Faire aimer les sciences…
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Démarches d’investigation scientifique

« Démarches d’investigation en sciences à l’école primaire »

Le socle commun définit un certain nombre de compétences à acquérir à l’école primaire dans le cadre de l’enseignement des sciences : savoir pratiquer une démarche d’investigation scientifique en classe : observation, questionnement, expérimentation… mais aussi exprimer les résultats d’une recherche à l’écrit et à l’oral.

voir la conférence du 23 mars au Cddp92

Remerciements à Michèle Rechain (conseillère pédagogique de la circonscription) qui apris ces notes lors de la conférence
«Démarches d’investigation scientifique aux cycles 2 et 3 »
de Jack GUICHARD
du 10 novembre 2010 à Clion sur Seugne

Les textes officiels:

 

-Le cadre du socle commun définit un ensemble de connaissances et de compétences.
Le pilier 3 du socle : Les principaux éléments de mathématiques et la culture scientifique et technologique.
L’objectif est de comprendre et décrire le monde réel, celui de la nature et celui construit par l’homme.
-Les sciences dans les Programmes 2008 cycle 2: Découvrir le monde du vivant, de la matière et des objets (Le début de la démarche d’investigation est mené dès l’école maternelle).
-Les sciences dans les Programmes 2008 cycle 3: Sciences expérimentales et technologie
Les Programmes 2008 visent des connaissances et des compétences.

Ces domaines sont l’occasion de renforcer la maîtrise de la langue et la langue française.
Les compétences scientifiques sont toujours travaillées dans le cadre d’une démarche d’investigation.

Pourquoi éduquer à des démarches scientifiques?

 

Les sciences ne sont pas que des savoirs. Il s’agit de montrer qu’elles sont avant tout un questionnement sur le monde. « Est scientifique ce qui est réfutable, donc testable ». Karl POPPER

Faire aimer les sciences à l’école , c’est mettre en place un rapport direct au réel, au concret. L’enseignant choisit des situations de départ qui vont:
-focaliser la curiosité des élèves
-permettre de sélectionner les questions qui se prêtent à une démarche d’investigation, vers la construction de savoir-faire, vers la maîtrise de connaissances.

 

La démarche d’investigation:

 

C’est une tentative de réponse à une question, à formuler en terme de causalité , facteurs  ou interactions pour la rendre testable.
Pour répondre, on avance des hypothèses, explications provisoires, en lien avec l’imagination. L’hypothèse doit être soumise au test de la réalité.

 

Les 5 moyens pour le test de la réalité:
-des observations avec ou sans mesures
-des expérimentations
-des enquêtes
-des modélisations ou simulations
-une recherche documentaire en classe

Cette démarche demande un protocole précis: un dispositif, des étapes, un témoin .
Exemple: Les travaux de BENVENISTE sur la mémoire de l’eau n’ont pas pu être vérifiés.
Il faut donc des preuves, éléments observables et quantifiables.
On analyse les résultats. En classe, les hypothèses ont été conservées sur un côté du tableau par exemple. Cependant, l’expérimentation dans le domaine du vivant n’est pas toujours possible.

L’observation:
Exemple des consignes:
-Dessiner la noisette
-Retrouver votre noisette

 

L’ observation répond à un questionnement : observer une noisette pour la reconnaître est différent d’observer pour comprendre.
L’observation n’est pas un but en soi, c’est un moyen d’investigation. (Retrouver la noisette dessinée par un autre est difficile!)
Le dessin est un support de communication de l’observation.
Que faudrait-il faire pour que le dessin fait soit un bon support de communication pour les autres?

 

 

Les attributs de l’observation:
-que l’objet soit reconnaissable
-qu’on y trouve les éléments qui répondent à la question
-qu’on y trouve des mots ( les légendes)
– sa taille ( en C.M, indication de la largeur par exemple)
-son orientation

L’exemple du dessin « Old or young lady? » montre que nos perceptions sont subjectives, elles dépendent de nos centres d’intérêt, de nos modèles . Certains ont vu une vieille femme, d’autres une jeune femme, dans le même dessin.

Observer oblige à sélectionner parmi des impressions sensorielles.

L’exemple de la chrysalide du papillon : Les enfants disaient « C’est vert! »(modèle végétal) puis « ça bouge! » (changement du modèle pour un modèle animal).
Cf le dessin d’un rhinocéros par DÜRER en 1551, un animal caparaçonné de plaques dures :  un modèle de l’époque, le chevalier, avait orienté l’observation.

 

-Besoin d’un cadre théorique pour observer
-Élaboration d’un modèle pour comprendre

L’exemple des dessins comparés de spermatozoïdes et la conception préformiste mâle.
Pour beaucoup d’enfants, une conception préformiste femelle: Le bébé a toujours une forme de bébé, depuis le début, dans le ventre de la mère.
L’emboîtement ( un dessin d’enfant de 4 ans) : La petite fille qu’elle aura plus tard, dans le ventre de la petite fille, elle-même dans le ventre de sa mère. Pour faire évoluer ces conceptions, il faut donner à observer des photos d’embryon dans un manuel.

 

La démarche d’investigation nécessite des connaissances antérieures.

L’observation conduit à réorganiser les modèles préalablement construits. Elle utilise les connaissances préexistantes pour construire un nouveau savoir.

 

Observation et contextualisation:
L’exemple de la gale du chêne:Un enchaînement de questions : où? Sur quel arbre? Cela conduit à une hypothèse. Ça ne ressemble pas à un gland, il y a un trou. Un ver? Il faut ouvrir: Il n’y a pas de bête à l’intérieur. Formulation d’une nouvelle hypothèse. Mais il y a aussi des boules sans trou et là on trouve le ver. Comment la bête est-elle entrée? (C’est le cynips et sa nymphe).

On peut comprendre, si on a déjà vu une chenille se transformer en papillon, car on dispose d’un modèle.

L’observation est une activité investigatrice qui sélectionne des critères en fonction des questions.
Si on n’a pas préalablement les modèles, on peut les faire construire par comparaison.

L’exemple des fleurs et fleurs des champs: Un groupe observe une fleur, un autre groupe une autre, etc…Il faut essayer de trouver ensemble quels sont les éléments communs, vers le modèle de la fleur, avec l’acquisition d’un vocabulaire scientifique. On peut aussi observer une fleur et la comparer avec un document du manuel : une fleur différente de celle du schéma.

Conseils:
-Avoir une loupe à main pour observer un élément
-Ne pas choisir de fleurs de souci, marguerite, dahlia. Tant que le modèle de la fleur n’a pas été construit, les fleurs composées sont trop compliquées à observer.
-Faire ressentir aux enfants le besoin de la terminologie scientifique, outil pour se comprendre et communiquer.
Faire apparaître des relations en comparant avec un autre objet à côté.

D’autres exemples de fleurs:
La fleur de marronnier ou des fleurs à observer au fil des jours : une observation en comparant dans le temps, dès la maternelle, à partir des dessins et des photos numériques.
La fleur du petit pois: de la fleur au petit pois, d’avril à juin. Si on observe le petit pois, comparer avec l’exemple du haricot.
Avoir l’idée qu’on observe dans le manuel des objets différents de ceux observés en classe, pour comparer.

 

Mesures et représentations graphiques au cycle 3:
L’observation de la croissance des végétaux: mesurer tous les deux jours et construire un graphique. Construire une courbe de croissance, dès la maternelle, avec des baguettes de brochette à enfoncer chaque jour jusqu’à la hauteur de la pousse.
Cela permet au cycle 3 de construire un histogramme de croissance .

 

L’exemple des phasmes: Les élever dans des bouteilles d’eau coupées avec un emballage de collant dessus et un élastique pour qu’ils ne sortent pas. Les enfants sortent le phasme pour le mesurer avec une bande de papier. Penser à découper le papier seulement après la mesure…, pas avec le phasme sur le papier…

Faire prendre conscience de problèmes d’approximation de la mesure.
Utiliser un tableau de ce type:

Date Taille du phasme
Placer la bande de papier collé(1)
Placer la bande de papier collé(2)
Etc..

Penser que le retournement du tableau permet de voir un histogramme.

 

L’expérimentation:

 

Chez les plus jeunes, mettre en place le tâtonnement expérimental et les expériences pour voir. (Exemples dans les Ateliers sciences Hachette CE2)

 

La démarche expérimentale:

 

Quelles sont les conditions pour faire germer des graines ? En première hypothèse, les enfants pensent que l’eau et la lumière sont nécessaires pour germer.
L’expérience de germination à la lumière:
L’enseignant doit intervenir: Est-ce qu’à l’obscurité ça ne pousserait pas?
Matériel : bouteilles d’eau et papier noir
8 jours plus tard : Surprise! Les graines à l’obscurité ont mieux poussé, mais les plantes sont jaunes et pas vertes!
Continuer l’expérience des deux en parallèle:
15 jours plus tard: Celles à la lumière ont continué à bien pousser, pas les autres qui ont épuisé leurs réserves.

Cette expérience est intéressante pour des raisons méthodologiques:
-Un résultat peut surprendre: les élèves penseront à faire une expérience témoin
-le compte rendu permet de garder la trace.

 

L’expérience des vers de farine: En acheter chez un marchand d’articles de pêche. Les mettre dans la farine et attendre. S’ils sont bien isolés, les vers vont se transformer en insectes.
De la question à l’expérience: Est-ce qu’ils se cachent parce qu’ils préfèrent l’obscurité?
-Identifier les autres paramètres
-Concevoir le protocole expérimental
Faire choisir dans un carton de matériel celui qui sera nécessaire (mieux que le lister avant pour l’apporter)

Prévoir un compte rendu pour communiquer, avec un travail de critique collective pour le faire évoluer vers plus de rigueur.
Il est important de confronter les résultats aux hypothèses
Maîtriser la démarche permet de la reproduire  (de la faire reproduire à une autre classe)
Voir le site: www.inrp.fr/lamap

 

La recherche documentaire en classe:

 

Des documents pour :
-identifier et nommer, dès l’école maternelle
-comparer l’échantillon avec des clés
-connaître des enquêtes avec des recherches d’indices (magazines scientifiques)

Exemple de recherche avec le dytique et sa bulle d’air : cela fait avancer l’observation.

Exemple de la question « Que devient la pomme que tu manges? » ou « que devient l’eau que tu bois ? » qui fait plus avancer que «  Qu’est-ce qu’il y a dans ton corps? ».
Il ne s’agit pas de faire des apprentissages par cœur mais de construire la compréhension par des liens.
Chercher dans des livres pour:
-vérifier ou modifier sa représentation
-trouver des phrases et des schémas qui répondent à la question

Voir des films pour:
-remettre en cause ses conceptions
-modifier ses conceptions sur ses écrits d’origine

 

Modèles et simulations:
Construire et utiliser des modélisations:
Au cycle 2, manipuler un squelette maquette pour découvrir la structure de la charpente, les positions et les mouvements des articulations.
Au cycle 3: les conceptions non fonctionnelles sur le corps humain
-Créer une situation de remise en cause des conceptions (manipulation avec essais-erreurs) sur la question d’où est-ce qu’il faut accrocher les muscles.

Exemple au CE2:
Construction d’une maquette pour comprendre le fonctionnement des muscles et des articulations dans la flexion du bras.
Matériel: du carton (30 cm de long) pour les os, de la ficelle
Travail par 2 avec un élève qui simule sur la maquette
Comment accrocher la ficelle pour que ça plie? (cf dossier corps Hachette)
Les enfants trouvent des solutions techniques viables mais qui ne correspondent pas à la réalité anatomique.
-Faire de nouveaux essais en positionnant la ficelle près du bras.
-Schématiser la maquette
-Comparer ensuite avec la réalité d’une aile de poulet où on a arraché la peau et séparé les muscles avec le manche d’une petite cuillère. Cela donnera une connaissance stable.
-Observer ensuite un schéma scientifique ( cf dossier corps Hachette C3)

Utiliser des simulations:
La fabrication d’un modèle ( exemple des pattes de fourmis en maternelle) peut aider à mieux observer. Les simulations permettent de tester les hypothèses des enfants.
-Confronter ses conceptions à la réalité simulée: Exemple du test « Nourrir les loups »

Des enquêtes locales, dans la nature, au musée:
Faire une enquête locale plus une recherche de documents, par exemple sur la réalité du réchauffement, lancer une action au quotidien dans le sens de l’EDD.
-Exemple du CD  de Nicolas Hulot, sur « La Vilaine ».
Au musée, focaliser l’observation, utiliser des documents d’aide à l’observation:
Exemple pour les fourmis: Proposer 3 dessins de fourmis dont 2 avec des erreurs-type des enfants sur le nombre de pattes et le corps en deux parties. «  Un seul de ces dessins est celui d’une fourmi. Lequel? » Cela aide à repérer.

Les traces écrites:
-Mettre en forme les résultats
-Communiquer avec rigueur et précision

Le carnet d’expérience et d’observation:Il permet de passer de la réalité observée à l’abstraction, pour:
-exprimer son raisonnement ( connecteurs logiques)
-comparer (avec d’autres stades, avant/après l’expérience)
-confronter avec d’autres observateurs (différents groupes)Organiser les traces dès le cycle 2, avec une argumentation, des conclusions et les modalités de leur élaboration, pour communiquer.

Exemple de démarche sur les stades de développement d’un animal:

Construire une frise chronologique puis comparer avec les documents du manuel:
A partir d’images vidéo ( www.cndp.fr)
-Utiliser d’abord le film sans le commentaire puis faire un arrêt sur image pour commenter et discuter
-Réaliser des dessins sur transparent pendant l’arrêt sur image
-Écrire des titres, une phrase par séquence
-Constituer la frise avec ces dessins et la lecture des phrases
-Revoir le film avec son commentaire et le comparer avec celui des enfants

Comprendre en dessinant:

 

L’aller et retour entre l’objet et la feuille de papier pour:
-observer des détails
-affiner son observation en redessinant
-repérer des relations
-avoir un support d’échanges entre les élèves pour améliorer sa compréhension

 

-Dessiner oblige à choisir ce qui est important par rapport à la question.
-Dessiner pour conserver une trace afin de suivre un phénomène

Comprendre en réalisant un schéma explicatif: On ne garde que ce qui sert à répondre à la question. C’est une interprétation de la réalité qui correspond à des choix effectués.

Comprendre en écrivant pour:
Trier (répartir entre a ou n’a pas, par exemple pour « ailes »)
Classer (au cycle 3) : par exemple quels sont les caractères communs entre les insectes ?
Comprendre ensuite par une schématisation en groupes emboîtés, avec des sous-ensembles ( tête et/ou yeux et/ou bouche, squelette interne ou externe, etc…)
Cela correspond à un mode de classification scientifique.
N.B:Une nouvelle clé de détermination des champignons dans les êtres vivants. Ils ne sont plus classés dans les végétaux.

 

Le compte -rendu:

 

Améliorer le compte-rendu:
-Réécrire les informations au tableau
-Ordonner collectivement
-Imposer un langage rigoureux
-Utiliser une terminologie précise

 

Faire analyser des compte-rendus (A3) au tableau en posant des questions. Faire présenter le compte-rendu d’un groupe par un autre groupe. Cela provoque des demandes d’explication, des critiques constructives. Cela permet d’envoyer le compte-rendu final à une autre école, pour qu’ils essaient la même expérience.

Les critères d’un bon compte-rendu:
pertinent par rapport à la consigne
-pertinent du point de vue scientifique
-lisible, compréhensible
-présentation du dessin