raiffet 2008 L’épistémologie et l’histoire des sciences dans les programmes de formation : un moyen de qualification professionnelle Frédéric Ouattara

L’épistémologie et l’histoire des sciences dans les programmes de formation un moyen de qualification professionnelle
Frédéric Ouattara

Cette communication a obtenu le Prix du jeune espoir du RAIFFET 2008

Summary

The training program of the student teachers and the pupils’ tutors of the National university of Koudougou (ENSK), in the physical section and chemistry, did not take into account the teaching of epistemology and the history of sciences. however, one is without being unaware of the impact of the history of the concepts on construction of the knowledge, and also of epistemology on the control of the concepts to be taught, namely the concepts of law, force, energy, principle, etc. and also about the choice of the methods and approaches to be adopted in teaching. In order to improve the profile of formation, the programs of teaching, in the physical and chemistry section, were modified since 2004 for an integration of epistemology and history of sciences. The objective of this communication is the presentation of a choice of program, where teaching can improve professional competencies, by the control of the concepts, by the modification of the teaching practices, and finally by the best manner for the supporting the future professors.

Introduction

L’apprentissage étant au cœur des situations de classes, les formateurs et les formateurs  de formateurs utilisent les différentes méthodes pédagogiques, expérimentent les résultats des recherches en didactique, révisent les curricula et les documents pédagogiques d’accompagnement de ces programmes en vue d’améliorer non seulement les prestations de l’enseignant mais aussi et surtout les conditions d’apprentissage. La présente étude porte d’une part, sur l’amélioration des apprentissages des formateurs à l’école normale supérieure par la maîtrise des concepts, des lois et de leur histoire. D’autre part, sur le franchissement d’obstacles en situation de classe par les apprenants. Pour atteindre ce double objectif aussi bien chez les formateurs que chez les apprenants, les programmes ont été révisés et l’histoire des sciences et de l’épistémologie ont fait leur entrée dans les programmes de formations des formateurs. Notre démarche participe de ce fait à donner un sens aux sciences physiques puis que Courtillot et Ruffenach (2004) affirment que donner un sens aux sciences physiques, c’est aussi inclure dans l’enseignement des notions d’histoire des sciences, d’épistémologie, pour ne pas enseigner les sciences comme de simples faits irréfutables et détachés de tout contexte historique. En effet, comment faire comprendre à un élève la rotondité de la terre, l’héliocentrisme du système solaire, la validité et la portée d’une loi, le sens et l’utilisation de relations algébriques traduisant la modélisation mathématique des lois, le sens des concepts utilisés, l’emploi des analogies, sans un enseignement de l’histoire des sciences et de l’épistémologie.

Dans le présent travail, nous allons premièrement donner une description succincte de l’ancien programme de formation et y identifier quelques notions (lois, concepts), non exhaustives dans ce cadre présent mais pour servir d’exemples, sur lesquelles l’impact de l’histoire des sciences et de l’épistémologie pourra être identifié. Deuxièmement, seront présentées les notions d’histoire des sciences et d’épistémologie introduite en adéquation avec les notions pré identifiées. Troisièmement, nous traiterons de l’impact de ces deux disciplines sur l’apprentissage en situation de formation des formateurs.

Des programmes de formation (1996 à 2003) et de l’identification de concepts

L’école normale supérieure de l’université de Koudougou (ENS/UK : 2005-2008) anciennement école normale supérieure de Koudougou (ENSK : 1996-2005) est l’École qui a en charge la formation des maîtres des lycées et collèges aussi bien pour l’enseignement général que l’enseignement technique industriel et tertiaire, des encadreurs pédagogiques du secondaire et du primaire (école élémentaire), des directeurs d’écoles primaires (instituteurs principaux). Dans le cadre de ce travail seront concernés les programmes de formation des maîtres et encadreurs du secondaire dans la filière sciences physiques. Seuls les programmes de physique feront l’objet d’étude.

Dans les anciens programmes de formation des élèves encadreurs (conseillers pédagogiques et inspecteurs de l’enseignement du second degré) et des élèves professeurs des lycées et collèges ne figuraient aucune notion d’histoire des sciences et d’épistémologie. Les programmes des élèves encadreurs sont essentiellement des programmes de didactique de la physique et de la chimie tandis que ceux des élèves professeurs sont constitués de programmes de didactique de la physique et de la chimie et de cours disciplinaires de physique et de chimie. Les cours disciplinaires sont constitués essentiellement des notions qu’ils auront à enseigner en situation de classe. Ils couvrent tout le programme des lycées et collèges. On peut citer comme grand ensemble de ces programmes de physique : la mécanique, l’électricité, l’optique, la radioactivité et la  physique nucléaire, l’électronique, le magnétisme et l’électromagnétisme.

Pour donner un sens à la physique seront abordés les concepts de lois, de modèle utilisé pour leur traduction, et le concept de force et de représentation du monde. Pour sous-tendre les réflexions épistémologiques et historiques, la loi de Lenz et la loi de d’Ohm en électrocinétique et électrostatique d’une part, les concepts de force et d’héliocentrisme en mécanique d’autre part seront utilisés. Il est à noter que la loi d’Ohm est abordée dans le cours d’électricité des classes de 3^e et de 2^e C, la loi de Lenz en électrocinétique dans la classe de terminale C, D et E et l’étude du système solaire dans le programme de mécanique de 4^e et de terminale C, D et E.

De l’introduction de l’histoire des sciences et de l’épistémologie dans les programmes de formation depuis 2004

L’enseignement de l’histoire des sciences dans les programmes de formation doit se comprendre comme l’enseignement de l’histoire du développement passé des sciences (par exemple de la physique). La vision philosophique et épistémologique qui surgit lorsque l’on tente de pratiquer ces histoires sectorielles sera abordée dans l’enseignement de l’épistémologie. Les programmes de l’histoire des sciences et de l’épistémologie dévolus aux élèves-professeurs CAP-CEG (certificat d’aptitude professionnel pour les collèges d’enseignement général) et CAPES (certificat d’aptitude professionnel pour l’enseignement secondaire) de sciences physiques ont pour objectifs de penser la science en tant que processus historique. Les programmes des élèves encadreurs traitent de la problématique de la validation d’une théorie scientifique, du concept de révolution scientifique, des  relations entre l’histoire des sciences, la politique et l’idéologie en plus du thème abordé au niveau des élèves professeurs.

Penser la science en tant que processus historique

Cet aspect des programmes permet aux apprenants de comprendre la rupture qui existe entre l’enseignement des concepts, qui laisse voir la science comme un phénomène figé, et la pratique scientifique qui est dynamique. Il permet en outre de se rendre compte d’une part, de la continuité ou de la discontinuité dans cette évolution et d’autre part, que cette évolution ne va pas de soi. Elle nécessite un franchissement de plusieurs obstacles épistémologiques : l’expérience première, la connaissance générale et le substantialisme (Bachelard, 1999).

Problématique de la validation d’une théorie scientifique

La problématique de la validation d’une théorie scientifique pose le problème de la réfutabilité des théories d’une part et met en avant la non existence d’une expérience cruciale et surtout l’impossibilité de disposer d’une échelle de vérité. En effet, Popper (1963) cité par Payot (1985) affirmait : Nous ne disposons pas de critères de vérité (…). Mais nous possédons des critères qui (…) peuvent nous permettre de reconnaître l’erreur et la fausseté. En conséquence c’est la falsifiabilité et non la vérifiabilité d’un système, qu’il faut prendre comme un critère de démarcation (Popper, 1934) cité par Payot (1973).

Révolution scientifique

Cette partie met en évidence la discontinuité dans l’évolution de la science et permet en outre de se rendre compte que toute discontinuité n’est pas synonyme de révolution. Dans cet aspect du programme nous mettons en évidence les déterminants de la révolution qui sont l’internalisme et l’externalisme. Ces déterminants apparaissent comme des contraintes susceptibles de peser sur l’élaboration des théoriques scientifiques (Soler, 2000).

Relations entre l’histoire des sciences, la politique et l’idéologie

En abordant les relations entre histoire des sciences, la politique et l’idéologie, nous mettons en débat la pureté de la science c’est-à-dire de la relation entre la science et les enjeux politiques.

Impact de l’histoire des sciences et de l’épistémologie dans la qualification professionnelle

Cette partie se présente comme une sorte de transposition didactique des soucis, des problèmes, des méthodes du monde savant dans le monde de l’enseignement. Nous présenterons donc des situations didactiques qui peuvent être vues comme des transpositions didactiques des situations du monde savant.

Histoire des sciences et épistémologie : des outils pédagogiques d’amélioration des apprentissages. Bachelard (1939) a montré comment le substantialisme était un obstacle à l’apprentissage de la poussée d’Archimède, ici nous intéressons aux autres obstacles épistémologiques.

Transposition didactique de l’expérience première

Nous allons ici présenter un obstacle lié à l’expérience première fut-elle pédagogique. Les futurs encadreurs ont remarqué en situation de classe que dans l’étude du courant électrique dans le programme de 2^e C, la plupart des élèves pense que l’intensité et la tension sont proportionnelles indépendamment de la nature du dipôle. En effet, dans un circuit alimentant un lampe à incandescence, il est demandé aux élèves de remplir le tableau ci-dessous : 90% donnent les résultats marqués en italique, 10% ne traitent pas la question.

Tableau 1 : 1^er exemple d’exercice fourni aux élèves de 2^e C

Une telle production élève résulte de la linéarité de la tension en fonction de l’intensité. Les élèves reproduisent une expérience première de la classe de 3e : la loi d’Ohm dans le cas d’un conducteur ohmique. En effet, le tracé de la caractéristique U = f(I) montre une fonction linéaire modélisée par U = R.I. les élèves en situation ne prennent même pas la peine d’identifier la nature du dipôle, lui applique la loi d’Ohm d’un conducteur Ohmique. Il faut donc déconstruire cette conception : les enseignants en situation de classe doivent prendre la peine de faire une étude comparative de dipôle afin de montrer que la caractéristique dépend de la nature du dipôle.

Transposition didactique de la connaissance générale

Une autre conception toujours en électricité provient à la fois de l’expérience première et de la connaissance générale. En effet, en électricité en 2^e C dans l’étude d’une diode, on propose aux élèves de remplir le tableau suivant par tension nulle ou tension non nulle. Il ressort des réponses des élèves (85%) que toute intensité non nulle conduit à une tension non nulle. Cette réponse peut provenir de la loi d’Ohm mais aussi et surtout de la connaissance générale. A domicile, la quasi-totalité des élèves par l’utilisation d’appareils électroménagers se rendent compte que ces appareils ne fonctionnent que par la présence du courant électrique : c’est à dire dès lors que la diode électroluminescente indique le passage du courant électrique. Ainsi, il associe à toute intensité une tension sans tenir compte de la nature du dipôle.

Tableau 2 : 2^e exemple d’exercice fourni aux élèves de 2^e C

Validation d’une théorie scientifique

La conception générale des apprenants est qu’une théorie scientifique est vraie. La conséquence immédiate est l’acceptation de l’expérience cruciale. Ce qui suppose la vérification des lois et non leur falsification. Cette conception est inhérente à la manière de conduire les apprentissages. En effet, en demandant à un élève de donner la composition de l’eau et de justifier sa réponse, l’enseignant de façon implicite se place dans la logique d’une expérience cruciale. L’élève répondra certainement que l’eau est composée d’un volume de dioxygène et de deux volumes de dihydrogène. Lui demander de justifier sa réponse va l’amener à faire l’expérience de l’électrolyse de l’eau. Cette expérience devient cruciale et invalide toute autre théorie contraire.

Histoire des sciences et épistémologie : des appuis didactiques à la construction des concepts

Impact des déterminants de l’évolution sur les programmes

Le caractère externaliste de l’évolution scientifique ne fait plus aucun doute. Transposer dans le domaine de l’enseignement, on comprend bien que le choix des programmes est externaliste dans bien des cas. Ainsi, la crise énergétique avait amené la France à introduire l’énergie et son économie dans le programme de physique et actuellement, la modélisation et la simulation qui font partie intégrante du vécu des élèves, ont été prises en compte par l’étude de l’évolution des systèmes dans le programme de 2002 de physique. Ici au Burkina Faso, dans un souci de contextualisation, dans les exercices de mécanique sont évités les problèmes faisant intervenir des skieurs, des skateboards, etc. dans l’impossibilité on les tropicalise.

Utilisation d’analogie pour la construction de la loi de Lenz

La forme logique d’une loi se présente de la manière suivante : Quel que soit x, si x est A, alors x est B (Soler, 2000). Une loi stipule une corrélation constante entre plusieurs phénomènes, une corrélation qui est universelle au sens où elle est sensée valoir pour absolument tous les cas du type considéré (…) qu’ils soient ou non effectivement observés. (…) Une loi universelle permet d’expliquer en un sens les cas singuliers et en même temps de prédire la survenue d’événements futurs. Pour permettre aux élèves de comprendre la loi de Lenz, on procède par analogie. Ce procédé n’est pas nouveau dans la mesure où il semblerait que loi de Coulomb qui permet l’expression de la force électrostatique en 1/r² procède d’une analogie avec la loi de gravitation universelle qui permet l’expression de la force d’interaction gravitationnelle en 1/r². Cette analogie historique dans la science se transpose dans l’enseignement pour donner un sens même si leur usage doit se faire avec circonspection. En effet, les analogies peuvent être à l’origine d’idées fausses dans la tête des élèves. C’est le cas de l’analogie hydraulique qui conduit à un débit constant dans le cas d’ajout d’une branche supplémentaire dans le circuit hydraulique alors que dans le cas du courant électrique, l’ajout d’une branche augmente l’intensité du courant dans la branche principale. Par la loi de Lenz, on montre que la self s’oppose à l’établissement du courant. Afin de permettre une meilleure assimilation de cette loi, les enseignants utilisent d’une part l’analogie de la réaction chimique estérification-hydrolyse. En faisant abstraction des réactions chimiques, l’équilibre de cette réaction se modifie dans le sens à s’opposer à l’action : en diminuant l’eau formée, on modifie l’équilibre dans le sens de la production d’eau. D’autre part, on peu aussi utiliser l’analogie avec un ressort à spires non jointives. Le ressort s’oppose à l’action à lui communiquée par une force de rappel : Un ressort comprimé s’oppose à la compression en repoussant.

La construction du concept de rotondité de la terre

Il est un fait général qui découle de l’expérience première qui est de considérer que la terre est plate. Or elle est ronde ; presque ronde car légèrement aplatie au pôle. L’histoire de la contribution grecque à la construction de ce concept aide à l’apprentissage. En effet, Thalès de Milet, vers 650 av. J.-C. imagine déjà la rotondité de la terre. Un siècle plus tard, Hécatée ébauche la première carte d’un monde rond et plat comme une assiette, centrée sur la Méditerranée. On voit bien à travers ce fait que la rotondité telle que connue aujourd’hui ne va pas de soi. La terre est ronde ne signifie pas pour Thalès de Milet qu’elle est sphérique aujourd’hui. Les concepts changent avec le temps. Le mathématicien Pythagore et ses disciples, se basant sur les lois de l’harmonie de l’univers, émettent l’hypothèse que la terre est ronde, la sphère étant la forme géométrique la plus parfaite. Il ressort de cette observation que la rotondité est vue comme nous le concevons aujourd’hui en première approximation car la sphère terrestre est légèrement aplatie aux pôles. Aristote au IV^e siècle confirme la rotondité de la terre en remarquant qu’un bateau disparaît à l’horizon, sa coque semble peu à peu engloutie par la mer, de bas en haut. La rotondité expliquée par l’observation des faits. L’observation joue un rôle capital dans la détermination des concepts dans les sciences expérimentales.

L’héliocentrisme : une méthode expérimentale de validation de théorie scientifique

Jusqu’à Copernic et Galilée, on suppose la terre immobile au centre de l’univers. Effectivement, aucune observation ne peut mettre en évidence un mouvement de la terre dans l’espace. En effet, les observations premières montrent que le soleil se lève à l’est et se couche à l’ouest. D’où la mobilité du soleil par expérience première. Il faut noter que la relativité du mouvement n’était pas à l’ordre du jour. Copernic et Galilée vont supposer le mouvement des planètes autour du soleil. Kepler va énoncer des lois pour ce mouvement, lois qui ne découlent que de l’observation du mouvement des astres. Ces lois ne représentent qu’une description cinématique de ce mouvement sans faire d’hypothèses sur la nature des forces en jeu. Le concept de force n’était pas à l’ordre du jour. Kepler (1571- 1630) est le disciple de Tycho Brahe (1546-1601) auquel il succède comme astronome de l’empereur d’Allemagne Rodolphe II. Tycho Brahe est principalement un observateur de positions précises mais s’il effectue de très bonnes observations, en revanche, il n’est pas convaincu par les théories héliocentriques de Copernic (1473-1543). Il pense toujours que la Terre est au centre du système solaire. Kepler va utiliser les observations de Tycho Brahe pour énoncer ses lois. Nous voyons le caractère empirique des lois. Il y a un souci permanent de se coller au fait et à l’émission d’hypothèses et à l’élaboration de théorie. Kepler est convaincu que Copernic a raison, ce qui sera définitivement admis après Galilée (1564-1642) en 1610 grâce à l’utilisation d’une lunette astronomique et à l’observation des satellites de Jupiter. L’expérimentation vient au secours de l’observation naïve. La science devient expérimentale et nous sommes à la vérification des hypothèses et à la falsification des théories. A travers ce rappel historique, apparaît la méthode expérimentale comme un moyen de validation de théorie scientifique.

Conclusion

Il apparaît donc que, l’histoire des sciences et l’épistémologie peuvent contribuer à l’amélioration de la compétence professionnelle des enseignants. Ces sciences permettent aux formateurs de se rendre compte que les difficultés d’apprentissage des élèves en situation ont été quelques fois celles des scientifiques dans leur quête perpétuelle du savoir. Par conséquent, le regard de l’enseignant se trouve modifié vis-à-vis de l’élève en difficulté. Le souci de la prise en charge des élèves en difficulté par une pédagogie différenciée ou par des enseignements bâtis sur des situations problèmes, des objectifs obstacles devient primordial pour le formateur et le rapport de l’enseigné à l’enseignant se trouve amélioré. Ces disciplines permettent aussi un éclairage du savoir à enseigner et par conséquent une meilleure relation entre l’enseignant et ledit savoir. Le dernier côté du triangle didactique n’est pas en reste dans la mesure où l’amélioration du rapport enseigné enseignant d’une part, du rapport savoir à enseigner et enseignant d’autre part participe de la facilitation du rapport entre l’enseigné et le savoir.

Bibliographie

Bachelard, G. La formation de l’esprit scientifique, 1999, J. Vrin

Courtillot, D. et Ruffenach, M. Enseigner les sciences physiques, 2004, Bordas pédagogie Popper, K. La logique de la découverte scientifique, 1934, Payot,1973.

Popper, K. Conjectures et réfutations, 1963, Payot, 1985. Soler L. Introduction à l’épistémologie, 2000, Ellipses.

Résumé

Le programme de formation des élèves professeurs et des élèves encadreurs de l’école normale supérieure de Koudougou (ENSK) dans la section physique et chimie ne prenait pas en compte l’enseignement de l’épistémologie et l’histoire des sciences. Or, on est sans ignorer l’impact de l’histoire des concepts sur la construction du savoir, et aussi de l’épistémologie sur la maîtrise des concepts à enseigner, à savoir les concepts de loi, de force, de l’énergie, de principe, etc. et aussi sur le choix des méthodes et démarches à adopter dans l’enseignement. Afin d’améliorer le profil de formation, les programmes d’enseignement de la section physique et chimie ont été modifiés depuis 2004 pour une intégration de l’épistémologie et de l’histoire des sciences. L’objectif de la présente communication vise à présenter comment un choix de programme d’enseignement peut améliorer les compétences professionnelles par la maîtrise des notions et concepts, par la modification des pratiques enseignantes, et enfin par une meilleure prise en charge de l’encadrement des futurs professeurs