2. Place et rôle de l’histoire des sciences dans les programmes d’enseignement





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Utiliser l’histoire de l’optique dans l’enseignement : pourquoi ? comment ?
Laurence Maurines, DidaScO, université Paris-Sud 11

laurence.maurines@u-psud.fr

Arnaud Mayrargue, Rehseis - Université Paris 7, IUFM de Créteil-Université Paris 12

arnaud.maryrargue@univ-paris-diderot.fr

1. Introduction
Cet article présente une séquence d’enseignement sur la lumière ainsi que les raisons qui ont présidé à son élaboration. Parue dans le numéro 866 de la revue « Textes et Documents pour la Classe », cette séquence a été conçue pour l’enseignement thématique de la classe de seconde. Elle comporte quatre parties qui peuvent être abordées indépendamment les unes des autres, mais qui peuvent aussi constituer un tout. Elles traitent de la vitesse de la lumière et de l’origine des lumières « colorées ». Cette séquence pourrait être initiée en classe de quatrième, être reprise en classe de première littéraire et trouver son prolongement en classe de terminale scientifique lors de l’étude des ondes.

Nous expliciterons tout d’abord les enjeux de cette séquence, à partir d’une analyse de la place de l’histoire des sciences dans les programmes du secondaire, et nous donnerons le cadre didactique dans lequel l’élaboration de la séquence s’inscrit. Nous détaillerons ensuite les objectifs poursuivis par la séquence en les situant par rapport à ceux du programme de la classe de seconde. Nous poursuivrons en indiquant comment les textes historiques qui servent de support à cette séquence ont été choisis et utilisés. Nous terminerons en discutant la possibilité de transférer le travail réalisé à d’autres domaines.
2. Place et rôle de l’histoire des sciences dans les programmes d’enseignement
Les derniers programmes de l’enseignement secondaire font souvent référence à l’utilisation de l’histoire des sciences en tant que support aux apprentissages, tant au collège qu’au lycée. Cette systématicité est relativement récente, et l’on peut penser que ce point de vue nouveau s’inscrit pour partie dans le cadre de la lutte contre la désaffection des étudiants pour les filières scientifiques, qui au-delà de la France, affecte tous les pays occidentaux. Il s’agirait de re-donner goût aux élèves pour les sciences. Mais, plus que cela, on a pu penser qu’il était nécessaire de dépasser une présentation de la science qui ne favoriserait que les raisonnements et les résultats : la connaissance du contexte épistémologique et historique, prenant en compte les aspects socio-culturels, les modes de pensée et la possibilité de leurs évolutions, les conflits (controverses), pourraient en effet contribuer à l’acquisition des savoirs.

Les concepteurs des derniers programmes scientifiques du collège précisent que la perspective historique a pour rôle de donner une vision cohérente des sciences et des techniques et de leur développement conjoint. Elle permet de présenter les connaissances scientifiques comme une construction humaine progressive et non comme un ensemble de vérités révélées. On voit ici apparaître une réaffirmation du rôle central de la rationalité, et même une revendication de bien dissocier construction humaine, raison et vérité révélée.

Un second élément, qui est d’ailleurs une constante des programmes de Physique et de Chimie, puisqu’on le retrouve pour le moins dans les deux derniers programmes du collège, c’est l’importance de l’aspect culturel dans les programmes. L’enseignement doit faire ressortir que la physique et la chimie sont des éléments de culture essentiels en montrant que le monde est intelligible : en s’appuyant sur quelques lois universelles, il doit en effet être possible de donner une représentation cohérente de l’Univers. C’est dans cet esprit, qu’il est bon de « faire appel à la dimension historique de l’évolution des idées »1.

Un troisième élément, c’est l’importance du contexte qui est soulignée dans les programmes. L’histoire des sciences a un rôle important, car elle peut contribuer à ce que la science soit insérée dans l’histoire et la société. Il est essentiel en effet de voir que la science a des racines dans son histoire, là où le débat, les controverses, ont eu un rôle certain, et où le contexte socio-culturel a influencé, même de façon parfois détournée, l’élaboration des modèles. La science est donc également à considérer en tant que « construction sociale vivante. »

Enfin, sur un sujet de société d’une grande importance, particulièrement aujourd’hui, celui de l’énergie, il est précisé que l’histoire des sciences a également pour fonction de faire de l’élève un futur citoyen, qui puisse comprendre et intervenir ultérieurement dans les choix de société.

De ces éléments d’analyse apparaissent trois idées : rationalité, culture, et citoyenneté. Ces choix sont assumés en tant que tels, mais aussi avec la conséquence qu’ils induisent de voir, précisent les rédacteurs du programme, le « contenu même enseigné » changé par ce choix2 De tout ce que nous avons exposé, on pourrait finalement retenir une certaine cohérence quant à la place de l’épistémologie et l’histoire des sciences dans l’enseignement. Le propos est, à notre avis, à nuancer dès lors que l’on regarde en détail les propositions faites par les concepteurs des programmes. En effet, selon les textes, les niveaux auxquels on s’adresse, on trouve des points de vue très divers qui, repensés et réexaminés, pourraient d’ailleurs être complémentaires. Il peut ainsi s’agir d’ « éveiller la curiosité », de motiver ; il peut s’agir aussi d’introduire un point de vue culturel ; ainsi, « La physique-chimie participe à la culture humaniste, notamment par des ouvertures en direction de l'histoire des sciences (…) qui montrent la science qui se construit », et cela permet de trouver dans l’observation du monde une certaine intelligibilité ; l’histoire des sciences devrait aussi permettre de montrer que l’élaboration des sciences est une « aventure humaine », et en cela « l'exposé historique (…) a un côté culturel irremplaçable ». Mais l’histoire des sciences et des techniques a aussi pour vocation de montrer « les progrès de la connaissance humaine » ; cette fonction idéologique est réaffirmée avec force dans le texte concernant le socle commun de connaissances, puisque après avoir évoqué le rôle de l’histoire des sciences et des techniques, le propos est généralisé aux sciences qui doivent « contribuer au progrès et au bien-être des sociétés ».
3. Le cadre didactique dans lequel l’élaboration de la séquence s’inscrit
Les chercheurs en didactique de la physique partagent actuellement une vision « socio-constructiviste » de l’apprentissage inspirée des travaux de psychologues tels que Piaget et Vygotski: l’élève n’est pas un réceptacle passif dans lequel on déverse des connaissances; il les construit avec celles qu’il possède déjà, en interaction avec son environnement matériel et social. Ce déjà-là conceptuel a été exploré par de nombreux chercheurs à travers le monde : l’existence de conceptions et de modes de pensée non conscients, possédant une certaine cohérence interne, contredisant fréquemment les connaissances et les raisonnements scientifiques a été mis en évidence (pour la physique, lire par exemple Viennot, 1996). De nombreuses recherches ont également dégagé que les difficultés rencontrées par les élèves aujourd’hui présentent des similitudes avec celles rencontrées par les scientifiques autrefois à condition de s’intéresser aux résistances qui se sont manifestées sur le long terme ((Piaget et Garcia, 1983 ; Saltiel et Viennot, 1984 ; Aster, 1986 ; Martinand, 1993 ; Toussaint et Gréa, 1996). Il n’existe pas de parallèle strict entre ces difficultés en raison des différences de contextes culturels et techniques (il y a des ressemblances mais aussi des divergences). Certains obstacles cognitifs mis à jour par les didacticiens peuvent être rapprochés des obstacles épistémologiques dégagés par Bachelard (1938) dans son analyse de la transition de la période pré-scientifique à la période scientifique. Il en est ainsi de ceux qu’il désigne par l’obstacle de l’expérience première (la première expérience sensible non questionnée), du réalisme (le modèle « colle » à la réalité), du substantialisme (approche réductrice qui conduit à faire intervenir une substance enfermée dans l’objet et à tout expliquer grâce à elle). Dans cette vision de l’apprentissage, l’erreur est perçue positivement, elle est le passage obligé, le moteur de la connaissance.

Les recherches portant sur l’enseignement des sciences soulignent que parmi tous les objectifs d’enseignement envisageables, il est primordial de travailler les obstacles cognitifs qui posent problèmes, ceux appelés « objectifs-obstacles » par Martinand (1989). Elles mettent aussi en avant qu’enseigner, c’est transmettre une idée de ce que sont les sciences et l’activité scientifique (Désautels et Larochelle, 1989) et que le changement conceptuel est favorisé par un changement méthodologique et épistémologique (Gil-Pérez, 1993). Elles avancent aussi l’idée qu’il est nécessaire de mettre les élèves dans des situations d’enseignement qui leur permettent d’être acteur de leur apprentissage. Celles-ci se présentent sous différentes formes et répondent à différents nominatifs. Elles partagent certaines caractéristiques que nous développerons plus loin (Morge et Boilevin, 2007).
4. Les objectifs poursuivis par la séquence
Les objectifs explicités par le programme de seconde peuvent être classés en cinq catégories. Il comporte des objectifs de connaissances et de savoir-faire spécifiques à chaque thème disciplinaire. Il comporte également des objectifs de démarches et d’attitudes ainsi que des objectifs d’ordre épistémologique, communs à l’ensemble du programme et cohérents avec la vision de l’apprentissage et de l’enseignement actuellement partagée par les chercheurs en didactique. Parmi ces objectifs, certains ont retenu plus particulièrement notre attention.

En ce qui concerne les objectifs d’ordre épistémologique, nous avons souhaité montrer comment les connaissances sur la lumière se sont construites au cours du temps en donnant lieu à des controverses. Nous avons voulu mettre l’accent sur le fait que toute connaissance scientifique répond à une question qui peut conduire à une hypothèse pouvant être testée et donc à la nécessité de questionner la perception immédiate et intuitive du monde. Nous avons voulu montrer que la construction des connaissances scientifiques se fait par un va et vient entre la théorie et l’observation, la théorie et l’expérimentation. Nous avons également voulu montrer que les modèles ont des limites et sont plus ou moins puissants. Pour résumer, nous pouvons dire que nous avons souhaité faire réfléchir les élèves aux notions de modèle et de preuve en sciences.

En ce qui concerne les objectifs d’attitudes, nous avons souhaité que les élèves puissent exercer leur esprit d’initiative, leur sens critique, leur rigueur, leur ténacité. En ce qui concerne les objectifs de démarche, nous avons voulu que les élèves travaillent les compétences spécifiques de l’expérimentation présentées dans la grille de suivi des séances de travaux pratiques : faire des prévisions et émettre des hypothèses, proposer une expérience, analyser des résultats expérimentaux, les confronter à des résultats théoriques, déterminer le domaine de validité d’un modèle.

En ce qui concerne les objectifs de connaissances spécifiques au thème de l’optique, nous avons retenu ceux portant sur la vitesse de la lumière et la lumière blanche. Nous avons mis l’accent sur des aspects non questionnés par le programme car nous savions qu’ils avaient donnés lieu à des controverses historiques et que nous les savions ou supposions délicats pour les élèves. Ils concernent la valeur finie de la vitesse de la lumière et les facteurs dont cette vitesse ne dépend pas, l’origine d’une lumière « colorée » (la couleur étant un effet perceptif, cette expression est un raccourci pour dire « qui produit la sensation de couleur »). La séquence que nous avons élaborée aborde quatre points. Ils traitent du fait que la vitesse de la lumière n’est pas infinie, que la lumière blanche est composée de plusieurs lumières « colorées », qu’elle est la même avant et après la traversée d’un milieu transparent, que les lumières « colorées » ont la même vitesse dans le vide. Le choix du premier point provient de la conception connue en didactique sous l’expression « le bain de lumière », celui du second point de l’hypothèse d’une similitude de conceptions entre celles des élèves et celles des scientifiques autrefois, celui des deux derniers de l’hypothèse de l’existence d’un raisonnement mécaniste à propos des ondes lumineuses, hypothèse issue de la recherche en didactique et renforcée par l’histoire de l’optique (Maurines et Mayrargue, 2001).

En ce qui concerne les savoir-faire, nous avons mis l’accent sur l’utilisation qualitative des lois et modèles et non sur leur utilisation quantitative. Il s’agit de dégager les paramètres pertinents à prendre en compte et les liens qu’ils entretiennent, et non d’obtenir une mesure précise d’une grandeur ou une loi quantitative.
5. Les difficultés conceptuelles des élèves
Avant de présenter les textes historiques qui ont servi de support à la séquence, disons deux mots des difficultés des élèves sur les thèmes abordés dans la séquence.

Les recherches portant sur la lumière montrent que les élèves jusque vers 12-13 ans ne conçoivent pas de propagation de la lumière de la source vers l’objet (Guesne et al., 1978). C’est le modèle du bain de lumière : un observateur voit un objet car il y a instantanément de la lumière partout et que l’œil envoie quelque chose vers l’objet.

Les recherches portant sur les ondes mécaniques (signal sur une corde, à la surface de l’eau, son) menées avant et après enseignement sur les ondes (élèves et étudiants âgés de 15 à 20 ans) montrent que les élèves et étudiants ont une conception mécaniste des signaux (Maurines et Saltiel, 1988 ; Maurines, 1991,1998). Ceux-ci sont traités comme des objets matériels en mouvement. D’une part, ils sont considérés globalement et caractérisés par une grandeur spatiale, la longueur du signal, et non temporelle, la durée du signal en un point donné. D’autre part, ils obéissent à une dynamique de l’objet matériel : la vitesse de propagation dépend de la source et peut varier au cours du temps. Cette dynamique « spontanée » du signal est proche de la dynamique « spontanée » utilisée pour interpréter le mouvement d’une balle lancée à la main. Tout se passe comme si le signal stockait quelque chose de communiqué par la source, quelque chose qui détermine à la fois l’amplitude et la vitesse du signal et qui peut changer au cours de la propagation. Les élèves l’appellent le plus souvent « force » mais c’est en réalité un concept hybride, mélange de force, d’énergie, de vitesse…qui a été appelé « capital » car il a de nombreux points communs avec le capital de force introduit par Viennot (1979) pour interpréter les réponses d’étudiants en dynamique élémentaire. On retrouve dans le cas de la lumière des raisonnements de ce type (Lefèvre, 1988). Pour les étudiants, le fond des mers est sombre car la lumière solaire pénètre à la surface, ralentit et finit par s’arrêter à une certaine profondeur (réponse donnée par 30% des 176 étudiants interrogés en première année d’université) ; la grandeur qui se conserve lors de la transmission de la lumière d’un milieu à un autre est la longueur d’onde et non la fréquence (61%, N=176).

En ce qui concerne l’origine et la nature d’une lumière colorée, nous avons vérifié après l’élaboration de la séquence que les élèves rencontraient bien les difficultés supposées. Ce thème n’avait en effet été que partiellement exploré (Prat, 1989). L’enquête que nous avons réalisée sur la dispersion de la lumière blanche par un prisme (Maurines, 2005) a confirmé l’existence avant l’enseignement de quatrième de conceptions voisines de celles correspondant à la théorie de la modification de la lumière blanche : les couleurs observées sur l’écran sont uniquement crées lors du passage de la lumière blanche à travers le prisme, elles ne sont pas déjà présentes dans la lumière incidente. Ces couleurs dépendent de l’épaisseur de verre traversé et de la matière constituant le prisme. L’enquête a également révélé qu’il subsistait des difficultés après enseignement de seconde sur le concept de lumière monochromatique : une lumière « colorée » obtenue par décomposition de la lumière blanche peut donner d’autres lumières « colorées » après passage au travers d’un deuxième prisme (par exemple, on observe du vert et du rouge si on isole la partie jaune du spectre de la lumière blanche ou du jaune et du bleu, ou bien encore un spectre teinté de vert). De plus, très peu d’élèves sont en mesure d’expliquer la dispersion de la lumière blanche grâce au phénomène de réfraction: le prisme semble une boite noire qui sert à faire apparaître un spectre.
6. Les textes historiques retenus 

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