le premier cas, on aborde le problème dans les termes et l'optique des scientifiques ; dans l'autre, on étudie dans toute sa complexité une situation à laquelle l'élève est confronté. Dans la première approche, les savoirs scientifiques sont des fins en soi ; dans l'autre ils sont les supports indispensables à des façons de regarder ou de faire qui renforcent les compétences de l'individu.

L'objet principal du débat autour des programmes de sciences est avant tout le sens et le statut qu'on veut donner au savoir5. Veut-on permettre à l'individu de mieux se situer dans son milieu de vie et son engagement ? Veut-on conduire le jeune à comprendre "son monde", comme le prétendent les nouveaux programmes ? Veut-on promouvoir son autonomie ? Souhaite-t-on par exemple qu'il se situe ou qu'il intervienne dans les choix sociétaux ? Ou vise-t-on seulement à faire entrer l'apprenant dans un monde autre que le sien : celui des scientifiques6 ?
Cette dernière approche se caractérise par un point de vue bien standardisé et normalisé au sein d'une communauté de spécialistes. Elles visent un savoir général, indépendant des circonstances précises de lieu et de temps. A-t-elle encore un intérêt ? De sélection, sans doute. Mais cette dernière est-elle faite sur de bons critères...? Ceci est une autre question. Notons quand même que des scientifiques éclairés en doutent fortement...!

 

3. Quelle alphabétisation en physique ?

Pour l'enseignement de la physique, que pourrait être une première alphabétisation ? Sûrement pas des connaissances dans toutes les branches, de la mécanique... à la physique des particules. Cela s'avère d'ailleurs matériellement impossible, le savoir "doublant" actuellement toutes les huit-dix années. Sûrement pas non plus à travers un "digest" de notions disciplinaires, établi à partir du découpage opéré au XIXème siècle.

Les savoirs qui apparaissent importants aujourd'hui sont soit à l'interface, soit transversaux aux disciplines classiques. L'énergie n'est pas qu'une simple question de thermodynamique. Ne la rencontre-t-on pas en mécanique, en électricité ou dans la physique des particules si l'on reste dans le domaine de la physique, mais également en biologie, en économie, en éthique et en politique... si nous sortons de ce domaine? La conception des programmes ne peut plus faire l'économie d'une approche transdisciplinaires7 ... On y gagnerait en cohérence en rendant les liens entre les disciplines plus transparents.
De même, une investigation prospective sur les champs de savoirs est à mettre en place au plus vite, tant il est difficile de dire quelles seront les connaissances de base dans les trente ou cinquante ans à venir. La plupart n'ont sans doute pas encore été produites. N'oublions pas que les jeunes enseignants, médiateurs ou autres animateurs formés en ce moment seront encore en fonction en 2040, leurs élèves en 2120 !

Au risque de choquer, le projet d'un enseignement scientifique n'est plus de "transmettre" des sciences. Du moins de les transmettre pour elles-mêmes ! A travers l'enseignement de la physique, ce qui apparaît prioritaire, c'est de permettre à chaque individu de s'approprier une culture, c'est-à-dire une façon d'approcher, de "regarder" le monde et ses phénomènes, et de les situer.
Et celle-ci ne peut commencer qu'avec le désir d'apprendre, de comprendre. Un véritable challenge à relever!... Le Collège fait trop souvent perdre l'envie d'apprendre, et cela au moment où cet acte devient un enjeu quotidien, appelé à se développer tout au long de la vie.

Premièrement, l'enseignement de physique se doit de susciter chez l'individu des attitudes scientifiques: disponibilité, questionnement, ouverture critique vers les savoirs, curiosité d'aller vers ce qui n'est pas évident ou familier8, envie de chercher par soi-même, attitudes qui font appel à une certaine confiance en soi.

Deuxièmement, l'enseignement scientifique doit apporter une culture de base sous la forme de démarches de pensée. En effet, ce qu'il importe aujourd'hui, c'est de savoir décider de ce qu'il est ou n'est pas utile d'apprendre et donc, à terme, d'avoir les capacités d'accéder à un savoir si le besoin s'en fait sentir9.
Cette culture passe par l'accès et le tri des informations d'une part, l'argumentation et la mobilisation des savoirs d'autre part, mais également par la maîtrise des démarches expérimentales10 et par l'analyse systémique. Cette dernière devient une démarche de base à faire acquérir (notamment en liaison avec les questions d'environnement et de citoyenneté), au même titre que la modélisation, l'argumentation et la simulation.

Troisièmement, s'approprier une culture de base en sciences, c'est encore se construire des repères. L'enseignement de la physique se doit de mettre en avant quelques "grands" concepts organisateurs ; ceux-là mêmes qui sont propres à recouper les multiples informations de notre temps (voir schéma ci-dessus).

Quatrièmement, se créer des repères, c'est aussi parvenir à les situer, à les relativiser, et développer un regard critique sur les savoirs qu'on manipule.
En d'autres termes, l'enseignement de la physique doit apprendre aux élèves à tisser des liens entre les différents niveaux de savoirs, entre savoirs, cultures et société, entre savoirs et axiologie (choix de valeurs). Un savoir sur le savoir devient un passage obligé de la trousse à outils d'un jeune contemporain11 ...

 

4. Faut-il encore enseigner ?

Reste à aborder l'autre question cruciale : comment "faire passer" ces savoirs ? Là non plus, rien n'est évident ou automatique... Au risque de provoquer encore, ne doit-on pas dire qu'enseigner n'est pas forcément faire apprendre !.. Bien au contraire, l'enseignement -au sens classique- peut empêcher de comprendre ou de mémoriser et cela pour toutes sortes de raisons, sans compter la démotivation ou carrément le "blocage" à plus ou moins long terme qui s'établit chez certains élèves.

L'acte d'apprendre est infiniment plus complexe qu'on le suppose habituellement. Il ne suffit pas de dire ou de montrer pour qu'automatiquement l'élève enregistre. Loin de là... Apprendre n'est pas une simple mécanique unique de réception comme on l'envisage dans les pédagogies magistrales.
Alors, doit-on se tourner irrésistiblement vers les méthodes actives comme on le proclame de nos jours ? Rien de plus faux ! L'élève n'apprend pas non plus en étant seulement "acteur" (voir encadré ci-dessous).

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Attention méthodes actives !
Les méthodes actives, actuellement à la mode, peuvent être une illusion plus forte que les méthodes frontales. D'abord, nombre de méthodes actives ou de pédagogies du dialogue sont plus magistrales que les méthodes habituelles.
Dans une approche dite "active" telle qu'on la pratique, l'élève peut s'activer avec ses mains ou son corps tout en gardant un esprit passif. C'est ce qui se passe lorsqu'il suit une liste de consignes proposées sur une fiche-guide ou un document d'activités, le pire étant bien sûr les questionnaires à trous à remplir. Dans chacun des cas, il exécute une série de gestes qui peuvent n'avoir aucun sens pour lui. Il agit, mais ne sait pas pourquoi on l'oriente de cette façon. C'est une situation "bi-dogmatique" comme la décrit Gabriel Gohau. Ainsi, l'élève peut certes (re)trouver un résultat, mais il n'a rien acquis sur le plan de la méthodologie.
Si l'activité de l'élève est importante, ce n'est pas tant celle de son corps que de son esprit. En d'autres termes, ce n'est pas parce que l'élève bouge que sa pensée est active. Une véritable approche expérimentale ne suppose pas que l'élève s'active ou manipule tout le temps ! N'oublions pas qu'un scientifique passe plus de 90% de son temps à faire autre chose que des expériences ! Ainsi, si l'activité reste un bon moyen pour motiver de jeunes élèves ou pour les conduire à imaginer des expériences, elle n'est pas suffisante en elle-même pour les faire entrer dans une maîtrise de la démarche expérimentale. Au delà de l'action, l'important est que l'élève soit interpellé, questionné. Toute approche scientifique est une recherche de réponses à des questions. Or, pour avoir du sens et s'inscrire dans un contexte, celles-ci ne peuvent pas sortir toutes faites des manuels scolaires!
La démarche expérimentale passe donc autant par des phases de questionnement, de pose de problèmes, de recherches d'informations, de confrontations à des objets, des événements, des personnes, des points de vue et des raisonnements différents que par des moments papier-crayon où l'élève peut imaginer ce qui va se passer s'il fait telle ou telle expérience ou par des discussions de groupe pour confronter les différents résultats, les mettre en relation et discuter des limites de la méthode employée.

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Pour apprendre, l'élève a besoin d'être "auteur" de son apprentissage. Sinon, il ne verra que ce qu'il veut bien voir et ne comprendra que ce qu'il peut comprendre. L'organisation de la pensée et dès lors la mémorisation d'un savoir résultent de l'activité mentale de l'apprenant, et uniquement de celle-ci. On ne peut transmettre des connaissances comme on transvaserait des contenus d'un récipient dans un autre.
Nos études, connues sous le vocable d'apprentissage allostérique, montrent que l'apprenant apprend au travers de ce qu'il est et à partir de ce qu'il connaît déjà. Il ne faut pas oublier qu'avant tout enseignement, l'apprenant possède déjà une foule de questions, d'idées et de façons de raisonner sur la société, l'école, les savoirs, l'environnement, l'univers, etc. Cet ensemble d'éléments, que nous nommons "conceptions", sont les seuls outils à sa disposition. C'est à travers elles qu'il comprend, voit, interprète et s'approprie ou non le monde qui l'entoure. Pour toutes sortes de raisons, ces conceptions rejettent les nouvelles informations, ... ou les acceptent le temps d'une épreuve ou d'un examen. Cette connaissance "plaquée" ne modifie en rien la structure de pensée de l'élève. Elle disparaît donc rapidement, laissant ressurgir les conceptions préalables, quasi intactes.

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Mise en évidence des conceptions
Pour connaître les conceptions, il n'est pas nécessaire de faire des études très poussées. La simple observation des élèves en train de manipuler, ce qu'ils disent, ce qu'ils écrivent ou dessinent suffit pour connaître ce qu'ils pensent ou comment ils raisonnent.
Prenons une situation de classe où des élèves font des expériences, style "chimie amusante".
Des élèves versent du bicarbonate dans une bouteille contenant du vinaigre. Un gaz se dégage, il est recueilli dans un ballon de baudruche placé au goulot.
- on va maintenant séparer le ballon, le fermer ; il va s'envoler.
L'enseignant leur demande d'essayer. Le ballon gonflé au gaz tombe.
- Pourquoi tombe-t-il ?
- Il est plus lourd que l'air.
Que faire pour corroborer cette idée ?
- On gonfle un ballon d'air de façon identique et on les laisse tomber.
M - Pourquoi ?
- Celui qui est plus lourd tombe plus vite.
L'enseignant tente d'ébranler leur idée sous-jacente en laissant tomber plusieurs ballons de taille différentes ou contenant de l'eau.
Les élèves envisagent ensuite de les peser. Malgré de multiples résistances sur le "poids" (la masse) de l'air, le rôle ou le type de balances à utiliser, les élèves constatent que le gaz est plus "lourd" que l'air .
A travers ces activités et ces dialogues, l'enseignant peut comprendre quelles sont les conceptions des élèves et où se situent les obstacles potentiels. Dans cet exemple:
- un ballon remplit de gaz doit forcément s'envoler, la référence est le ballon de "foire" gonflé à l'hélium ...!.
- la vitesse de chute d'un corps est fonction de sa masse (poids).
- l'air (ou les gaz) n'a pas forcément un poids, et s'il en possède un, il est indécelable à la balance.

Les conceptions étant les seuls outils dont l'apprenant dispose pour comprendre, on ne peut envisager une "destruction" de celles-ci. Il faut donc faire "avec" elles pour aller "contre" et ainsi tenter de les transformer en une conception plus élaborée, mieux adaptée à la situation et offrant des potentiels "d'améliorations" ultérieures. Pour apprendre, il faut autant déconstruire que construire, évacuer des savoirs peu adéquats que s'en approprier d'autres. Voilà un premier paradoxe...
On voit bien l'enjeu de l'apprendre. L'émergence de savoirs nouveaux -c'est pour cela que nous préférons parler d'élaboration plutôt que de construction- n'est possible que si l'apprenant saisit à tout moment ce qu'il peut en faire, et si ces nouveaux savoirs lui apportent un "plus" pour penser (dont il peut prendre conscience sur le plan de l'explication, de la prévision ou de l'action).
D'où la gestion de multiples autres paradoxes, dont le moins évident est de faire concilier l'inconcialiable : plaisir et effort. Sans plaisir, l'élève ne peut mettre en route les démarches qui lui permettent l'apprendre. Toutefois la connaissance ne s'élabore jamais sans efforts, ne serait-ce que pour ne pas hésiter à dépasser les évidences premières.

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L'enseignement n'est donc pas quelque chose de simple et d'évident. Si seul l'apprenant comprend, apprend, mobilise le savoir, et... que personne ne peut le faire à sa place, il ne peut pas non plus parvenir à ce résultat...seul! C'est dans cet autre paradoxe que se situe le rôle de l'enseignant. Il doit avant tout favoriser la construction d'un système complexe d'interrelations entre l'apprenant et la connaissance12. Celui-ci passe nécessairement par des mises en relation multiples et des reformulations. Il nécessite des situations adaptées (questionnement, confrontations multiples), des mises à disposition d'éléments significatifs (documentations, expérimentations, argumentations) ainsi qu'un certain nombre de formalismes restreints (symbolismes, graphes, schémas ou modèles) pouvant aider à penser. Encore faut-il que ces derniers soient attractifs, lisibles, compréhensibles par les élèves.

On peut ajouter qu'un savoir ne se substitue aux présupposés que si l'apprenant est confronté à un véritable projet éducatif dans lequel il trouve un intérêt et un sens.

 

5. Un environnement didactique

Le processus d'apprentissage peut être largement favorisé par ce que nous appelons un environnement didactique (schéma). Tout en favorisant les conditions d'une autodidaxie il permet à l'apprenant de se confronter aux situations qui l'interpellent ou sont porteuses de sens pour lui.

Paramètres à mettre en oeuvre pour faciliter l'apprendre Giordan - Pellaud (2000)

Car n'oublions pas que l'un des grands enjeux de l'école (et l'un de ses paradoxes également!) est de créer au plus vite les conditions d'un auto-apprentissage. Pour y parvenir, il faut commencer par réduire le nombre d'heures de cours où l'élève est passif en mettant en place des activités d'investigation, d'élaboration, de production par les élèves eux-mêmes.
Grâce à des lieux de documentation, des multimédias, des ateliers, des travaux de groupe, des exercices de simulation, ou encore par l'approche de situations réelles, les élèves peuvent apprendre à gérer nombre d'apprentissages par eux-mêmes.
Des pédagogies de projet, des actions sur le local, des contrats d'apprentissages peuvent être développés; des moments de mise en perspective des savoirs ou de mobilisation de ces derniers introduits, etc.
Dans le même temps, l'école pourrait faire une place plus large à l'auto-enseignement, par l'introduction de réseaux de savoirs entre les élèves. Transmettre un savoir, c'est aussi un moyen performant pour l'appréhender durablement.

Le rôle de l'enseignant est à redéfinir ; sa fonction essentielle n'est plus de distribuer des connaissances. A terme, ce rôle "primaire" peut très bien être tenu par les diverses technologies de la communication et de l'information, les TIC (CD-Rom ou autres DVD, réseaux type Internet, etc.), dont les apports possibles peuvent être multiples et variés.

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Usages possibles des TIC en classe de physique
- Récolte de données: recherche de site, de documentaires, exploration assistée, échange d'informations, sondage, consultation d'experts, suivi d'études ou d'expéditions, etc.
- Apprentissage: tutorat, saisie de données, aides à la visualisation, au calcul, échanges de savoirs, travaux en équipe, créations collectives, défis et concours, simulations, etc.
- Jeu: Courses au trésor, jeux collectifs, de rôle, etc.
- Communication: correspondants individuels ou par classe, échanges, rencontres virtuelles, etc.
- Publication: page personnelle, de la classe, thématique, participation à un site, collaboration à un journal, etc.
- Réalisation d'un site: de la classe, investigation des élèves,, projets coopératifs, journaux d'école, classe virtuelle, exposition virtuelle, etc.

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Néanmoins, si leur emploi devient à très court terme indispensable en classe, cela ne signifie pas le "tout virtuel !". En physique, le contact avec la réalité par le biais des observation et des expériences reste premier, ainsi que la confrontation avec les autres.
Dans de telles perspectives, l'enseignant a un rôle extrêmement important, non pas en tant que simple "accompagnateur" de l'élève, mais en tant qu'organisateur des conditions de l'apprendre.
Ses tâches sont plutôt d'interpeller, de concerner, de donner envie d'apprendre. Elles sont également d'encourager à l'effort d'apprendre. En particulier, c'est lui qui peut créer ou amplifier les conditions du questionnement.

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Changement de conceptions
Le changement de conceptions n'est pas un processus neutre. On peut même dire que c'est un processus désagréable. En effet, notre conception du monde donne une signification à celui-ci. Or, chaque changement modifie le sens de nos expériences passées. C'est donc une menace à notre identité puisqu'elle ébranle la façon dont "jusqu'à maintenant j'ai interprété le réel" pour reprendre l'expression d'un apprenant.
La conception est un des fondements de la personnalité. Elle joue à la fois comme un intégrateur et comme une formidable résistance à toute nouvelle donnée qui contredit le système d'explication établi. Elle constitue une sorte de force d'inertie fonctionnant avec une intentionnalité. Le sens dans lequel s'applique cette force tend à s'opposer à toute remise en cause du réseau conceptuel élaboré par l'apprenant à partir de ses expériences passées et de sa socialisation culturelle (les deux étant profondément liés). On peut même aller plus loin et parler d'absence de remise en question de l'identité cognitive, voire de la personnalité.
Il est très difficile d'aller directement à l'encontre d'une telle conception, comme le suggérait Bachelard. Celle-ci résiste fortement. L'enseignant ne peut introduire, au mieux, qu'une perturbation cognitive, une sorte de dissonance qui heurte le "noyau dur" de la conception de l'élève. Cette dissonance provoque une tension qui rompt le fragile équilibre créé par le cerveau. Cette dissonance ouvre une brèche qui peut conduire à reformuler le savoir pour limiter la tension.

Par exemple, le "poids" ("la force pesante" dans d'autres pays) est conçu par des élèves de 8-12 ans comme le résultat de l'air "qui appuie sur la tête".
L'enseignant peut faire travailler sur ce qui se passe "si j'enlève l'air". La réponse est immanquablement "il va flotter". Il peut demander d'imaginer une expérience ou proposer d'en réaliser une avec un objet (une figurine) sous une cloche avec une pompe à vide pour aller à l'encontre de cette opinion.
En vérité, la conception initiale résiste... et cette seule expérience s'avèrera certainement insuffisante pour commencer à convaincre l'élève. D'autres expériences doivent alors être envisagées : se peser allongé ("la force de l'air est plus grande"), mettre un parapluie sur la tête (l'air appuie moins ou plus). Aucune de ces expérience est directement convaincante, plusieurs arguments a quelques chances de les "perturber" sur leurs idées.
La contre expérience peut être travaillée en parallèle : "j'ajoute de la pression, la masse augmente-t-elle ?".
On peut encore imaginer d'autres situations : "j'enlève l'air, je retourne la cloche, va-t-il toujours tomber ?". Et "que se passe-t-il hors de l'atmosphère ?", "j'observe les cosmonautes dans une capsule spatiale, il y a de l'air et pourtant ils flottent".
De telles dissonances perturbent et finissent par conduire l'élève à s'interroger sur son savoir, sur sa manière de raisonner. Il peut entrer alors dans une démarche. Mais les dissonances sont de moins en moins acceptables quand l'expérience est importante (lorsqu'il s'agit de formation continue d'adultes) ou la notoriété assurée ( c'est le cas à l'université !).

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Dans le même temps, il peut avancer des repères, faciliter des états de questions, jouer le rôle de référent que l'on vient consulter pour se situer dans le flot de données. Notamment, il peut provoquer une réflexion sur les savoirs et sur leur place dans la société.

Bien sûr, une véritable formation des enseignants est à mettre en place. De même, les recherches sur l'apprendre sont à développer. Il faut dire que nos décideurs n'ont jamais pensé que la recherche didactique pouvait être utile. Nombre de députés ne savent même pas qu'elle existe..., alors qu'on ne conçoit plus la moindre machine à café sans un minimum de recherches !

Notes du textes:
1. Dans un certain nombre d'Etats des Etats-Unis, des parents se refusent à mettre leurs enfants à l'école. Ils la trouvent complètement dépassée par rapport aux évolutions actuelles. Ils pensent pouvoir mieux les faire apprendre au travers des TIC, ce qu'on appelle la e-éducation.
2. Le lien avec l'enseignement de la biologie est ignoré.
3. Pour nous, il s'agit d'une double supercherie. Dans un tel contexte de lourdeur des programmes, il est impossible de développer une démarche scientifique.
4. Cet enseignement de la physique encombre l'esprit de détails inutiles, privant les élèves d'éléments de compréhension importants. Il ne fournit pas de clefs face aux défis de notre époque : il n'introduit pas aux modes de pensée pour affronter le monde de demain.
5. L'enseignement de la physique et ses programmes ont à faire des choix clairs. Soit, ils privilégient l'élaboration de conceptions qui ont du sens car elles sont finalisées en lien avec l'appropriation 'attitudes et de démarches scientifiques, soit, on continue à se contenter de transmettre des connaissances. Le plus souvent des rituels faudrait-il dire ! Car ces notions sont diffusées, séparées des questions qui ont présidé à leur construction.
6. Ce courant de pensée a trouvé sa niche écologique dans les facultés des sciences et l'école secondaire au XIXème siècle. Il est toujours dominant et se maintient intact derrière une façade qui se veut plus patinée de citoyenneté. Il fallait bien faire plaisir aux ministres de gauche successifs...!
7. Paradoxalement, cela ne signifie pas qu'il faille fusionner les disciplines. Chacune peut apporter son regard propre sur un monde qu'il s'agit de préserver. Les démarches analytique et sytèmique sont à faire "vivre" dans l'antagonisme.
8. Nombre d'enseignants ont déjà fait ce choix depuis un certain nombre d'années. Malheureusement, certains le font avec mauvaise conscience. Ils se culpabilisent de ne pas suivre le programme à la lettre !
9. Sur ce plan, le projet n'est plus seulement d'apprendre à résoudre des problèmes, mais d'abord de savoir clarifier des situations pour poser les problèmes. C'est encore prendre conscience qu'il n'y pas toujours une solution à un problème, mais plusieurs ou pas du tout et qu'en tout état de cause, celles-ci dépendent du contexte.
10. Il n'y en a pas qu'une seule ! L'approche de l'astrophysique et très éloignée de celle de l'électricité. Quant à la chimie...
11. Autre paradoxe, cela ne signifie pas d'évacuer les connnaissances. Pour développer des démarches ou s'approprier un savoir sur le savoir, il s'agit de "travailler" sur des connaissances ! Mais celles-ci ne sont plus prioritaires, elles ne sont plus les seules dignes d'évaluation. Elles ne sont que des prétextes, des supports de réflexions ou d'interrogations.
12. La querelle des méthodes est ainsi dépassée : un cours magistral peut être efficace si le maître sait concerner ses élèves, et si ces derniers se posent les mêmes questions et possèdent le même cadre de références que l'enseignant.

Pour en savoir plus

A. Giordan, Apprendre !, Belin, 1998.
A. Giordan et G. de Vecchi, Les origines du savoir, Delachaux, Neuchâtel, 1987;
A. Giordan et Y. Girault, Les aspects qualitatifs de l'enseignement des sciences dans les pays francophones, UNESCO, 1994

Livres pour la formation des enseignants et des médiateurs

A. Giordan et G. de Vecchi, L'enseignement scientifique, comment faire pour que ça marche?, Z'éditions, 1989
A Giordan, Didactique des sciences expérimentales, Belin, 1999
A. Giordan et S. Souchon, Une éducation pour l'environnement , Z'éditions, 1991
A. Giordan, S. Souchon et ML. Cantor, Evaluer pour innover, Z'Editions, 1994
A Giordan et J et F. Guichard, Des idées pour apprendre, Z'Editions, 1997
A. Giordan et ML. Cantor, Une éducation scientifique à l'école maternelle, Z'Editions 1997