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LES TICE PEUVENT-ELLES CONTRIBUER AU DEVELOPPEMENT DE LA PENSEE EXPERIMENTALE ? L'exemple de l'enseignement des sciences de la vie et de la terre dans le secondaire Mémoire présenté en vue de l’obtention du DESS Ingénierie des médias pour l’éducation par Katia COLLINET Résumé UFR Lettres et langues - OAVUP - Année universitaire 2001 – 2002
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LES TICE PEUVENT-ELLES CONTRIBUER AU DEVELOPPEMENT DE LA PENSEE EXPERIMENTALE ?
L'exemple de l'enseignement des sciences de la vie et de la terre dans le secondaire
Mémoire présenté en vue de l’obtention du DESS Ingénierie des médias pour l’éducation
par Katia COLLINET
Résumé
UFR Lettres et langues - OAVUP - Année universitaire 2001 – 2002
9
Résumé Sommaire
Depuis 1992, les objectifs de l’enseignement des SVT visent à l’approfondissement de la formation
méthodologique en développant la maîtrise de la démarche expérimentale. Cependant, même si c’est la
pratique du chercheur scientifique qui sert de référence « officielle » dans l’enseignement, nous verrons
que l’enseignant ne peut prétendre calquer la démarche complexe du chercheur dans son laboratoire, mais
seulement chercher à s’en approcher. Ainsi, en quoi peut consister une démarche expérimentale à l’école
et quelles en sont ses limites ?
Actuellement, l’enseignement expérimental cherche à s’inspirer des utilisations de l’ordinateur dans
l’activité scientifique des chercheurs. Nous présenterons quelques outils développés par les TICE pour
l’enseignement des SVT dans le but de mettre en évidence la scénarisation des activités qui font appel aux
méthodes et aux démarches scientifiques et favorisent le développement de la pensée expérimentale. Puis
à partir des résultats de cette analyse et des principales difficultés liées à la spécificité de l'enseignement
de la morphogénèse végétale au programme de 1ère S, nous proposerons quelques activités multimédias
qui permettraient de faciliter son apprentissage.
Je tiens à remercier M. Cerisier pour ses précieux conseils,
Yannick pour ses suggestions de lecture,
Mme Gafsou de m'avoir fait parvenir les publications de l'INRP très rapidement,
Samuel pour m'avoir prêté ses cours personnels en SVT,
Olivier et yves pour la relecture de ce mémoire,
ma famille, Thierry, Laurence et Françoise pour leur soutien moral.
10
INTRODUCTION PREMIERE PARTIE sig I. Les spécificités des sciences de la vie et de la terre II. Enseigner les SVT en France : instructions officielles, modèles et pratiques III. TICE : instructions officielles, produits et usages DEUXIEME PARTIE
I. Choix et objectifs de l'analyse des logiciels
II. Phylogène
III. L'abeille ouvrière butineuse TROISIEME PARTIE
Développement d’activités pédagogiques multimédias pour l’enseignement de la
biologie en 1ère S
I. Le sujet traité et les motivations de ce choix
II. Les objectifs du bulletin officiel
III. Proposition d’activités pédagogiques multimédias
CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE
11
PREMIERE PARTIE..................................................................................…
19
I. Les spécificités des sciences de la vie et de la terre...................… 19
1) Des champs de recherche très vastes qui font appel à de multiples
compétences......................................................................................…
19
a) Les sciences de la vie (ou la biologie).......................................... 19
b) Les sciences de la terre (ou la géologie)....................................... 20
2) Les SVT sont des sciences expérimentales avec des démarches et
des méthodes spécifiques.....................................................................
20
a) L’observation............................................................................. 20
b) L’expérimentation...................................................................... 21
c) Des pratiques scientifiques qui se modifient sans cesse............. 23
d) Quelques exemples d’usages de l’ordinateur dans les
laboratoires de recherche............................................................
23
e) La simulation informatique dans les laboratoires de
recherche....................................................................................
24
3) Le renouvellement rapide des connaissances...................................... 26 II. Enseigner les SVT en France : instructions officielles,
modèles et pratiques...........................................................................
26
1) Le programme...................................................................................... 27
a) Le contenu.................................................................................... 27
b) Les objectifs.................................................................................. 27
2) Quel est le rôle de l’enseignant ?......................................................... 28
3) Quelles sont les principales contraintes d’enseignement ?............... 29
12
4) Quelles sont les similitudes et les oppositions des conditions de
travail entre le chercheur et l’enseignant ?........................................
29
5) En quoi consiste une démarche expérimentale à l’école ?................. 30
6) Quelle est la logique expérimentale mise en œuvre par les
enseignants ?...........................................................................................
30
7) Que devrait apporter aux élèves la démarche expérimentale ?........ 31
8) Pourquoi ces objectifs ne sont-ils pas atteints ?................................. 31
9) Les conséquences de l’application du modèle OHERIC dans les
pratiques de l’enseignement des démarches et des méthodes
expérimentales. Proposition d’un nouveau modèle par Pierre
Clément.................................................................................................
32
a) L’observation................................................................................ 32
b) L’expérimentation......................................................................... 32
III. TICE : instructions officielles, produits et usages.................. 26
1) L’utilisation des TICE dans les programmes officiels de
l’éducation nationale.......................................................................
34
a) Objectifs généraux......................................................................... 34
b) Objectifs en SVT........................................................................... 34
2) Quels types de produits trouve-t-on sur le marché et pour quel
usage ?..............................................................................................
35
a) Les banques de données sur cédérom ou sur Internet................... 35
b) L’ExAO : Expérimentation Assistée par Ordinateur........……… 36
c) Logiciels de simulation.................................................................. 38
3) Quelles sont les activités multimédias proposées par l’utilisation
des logiciels et qui favorisent le développement de la pensée
expérimentale ?.................................................................................
39
13
a) L'observation................................................................................
- logiciels de dessin aidant à l'observation....................................... - logiciels outils : les images satellites, la visualisation en trois
dimensions, l'animation.............................................................
40 40 43
b) Les exercices interactifs.....................................................……. 46
c) L'expérimentation assistée par ordinateur.......................………. 48
d) La simulation..........................................................................….. 49
DEUXIEME PARTIE....................................................................................
52
I. Choix et objectifs de l’analyse des logiciels....................................... 52
II. Phylogène................................................................................................
52
1) Présentation des méthodes..............................................................
53
a) La méthode cladistique................................................................. 53
b) Les méthodes phénétiques............................................................ 53
c) Quels sont les algorithmes utilisés par ces méthodes de
classification des êtres vivants dans Phylogène ?.........................
54
2) Présentation du logiciel...................................................................
54
a) Objectifs du logiciel...................................................................... 54
b) Programme et niveaux scolaires visés.......................................... 55
3) Analyse du contenu et des activités proposées..............................
56
a) Observer et comparer les caractéristiques des différents taxons.. 56
b) L’échantillonnage et le classement de taxons............................... 58
c) La construction d’arbres.............................................................. 60
4) Analyse de la conception d’utilisation du logiciel...................…. 66
a) Accès aux différentes activités..................................................... 66
b) Le choix des caractères................................................................ 66
c) La manipulation manuelle............................................................ 67
14
d) L’aide............................................................................................ 67
5) Conclusion.................................................................................... 67
III. L'abeille ouvrière butineuse............................................................. 68
1) L’étude du comportement animal dans les programmes
scolaire..............................................................................................
68
2) Objectifs du logiciel et niveau scolaire visé............................……. 68
3) Structure du logiciel........................................................................ 69
4) Analyse des activités........................................................................ 70
a) Les activités d’observation........................................................... 70
b) Les exercices interactifs................................................................ 72
c) Les activités expérimenter............................................................
- La perception sensorielle....................................................
- La communication par la danse..........................................
- La morphologie de l’animal................................................
72
72
76
76
5) Conclusion........................................................................................ 76
III. TROISIEME PARTIE.............................................................…….
78
Développement d’activités pédagogiques multimédias pour
l’enseignement de la biologie en 1ère S............................
78
15
I. Le sujet traité et les motivations de ce choix.............................. 78
II. Les objectifs du bulletin officiel......................................................... 79
III. Proposition d’activités pédagogiques multimédias.............. 79
1) Analyse de la morphologique des végétaux en fonction des
conditions environnementales....................................................
79
2) Analyse architecturale de la morphologie des
végétaux............………………………………………………...
81
a) Pré requis pour faire l’activité...................................................... 81
b) Première activité........................................................................... 82
c) Deuxième activité : applications industrielles.............................. 83
d) Troisième activité......................................................................... 84
3) Le développement du végétal sous l’influence des
hormones...... 88
a) Première activité........................................................................... 88
b) Deuxième activité......................................................................... 90
CONCLUSION GENERALE...................................................................………… 92
BIBLIOGRAPHIE.......................................................................................... 95
16
INTRODUCTION Les sciences de la vie et de la terre (SVT) ont longtemps eu la réputation d’être une
matière encyclopédique. On pensait, en conséquence, que la qualité première attendue
d'un élève était la mémoire !
Si la science était si simple, cela impliquerait que la compréhension des mécanismes qui
régissent les phénomènes biologiques et géologiques pourrait se suffire de la
mémorisation d’un ensemble d’informations, présentées le cas échéant en usant de
termes compliqués pour donner l’illusion de « faire de la science » ! Dans ces
conditions, aucune assertion ne pourrait être réfutable et des théories aussi peu
scientifiques que celle de la génération spontanée1 serait devenue une vérité
incontestable ! Dans de telles conditions, on pourrait se demander ce qui distinguerait
cet enseignement du catéchisme ?
Les SVT ont deux prétentions : celle d’être une science, ce qui lui confère que ses
contenus puissent être soumis à l’analyse critique et celle de se ranger dans la catégorie
des sciences expérimentales, c’est à dire celles dont les objets d’études sont soumis à
l’expérience. Par conséquent, ni l’information en blouse blanche, ni la lecture du
Discours cartésien de la méthode2 ou de L’introduction à la méthode expérimentale de
Claude Bernard ne suffiront pour aider à développer la pensée expérimentale chez les
élèves !
Ce mémoire vise à élucider les apports des technologies de l’information et de la
communication à la formation de la pensée expérimentale chez des élèves du second
degré.
Dans une première partie de ce mémoire, nous définirons, à partir de données
historiques, les méthodes et les démarches qui ont servit de base à la recherche
expérimentale actuelle, ainsi que les manières de procéder des chercheurs dans leur
laboratoire.
Puis nous évoquerons la vitesse à laquelle progressent les découvertes qui constituent
l’une des caractéristiques importantes de la recherche contemporaine en biologie et en
1 Voir p.21 2 Descartes, philosophe et savant français, 1596-1650
17
géologie, et dont l’impact est non négligeable sur l’enseignement des SVT. Cette
évolution rapide des connaissances est la conséquence de l’utilisation d’une technologie
informatique de plus en plus performante et donnant accès à de nouvelles méthodes et
de nouvelles démarches scientifiques, sans lesquelles l’étude de certains phénomènes
biologiques ou géologiques n’aurait pas été possible. En effet, beaucoup de phénomènes
ne sont pas observables en temps réel, comme l’évolution d’un caractère héréditaire à
l’échelle des populations, l’érosion des roches, les réactions biochimiques qui
interviennent dans la défense immunitaire de notre organisme ou au cours de la
digestion, etc… Pour comprendre tous ces phénomènes, les chercheurs créent des
programmes informatiques qui vont permettre de réaliser des expériences virtuelles
issues de différents modèles théoriques.
Depuis 1992, les objectifs de l’enseignement des SVT visent à l’acquisition des
connaissances et à l’approfondissement de la formation méthodologique en développant
la maîtrise de la démarche expérimentale. Cependant, même si c’est la pratique du
chercheur scientifique qui sert de référence « officielle » dans l’enseignement, nous
verrons que l’enseignant ne peut prétendre calquer la démarche complexe du chercheur
dans son laboratoire, mais seulement chercher à s’en approcher. On peut ainsi
s’interroger sur ce que peut être une démarche expérimentale à l’école et quelles en sont
ses limites. On peut également chercher à identifier et à caractériser la nature et les
modalités de la logique expérimentale mises en œuvre par les enseignants ?
Actuellement, l’enseignement expérimental cherche à s’inspirer des utilisations de
l’ordinateur dans l’activité scientifique des chercheurs. Nous présenterons quels sont les
outils développés par les TICE pour l’enseignement des SVT et pour quels types
d’usages ? Quelles sont les activités multimédias mises en place pour favoriser le
développement de la pensée expérimentale ? Puis dans une deuxième partie nous
analyserons deux produits multimédias, phylogène et l’abeille ouvrière butineuse, dans
le but de mettre en évidence la scénarisation des activités qui font appel aux méthodes et
aux démarches scientifiques et favorisent le développement de la pensée expérimentale.
La troisième partie s’appuie sur l’analyse proposée dans les deux premières et présente
une réflexion personnelle sur une application pratique multimédia dans le domaine de la
biologie végétale au programme de 1ère S. Elle décrit des activités pédagogiques qui
pourraient être proposées dans l’apprentissage des démarches et des méthodes
spécifiques à l’analyse morphologique et architecturale des végétaux. Sommaire
18
PREMIERE PARTIE
I. Les spécificités des sciences de la vie et de la terre
1) Des champs de recherche très vastes qui font appel à de
multiples compétences
Les Sciences de la Vie et de la Terre (SVT) forment un ensemble de disciplines
expérimentales unies par un seul objet, la nature. On pourrait donc aussi appeler les
SVT, les sciences de la nature.
a) Les sciences de la vie (ou la biologie)
Leurs champs de recherche sont très vastes et s’étendent de l’étude des bio-molécules à
la biosphère.
Leurs disciplines peuvent concerner soit un type d’objet tel que le gène, la cellule,
l’organisme, les populations... et ce, quel que soit le règne auquel appartient l’objet
étudié, et/ou un type de méthode tel que la taxonomie, l’histologie, l’électrophysiologie,
la modélisation, le séquençage d’ADN...
La biologie peut être pluridisciplinaire quand elle est combinée avec d’autres branches
de la science :
- du côté des sciences « dures » : les biomathématiques, la biochimie, la
biophysique, etc...
- du côté des sciences humaines et sociales : la sociobiologie, les sciences
cognitives, la psycho-physiologie, etc...
- du côté des sciences appliquées : les biotechnologies, l’agriculture,
l’environnement, etc...
19
b) Les sciences de la terre (ou la géologie)
Leurs domaines d’études s’étendent de la minéralogie à l’astronomie en passant par la
paléontologie, la préhistoire, la pétrologie, la sédimentologie...
Tout comme la biologie, la géologie s’inscrit dans des domaines pluridisciplinaires tels
que la géochimie, la géophysique...
Remarque : Seules la paléontologie et la préhistoire ne sont pas des sciences
expérimentales, même si elles utilisent les résultats de sciences expérimentales, une
expérience ne peut se faire que dans le domaine de l’actuel. Il n’y a pas d’expérience du
passé.
2) Les SVT sont des sciences expérimentales avec des démarches
et des méthodes spécifiques
Ce chapitre a pour objectif, à partir d’exemples historiques, de poser les grands
principes des démarches et des méthodes expérimentales, c’est à dire les différentes
manières de procéder des scientifiques.
a) L’observation
Contrairement à ce que l’on pourrait penser, savoir observer1 n’est pas si simple ! C’est
une attitude à la fois active, car elle fait appel à tous nos sens (la vue, donne des
indications sur la forme, la couleur... le toucher indique si la surface est lisse, douce,
chaude... l’odorat sur l’odeur : acre, entêtante...) et passive, car il faut conformer son
esprit à l'objet observé. Et c’est seulement par la combinaison de ces deux attitudes que
l’objet réel observé passe de la connaissance sensible à la connaissance intellectuelle.
L’observation est l'une des pratiques scientifiques les plus anciennes et elle a donné
naissance à la discipline reine en la matière : la taxonomie, c’est à dire catégoriser et
1 Savoir observer dans le sens d’observation scientifique ≠ observation empirique
20
classer. Le premier naturaliste à avoir maîtrisé cette méthode de recherche est Linné2.
On lui doit la classification des espèces en botanique et en zoologie, appelée
nomenclature binaire3.
Bien d’autres disciplines de la biologie se fondent sur ce type de démarche : l’anatomie
comparée4, la catégorisation et clefs de détermination des organes des animaux ou des
végétaux, des maladies, des cellules et plus récemment des gènes dans les banques de
données...
Parallèlement à l’évolution technologique, sont apparus des appareillages qui ont donné
de nouveaux moyens d’observation et ont permis de prolonger les sens, surtout celui de
la vue. On a pu ainsi observer sur différentes échelles :
- les cellules, à l’aide des microscopes optiques, électroniques à transmission
ou à balayage...
- les organes au moyen de la radiographie, le scanner, l’endoscopie,
l’échographie...
- les planètes et les étoiles, grâce au télescope, à la lunette astronomique...
Une fois les faits d'observation scientifique établis, il faut leur donner une signification
pour en déduire des lois.
Même si l’observation a beaucoup contribué au développement de la pensée
expérimentale, celle-ci a ses limites, car les interprétations données sur des faits
observés ne permettent pas de confirmer leur exactitude. L'observation est une science
passive, en ce sens qu’elle ne change rien activement.
b) L’expérimentation
Les expériences scientifiques sont faites d'après une idée préconçue qu'il s'agit de
vérifier ou de contrôler afin de comprendre le phénomène. Par exemple, c’est grâce à
l’expérimentation scientifique que Pasteur1 enterra définitivement l’idée de la
génération spontanée qui admettait que la matière organique (viande, fromage, pain...)
possédait une force vitale qui lui permettait de créer spontanément des organismes
2 Linné Carl von, naturaliste suédois, 1707-1778. 3 Chaque être vivant est caractérisé par son nom de genre et son nom d'espèce. 4 Cuvier Gorges (1769-1832), naturaliste français. 1 Pasteur Louis (1822-1895), chimiste et biologiste français, fondateur de la microbiologie.
21
complexes vivants comme les vers ou les mouches ! Il montra par l’expérience, en 1862
que le développement d'organismes dans un milieu préalablement stérilisé est dû à une
contamination par des microbes de l'air ambiant.
Le principe de la méthode expérimentale a été établit par Claude Bernard2 dans les
années 1850. Aujourd’hui il est considéré comme le père de la physiologie moderne.
D’après les données recueillies dans son livre « L’introduction à la méthode
expérimentale », le schéma simplifié de la méthode expérimentale se compose des
étapes suivantes :
- observation fidèle de la réalité
- déduction ou hypothèses par rapport aux lois
- vérifications expérimentales
- preuves
- constructions de théories
Dans la méthodologie de Claude Bernard, on peut constater 2 phases distinctes :
- la science d'observation
- la science expérimentale
Ces deux phases sont nécessairement et absolument subordonnées l'une à l'autre. La
phase de science expérimentale ne peut parvenir, sans être passée par la phase de
science d'observation.
Ainsi d’après le modèle bernardien, les lois sont établies à partir des observations puis
celles-ci sont vérifiées par des expériences qui obéissent à une logique et une rationalité
unique.
Le principe de cette démarche a permis aux naturalistes de réaliser des expériences dont
les résultats sont vérifiables, et donc de poser la règle suivante : tout résultat
expérimental doit pouvoir être vérifiable pour être validé.
22
c) Des pratiques scientifiques qui se modifient sans cesse
La représentation dominante actuelle des sciences de la vie et de la terre s’inspire du
modèle bernardien qui est caractérisé par une vision centrée sur l’observation.
Cependant, dans la réalité il en va tout autrement. Confronté à des questions, les
scientifiques utilisent des méthodes et des manières diverses de les appréhender. Des
recherches réalisées par des épistémologues1 montrent que certains laboratoires
privilégient la méthode analytique qui consiste à se donner un modèle construit à partir
de ses éléments de base, d’autres privilégient l’approche du système comme un tout en
employant la méthode systémique, etc... Il en est de même pour l’élaboration de
protocoles expérimentaux. Ceux-ci varient en fonction des préférences des laboratoires,
certains pratiquent le « bricolage », d’autres modifient les recettes utilisées pour les
adapter à leurs propres applications, etc... Ainsi, le travail manuel est un élément central
dans les pratiques scientifiques et il existe en fait, tout un déploiement de manières de
procéder qui varient selon les laboratoires, l’objet étudié et les objectifs du projet de
recherche.
De tous ces constats, il en ressort qu’il se poserait plutôt un problème de standardisation
des tâches ou des techniques utilisées dans l’expérimentation plutôt que, l’existence
d’une méthode scientifique unique comme le laisse supposer le modèle bernadien.
d) Quelques exemples d’usages de l’ordinateur dans les laboratoires
de recherche
Les applications informatiques sont nombreuses et variées, depuis la mise au point du
projet jusqu’à la rédaction des résultats. La communication entre chercheurs se fait aussi
par mails même quand il n’y a pas de contrainte géographique.
Cependant, dans un laboratoire, l’ordinateur est surtout un instrument conçu comme un
moyen permettant au chercheur de réaliser des actions, des tâches. En effet, dans la
plupart des manipulations telles que le séquençage de l’ADN, la quantification des
2 Claude Bernard (1813-1878), physiologiste français qui définit les principes fondamentaux de toute recherche scientifique dans son « Introduction à l’étude de la médecine expérimentale » 1 Latour, B., Woolgar, S., La vie de laboratoire : la production des faits scientifiques, Paris : La Découverte, 1989
23
solutions, etc... le recours aux techniques informatiques est indispensable pour diverses
raisons : ce peut être pour des contraintes budgétaires, temporelles, pour accomplir des
tâches répétitives qui demandent une haute précision, etc...
L’ordinateur peut aussi être un outil dédié à l’observation scientifique tel que dans les
domaines de la météorologie, de la géologie, de la biologie, de la biochimie, etc... En
voici quelques exemples d’application :
- les images recueillies par les satellites géostationnaires, sont traitées
informatiquement par des fausses couleurs pour améliorer la visualisation du
phénomène météorologique observé.
- dans le domaine de la géologie, avec les satellites de télédétection on obtient
des images qui traitées en fonction des applications scientifiques définies,
permettent de suivre par exemple la dérive des continents ou de dresser la
carte des risques pour les régions menacées par des glissements de terrain,
etc...
- en sciences biologiques, ces images servent à la surveillance de
l’environnement terrestre et océanique pour détecter les nuisances (pollution,
parasites de cultures), pour l’analyse des paysages, des migrations de
populations d’animaux, etc...
- en biochimie ou biologie moléculaire, les chercheurs utilisent des logiciels
qui permettent de visualiser des molécules complexes en trois dimensions,
celles-ci répertoriées dans des bases de données internationales sont
accessibles par Internet ou cédérom.
e) La simulation informatique dans les laboratoires de recherche
La simulation informatique est une démarche expérimentale assez récente en SVT, elle
nous vient des mathématiques appliquées. Elle permet sur certains systèmes
biologiques, sur lesquels il est difficile, voire impossible, d'effectuer des
expérimentations, comme une forêt, une épidémie, des micro-organismes... de décrire
les phénomènes et de mieux comprendre comment ils évoluent.
Pour pouvoir simuler un phénomène naturel il faut d’abord le modéliser, c’est à dire en
donner une représentation simplifiée par rapport à la réalité. Comment construit-on un
24
modèle en SVT ? Il existe deux types de démarches de modélisation fondées sur un
ensemble de méthodes de recherche de modèles, appelée la modélisation
expérimentale1 :
- soit, on recherche un « modèle de comportement (ou modèle de
représentation1) », c’est à dire une « relation mathématique obtenue à partir
de résultats expérimentaux. » Dans cette méthode, il s’agit de construire par
une démarche hypothético-déductive une représentation théorique du
phénomène concerné. (Exemple : à partir des résultats expérimentaux de
Mendel, obtenus lors des croisements entre les fleurs de petits pois de
différentes couleurs, on en a déduit des lois mathématiques, aujourd’hui
appelées « lois de l’hérédité de Mendel »)
- ou par la recherche d’un « modèle de connaissance », c’est à dire d’une
« relation établie par raisonnements successifs à partir de lois » L’objectif
de cette démarche n’est pas d’expliquer ou d’interpréter l’objet concerné,
mais d’en donner une description mathématique. (Exemple : la
représentation en 3D des molécules biologiques)
Pour qu’un modèle soit représentatif de la réalité il faut que ce soit un bon modèle, c’est
à dire qu’il doit être suffisamment élaboré pour ne pas donner une image trop simpliste
de la réalité. Cependant, aucun modèle ne peut rendre compte de la totalité de la réalité.
Etant une simplification, tout modèle a ses limites, son domaine de validité.
Une fois que l’on a trouvé le bon modèle, on peut soumettre celui-ci à
l’expérimentation : c’est la simulation. Il s’agit d’une procédure de recherche
scientifique qui permet de pouvoir observer le comportement du modèle lorsqu'il est
soumi expérimentalement à différentes actions. On en déduit ainsi ce qui se passerait
dans la réalité sous l’influence d’actions analogues.
La simulation d’un bon modèle doit donner des résultats prédictifs, c'est-à-dire qu'il doit
permettre de prévoir, dans une certaine mesure, le résultat d'une expérience. En dehors
de ses limites, ses résultats ne collent plus à la réalité, ils traduisent alors que les
propriétés du modèle. L'utilisateur doit être conscient de cela, pour rester critique vis-à-
vis des résultats.
1 Actes du Colloque, 28-29-30 janvier 1992, L’intégration de l’informatique dans l’enseignement et la formation des enseignants, édités par G-L. BARON et J. BAUDE, INRP.
25
3) Le renouvellement rapide des connaissances
Depuis les lois de l’hérédité de Mendel publiées dans la seconde moitié du XIXème
siècle, il n’y a pas eu une seule année sans découverte en biologie ou en géologie ! Et
depuis l’apparition de la biologie moléculaire «... on a plus découvert en 20 ans qu’en 2
siècles... ! 1»
En effet, ces sciences sont, sans doute, celles qui évoluent et progressent le plus vite de
nos jours. En permanence les médias nous font part de nouvelles connaissances ou de
nouveaux démentis sur telle ou telle théorie. Ce constat montre combien l’étude des
phénomènes vivants et géologiques est complexe et nous oblige à prendre un recul
critique face aux connaissances actuelles, car certaines seront remises en cause
prochainement...
IV. Enseigner les SVT en France : instructions officielles,
modèles et pratiques
Ce chapitre va nous permettre de faire le point sur les principales difficultés liées aux
pratiques pédagogiques pour enseigner en milieu scolaire, les méthodes et les
démarches expérimentales utilisées par les chercheurs. Il ne sera traité que de
l’observation et de l’expérimentation enseignées de façon traditionnelle c’est à dire sans
l’utilisation de l’outil informatique.
1 Lefèvre, A., Biologie : une discipline trop prolifique, Sciences et Vie hors série n°180 : Sciences à l’école : les raisons du malaise, septembre 1992.
26
1) Le programme officiel
Pendant longtemps les SVT ont été enseignées comme des « sciences mortes », car les
objectifs pédagogiques étaient plus axés sur la connaissance que sur l’esprit de la
démarche scientifique. Cependant, avec le renouvellement rapide des connaissances et
des pratiques en biologie et en géologie, une réactualisation régulière du contenu et des
objectifs quant à leur enseignement, s’est imposé.
a) Le contenu
Comment est choisi le contenu des programmes et avec quels types d’arguments ?
Ceux-ci semblent faire le choix entre des objectifs de transmission de connaissances et
des objectifs d’utilisation de ces connaissances dans des activités expérimentales,
surtout centrées sur le vivant dans les classes de lycée. Ces activités doivent, depuis
récemment, en même temps faire référence à une pratique expérimentale de biologiste.
b) Les objectifs pédagogiques
Dans une première réforme1, il a été demandé aux enseignants d’élaborer des cours
construits sur une problématique favorisant « la construction active du savoir par
l’élève» et où l’enseignement expérimental repose sur « des activités pratiques qui
permettent de mettre en œuvre les étapes caractéristiques de la démarche
expérimentale »
Actuellement, la priorité à l’expérimentation scientifique a été renforcée par la mise en
place des Travaux Personnels Encadrés (TPE)2 dont le principe est le suivant, avec
l’aide d’enseignants l’élève doit :
- choisir un sujet à partir d'un thème général
- formuler une problématique 1 BO, 1992. 2 Les TPE ont été mis en place en classe de première par le BO n° 3 du 20 janvier 2000. Les TPE doivent croiser au moins deux disciplines.
27
- rechercher des documents
- réaliser une expérience
- donner une réponse à la problématique
- évaluer son travail
- travailler en équipe
Le but de cette réforme est « d’offrir aux élèves l'occasion de mener à bien une
expérience concrète qui leur permet d'enrichir leurs savoirs, de développer des
compétences et d'affiner leurs méthodes »1
Cependant, le temps consacré aux TPE représente à peine deux heures par semaine ! Et
ne concerne que les classes de première et de terminale du lycée.
Ces réformes s’inscrivent bien dans l’esprit de la démarche scientifique, en ce sens
qu’elles donnent une plus grande autonomie aux élèves dans la prise d’initiative,
favorisent les discussions entre les élèves et les enseignants...
2) Quel est le rôle de l’enseignant ?
La principale fonction de l’enseignant en SVT est d’initier les élèves aux pratiques
scientifiques expérimentales :
- en leur apportant des connaissances qui tiennent compte de la complexité des
concepts, pour que l’élève puisse les structurer en lui de façon à ce qu’il
s’approprie le savoir scientifique
- en recontextualisant les connaissances pour permettre à l’élève de les
intégrer dans le contexte historique scientifique
- en apportant à l'élève un savoir scientifique qui lui permettra une réflexion
critique sur la construction de celui-ci
- en construisant une problématique où l’élève est pleinement acteur, c’est à
dire que l’enseignant amène le problème mais ne le donne pas à l’élève
- en amenant l’élève à répondre à des questions de biologie ou de géologie qui
sont réalisables sur le plan cognitif et technique
1 Les TPE vers une autre pédagogie, Cahiers pédagogiques, CNDP, CRDP d'Amiens, 2000.
28
3) Quelles sont les principales contraintes d’enseignement ?
L’enseignant doit donc reconstruire le savoir tout en considérant un certain
nombre de contraintes :
- il doit décider d’une chronologie d’enseignement à laquelle les élèves
devront s’adapter
- il doit tenir compte du temps accordé par les institutions officielles pour
aborder une notion ainsi que de celui nécessaire à l’élève pour s’approprier
cette notion
- il doit tenir compte de la diversité comportementale de ses élèves et donc
diversifier les situations d’enseignement
4) Quelles sont les similitudes et les oppositions des conditions
de travail entre le chercheur et l’enseignant ?
- Le chercheur élabore le savoir, à l’inverse l’enseignant, lui, en dispose.
- Le temps nécessaire à la découverte des savoirs du chercheur n’est pas le
même que celui passé à les enseigner puisqu’ils font l’objet de programmes
et donc de calendrier.
- La qualité scientifique est liée à la mise en forme de l’exposé des savoirs
scientifiques mais aussi à la démarche de validation qui l’accompagne.
L’enseignant donne une valeur scientifique aux connaissances transmises par
la qualité de sa mise en scène de ce savoir et sa liberté est totale.
- Les pratiques des chercheurs sont très diverses dans leur manière d’aborder
un problème, comme eux, l’enseignant doit tenir compte de la diversité des
comportements de ses élèves.
29
5) En quoi consiste une démarche expérimentale à l’école ?
Depuis les années 1970, le modèle OHERIC : Observation – Hypothèse – Expérience –
Résultat – Interprétation - Conclusion, a été donné aux enseignants comme "une recette
infaillible qu’il suffirait d’appliquer pour former la pensée expérimentale des élèves 1."
Si elle a l’avantage de rassurer les élèves et les enseignants, elle a l’inconvénient de
donner une image de la recherche scientifique, linéaire et idéalisée. En effet, dans les
laboratoires, la démarche des chercheurs ne se passe jamais ainsi. Ce modèle
correspond plus à une reconstitution logique des étapes d’une découverte, à posteriori.
Une découverte ne naît pas toute seule dans la tête d’un seul chercheur, elle se situe
toujours dans un temps et un espace qui l’a rendue possible. Cependant, appliquer ces
conditions d’apprentissage à l’école sont impossibles par l’obligation de suivre les
programmes scolaires.
6) Quelle est la logique expérimentale mise en œuvre par les
enseignants ?
Tout d’abord, il convient de remarquer que la nature du problème posé en classe est
profondément différente de celle posée par le chercheur. En effet, contrairement au
chercheur, l’élève « cherche » à partir de savoirs apportés par les résultats de recherches
antérieures. Donc le problème posé par l’élève est constitué en partie des réponses à des
problèmes qui n’en sont plus !
Ceci dit, le rôle de l’enseignant dans la mise en œuvre d’une logique expérimentale est
aussi très important. D’après certaines analyses2, le problème, tel qu’il est le plus
souvent posé par les enseignants aux élèves en SVT lors des travaux pratiques, favorise
plus la restitution des connaissances que la réflexion. Alors que celui-ci devrait conduire
activement l’élève vers une véritable construction intellectuelle lui permettant
d’imaginer une procédure de résolution du problème posé.
1 Francine Pellaud, Enseigner les sciences... oui, mais comment et pourquoi ?, Université de Genève, juillet 2001. 2 Brunet, P., Enseigner et apprendre par problèmes scientifiques dans les sciences de la vie, Aster, n°27, Paris, INRP, 1998, pp. 145-181.
30
Ce choix de démarche vient certainement du fait que beaucoup d’enseignants accordent
plus d’importance à la résolution du problème par l’expérience qu’à la vérification de
l’hypothèse. Or, l’image la plus classique de la démarche expérimentale pratiquée par
les chercheurs est de produire un certain nombre de lois qu’ils vérifient par
l’expérience, c’est à dire qu’ils partent d’une hypothèse ou d’un modèle et ils réalisent
des expériences pour savoir si la loi est vraie.
7) Que devrait apporter aux élèves la démarche expérimentale ?
D’une manière générale, l’enseignement des sciences devrait permettre de développer :
- des savoirs en termes de connaissances
- des savoir-faire qui correspondent à savoir, clarifier un problème, mobiliser
son savoir, argumenter, appliquer une méthode expérimentale...
- des savoir-être c’est à dire que l’élève devrait avoir envie de chercher, mettre
son imagination créatrice à profit et posséder un esprit critique
- des savoirs sur le savoir, c’est à dire savoir tirer profit des expériences
historiques
Ces quatre types de savoirs sont nécessaires pour que l’élève devienne capable de
raisonner de manière autonome.
8) Pourquoi ces objectifs ne sont-ils pas atteints ?
L’une des causes, est certainement la décontextualisation du vécu expérimental dans
lequel le savoir a été validé aux yeux de la communauté scientifique. Ceci entraîne une
dogmatisation du savoir enseigné, car en privant le savoir de ces origines, on le place
hors de toute contestation possible. Or ce qui fait la principale caractéristique d’un
savoir scientifique, c’est justement sa capacité à être remis en question.
31
9) Les conséquences de l’application du modèle OHERIC dans
les pratiques de l’enseignement des démarches et des
méthodes expérimentales. Proposition d’un nouveau modèle
Le modèle THEORIC : Théorie – Hypothèse – Expérimentation et/ou Observation –
Résultats – Interprétation - Conclusion, a été proposé par Pierre Clément1. Il reproche
au modèle OHERIC d’une part, une conception trop bernardienne des SVT en la
réduisant seulement pour des approches expérimentales, et d’autre part de donner à la
démarche expérimentale un côté inductivisme naïf.
Nous allons maintenant illustrer ses propos par 2 exemples de démarches : l’observation
et l’expérimentation, résumés à partir de l’article de l’auteur.
c) L’observation
L’enseignement de l’observation en SVT a longtemps été : "Y-a-qu’à observer, ouvrir
les yeux, pour comprendre", alors que l’observation seule ne peut induire aucune
hypothèse si elle ne se réfère pas à ce qui est déjà connu théoriquement. Pourquoi
demander à un élève de redécouvrir en une seule séance de TP le concept de cellule,
alors qu’il a fallu plus de 200 ans d’observation au microscope !
Il en est de même pour l’identification d’une nouvelle espèce. Celle-ci n’est possible
que par un chercheur extrêmement documenté dans un domaine bien précis de la
systématique. Un élève n’a pas ces compétences, car "toutes observations sont fondées
sur des observations qui, comme toutes les observations, sont armées théoriquement",
en d’autres termes, toute nouvelle observation doit s’appuyer sur une connaissance de
ce qui était déjà catégorisé et classé.
b) L’expérimentation
La plupart des TP s’effectuent en temps limité, ils ne sont donc focalisés que sur
quelques phases de l’expérimentation : apprendre à maniper, analyser des données...
Mais qu’est-ce que réalise activement l’élève ? S’il n’a qu’à appliquer passivement des 1 Les spécificités de la biologie et de son enseignement, Pierre Clément, didactique de la biologie et de l’environnement, LIRDHIST, université Claude Bernard, Lyon 1
32
recettes, avec des appareils bien réglés, des consignes strictes pour les utiliser avec des
produits préparés à l’avance... ! "Expérimenter, c’est plus qu’appliquer des recettes !"
Il est évident que pour l’enseignant, cette façon de procéder est rassurante, car il est
quasiment sûr que son expérience va « marcher. » Mais l’élève qu’apprend t-il ? Que le
maître à toujours raison ! Cette approche ne permet en aucun cas, de mettre en évidence
l’une des spécificités les plus importantes des SVT, la complexité d’interprétation des
phénomènes biologiques et géologiques. Et aucune place n’est donnée à l’erreur, à la
discussion, à la démarche critique !
Ainsi, concernant la pratique expérimentale, le problème posé n’a de sens que dans un
cadre théorique préexistant. Et l’expérience n’a de sens que dans un contexte défini,
permettant de montrer en quoi une représentation initiale ne tient pas plutôt qu’à
chercher des hypothèses dans tous les sens !
Ce modèle correspondrait plus à un état d’esprit scientifique dans la mesure où l’élève
est plus confronté à la représentation qu’il a d’un phénomène biologique ou géologique,
qu’à chercher à vérifier une certaine conformité attendue dans ses résultats
expérimentaux !
33
III. TICE : instructions officielles, produits et usages
1) L’utilisation des TICE dans les programmes officiels1 de
l’éducation nationale
a) Objectifs généraux
L’intégration des TICE a pour rôle de préparer les élèves du lycée aux nouveaux outils
de communication et d’information qui leur seront indispensables pour la poursuite de
leurs études et dans leur futur vie de citoyen.
Les TICE vont permettre de développer une pédagogique de l’autonomie de façon à
rendre le comportement de l’élève plus responsable en lui faisant acquérir "la maîtrise
de méthodes de travail, des capacités de réflexion et de choix en face de données de
plus en plus nombreuses, des aptitudes à organiser une progression en fonction
d'objectifs clairement définis..."
b) Objectifs en SVT
Les TICE ont été intégrés dans l’enseignement des SVT pour réduire le fossé qui
commençait à se creuser entre les activités scientifiques réalisables par les élèves et les
expériences sophistiquées réalisées dans les laboratoires. L'introduction de l'ordinateur
dans l'enseignement des SVT a permis d’y remédier. En effet, en utilisant l'ExAO, la
simulation, les banques de données... l'ordinateur a rendu possible des activités
scientifiques variées.
1 Les technologies de l'information et de la communication, leur rôle dans l'acquisition d'une démarche autonome par l'élève, Victor MARBEAU et Marie-Françoise CÉNAT, paru dans la revue de l'EPI n° 102 de juin 2001.
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"L'enseignement s'organise autour de la construction du raisonnement scientifique et
des approches expérimentales... Le travail autonome de l'élève peut s'organiser à
travers toutes les séquences réalisées à partir de l'utilisation des TICE."
La plupart des parties du programme se prêtent particulièrement bien à l'utilisation des
TICE, quelques exemples :
- certains champs disciplinaires sont étroitement liés à leur utilisation, comme
par exemple "la mise en œuvre d'un dispositif expérimental assisté par
ordinateur"
- la pratique de l'expérimentation au cours de séances de travaux pratiques
permettra à l'élève "d'apprendre à saisir des données, à formuler une
hypothèse, à traiter des informations, à effectuer une synthèse, à construire
éventuellement un modèle et à développer son esprit critique."
- dans les différents niveaux d'organisation du vivant à la perception de
l'espace, "les logiciels de modélisation moléculaire" facilitent la visualisation
des structures, la représentation dans l'espace.
2) Quels types de produits trouve-t-on sur le marché et pour
quel usage?
a) Les banques de données sur cédérom ou sur Internet
Les banques de données offrent un grand choix de documents : des textes, des images,
des films, des animations, avec des itinéraires de découvertes variés, parfois ludiques,
des quiz, des exercices interactifs ou d’auto-évaluation... Elles permettent aussi
d’accéder à une masse considérable de données scientifiques constamment alimentée
dans des banques internationales accessibles aux chercheurs par Internet ou par des
mises à jour régulières sur cédérom. C’est l’un des aspects les plus intéressants de ces
produits pour les élèves en classe : avoir la possibilité d’accéder directement aux
données quantitatives et qualitatives exploitées par les chercheurs, telles que les
séquences de gènes, de protéines, des données sismiques... En effet, par exemple, en
terminal un chapitre est consacré à l’évolution de la vie, ainsi les élèves peuvent
35
sélectionner des données pour étudier les relations de parenté entre différentes espèces à
partir des séquences moléculaires disponibles. Associées à ces ressources, des logiciels
de traitement des données sont téléchargeables gratuitement comme le logiciel
SEQUAID II, utilisé aussi par les chercheurs, et qui permet un grand nombre de
fonctions d’édition et d’analyse de séquences.
L’utilisation de ces banques de données fait acquérir aux élèves des méthodes et des
techniques réinvestissables dans un grand nombre de situations.
b) L’ExAO : Expérimentation Assistée par Ordinateur
Historiquement, l'ExAO a été la première application informatique à s'implanter dans
l'enseignement des SVT. Le principe de son utilisation s’appuie sur des manipulations
du réel, telle qu'elles sont menées classiquement avec divers instruments de mesures (les
pHmètres, les spectrophotomètres...)
Les dispositifs d’ExAO sont constitués par des cartes d’acquisition installées à
l’intérieur d’un ordinateur et capables de numériser des signaux provenant de capteurs
tels que des capteurs de lumière, de température, de pH, sonde à oxygène... Ces signaux
numérisés sont traités par un logiciel qui calcule et affiche le résultat en tenant compte
des consignes que lui transmet l’utilisateur par le biais d’un menu. Les résultats des
mesures peuvent être sauvegardés et traités par divers outils logiciels.
Il existe deux types de logiciels utilisables en ExAO :
- des logiciels dédiés à un type d'expérimentation déterminé qui proposent des
procédures prêtes à l'emploi
- des logiciels généralistes permettant de piloter l'interface et de traiter les
résultats et ce, quels que soient les capteurs utilisés et les manipulations
réalisées.
Deux types d'interfaces sont disponibles : des interfaces de paillasse et des interfaces
portables qui permettent de faire des mesures directement sur le terrain.
36
Schéma1 d’un système d’ExAO :
Le type de manipulation que l'on peut mener avec ce système est conditionné par la
diversité des capteurs disponibles. Actuellement il en existe près d’une vingtaine dont
voici la liste : luxmètre, thermomètre, hygromètre, débitmètre, pH-mètre, amplificateur
différentiel, microphone, dynamomètres, jauges de contrainte, capteurs de pression,
conductimètres, capteurs de gaz (éthanol, CO, SOx, NOx), capteurs CCD, électrodes
sélectives (ions), colorimètre, spectrophotomètre, fluorimètre, luminomètre,
densitomètre, balance électronique.
Il est possible par exemple d’étudier l’équilibre hydrique d’un végétal en fonction des
facteurs environnementaux à l’aide d’un montage constitué :
- d’un capteur de température
- d’un capteur de lumière
1 Les principes de l'ExAO, site internet http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/ATP/exao.htm
37
- de capteurs d’humidité
Protocole expérimental Résultats
Toutes ces expériences sont réalisées lors d’une même séance de travaux pratique et les
résultats visualisés graphiquement sont donnés en temps réel.
Avec l’ExAO, les élèves acquièrent une autonomie réelle dans leur démarche
expérimentale et peuvent se permettre de nombreux essais en modifiant les paramètres
tout en gardant le temps d’analyser les résultats.
c) Logiciels de simulation
L’enseignement des SVT est sensible à l’évolution des méthodes issues des applications
de l’informatique dans la recherche, car la transmission des savoir-faire associés aux
instruments utilisés, fait partie des objectifs à atteindre. Ceci amène à y introduire des
outils et des approches qui tiennent compte des progrès techniques.
Ils reproduisent aussi fidèlement que possible des phénomènes naturels ou des
expériences de laboratoire et touchent à tous les domaines de la biologie : simulation
d’un écosystème (lac, forêt...), simulation de la croissance des plantes, simulation d’un
comportement (abeille ouvrière, territoire du rouge-gorge...), simulation d’expériences
de laboratoire (génétique, physiologie d’une fibre nerveuse, nutrition des plantes...)
Certains enseignants craignent que l’usage de la simulation comme démarche
expérimentale donne une appréciation erronée des difficultés de l’expérimentation
réelle1. La simulation pourrait effectivement donner une idée fausse des conditions
expérimentales réelles, si elle est utilisée pour les remplacer. Cependant, l’objectif de la
simulation n’est pas de développer des aptitudes et des savoir-faire qui sont utilisables
38
pour l’expérimentation réelle, comme régler un microscope, faire une dissection... Il
s’agit en fait d’un nouvel outil pédagogique qui s’ajoute aux autres et qui permettra de
développer de nouvelles aptitudes et activités pédagogiques qui n’étaient pas possibles
jusqu’à présent.
On peut classer les logiciels de simulation en 2 catégories :
- les logiciels qui permettent l’étude d’un phénomène biologique précis,
comme l’évolution d’un caractère héréditaire à l’échelle des populations, une
hyperglycémie provoquée... Ceux-ci permettent de réaliser des expériences
qui sont incompatibles avec les horaires scolaires, les aspects juridiques qui
empêchent le travail sur du réel.
- les logiciels qui mettent en situations de recherche l’élève en simulant un
espace de travail. Ceux-ci permettent de réaliser des expériences qui ne sont
pas réalisables en classe pour des raisons essentiellement de sécurité, un coût
trop excessif du matériel...
Grâce à eux, l’élève peut expérimenter sur des domaines qui jusqu’à lors étaient
inaccessibles.
3) Quelles sont les activités multimédias proposées par
l’utilisation des logiciels et qui favorisent le développement
de la pensée expérimentale ?
Dans cette partie nous nous intéresserons aux activités telles que l’observation,
l’expérimentation, la simulation et les exercices interactifs développées sur un support
cédérom.
1 L’intégration de l’informatique dans la formation des enseignants, édition technologies nouvelles et éducation, 1992, INRP.
39
a) L’observation
Les logiciels de dessin aidant à l’observation
• L’élève dessine sur l’image pour l’interpréter. Par identification en délimitant les
différentes parties à l’aide d’un outil de sélection puis colorise.
Coupe dans un ovaire Détail d’un ovule
L’élève peut aussi saisir du texte à côté des images pour mettre un titre, une légende...
Ce type d’activité peut se réaliser à l’aide de feutres de couleur en dessinant directement
sur le document.
Cette activité pédagogique de colorisation apprend à faire une observation scientifique,
en identifiant les « zones » intéressantes sur un document photo et facilite la
compréhension de l’organisation de l’objet étudié. Ce peut-être aussi une très bonne
technique d’aide de mémorisation.
• L’élève peut réaliser un schéma, en plaçant un calque par-dessus l’image.
La schématisation se réalise de la même façon sans ordinateur, mais avec un calque
papier ou avec une feuille assez fine.
40
L’activité de schématisation est une technique d’observation scientifique très utilisée en
SVT et qui demande un apprentissage aussi bien visuel que technique, car il faut
dessiner en respectant l’échelle, les proportions et les formes caractéristiques de l’objet
étudié.
L’utilisation d’un calque transparent posé sur la photo peut constituer une étape
intermédiaire à l’apprentissage de la réalisation d’un schéma.
Par rapport à l’utilisation d’une photo, un logiciel de dessin facilite la réalisation de
schémas, car la zone à observer peut être agrandie grâce à l’outil loupe. Par conséquent,
la méthode d’apprentissage de l’observation scientifique est rendue plus efficace.
L’ordinateur devient une sorte de super microscope, avec lequel on peut réduire ou
agrandir, se déplacer, dessiner ou colorier sur la photo avec beaucoup de facilité.
Cependant, faire usage systématiquement d’un ordinateur à la place d’un microscope
pour effectuer des observations, ne favorise pas le contact direct de l’élève avec la
matière vivante ou minérale. Alors que la réalisation de préparations de coupes
histologiques ainsi que savoir manipuler un microscope sont des activités techniques de
base en SVT.
• L’activité de classement s’effectue en glissant et déposant l’objet à l’aide de la
souris. Par exemple, l’objet étudié peut concerner les images des différentes étapes
d’un phénomène biologique tel que la mitose, reconstituer un caryotype, etc...
Reconstitution d’un caryotype
On peut réaliser cette activité en découpant les chromosomes aux ciseaux, puis les
placer et les coller sur une feuille.
41
L’activité de classement rend l’apprentissage actif, dans la mesure où l’élève doit pour
réussir observer attentivement les différentes phases de l’objet étudié.
L’élève peut s’auto-corriger ce qui rend l’enseignant plus disponible pour les élèves en
plus grande difficulté. L’inconvénient est que l’élève ne garde pas de trace de son
travail.
• Lecture optique d’une bande d’électrophorèse dont l’image a été scanérisée.
Electrophorèse Lecture optique, à laide d’un logiciel
de traitement des données, de
l’électrophorèse scanérisée.
Le tracé de la courbe est précis et rapidement obtenu. Cette technique peut faciliter
l’apprentissage de l’observation d’une l’électrophorèse en comparant les densités de
couleur avec les valeurs de la courbe, par ailleurs elle apprend à lire un graphique.
Ce graphique peut être obtenu en reportant les valeurs des densités de couleur
correspondantes des différentes bandes sur une feuille millimétrée. Cette méthode
permet d’apprendre à construire un graphique à partir d’une observation
Beaucoup d’activités d’aide à l’observation utilisant les logiciels de dessin n’apportent
aucune réelle innovation au niveau des activités même. En revanche concernant leur
réalisation, l’utilisation de l’ordinateur peut permettre à l’élève, de maîtriser de
nouveaux savoir-faire et avoir un côté attrayant ce qui peut le motiver davantage dans
42
l’apprentissage qui en est associé, mais cette remarque peut concerner aussi toutes les
autres activités.
Certaines de ces activités peuvent être très utiles à l’élève dans le cadre des TPE où son
travail doit aboutir à une production destinée à être imprimée telle qu’un compte rendu
de travaux pratiques, une présentation d’une recherche documentaire, etc...
Les logiciels outils
• Images satellites
Les images satellites sont issues d’une technologie informatique complexe, elles sont
utilisées en SVT comme support pédagogique pour expliquer comment mettre en
évidences certains phénomènes météorologiques. Celles-ci sont traitées avec des fausses
couleurs pour repérer, par exemple, plus facilement les masses nuageuses et en
superposant une succession d’images prises à des moments différents de la journée, cela
permet de mettre en évidence le sens de leur déplacement.
Image satellite. Infrarouge
thermique
Cette technique de colorisation et de prises de vues image par image, permet à l’élève
de mieux se représenter l’évolution dynamique du phénomène météorologique étudié.
L’apprentissage de la lecture de ces images est aujourd’hui indispensable, car elles font
partie de la vie quotidienne, on les voit tous les jours dans le bulletin météorologique du
journal télévisé.
• La visualisation en trois dimensions :
43
Moléculaire
Les logiciels de visualisation moléculaires en 3 dimensions comportent un grand
nombre de fonctions simples telles que choisir le mode d’affichage ( en fil de fer, en
ruban, en sphère, en boule et bâtonnets, etc...), la coloration sélective des constituants
(par atome, par chaîne, etc...), etc... Ces outils permettent à l’élève de réaliser des
« dissections » moléculaire en restreignant l’affichage, de faire des comparaisons entre
molécules, de mesurer des distances, des angles, etc... sur des objets biologiques non
manipulables directement. L’élève observe les molécules un peu de la même façon que
devant son microscope, avec des angles de vues et des grossissements différents.
Cet outil est indispensable pour faciliter l’apprentissage de la représentation dans
l’espace des bio-molécules complexes et comprendre les relations entre la structure et la
fonction des molécules.
Double brin de la molécule d’ADN
La construction de molécules 3D peut se faire à l’aide de boules (représentants les
atomes) et de tiges (représentants les liaisons). Cette méthode apprend à construire un
modèle moléculaire et à connaître les couleurs conventionnelles pour chaque atome.
Cependant, les molécules construites sont fragiles et se cassent facilement si on les
manipule de trop. On ne peut pas construire des molécules complexes, cela demanderait
trop de temps.
44
Données géophysiques
Fosse en bordure du Chili
Cette activité permet de mieux visualiser le relief à la surface de la terre sur une grande
étendue, celui-ci peut être observé sous différents angles et certaines zones peuvent être
agrandies. Ces représentations tridimensionnelles, associées à d’autres documents
photographiques, animations donnent une meilleure représentation dans l’espace des
mécanismes géologiques à l’origine du relief observé à la surface du sol.
Ces représentations en trois dimensions existent depuis longtemps sous forme de
maquettes en plastique.
Ces outils sont issus de la haute technologie informatique. Ils sont couramment utilisés
par les chercheurs. Ceux des élèves sont adaptés à une utilisation pédagogique. Leur
usage à l’observation permet aux élèves de pratiquer des méthodes et des démarches
proches de celles des scientifiques, et de réaliser des observations sur des objets en 3
dimensions qui jusqu’à lors sans l’outil informatique n’étaient pas rendues possibles.
Ces méthodes d’observation permettent d’améliorer considérablement les
représentations des élèves dans l’espace.
• Animations :
Certains mécanismes biologiques ou géologiques sont difficilement compréhensibles
s’ils ne sont pas perçus dans leur continuité.
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Le fonctionnement synaptique Mouvement de la lithosphère
L’élève peut redémarrer ou arrêter l’animation autant de fois qu’il le désire, beaucoup
plus facilement qu’avec un film vidéo. L’animation, grâce à une schématisation
simplifiée, aide l’élève à visualiser dans le temps et l’espace des mécanismes
biologiques ou géologiques complexes.
L’animation est un procédé qui était déjà utilisé par le film avec les dessins animés.
L’informatique, grâce au développement de logiciels auteurs spécialisés, facilite la
réalisation de ces documents pédagogiques et leur utilisation est techniquement plus
souple.
2) Les exercices interactifs
• QCM, QUIZ :
- QCM (questions à choix multiples) : Varie du simple test d’évaluation qui
renvoie juste à une réponse du type vrai / faux, au test de « remédiation » qui
renvoie une réponse documentée selon la réponse de l’élève.
- Exercices à trou (closures) : L’élève doit trouver le bon mot manquant dans
le texte.
- Questionnaire ouvert : même principe que le QCM à part qu’aucune réponse
n’est suggérée, l’élève doit lui-même saisir sa réponse.
- Glisser déposer, par exemple placer les mots en face des bonnes définitions
- Mots croisés...
Tous ces exercices existaient bien avant l’informatique. Ce sont des activités
attrayantes, mais leur efficacité dépend surtout de la qualité de l’exercice lui-même.
Inclus dans un logiciel d’expérimentation, ils peuvent aider les élèves de collège à
46
comprendre comment rédiger un compte rendu scientifique. Ils peuvent aussi être
utilisés à l’occasion d’un contrôle de connaissance pour vérifier si le nouveau
vocabulaire scientifique a bien été assimilé.
• Activités interactives
Certains logiciels sont dédiés à un phénomène biologique particulier et proposent des
exercices d’application. Beaucoup d’activités concernent le domaine de la génétique
comme par exemple la synthèse des protéines, l’élève doit écrire une séquence d’AND
double brin, puis la transcrire en ARN messager et traduire l’ARNm en protéine.
ADN simple brin ARN polymérase ARN messager
Acides aminées Ribosome
Ce type d’activité permet de rendre l’élève actif dans son apprentissage sur la
compréhension dynamique de ses propres conceptions sur les mécanismes biologiques
ou géologiques.
Ou encore, l’analyse biochimique de peptides à l’aide de réactions enzymatiques qui
coupent les protéines à des endroits spécifiques. L’élève doit reconstituer
l’enchaînement des acides aminés.
Enzymes Acides aminées disponibles pour reconstituer la séquence par glisser déposer
Résultats des réactions enzymatiques
47
Ces activités ne sont pas une innovation en SVT, elles peuvent être faites sous la forme
d’exercices traditionnels. La technologie informatique apporte une plus grande
interactivité à l’élève dans l’apprentissage et la compréhension de certains mécanismes
biologiques et géologiques complexes.
c) L’expérimentation assistée par ordinateur
Cette technologie permet de réaliser un grand nombre d’expériences mais uniquement
sur du matériel biologique vivant. L’élève peut :
• Concevoir et mettre en place un protocole expérimental
• Analyser des résultats
Cette technologie permet de réaliser des expériences sur des phénomènes qui jusqu’à
lors étaient traitées seulement de manière livresque, tels que l’électrophysiologie, le
métabolisme énergétique et la biochimie. Les expériences peuvent être renouvelées de
nombreuses fois et on peut faire varier différents facteurs. Les résultats des mesures
expérimentales sont donnés en temps réel avec une grande précision, ce qui facilite la
compréhension des phénomènes étudiés.
L’ExAO permet une pédagogie active, car l’élève peut s’investir activement dans la
réalisation de ses expériences.
d) La simulation
Un certain nombre d’activités peuvent être mises en œuvre à l’aide des logiciels de
simulation, que ce soit dans l’objectif d’acquérir des connaissances ou de vérifier des
acquis :
• définir un protocole expérimental adapté à une problématique donnée
• concevoir une stratégie d’expérimentation à l’intérieur d’une démarche explicative
• interpréter des résultats
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Selon le type de logiciel, la contribution à l’acquisition de la pensée expérimentale par
la simulation peut se faire de différentes manières :
• soit l’élève doit découvrir le modèle qui se cache dans le logiciel, par une démarche
inductive, comme par exemple dans BactoLab. Il s’agit d’un logiciel qui simule un
espace de recherche complètement virtuel d’un laboratoire de bactériologie. A
l’ouverture du logiciel, on confie à l’élève une mission dans laquelle il doit
identifier les espèces bactériennes contenues dans un petit flacon et qui sont
responsables d’une grave épidémie déclarée en Utopia. L’équipement mis à sa
disposition est très réaliste, l’élève dispose de tout l’arsenal technique d’un
laboratoire moderne. La démarche de travail implique qu'il soit méthodique et
rigoureux, car elle consiste à rechercher les indices qui lui permettront d’aboutir à
l’identification des bactéries. Les espèces bactériennes à identifier peuvent être
choisies à l’avance par l’enseignant selon le degré de difficulté désiré.
Ensemencement d’une souche bactérienne
• soit l’élève connaît le modèle et doit l’appliquer pour résoudre le problème lié au
phénomène étudié par un raisonnement déductif, tel que dans le logiciel Virtual
FlyLab dans lequel il doit appliquer les lois de l’hérédité. L’interface se présente
comme une sorte de bureau sur lequel l’élève peut réaliser un grand nombre de
croisements de Drosophiles. Il peut choisir le ou les caractère(s) des parents, créer
une ou plusieurs génération(s) de descendance.
49
Croisement de drosophiles
Les activités proposées par les logiciels de simulation sont en général impossibles à
mettre en œuvre en classe pour plusieurs raisons :
• l’expérimentation est interdite comme dans le cas des expériences sur les vertébrés
ou sur des souches bactériennes virulentes...
• la réalisation de l’expérience serait trop longue et trop difficile, comme par exemple
travailler à l’échelle cellulaire
• les résultats de l’objet étudié n’ont de sens que si l’expérience s’inscrit dans la durée
et sur une quantité suffisante de matériel, comme par exemple une étude de
comportement sur des populations d’animaux ou des croisements entre des végétaux
pour connaître l’évolution héréditaire d’un caractère...
Ces logiciels de simulation permettent de reproduire autant de fois que désiré des
expériences, en conservant ou en modifiant très rapidement les conditions
expérimentales. Ils permettent d’atteindre les objectifs pédagogiques en limitant le
travail de l’élève aux tâches directement liées aux apprentissages visés en favorisant les
activités d’analyse et de réflexion.
Cependant, leur utilisation peut exiger un temps qui n’est pas toujours compatible avec
la rigueur des programmes.
L’interactivité est réelle, puisque l’élève y réalise des expériences au même titre que sur
du vivant ou de la matière minérale, ceci mis à part que l’objet étudié est représenté
virtuellement.
50
L’efficacité du logiciel dépend de la cohérence sur laquelle repose le modèle
informatique ou mathématique par rapport au phénomène biologique ou géologique
concerné.
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DEUXIEME PARTIE
I. Choix et objectifs de l’analyse des logiciels
Nous avons choisi d’analyser les logiciels, phylogène et l’abeille butineuse, car ils
proposent tous deux, des activités construites sur l’observation et l’expérimentation
scientifique, mais avec une scénarisation des objectifs cognitifs et pédagogiques très
différente :
- phylogène est un logiciel outil construit informatiquement sur des
algorithmes mathématiques venant de la systématique. Il propose des
activités basées essentiellement sur l’observation.
- l’abeille butineuse est un logiciel de simulation sur le comportement. Les
activités développées concernent l’observation et l’expérimentation.
L’objectif de l’analyse sera donc de mettre en évidence la scénarisation des activités
dans les logiciels, phylogène et l’abeille butineuse, qui font appel aux méthodes et aux
démarches scientifiques et favorisent le développement de la pensée expérimentale.
II. Phylogène Conçu spécialement pour l’enseignement, le logiciel phylogène est destiné à l’étude des
relations de parentés entre les organismes vivants. Cette étude concerne la discipline de
la systématique, dont les démarches et les méthodes sont fondées sur la cladistique et la
phénétique.
52
1) Présentation des méthodes
a) La méthode cladistique Cette méthode de classification du vivant est fondée sur les innovations, c’est à dire que
seul le partage d’états évolués de caractères permet de préciser les relations de parenté.
L’application de cette méthode nécessite donc au préalable l’identification des états
évolués et primitifs des caractères.
« Imaginons, par exemple, que nous étudions un ensemble d'organismes, certains
porteurs d'une pastille blanche et d'autres d'une pastille noire. L'apport majeur de
Hennig1, c'est d'avoir compris qu'il ne fallait pas faire un groupe “noir” et un groupe
“blanc”, mais chercher le rapport évolutif entre ces deux états. Autrement dit: soit l'état
“noir” a un jour donné naissance à l'état “blanc”, soit ce fut le contraire. La méthode
cladistique permet de déterminer dans quel sens s'est fait la transformation, en se
référant à un ancêtre plus ancien. Si celui-ci est “blanc”, on en déduit que c'est l'état
“blanc” qui a donné naissance à l'état “noir”, et on fonde un groupe comprenant tous
les individus portant une pastille noire (l'innovation). Pour classer les blancs, en
revanche, il faudra étudier d'autres caractères. 2»
b) Les méthodes phénétiques Ces méthodes sont basées sur le nombre de caractères en commun que présentent les
taxons3, ainsi deux taxons auront une parenté plus grande s’ils partagent beaucoup de
caractères (que ceux-ci soient évolués ou primitifs).
1 Willy Hennig fondateur de la systématique phylogénétique. 2 Guillaume Lecointre, chercheur systématicien au Muséum national d’histoire naturelle, le monde, 16.05.01, « L’art de la classification du vivant est devenu une science ». 3 Ensemble des organismes reconnus et définis dans chacune des catégories de la classification biologique hiérarchisée
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c) Quels sont les algorithmes utilisés par ces méthodes de
classification des êtres vivants dans Phylogène ?
Phylogène utilise pour la construction d’arbres phylogénétiques, des algorithmes
adaptés à chacune des ces méthodes :
- pour les classifications de type phénétique, il y a la méthode UPGMA1, dont
le principe est de regrouper deux à deux les espèces les plus proches en
calculant à chaque fois la moyenne de leur distance par rapport aux autres, et
la méthode NJ2 pour laquelle les distances entre paires de taxons ont été
ajustées en tenant compte de la distance moyenne que chaque taxon présente
avec tous les autres.
- pour la classification de type cladistique, les états des caractères sont codés,
ainsi le coût3 correspondant au passage d’un état à l’autre est fixé dans
l’algorithme du logiciel. Cependant l’utilisateur peut modifier la valeur des
états des caractères en leur attribuant un coût plus ou moins élevé.
2) Présentation du logiciel
a) Objectifs du logiciel
L’objectif du logiciel est d’apporter aux élèves une méthodologie à la logique
cladistique et phénétique, construite autour de différentes activités cognitives :
- L’observation
- La comparaison
- L’échantillonnage
- Le classement
- La construction d’arbres
1 La méthode UPGMA de Sneath et Sokal, 1973 2 La méthode de « Neighbor Joining » de Saitou et Nei, 1987 3 Le coût, peut être positif ou négatif, il se calcule en fonction des conséquences liées soit à l’acquisition, soit à l’évolution ou à la perte d’un caractère, selon que ce nouvel état, permet à l’animal concerné une meilleure ou non, adaptabilité par rapport à l’environnement en fonction de son mode de vie.
54
Ces activités peuvent être à partir de données biologiques, morphologiques,
anatomiques et moléculaires, appartenant aux groupes des Vertébrés et des Primates.
b) Programme1 et niveaux scolaires visés
Ce logiciel est utilisable à différents niveaux de la scolarité essentiellement au :
Collège
- 6ème : Dans le chapitre « Diversité, parentés et unité des êtres vivants », les
élèves doivent observer, comparer et classer des animaux vertébrés, selon
des critères aux choix et servant à la classification.
- 4ème : dans le chapitre « histoire de la Vie, histoire de la Terre », les élèves
doivent comparer les plans d’organisation des vertébrés et savoir commenter
un arbre d’évolution en appréciant les degrés de parentés.
Lycée
- Terminale S : dans le chapitre « Parenté entre êtres vivants actuels et
fossiles – Phylogenèse – Evolution », les élèves doivent être sensibiliser au
raisonnement cladistique, savoir construire un arbre phylogénétique pour
mieux savoir le lire. Utiliser des données moléculaires pour montrer la
pertinence entre un arbre construit avec des caractères anatomiques et
moléculaires (ici considérés comme des caractères). Dans les activités
envisageables il est conseillé d’utiliser des logiciels établissant des arbres
phylogénétiques.
1 Bulletin officielle 2001- 2002
55
3) Analyse du contenu et des activités proposées
a) Observer et comparer les caractéristiques des différents taxons L’activité d’observation permet d’étudier :
- la morphologie d’un animale
- ses caractéristiques biologiques (milieu de vie, régime alimentaire, mode de
reproduction et sa vie sociale).
- son anatomie (organes circulatoire et respiratoire, squelette crânien ou
appendiculaire, annexes embryonnaires)
Déroulement de l’activité :
L’élève commence par choisir l’animal (1) qu’il veut observer, l’image de sa
morphologie apparaît (2), ensuite il doit sélectionner un critère (3) (général, biologique
ou anatomique), et ouvrir une planche (5) qui peut contenir soit du texte ou des
schémas, en cliquant sur l’un des critères dans le sous menu (4).
Lorsque l’élève clique sur une autre imagette dans le menu des taxons, les planches du
nouvel animal s’affichent sans changer les critères d’observation précédemment
sélectionnés.
1.menu des taxons 2. Image 4. Menu ici anatomique 3. Menu des critères 5. Planche anatomique du crâne
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Conception graphique et textuelle des données :
Les schémas d’anatomie sont très simplifiés et sont souvent identiques pour tout un
groupe de taxons ( par exemple, même coupe de peau ou de cœur pour tous les
Mammifères...) Les espèces fossiles, sont signalées par un « F » sur l’imagette.
Certaines données anatomiques ou biologiques sont manquantes, cela concerne surtout
les taxons fossiles.
Les données textuelles sur la vie, le régime alimentaire de l’animal... vont à l’essentiel
de ce que les élèves doivent savoir. Certains mots, en bleu dans le texte, ont un lien
hypertexte donnant accès à leur définition dans une autre petite fenêtre.
La simplicité des données graphiques et textuelles, facilite la lecture et la
compréhension de l’organisation anatomique des différents groupes de Vertébrés, ce qui
rend le logiciel accessible à des élèves de 6ème. L’affichage en vis à vis des images
permet une meilleure observation entre la morphologie générale de l’animal et les
critères anatomiques choisis.
Dans l’activité comparaison, l’élève peut afficher simultanément :
- au maximum quatre taxons
- ou quatre schémas anatomiques d’un caractère de chacun d’entre eux
Activité de comparaison sur des données anatomiques de l’appareil locomoteur.
Cette activité de comparaison, permet à l’élève d’acquérir des bases méthodologiques
sur les principes d’observation de l’anatomie comparée. Cette méthode est fondée sur
les analogies et les différences observées sur des caractères appartenant à un même
appareil, organe, etc... entre les différents taxons. Celle-ci permet d’établir par
57
comparaison, une classification des différents états (du plus évolué au moins évolué) du
caractère observé, à partir des informations contenues dans le menu des critères. La
conception de l’affichage facilite cette l’activité et aide l’élève à apprendre à structurer
ses observations entre les différents taxons.
b) L’échantillonnage et le classement de taxons
L’échantillonnage : consiste à construire un tableau à deux entrées dans lequel on
sélectionne un ensemble de taxons et de caractères. Puis on définit pour chacun des
taxons, l’état de chacun des caractères extraits des observations. Le tableau une fois
remplit constitue ce que l’on appelle la matrice.
Les objectifs méthodologiques de l’échantillonnage, sont d’apprendre aux élèves
(surtout en 6ème) à saisir des informations à partir d’un texte ou d’un schéma et
d’acquérir le vocabulaire scientifique.
fenêtre de sélection des caractères matrice clic droit et sélection de la réponse
bouton de vérification menu de sélection des taxons planche anatomique
L’activité de classement :
• En 6ème
Objectif cognitif : Les êtres vivants d'espèces différentes peuvent être groupés selon
divers critères.
58
La démarche pédagogique à suivre pour réaliser une classification de type phénétique
au sein des vertébrés, est par exemple de :
- sélectionner tous les animaux de la liste qui vivent dans l’eau
- poser l’hypothèse qu’ils appartiennent tous à la classe des poissons
- vérifier l’hypothèse par l’élaboration d’une classification
Pour réaliser une classification, il faut d’abord commencer par construire la matrice en
choisissant dans la liste des critères, tous ceux qui semblent caractériser les poissons :
les nageoires, le milieu de vie aquatique, les écailles (non soudées entre elles), et les
branchies.
Pour connaître le résultat du classement, il faut aller dans le menu « classer » et
sélectionner un à un les critères sur la matrice pour voir apparaître progressivement la
classification :
L’analyse de cette classification permet de conclure que la classe des poissons possède
nécessairement des branchies et des écailles osseuses. Par conséquent le dauphin ne fait
pas partie de la classe des poissons malgré la présence de nageoires.
59
L’activité de classement permet à partir d’une observation non fondée scientifiquement
de comprendre comment est structurée l’organisation anatomique des différentes classes
des vertébrés. Cette activité est pédagogiquement très intéressante, car elle tient compte
des conceptions initiales de l’élève. En effet, le fait de laisser la liberté à l’élève de
choisir les taxons qui, selon lui appartiennent à une classe précise des vertébrés, puis
ensuite de les soumettre à l’analyse d’un algorithme de classement, va permettre de
remettre en cause ses propres idées préconçues.
L’usage de l’outil informatique institutionnalise l’activité, comme le chercheur l’élève
teste ses hypothèses en les soumettant à une méthode de classification scientifique, et
dans laquelle il doit découvrir les lois qui la constituent pour en acquérir la démarche.
c) La construction d’arbres
• En 4ème et en Terminal S (rappel)
Objectif cognitif : établir des relations de parenté entre les êtres vivants.
Principe d’établissement de la méthode cladistique :
- construire une matrice taxons / caractères. Choisir des caractères qui ont une
valeur évolutive tels que l’organe respiratoire, le placenta...
60
- construire l’arbre en cliquant sur le menu arbre, on obtient :
ancêtre commun
Chaque branche de l’arbre est représentée par un taxon. La forme étoilée initiale de
l’arbre, indique que l’on considère que tous les taxons ont un même ancêtre commun.
La méthode à appliquer pour organiser les différents taxons choisis entre eux sur l’arbre
est la suivante :
- définir pour chaque caractère, l’état primitif et l’état évolué (par exemples,
pour l’organe respiratoire, une branchie est un état primitif et le poumon un
état évolué...), en comparant l’anatomie d’un même caractère entre un animal
fossile et un animal actuel. Le résultat de cette comparaison peut être
directement connu en sélectionnant dans la matrice un caractère (par
exemple l’organe respiratoire, comme ci-dessous), les branches de l’arbre se
colorisent soit en bleu si l’état du caractère est primitif, en jaune s’il est
évolué et en rose s’il est très évolué (ou dérivé).
Matrice L’outil flèche permet le travail de permutation des branches
61
- il faut prendre en compte un premier caractère, (organe respiratoire ou
encore pièces basales) les taxons qui partagent l’état dérivé du caractère,
l’ont acquis d’un même ancêtre commun chez qui cet état est apparu. Ce qui
permet de préciser, à l’aide de l’outil flèche, les liens de parenté entre les
taxons considérés :
Seule le taxon représenté par la sardine respire
avec des branchies (en bleu) et les autres
taxons possèdent des poumons (en jaune).
Dans ce cas, la sardine n’a pas le même ancêtre commun que les autres
taxons et comme son appareil respiratoire est primitif par rapport à l’autre
groupe, donc on détache sa branche vers la droite (côté le moins évolué)
- ensuite, on compare avec un autre caractère, par exemple «placenta», mais
sans remettre en cause ce qui vient d’être fait, ce qui se traduit de la façon
suivante :
Les taxons possédant un placenta sont
représentés en jaune et ceux qui n’en ont
pas en bleu.
62
La lecture de cet arbre permet de constater que l’aigle et la sardine ont un
ancêtre commun qui ne possédait pas de placenta, mais qu’à partir de la branche
de l’aigle est apparue un nouveau groupe constitué de ce caractère avec des
poumons.
- On peut placer sur le cladogramme, les différentes transformations
évolutives :
Apparition du placenta
Apparition du poumon et de la pièce buccale unique
Cette activité permet à l’élève de construire un cladogramme, montrant les relations de
parenté entre les différents taxons en fonction de l’état (évolué ou primitif) de plusieurs
caractères choisis. L’apprentissage de cette méthode, initie activement l’élève à
interpréter ses observations, car il doit déplacer les branches de l’arbre pour obtenir un
cladogramme cohérent à la démarche cladistique. L’élaboration d’un arbre, lui permet
aussi d’apprendre, à formaliser le résultat de ses observations et par conséquent facilite
la compréhension de leur lecture.
L’acquisition de cette méthode est rendue plus accessible aux élèves avec l’outil
l’informatique. Grâce à la sélection de l’affichage codé en couleur selon les différents
états de caractères des taxons représentés, cela permet une meilleure visualisation de
l’organisation du cladogramme à construire.
• Terminale S
Objectif cognitif : L'établissement de relations de parenté entre les organismes peut se
faire à partir de données moléculaires (protéiques ou nucléiques).
63
Le principe des méthodes que doit appliquer l’élève pour acquérir les démarches
phénétique et cladistique, est identique aux activités analogues analysées
précédemment.
Utilisation d'une méthode phénétique :
- Comparer l’enchaînement, par exemple des acides aminés d’une protéine
homologue1 dans plusieurs taxons (ici molécule de myoglobine)
- Phylogène comptabilise pour chaque taxon les acides aminées différents et
inscrit les résultas dans une matrice des différences
Résultats à partir de l’alignement entier de la molécule de myoglobine pour
chaque taxon
On considère que plus il y a de différences entre deux molécules et plus la molécule
ancestrale commune est éloignée dans le temps.
Ce tableau permet de constater que l'Homme et le Chimpanzé sont ceux pour lesquels
les molécules de myoglobine présentent le moins de différences. ce sont donc les
organismes qui ont la relation de parenté la plus grande
64
- construction d’un arbre avec le menu arbre:
Les chiffres correspondent aux distances calculées entre taxons. Le principe est de
regrouper deux à deux les espèces les plus proches en calculant à chaque fois la
moyenne de leur distance par rapport aux autres.
Utilisation de la méthode cladistique :
Il faut partir des séquences, protéiques ou nucléiques, alignées. Chaque position
constitue un caractère et les états de ce caractère sont les différents éléments (acides
aminés ou nucléotides) présents à cette position. Le problème est de déterminer quel est
l'état primitif et quel est l'état évolué. Il faut tenir compte du fait que l’état évolué d’un
caractère peut apparaître de façon indépendante dans au moins deux lignées. Par
conséquent, on choisira le cladogramme qui nécessite le moins de transformations
évolutives.
1 Il s’agit de protéines qui ont la même fonction dans l’organisme de divers taxons, mais qui présentent quelques différences en acides aminés dans leur constitution.
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4) Analyse de la conception d’utilisation du logiciel
a) Accès aux différentes activités
Le logiciel a été conçu pour être utilisé de façon, soit séquentielle en suivant l’ordre du
menu (observation, comparaison...), ou commencer à différents niveaux selon les
connaissances des élèves (construire une matrice taxons / caractères ou des arbres,
revenir sur l’observation des taxons pour les étudier...).
Pour toutes les activités, les choix effectués concernant les taxons et les caractères
peuvent être changés à tout moment. Cette possibilité de retirer ou d’ajouter un ou des
taxons permet d’éprouver la validité d’une hypothèse. Il en est de même avec les
caractères, pour pouvoir préciser une relation de parenté il est nécessaire de retirer ceux
qui n’ont pas de valeur évolutive ou au contraire d’en ajouter.
b) Le choix des caractères
Certains caractères n’ont pas de valeur particulière comme l’organe locomoteur, la
structure sociale... mais sont plus familiers aux élèves de 6ème, ce qui leur permet de
comprendre plus facilement le principe des méthodes de classification. Ainsi pour faire
une classification non évolutive tous les caractères peuvent être choisis. En revanche,
pour faire une classification systématique des Vertébrés, il faut choisir les caractères
caractéristiques des différentes classes tels que :
- poumon, allaitement et poil pour les mammifères,
- branchies et écailles dermiques pour les poissons,
- poumon et peau nue pour les batraciens,
- poumon et plumes pour les oiseaux,
- poumon et écailles épidermiques pour les reptiles.
Pour tracer un arbre phylogénétique, il faut choisir des caractères dits « à valeur
évolutive », comme les choanes, les cavités du coeur, la fenêtre mandibulaire, le
placenta, l’amnios....
66
c) La manipulation manuelle
Lors de la construction d’une matrice taxons / caractères, l’élève a la possibilité de
permuter les lignes et les colonnes afin de faire apparaître des groupes qui seront
confirmés ou non par les activités de classement ou de construction d’arbres. Il est aussi
possible de modifier l’architecture de l’arbre en permutant les branches ou en enracinant
des branches sur un autre taxon par des outils dédiés. Cependant, la manipulation
manuelle de l’arbre devient impossible lorsque le nombre de caractère est trop
important.
d) L’aide
A aucun moment, une info bulle ou une rubrique d’aide ne vient au secours de l’élève.
Ces activités ne peuvent donc être effectuées en dehors de la classe, sans les
explications du professeur. Mais une fois que l’élève a compris les différentes méthodes
de classification, il peut de lui-même élaborer des arbres et s’auto-corriger grâce à la
fonction « exemple d’arbre » qui fournit la réponse d’un arbre calculé automatiquement.
5) Conclusion
Phylogène est un logiciel dédié à l’enseignement, mais son concept s’inspire des outils
qui ont été développés pour la recherche tel que le logiciel MacClade utilisé par les
chercheurs. Les données biologiques, morphologiques, anatomique... sont à la portée
des élèves, ce qui leur permet de développer une démarche de raisonnement
scientifique.
67
III. L’abeille ouvrière butineuse
Il s’agit d’un logiciel de simulation sur le comportement des abeilles à partir des
expériences réalisées par Carl Von Frisch1.
1) L’étude du comportement animal dans les programmes
scolaires
L’étude du comportement animal a été enlevée dans les nouveaux programmes de SVT,
à cause de la difficulté de cet enseignement. En dehors des problèmes matériels liés au
maintien d’élevages d’animaux, beaucoup d’enseignants s’accordent à souligner la
complexité de l’étude du comportement des animaux qui sont souvent difficiles à
prévoir ou à interpréter et demande un temps d’observation qui n’est pas compatible
avec les horaires scolaires.
2) Objectifs du logiciel et niveau scolaire visé
Niveau scolaire visé : Collège, les classes de 6ème et 5ème
L’objectif cognitif est d’étudier le rôle des stimuli sensoriels et la communication chez
les abeilles dans la recherche de nourriture.
L’objectif pédagogique est d’apporter aux élèves une méthodologie aux démarches
scientifiques expérimentales dans le domaine de l’éthologie. Les sujets d’étude
concernent d’une part l’observation du comportement et la communication par la danse
chez les abeilles dans la recherche de nourriture. Plusieurs types d’activités sont
proposées :
1 Carl Von Frisch, éthologue, prix Nobel 1973
68
- l’observation
- réalisation d'expériences
- exercices à trous,
- questionnaires à choix multiples
- reconstruction de phrase
- exercice mathématique de repérage dans un plan
- chronométrages
- construction et lecture d'une courbe
- simulation d'une butineuse
- interprétation d'une danse
- simulation du comportement d'une éclaireuse
- exercices sur l'anatomie
Ces activités sont développées à partir de l’étude du rôle de plusieurs types de stimuli
sensoriels tels que la vue, l’odorat et la danse.
3) Structure du logiciel
Accueil
Observer – butiner Expérimenter sur Morphologie / Anatomie
Observer puis butiner QCM
l’odorat la vue l’odorat / la vue ablation des antennes la vie sociale
- Concevoir l’expérience - Observer le comportement
- S’informer sur l’expérience, quel est le problème ? - Indiquer une position
- Dresser des abeilles, expériences au bleu, expérimenter - Faire varier la distance
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- Vérifier le dressage (odorat et ablation) - Changer la position
- Expérimenter, sur les tons, l’ablation choque t-elle ? - Danser pour informer
- Donner les résultats - Retrouver la fleur
- Conclure - Conclure
4) Analyse des activités
a) Les activités d’observation
Dans la réalité, l’observation des abeilles n’est pas simple, car il faut repérer le trajet
suivi par l’une d’elle lors de son butinement. L’activité, observation, permet de les
réaliser sur un écran.
Dans la première rubrique, observer puis butiner, l’élève doit d’abord observer le
parcours des abeilles dans un champ de fleurs aux couleurs variées. A différents
moments, des conseils d’observation lui sont transmis pour l’aider dans son
apprentissage d’observation. Puis il doit lui-même butiner les fleurs, en suivant les
mêmes principes que ceux utilisés par les abeilles. A chaque fleur butinée, il reçoit un
message d’encouragement ou d’erreur selon qu’il a choisi la bonne ou la mauvaise fleur
et ce, à chaque étape de son parcours.
Pour vérifier que le principe des déplacements d’une butineuse est bien compris, à la fin
de l’activité un questionnaire à choix multiples permet de faire la synthèse des
observations.
Ruche abeille fleur Trajet d’une butineuse
70
Cette première activité initie l’élève aux principes spécifiques à l’observation du
comportement animal. En effet, contrairement à une observation effectuée sur un objet
immobile, comme par exemple étudier l’anatomie d’un animal pour comprendre
comment s’organise le squelette de celui-ci, les observations en éthologie sont réalisées
sur des objets mobiles, tels que le comportement des abeilles dans leur activité de
butinement, dans le but d’interpréter ce qui est en train de se passer. Un élève non initié,
au déclenchement de la simulation, le fait de voir plusieurs abeilles sortant de la ruche,
aura le regard désorienté ce qui empêchera toute possibilité de réaliser une analyse de
l’observation du comportement. Cependant, l’élève apprend très vite que l’observation
des abeilles ne peut être objective que, s’il en choisi une et qu’il la suit des yeux un petit
moment. Puis pour vérifier ce qu’il pense avoir compris de cette observation, il doit
recommencer avec une autre abeille. Dans le principe de ce type d’observation, il s’agit
de trouver un lien entre la trajectoire de la butineuse et l’accomplissement de sa tâche
qui consiste à récolter du miel. A l’issue de ses observations, la conclusion donnée par
un élève sur le comportement de butinement des abeilles, est que chacune d’elles butine
toujours la même espèce de fleur (ici représentée par des fleurs de couleur différentes).
La deuxième observation moins évidente qu’il peut faire, est sur la vitesse à laquelle les
abeilles réalisent leur tâche qui témoigne d’une certaine rapidité et efficacité. Cette
constance dans leur comportement doit amener intuitivement l’élève à réfléchir sur un
certain nombre d’hypothèses : comment font-elles pour trouver avec autant de sûreté
dans une prairie les fleurs d’une même espèce ? Les reconnaissent-elles à leur couleur ?
En partie certainement, mais il y a bien plus d’espèces de fleurs que de coloris floraux
dans la nature. Donc, peut-être qu’elles les reconnaissent par leur odeur caractéristique ?
Le recours à un simulateur, facilite la tâche de l’apprentissage d’une observation de
comportement, car le modèle comportemental qui se cache dans le programme du
logiciel et que l’élève doit découvrir, est simplifié. Et les principes méthodologiques sur
la démarche expérimentale utilisés par les éthologues sont applicables en classe.
Dans la partie vie sociale, la démarche pédagogique est différente, mais le principe
méthodologique de la démarche expérimentale est le même que celle de l’activité
analysée précédemment. Les élèves observent l’animation pour comprendre comment
s’organise la récolte de nourriture au sein de la ruche : une abeille vole dans tous les
71
sens, découvre une source de nourriture, rentre à la ruche et toutes les autres se
retrouvent à l’endroit de la découverte. Cette observation permet aux élèves de poser
des hypothèses sur ce qu’il s’est passé dans la ruche et de les vérifier par des exercices
de simulation de comportement des abeilles en fonction de la localisation des fleurs à
butiner.
Le premier exercice, faire varier la distance, consiste à observer le rythme de la danse
de l’éclaireuse en fonction de la distance de la fleur.
Eclaireuse distance de la fleur en km
Dans ce type d’activité, l’élève réalise activement, une expérience d’observation, car il
doit faire varier la distance de la fleur, puis observer le comportement de l’abeille. Le
principe de cette observation est donc de trouver une relation entre un comportement
observé par rapport à une grandeur physique de l’objet déclencheur. L’élève apprend
aussi à construire une courbe, en reportant ses valeurs dans un graphique. Cette activité
associée à l’observation du comportement, l’aide à formaliser ses résultats et à les
interpréter à partir de la lecture d’un graphique.
Ensuite, un autre exercice de simulation de comportement permet d’interpréter la danse
en fonction de la position de la fleur par rapport à la ruche et à l’orientation du soleil.
Puis dans les autres rubriques, danser pour s’informer et retrouver la fleur, les deux
paramètres distance et position sont combinés simultanément pour vérifier que l’élève à
bien compris le langage de la danse des abeilles.
72
b) Les exercices interactifs
Dans les questionnaires à choix multiples (QCM) une question est posée en en-tête et
permettent à l’élève de découvrir la conception d’une expérience. La correction indique
le nombre de réponses fausses et bonnes ainsi que les oublis, avec un commentaire
explicatif pour les mauvaises réponses et les oublis.
Les exercices à trous guident l’élève soit au moment des hypothèses, soit au moment de
la demande d’aide ou quand il s’agit de mettre en place des conclusions. La correction
est accessible quand l’élève a écrit tous les mots.
La reconstitution de phrase consiste à mettre bout à bout les morceaux de phrase dans le
bon ordre. Ces exercices sont proposés au moment de certaines conclusions ou associés
à d’autres exercices.
Ces activités apprennent à l’élève, comment rédiger un compte rendu d’expérience en
allant à l’essentiel et à ordonner ses idées.
c) Les activités expérimenter
Le résultat de la première observation permet de conclure qu’une abeille donnée butine
toujours la même espèce de fleur. Pour comprendre ce comportement, deux domaines
d’expérimentation sont possibles :
- la perception sensorielle permet de déterminer quels sont les organes des
sens utilisés pour la reconnaissance de la fleur butinée.
- La vie sociale permet de comprendre comment l’éclaireuse informe ses
soeurs sur la position de la fleur à butiner.
La perception sensorielle
Les démarches et les méthodes expérimentales utilisées dans les activités proposées
pour l’ensemble des rubriques sur la perception sensorielle sont toutes construites de la
même façon, nous allons donc en détailler qu’une : l’odorat.
73
Les deux premières rubriques, concevoir l’expérience et s’informer sur l’expérience,
sont des exercices sous forme de QCM et à trous qui aident l’élève pour la conduite de
l’expérience.
Avant de pouvoir expérimenter, il faut dresser les abeilles, c’est à dire que celles-ci
doivent être conditionnées à se diriger vers une odeur (ou une couleur) particulière pour
chercher leur nourriture. L’élève indique à l’ordinateur, en construisant des phrases
parmi les mots qui lui sont proposés, la façon dont il va tenter de conditionner ses
abeilles.
Dans l’exemple ci-dessous, les expériences de dressage visent à mettre en évidence la
sensibilité des abeilles à un parfum particulier (la rose) afin qu’elles viennent s’en
nourrir dans une boîte à odeur de rose, mais sans la voir. Pour se faire, l’élève dispose
de miel, de sucre, de rose et d’une boîte. Il doit placer successivement les différents
éléments (par exemple, le miel à l’intérieur ou à l’extérieur de la boîte...) jusqu’à
l’obtention du dressage.
Liste de mots Abeilles boîte Rose
L’élève, comme le chercheur, est entièrement libre dans sa démarche expérimentale, à
part que, si son dressage échoue, il dispose d’abeilles dressées pour continuer la suite
des expériences. Quand il pense avoir réussi le dressage des abeilles, en quittant
l’activité un message lui confirme ou non s’il y est parvenu.
La rubrique vérification du dressage consiste à changer la position de la boîte qui
contient la rose et le sucre de façon à ce que les abeilles ne s’habituent pas à une
position déterminée.
74
Le principe de l’expérience est le même que celle analysée précédemment.
boîte numérotée abeille rose sucre liste de mots d’action
L’expérimentation consiste à ne plus mettre que la rose et vérifier que l’abeille retrouve
encore la boîte parfumée avec rien à manger (le sucre) dedans, ce qui prouve qu’elles
sont guidées uniquement à l’odeur dans leur recherche.
Exemple de démarche expérimentale :
Pour expérimenter, l’élève dispose de 4 boîtes vides et d’une rose. Il peut mettre la rose
dans une boîte et faire un lâché d’abeilles, si elles sont bien dressées, celles-ci
retrouvent la boîte avec la rose. Ensuite, il peut mettre la rose dans une autre boîte et
constater que les abeilles retrouvent la rose mais qu’elles vont aussi dans l’ancienne
boîte. Il peut alors émettre l’hypothèse qu’elles se souviennent de la position de
l’ancienne boîte, mais en la changeant de place les abeilles la retrouvent encore. D’où
l’idée que la boîte contient des traces d’odeur de rose, l’élève peut le vérifier en
remplaçant l’ancienne par une nouvelle boîte. En toute rigueur, ces expériences doivent
être précédées et suivies par deux expériences témoins, en faisant un lâché d’abeilles
dressées avec 4 boîtes vides et sans odeur. Ces expériences doivent conduirent à un
résultat négatif, ce qui prouve que les abeilles sont guidées par l’odeur associée à une
récolte de nourriture.
Ce qui est intéressant dans ces rubriques, est l’expérience que fait l’élève pour voir ce
que cela donne. Et à aucun moment de l’expérimentation il est guidé par des messages
d’aide.
75
Le principe de ce type d’activité, est d’associer plusieurs sortes d’objets (miel, rose et
sucre) avec différentes possibilités de les placer en fonction du comportement des
abeilles. L’élève apprend à être méthodique dans sa démarche expérimentale. Il doit
donc, noter sur une feuille l’ordre de l’emplacement des objets et analyser le
comportement des abeilles. Ses nouveaux choix doivent être faits en rapport avec ce
qu’il a observé précédemment. Il s’agit d’un raisonnement déductif, très utilisé dans ce
genre d’expériences.
Résultats et conclusion des expériences : un exercice de reconstitution de phrase et un
QCM permettent de donner ces résultats et de conclure que les abeilles repèrent les
fleurs qu’elles connaissent par leur odeur. Après l’expérimentation sur la vue et
l’ablation des antennes, les expériences mixtes odorat / vision aideront à déterminer,
lequel de ces deux sens est prioritaire.
La communication par la danse
Cette partie est complémentaire, certaines rubriques relèvent moins de la démarche
expérimentale, mais elles permettent à l’élève de développer d’autres compétences. Il
apprend par exemple à se repérer dans un plan en précisant la position d’une fleur par
rapport à la ruche ou à construire une courbe.
La morphologie de l’animal
L’élève peut découvrir les pièces corporelles avec lesquelles l’abeille peut exercer les
comportements qui auront été ou seront étudiés.
5) Conclusion
Tous les comportements des abeilles sont simulés de façon à s’approcher au plus près
de la réalité, ce qui permet à l’élève de réaliser des observations qui seraient très
difficiles à obtenir dans la réalité. L’objectif des différentes activités proposées dans les
rubriques est de mettre l'élève dans la situation de l'observateur qui découvre des faits,
ce qui le mène à des problèmes qu’il résout par la conduite d'expériences.
76
Le logiciel ne permet pas d’analyser la démarche expérimentale de l’élève, il fournit
seulement les résultats des expériences en se rapprochant le plus près possible des
résultats réels. En revanche, le fait que chaque rubrique propose des activités
expérimentales qui ne fassent varier qu’un seul paramètre à la fois permet à l’enseignant
d’apprécier la rigueur de la manipulation expérimentale et le raisonnement de l’élève.
77
TROISIEME PARTIE
Développement d’activités pédagogiques multimédias
pour l’enseignement de la biologie en 1ère S
II. Le sujet traité et les motivations de ce choix
Les activités multimédias pédagogiques que nous allons développer concerneront la
discipline de la physiologie végétale sur la morphologique des végétaux. Nous avons
choisi ce sujet, car la plupart des expériences sont difficiles à planifier ou à réaliser dans
le cadre scolaire et ce, pour plusieurs raisons :
- les résultats expérimentaux, dans ce domaine de la physiologie végétale, ne
sont pas immédiats.
- de nombreuses expériences doivent être réalisées pour la compréhension des
mécanismes physiologiques intervenant dans l’élaboration de la morphologie
végétale.
Il en résulte que beaucoup de ces expériences ne sont traitées que de manière livresque
en classe et à notre connaissance aucun logiciel pédagogique de simulation
expérimentale sur ce sujet n'existe pour l’enseignement général.
A partir de tous ces constats, il nous a donc semblé intéressant de réfléchir sur la
conception d’activités multimédias qui permettraient à l’élève un apprentissage plus
basé sur les pratiques expérimentales, des démarches et des méthodes utilisées par les
botanistes.
78
III. Les objectifs du bulletin officiel
L’étude de la diversité morphologique des végétaux est une sous partie du chapitre : La
morphogénèse1 végétale et l’établissement du phénotype2, la durée indicative de son
enseignement, dans l’intégralité, est de cinq semaines.
Dans cette sous partie3, les élèves doivent :
- faire des observations de ports4 différents de végétaux d’une même espèce et
d’espèces différentes
- faire des observations ou expériences concernant l'action des facteurs
externes sur la morphologie et la spécificité de morphologie des espèces.
- être amenés à réaliser et (ou) analyser des expériences historiques de la mise
en évidence d’une hormone végétale intervenant dans l’élaboration de la
croissance des végétaux.
III. Proposition d’activités pédagogiques multimédias
L’objectif cognitif de ces activités est d’apporter aux élèves quelques notions de
l’analyse morphologique et architecturale des végétaux, afin qu’ils comprennent plus
facilement l’établissement de la morphogénèse.
1) Analyse de la morphologique des végétaux en fonction des
conditions environnementales
Objectif cognitif : Etudier l’influence des conditions environnementales (biotique ou
abiotique) sur la morphologie des végétaux.
1 Développement d’un végétal 2 Aspect observable de l’individu, tel que la forme des feuilles, leur couleur, etc... 3 BO 2001-2002 4 La silhouette d’un arbre
79
Objectif expérimental : simuler la croissance d’un arbre dans différents milieux
environnementaux.
Objectif pédagogique : constater par l’expérience que des changements morphologiques
peuvent être liés aux conditions environnementales
Déroulement de l’activité :
Pour cette activité l’élève dispose de :
- différents milieux environnementaux (bordure de mer, pleine forêt, à l’orée
de la forêt, en milieu isolé, milieux désertiques, en altitude, etc...), avec des
indications sur les conditions météos annuelles qu’il peut faire varier selon
les caractéristiques climatiques du milieu (température, ensoleillement, la
force du vent, la quantité de pluie tombée, etc...)
- plusieurs types d’arbres avec des ports très différents (ex : le pin et le chêne)
et pour chacun d’eux une représentation des silhouettes hivernales typiques
dans une banque d’images accessible à tout moment.
- un simulateur de croissance
L’élève doit choisir un milieu et planter les arbres qu’il veut soumettre à cet
environnement jusqu’à l’âge adulte. Puis, sur une feuille il doit noter toutes ses
observations qu’il organise dans un tableau.
Exemple de tableau :
Espèces végétales Port
caractéristique de l’espèce
Port de l’individu en fonction de l’environnement
Bordure de mer Port en drapeau
Orée Port proche de celui des individus isolés, en cône Port en
pyramide Forêt Centre pinède
Fût très long et feuilles au niveau de la cime
uniquement
Isolé Port en boule
Orée
Les feuilles se retrouvent tout le long du tronc
(port proche de l’individu isolé)
Chêne Port en boule Forêt
Centre chênaie
Fût très long et feuilles au niveau de la cime
Cette activité de simulation de croissance de plantes permet à l’élève d’observer
l’évolution de la morphologie d’un végétal en fonction des contraintes climatiques
80
caractéristiques d’un milieu. Ainsi par une approche beaucoup plus expérimentale que
l’observation de photos d’arbres prises dans différents milieux, l’élève est amené à faire
ses propres observations en comparant le résultat de sa simulation à la silhouette de
l’arbre qui croît normalement en terrain dégagé, il peut en déduire ainsi les changements
morphologiques.
La simulation de modèles de croissance dans différents environnements s’est élaborée à
partir de très nombreuses et longues, observations et expérimentations sur la
morphologie des végétaux. Ces données scientifiques ainsi synthétisées permettent à
l’élève, en manipulant les modèles, d’acquérir une quantité d’informations significatives
favorisant les activités d’analyse et de réflexion. En effet, grâce à ces données contenues
dans des programmes informatiques et à ce mode interactif, l’élève se pose des
questions pour savoir « qu’est-ce qui se passe si... » et se livre donc à une exploration
plus complète du phénomène étudié en vue de parfaire sa compréhension. La pensée
créatrice de l’élève est également stimulée contrairement à la simple observation de
photos de végétaux effectuées dans différentes conditions climatiques.
Ce type de logiciel initie l’élève aux techniques très utilisées par les paysagistes qui
doivent faire des projets d’aménagements de terrain à long terme, afin d’optimiser la
croissance des plantes en fonction de leur emplacement par rapport au taux
d’ensoleillement, la pente du sol, etc...
2) Analyse architecturale de la morphologie des végétaux
a) Pré-requis pour faire l’activité
Le développement d’un végétal conduit à des morphologies caractéristiques de l’espèce
qui nous permettent parfois de les reconnaître à leur silhouette, à leur port. Celui-ci est
construit par les ramifications des rameaux qui les constituent. Et, les ramifications de
ces rameaux résultent du développement des bourgeons.
Deux types de bourgeons se distinguent :
81
- les bougeons apicaux situés à l’extrémité des rameaux
- les bourgeons axillaires situés à l’aisselle des feuilles
b) Première activité
Objectif expérimental : Etablir des relations de dominance entre les différents
bourgeons d’un végétal.
Objectif cognitif : les différents modes de croissance des végétaux, monopodiale1 ou
sympodiale
L’objectif pédagogique consiste à faire adopter à l’élève, une démarche expérimentale
qui lui permet d’identifier une relation de causalité.
Déroulement de l’activité :
L’élève dispose des matériaux suivants :
- une paire de ciseaux
- deux plantes avec des modes de croissance différents (un jeune hêtre
commun et un lilas), celles-ci seront analysées séparément
Les actions possibles de l’élève :
- Il peut effectuer une ou plusieurs sections, sur tous les bourgeons de la plante
- Il a un simulateur qui lui permet d’accélérer le temps et ainsi connaître
immédiatement la réponse de la plante suite à la section d’un ou plusieurs
bourgeon(s)
1 Voir page suivante
82
L’élève, par l’expérimentation, doit découvrir le mode de croissance de chacune des
plantes qui se cache dans le programme, afin d’établir les relations de dominances entre
les bourgeons. A aucun moment l’élève ne reçoit de messages d’aide.
Il devra formaliser lui-même sur une feuille, le protocole expérimental, donner les
résultats synthétisés de ses expériences et les interpréter pour conclure.
Les conclusions :
Plante 1 (hêtre commun): le bourgeon apical est dominant sur les bourgeons axillaires,
on dit qu’il s’agit d’une plante à croissance monopodiale.
Plante 2 (lilas): l’un des bourgeons axillaires devient dominant par rapport aux autres,
dans ce cas, la plante a une croissance de type sympodiale.
Schématisation des relations de dominance entre les bourgeons
(représentés par une boule bleue pour le bourgeon apical et par
des boules rouges pour les bourgeons axillaires). A droite,
croissance de type monopodiale, à gauche, croissance
sympodiale.
c) Deuxième activité : applications industrielles
Dossier : application industrielle
Objectif cognitif : mise en évidence de la plasticité morphologique des végétaux, liée à
un facteur externe, l’homme.
L’enseignant a le choix entre deux supports, un film de quelques minutes ou un
reportage de type magazine, selon l’objectif méthodologique qu’il souhaite utiliser.
83
Ce dossier, applications industrielles, permet à l’élève de faire le lien entre ce qu’il
apprend et sur l’importance de la connaissance de ces lois dans les pratiques de la taille
dans les domaines de l’horticulture, de l’agriculture ou de la viticulture.
Le contenu du dossier traite du rôle de la taille en fonction des objectifs professionnels
et montre un exemple de technique de taille :
- l’horticulteur utilise la taille pour réaliser des haies, des massifs dans les
jardins d’agréments
- en agriculture ou en viticulture, la taille est utilisée pour obtenir des fruits
plus nombreux, plus gros, etc...
d) Troisième activité
Exemple d’un cas très particulier
Interprétation de formes remarquables et naturelles chez le Hêtre tortillard (Fagus
sylvatica tortuosa)
Objectif cognitif : une variété (hêtre tortillard) d’arbre, issue d’une même espèce (le
hêtre commun) peut avoir des morphologies très différentes liées à un mode de
croissance différent.
Objectifs pédagogique : à partir des observations effectuées sur les différents types de
croissances (monopodiale et sympodiale), ainsi que sur les conséquences de la taille sur
la morphologie des végétaux, l’élève doit mettre en applications ses connaissances pour
donner une interprétation scientifique des formes remarquables proposées.
Cette activité, par rapport à l’activité précédente permet de montrer à l’élève que la
forme d’un végétal peut résulter de divers facteurs.
Déroulement de l’activité :
Présentation du hêtre tortillard
Plusieurs possibilités de présenter le sujet pour l’enseignant :
• Un film de cinq minutes, à visionner collectivement, permet de présenter cette
variété exceptionnelle de hêtre.
84
Hêtres tortillards de la forêt de Verzy
Le contenu du film :
- localisation du site des faux de Verzy, explication étymologique du mot
faux1 et situation géographique du village de Verzy.
- résumé de la problématique posée par les botanistes concernant l’origine
encore énigmatique des causes de leur apparition.
- explications justifiant qu’il s’agit bien d’une variété issue du hêtre commun
par une comparaison phénotypique (feuille, écorce).
- comparaison des modes de croissance entre le hêtre commun et le hêtre
tortillard, de la première année jusqu’à trois ans, à l’aide d’une animation.
Explication du processus de réitération2.
- à la fin du film, des images de figures en zigzag, volute et crosse de faux
sont montrées et la voix off demande aux élèves de donner une interprétation
de ces formes remarquables, sachant que ces figures peuvent être obtenues
sur un hêtre commun soumis à une ramification provoquée par la taille.
• Ce film n’est pas un passage obligé pour réaliser cette activité, l’enseignant est libre
d’introduire lui-même le sujet, en utilisant les ressources photographiques, les schémas,
l’animation sur la réitération, etc... consultables dans le logiciel. L’élève dispose aussi
de textes récapitulatifs courts sur les informations importantes contenues dans le film.
L’intérêt des images animées par rapport à des photos sur l’architecture de ces arbres,
est que celles-ci donnent une meilleure perspective de la complexité structurale dans
l’espace. Le choix particulier des hêtres tortillards permet de montrer à l’élève d’une
1 Le mot fau vient du latin Fagus qui se traduit par hêtre ou fayard en français. 2 La réitération est un processus biologique qui se produit quand le bourgeon apical de la tige principale, correspondant au futur tronc de l’arbre, avorte. La croissance va se poursuivre par un bourgeon axillaire, donnant normalement naissance aux branches, pour élaborer le tronc.
85
part, qu’il existe d’autre mode de croissance, bien que celui-ci reste très rare dans la
famille des Fagacées, mais aussi que la morphologie d’un végétal est intimement liée à
sa croissance et correspond toujours à un programme de développement logique,
imposé par des lois physique et biologique incontournables.
Trois formes remarquables simples sont abordées :
Le zigzag La spire La crosse
Une seule de ces figures pour cette activité sera expliquée, car le principe de la
démarche pour les autres est le même.
L’activité se présente de la manière suivante :
- Une photo de détail de la figure
- Un schéma de segment du rameau avec ses trois bourgeons (un apical et
deux axillaires) que l’élève doit faire croître jusqu’à l’obtention de figure.
Le zigzag Bourgeon apical (info bulle)
Bourgeons axillaires
Segment de rameau à l’année T2 Segment du rameau à l’année T0
Point de départ de la figure
A partir du segment de rameau de la figure représenté sur la photo, l’élève doit trouver
comment celle-ci s’est élaborée, en supprimant le ou les bourgeons qui ne sont pas
nécessaires pour le développement de la figure. Puis, l’élève doit activer le simulateur
86
de temps pour observer la croissance du rameau. Il faut qu’il recommence cette
opération jusqu’à l’obtention de la figure.
Les différentes étapes de la formation d’un zigzag :
Rameau à T0 Rameau à T1 Rameau à T2
Suppression des bourgeons
Le bourgeon apical du rameau T0 avorte, la croissance du rameau ne peut se poursuivre
que par l’un des deux bourgeons axillaires. Dans ce cas de figure, c’est le bourgeon
axillaire droit qui va se développer. Sur le nouveau rameau T1, constitué aussi, d’un
bourgeon apical et de deux bourgeons axillaires, les bourgeons apical et axillaire droit
vont avorter. C’est le bourgeon axillaire gauche qui va prendre le relais pour
l’élaboration de l’axe principal du rameau et comme il s’agit du bourgeon opposé à
celui de l’année précédente, alors il se forme un zigzag.
L’ensemble de ces activités apprend à l’élève, les principes des démarches et des
méthodes spécifiques à l’analyse architecturale des végétaux. Toute la difficulté de cette
discipline est liée à notre vision très zoocentrique de la biologie. Celle-ci, est en partie
due au fait que, la croissance chez les animaux n’est pas vécue de la même manière que
chez les végétaux. La vie d’un végétal se confond avec sa croissance, laquelle est
intimement liée à sa forme, alors que la vie d’un animal est axée non pas sur sa
croissance, mais sur sa mobilité. De plus, ces deux façons d’occuper l’espace ne
s’effectuent pas dans la même échelle de temps. Par conséquent, l’observation
scientifique des formes végétales doit tenir compte de ces mouvements de vie des
végétaux, (non directement perceptibles visuellement dans l’espace et le temps de
l’Homme,) qui se sont inscrits dans la morphologie de la plante lors de son
87
développement, afin d’en donner une interprétation convenable. Ainsi, au moyen d’une
activité qui s’apparente plus à un jeu de reconstruction architecturale, l’élève apprend à
observer la forme d’un rameau en y associant le développement des bourgeons selon un
mode de croissance.
Ces expériences sur les relations de dominance entre bourgeons devraient amener
l’élève à conclure sur une question : par quel mécanisme biologique les relations de
dominance observées entre les bourgeons s’établissent ? Ce mécanisme est-il d’origine
chimique ? Et comment mettre en évidence cette substance ?
Conclusion
La simulation informatique de la croissance de plantes, permet à l’élève de réaliser des
expériences impossibles à concevoir en une seule séance de travaux pratiques, car aucun
protocole expérimental dans les conditions réelles ne sait contracter l’échelle de temps
sur du matériel vivant. Ainsi le recours à la simulation favorise la compréhension rapide
du phénomène biologique étudié. Et bien que les objectifs de la simulation dans
l’enseignement de la botanique soient différents de ceux des travaux de laboratoire,
celle-ci est complémentaire, car elle offre un type d’activité intellectuelle très utilisée
dans beaucoup d’activités scientifiques et qui n’était pas accessible jusqu’à maintenant
dans l’enseignement.
3) Le développement du végétal sous l’influence des
hormones
a) Première activité
Objectif expérimental : mettre en évidence l’existence d’une substance chimique
sécrétée par le bourgeon apical.
Objectifs cognitif et pédagogique : Etablir une relation entre un organe (le bourgeon) et
la sécrétion d’une substance chimique qui inhibe la croissance des bourgeons axillaires.
88
Ainsi, l’élève apprend à percevoir un processus biologique, non directement visible à
l’œil nu par l’expérimentation.
Déroulement de l'activité :
Matériel à la disposition de l’élève :
- des plantes à croissance monopodiale
- des ciseaux
- un bloc de gélose (laisse passer les substances chimiques)
- un simulateur
A partir de ce matériel, l’élève doit concevoir des expériences qui lui permettront de
savoir si la dominance apicale du bourgeon est liée à une substance chimique.
Plante témoin
Démarche expérimentale :
Si on place un bloc de gélose sur le bourgeon apical sectionné (plante B), le bourgeon
axillaire le plus proche débourre et un rameau se forme. Cette expérience prouve que la
gélose n’a aucun effet sur le développement des bourgeons. En revanche si on place le
bourgeon sectionné sur le bloc de gélose (plante C), aucun bourgeon axillaire ne
débourre. Donc une substance provenant du bourgeon apical traverse le bloc de gélose
et inhibe le développement du bourgeon axillaire.
89
b) Deuxième activité
Objectif expérimental : Identifier la substance chimique responsable de la dominance
apicale.
Objectif cognitif : étudier le rôle des hormones végétales.
Objectif pédagogique : Appliquer par l’expérimentation, une démarche scientifique
basée sur l’observation de faits, induits par des substances chimiques isolées et connues.
L’expérience s’organise de la manière suivante :
- des plantules à croissance monopodiale
- des arrosoirs vides
- trois sortes d’hormones végétales avec leur notice d’utilisation : auxine,
gibbérelline et cytokinine
- de l’eau
- un simulateur de temps
- un schéma d’anatomie d’une plante situant les différents organes et un entre-
nœud
L’élève est entièrement libre dans sa démarche expérimentale, il peut arroser une plante
avec une ou plusieurs hormones et ce, avec des concentrations différentes. Il devra
concevoir par écrit son protocole expérimental et d’après les résultats obtenus,
synthétiser ses observations dans un tableau.
Exemple de tableau :
Croissance des bourgeons
apicaux
Croissance des bourgeons
axillaires
Croissance des entre-
nœuds
Auxine Stimulation Inhibition Inhibition
Cytokinine Inhibition Stimulation Inhibition
Gibbérelline Stimulation Inhibition Stimulation
90
Illustration du résultat obtenu avec les gibbérellines :
Ces résultats comparés à la plante témoin, permettent de conclure que l’hormone
responsable de la dominance apicale est l’auxine.
Ces deux dernières expériences constituent des éléments de preuves que la
morphogénèse d’une plante est déterminée génétiquement. L’auxine étant une hormone,
cela implique que sa synthèse ainsi que les mécanismes de sa régulation, résultent de
l’expression de gènes.
Ces expériences associées à d’autres permettront d’aborder les mécanismes de la
morphogénèse au niveau cellulaire.
L’intérêt de la simulation pour la réalisation de ces expériences est multiple, car elles ne
sont pas faciles à mettre en œuvre et elles nécessitent une expérimentation sur un
nombre suffisamment grand de plantes (surtout pour la deuxième activité) pour que les
résultats soient significatifs.
Ce type d’activité favorise l’analyse de faits, l’émission d’hypothèses explicatives et
comme la vérification ou non de ses hypothèses est rapidement obtenue, l’élève adopte
une démarche structurée dans ses savoir-faire.
91
Toutes ces expériences présentent un intérêt dans l’acquisition des démarches et des
méthodes scientifiques, si elles sont utilisées au bon moment, dans un but précis, dans
une stratégie pédagogique qui favorise la découverte à l’initiative de l’élève.
92
CONCLUSION Notre étude, sur les démarches et les méthodes utilisées par les scientifiques, nous a
montré qu'il n'existe pas une recette miracle, mais que les chercheurs possèdent des
manières très diverses en fonction des habitudes de travail des laboratoires, de l’objet
étudié et des objectifs du projet de recherche.
Il en est de même des pratiques scientifiques, celles-ci suivent l'évolution technologique
et de ce fait, depuis quelques décennies l'usage de l'informatique comme outil de
recherche est devenu indispensable dans certaines disciplines de la biologie ou de la
géologie. Notamment dans les sciences qui nécessitent une phase de modélisation
mathématique des mécanismes du phénomène étudié et qui ne peuvent être simulés
qu'informatiquement dans le but de faire des prédictions.
Ainsi ces nouveaux procédés font appel à de nouvelles compétences dans les démarches
et les méthodes expérimentales scientifiques.
En tenant compte des éléments évoqués précédemment, un certain nombre de réponses
à des questions concernant l'enseignement et l'apprentissage expérimental des SVT, ont
révélé que les pratiques des enseignants ne tentaient pas de reproduire la démarche
complexe du chercheur dans son laboratoire pour des raisons essentiellement
pédagogiques.
L'objectif de l'école n'étant pas de former de futurs chercheurs, mais de donner aux
élèves une culture scientifique sur les connaissances théoriques et les pratiques
expérimentales, afin que ceux-ci se familiarisent avec les outils et les démarches
spécifiques des SVT pour favoriser le développement de leur pensée scientifique.
Cependant, même si les objectifs et les contraintes entre la recherche et l'enseignement
sont différents, les moyens matériels à la disposition des enseignants sont souvent
dérisoires, comparés à ceux employés dans les laboratoires de recherche, alors que les
programmes scolaires se veulent suivre l'actualité des savoirs en sciences. Il en résulte
que l'apprentissage des techniques expérimentales a trop souvent été traité seulement de
manière livresque, ce qui a entraîné un enseignement dogmatique de ces savoirs.
L'intégration de l'ExAO depuis 1992, a permis aux enseignants d'améliorer la
scénarisation de leurs activités expérimentales sur le vivant.
93
L'analyse de produit sur la simulation du comportement des abeilles a montré que
d'autres types d'expérimentation dans un environnement complètement virtuel basé sur
la modélisation mathématique des théories de Von der Frich étaient possibles. Que
l'élève pouvait être mis en situation de recherche dans un domaine expérimental qui
jusqu'alors inaccessible en classe, tout en étant en adéquation avec les démarches mises
en œuvre dans cette discipline expérimentale, même si le conteste ou l'environnement
d'origine de la démarche du chercheur est complètement différent.
Ainsi ce type de produit développe, chez l'élève, un comportement d'initiative dans sa
prise de décision. Il le stimule à analyser le phénomène étudié. Bien d'autres exemples
de produits inspirés directement ou non des outils utilisés par les chercheurs aident les
élèves à acquérir les démarches et les méthodes expérimentales propres à chaque
discipline des SVT.
94
BIBLIOGRAPHIE
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REVUES APBG (association des professeurs de biologie-géologie) Raymond LESTOURNELLE, L’ordinateur au service de la biologie-géologie, N°4-1992, pp.749-754. Pierre CLEMENT, Les spécificités de la biologie et de son enseignement, N° 3-1999, pp. 479-501. EPI (enseignement public et informatique) Victor MARBEAU, Marie-Françoise CÉNAT, Le cas particulier des travaux personnels encadrés, n° 102 de juin 2001 En ligne (Eté 2002) : http://www.epi.asso.fr/revue/102/ba2p065.htm#Appel_Note12
95
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Les dossiers de l’ingénierie éducative Des outils pour les SVT, février 2000, N°30.
ARTICLES Francine Pellaud, Enseigner les sciences... oui, mais comment et pourquoi ?, Université de Genève, juillet 2001. Maurice Fleury, L’enseignement assisté par ordinateur : que faut-il en penser ?, Faculté des sciences de l’éducation, Université de Laval (>1991). Naoum SALAME, F-M. BLONDEL, BEAUFILS, Le double transfert des connaissances scientifiques et informatiques : exemples biologie, physique, géographie, Colloque International ATHENA 1989.
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Extrait du B.O. n°25 : annexe III http://www.cndp.fr/tice/ressources/textof_form.htm
96
Le café pédagogique : Actualités des TIC http://www.cafepedagogique.net/disci/actutic
SITES DE TELECHARGEMENT DES LOGICIELS ANALYSES P52, INRP, Logiciel phylogène : http://www.inrp.fr/Acces/biotic/evolut/phylogene/accueil.htm P68 CRDP Toulouse, Logiciel l'abeille ouvrière butineuse ftp://193.54.149.12/svt/logiciel/abeil.exe ou à partir du site http://www.ac-toulouse.fr/svt/2logithe.html LES AUTRES LOGICIELS P46, CRDP Toulouse, Logiciel d'activités sur le nerf : http://www.ac-toulouse.fr/svt/lycee/premiere/nerveux/nerf.htm P47, CRDP, Amiens, Logiciel de transcription et de traduction : http://www.ac-amiens.fr/academie/pedagogie/svt/info/logiciels/adnarn/index.htm CNDP, Logiciel sur le génie génétique : http://www.cndp.fr/svt/genie2/ P49, Génération 5, BactoLab, Logiciel de bactériologie http://www.generation5.fr/cataensei/frame_lyc.asp?id=88 P49, université de Californie, FlyLab, Logiciel de génétique : http://www.apple.com/fr/education/aua/aua0101/evolveit.html
P42, Jeulin, Titus, Logiciel sur la météorologie : http://www.ac-creteil.fr/svt/Teledec/Ima_spot/catsirius.htm RESSOURCES LOGICIELS PEDAGOGIQUES
BIOGEO, INRP : http://www.inrp.fr/Acces/Biogeo/model3d/visu3d.htm Logithèque : http://www.ac-toulouse.fr/svt/2logithe.html
PAGES INTERNET SUR L'ExAO Activités et travaux pratique. Expérimentation assistée par ordinateur : principe, histoire
et applications : http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/ATP/exao.htm
SITES INTERNET SUR LA MORPHOGENES VEGETALE Morphogénèse végétale, niveau 1ère S http://www.acpoitiers.fr/svt/res_peda/sit_prog/lyc_1S_morveg.htm
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Morphogénèse végétale et établissement du phénotype, quelques réflexions sur le programme de 1ère S : http://www.snv.jussieu.fr/vie/conferences/morphovg_ai_01/prog.html
Le CIRAD : modélisation /simulation chez les végétaux http://www.cirad.fr/presentation/programmes/amap/fonct.shtml La morphogénèse végétale et l'environnement (Roger PRAT) http://www.snv.jussieu.fr/vie/conferences/morphovg_ai_01/index.html
CREDIT PHOTOS, SCHEMAS...
P36, Site internet, ExAO http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/ATP/principe.htm P40, 41 Jeulin
P39, 41, 42, 44, Les dossiers de l'ingénierie pédagogique N°30 P46, INRP, ADN, http://www.inrp.fr/Acces/Biogeo/model3d/visu3d.htm P80, Samuel REMERAND, professeur de SVT P82, 89, 91, Livre scolaire de 1ère S P89, Roger PRAT, Laboratoire de biologie et multimédia, Université de Jussieu à Paris P85, 86, 87, Katia COLLINET
