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Mieux enseigner les sciences à l'école

Il n'existe sans doute pas "une" bonne méthode pour enseigner les sciences. Mais à l'école primaire, elles sont trop peu enseignées. Et dans le secondaire, les élèves semblent ne pas retirer de l'enseignement scientifique des connaissances très solides. Revue des nombreuses propositions pour améliorer la situation, avec l'expert André Giordan.

Élève en classe de mathématiques© Stockxpert

Septembre 1996 : l'opération "La main à la pâte" est lancée dans trois cents écoles en France à l'initiative du professeur Georges Charpak, prix Nobel de physique. Elle vise à promouvoir au sein de l'école primaire une démarche d'investigation scientifique. Quelques années plus tard, en juin 2000, un plan de rénovation de l'enseignement des sciences et de la technologie à l'école est annoncé par le ministère de l'Éducation, qui reprend dans les grandes lignes les principes de "La main à la pâte". Il était temps de réformer cet enseignement !

Malgré ces efforts qu'il estime "bienvenus", André Giordan, directeur du laboratoire de didactique et épistémologie des sciences, à l'université de Genève, explique que non seulement "l'enseignement des sciences est inefficace", puisque les élèves en retirent peu de connaissances (chapitre 1), mais en plus il va jusqu'à dégoûter les jeunes de cette discipline. "L'éducation scientifique est jugée comme une fabrique d'exclusions : de nombreux adolescents et jeunes adultes ne voient en elle qu'un facteur de sélection scolaire par l'échec. C'est flagrant pour les mathématiques, mais c'est valable pour toutes les sciences", estime André Giordan.

Le constat est sévère. Les remèdes ? Faut-il changer le contenu ou la méthode ? "Les deux ! rétorque André Giordan. Mais attention à ne pas passer d'un extrême à l'autre. Par exemple, c'est très bien d'introduire la manipulation et l'expérimentation dans l'enseignement scientifique. Mais on confond souvent activité et apprentissage. Or pour que l'enseignement soit efficace, l'élève doit être non seulement "actif", avec ses mains, mais aussi "auteur", avec sa tête." Le credo d'André Giordan ? Il n'y a pas "Une" bonne méthode, mais une pluralité de méthodes, et selon les enfants, le contexte et les enseignants, telle ou telle approche fonctionnera plus ou moins bien.

Du bon sens direz-vous ? Moins simple à mettre en œuvre qu'il n'y paraît. Pour différentes raisons, et d'abord parce qu'au niveau de l'enseignement primaire en tout cas, les professeurs eux-mêmes ont souvent une peur panique des sciences (chapitre 2). Malgré tout, à titre individuel, de nombreuses tentatives sont menées (chapitre 3). Reste à les généraliser. C'est l'objectif du programme européen, "Pollen" : semer et essaimer l'amour des sciences dans les équipes pédagogiques et donc auprès des élèves (chapitre 4).

01.Des connaissances inopérantes

Pas simple d'évaluer les connaissances des élèves, quand ni le contenu ni les méthodes d'enseignement et d'évaluation ne sont les mêmes d'un pays à l'autre, et que les experts entre eux ne sont pas toujours d'accord sur la pertinence de telle ou telle évaluation. Tous les chiffres cités dans cet article sont donc à manipuler avec précaution !

Le programme international pour le suivi des acquis des élèves (Pisa) évalue tous les trois ans les connaissances en lecture, mathématiques et sciences, des élèves de 15 ans des trente pays de l'OCDE (Organisation de coopération et de développement économiques). Les résultats de l'évaluation 2003*, montrent qu'au sein de ces pays, les élèves français se maintiennent dans la moyenne en "compréhension de l'écrit". En "culture scientifique" et en "culture mathématique", leurs résultats sont légèrement supérieurs à la moyenne.

Schémas de jeunes sur la digestionSchémas réalisés par des élèves français de la maternelle à l'université (5 à 25 ans). La demande était : "Représenter la digestion".
© Laboratoire de didactique et épistémologie des sciences / Université de Genève

Des résultats dont ne se satisfait pas forcément André Giordan, directeur du laboratoire de didactique et épistémologie des sciences à l'université de Genève, qui mène ses propres évaluations, très ciblées, sur quelques thèmes. Depuis vingt ans, ce chercheur et son équipe, demande à des enfants (de 5 à 15 ans) et à des étudiants (français et suisses essentiellement), de représenter par exemple la digestion par un schéma. "Non seulement les mêmes conceptions erronées perdurent de la maternelle à l'université, mais surtout les schémas que les élèves réalisent aujourd'hui mettent en évidence les mêmes erreurs de représentation que celles faites il y a dix ou vingt ans. L'enseignement des sciences ne s'est donc pas amélioré." Ainsi, dans aucun des graphiques réalisés, on ne voit que les aliments passent par le sang, irriguant les organes, pour fournir là des sucres et des graisses, ailleurs du calcium et des protéines, ou simplement de l'eau et des vitamines. Les élèves représentent dans le meilleur des cas un estomac et un intestin (sans distinguer d'ailleurs le gros intestin de l'intestin grêle) et les reins n'existent quasiment jamais alors que c'est à partir de là qu'est extraite l'urine ! "On a peut être juste oublié de leur expliquer que l'alimentation nous sert à vivre, à renouveler notre peau, nos os, à nous réhydrater, bref d'intriguer les élèves avec quelques remarques concrètes qui leur donnent envie d'apprendre", propose André Giordan.

Les élèves spécialisés en sciences (classes de 1re et terminale S) s'en sortent-ils mieux avec l'ADN et les gènes, un sujet très présent dans leur programme ? En observant leurs schémas, on constate que tous ont appris quelque chose. Par exemple, ils ont retenu que l'ADN "tournait". Mais si l'on trouve des représentations de l'ADN en anneaux, en serpentins et toutes sortes de spirales… rares sont ceux qui dessinent une forme opératoire de la double hélice. Idem pour les gènes, que les élèves situent à peu près au bon endroit (voir schéma) sauf qu'ici ils pointent non pas le gène mais le chromosome, ou encore un brin d'ADN. "Donc les étudiants ont effectivement acquis certaines notions, mais ils ne savent pas les organiser, les restituer, de telle sorte que ce savoir soit pertinent", souligne André Giordan.
Schémas d'étudiants sur l'ADNSchémas réalisés par des étudiants français et suisses en seconde année universitaire. La demande était : "Représenter l'ADN et les gènes"
© Laboratoire de didactique et épistémologie des sciences / Université de Genève
Brin ADNReprésentation "classique" d'un brin d'ADN, dans le cadre de l'enseignement.
© Béline Jesson / Genomart

Pourtant, le "grand public" n'est pas tout à fait ignorant en science. Une enquête comme l'Eurobaromètre**, qui sonde chaque année les Européens sur la perception qu'ils ont de la science, montre qu'ils connaissent l'origine génétique de certaines maladies, "alors qu'il y a encore vingt ans ils ne parlaient que des “microbes”", souligne André Giordan. Ils font aussi mieux la différence entre un virus et une bactérie, notamment grâce au discours visant à limiter la consommation d'antibiotiques. Ils ont des connaissances importantes sur les dinosaures, depuis le succès du film Jurassik parc. "Mais ces connaissances, ils les ont acquises principalement par les médias, non pas via l'école…", estime André Giordan.


* L'évaluation PISA 2006 devrait être rendue publique en décembre 2007.
** Eurobaromètres :
http://ec.europa.eu/public_opinion/index_fr.htm

02.Les solutions ne sont pas toutes faites

Pour améliorer l'enseignement des sciences, de nombreuses pistes sont régulièrement proposées. Sur le plan des contenus d'abord, André Giordan propose de cesser de décliner la science en "chimie", "biologie", "physique", mais de partir plutôt de situations rencontrées dans la vie quotidienne, des problèmes environnementaux locaux ou globaux par exemple, où les différentes disciplines (physique, chimie, sciences de la vie et de la Terre) peuvent être concernées simultanément. Dominique Lecourt, qui a dirigé le Dictionnaire d’histoire et philosophie des sciences, insiste de son côté sur la nécessité de replacer l'enseignement des sciences dans une réflexion sur la société : "Le vaste débat social (ndlr : à propos des OGM, du clonage, de l'usage du nucléaire, etc.) autour de la science ne trouve guère d’écho dans l’enseignement scientifique, écrit-il dans un rapport* au ministre de l'Éducation nationale. Les étudiants peuvent ainsi avoir le sentiment d’un profond hiatus entre la science qu’ils apprennent et la société où ils seront appelés à mettre en œuvre les compétences qu’ils auront acquises."

Sur le plan de la méthode ensuite, de nombreux pédagogues s'accordent à dire qu'il faut commencer par prendre en compte les idées préconçues qu'ont les enfants : celles qui leur font par exemple obstinément dessiner sur le schéma de la digestion deux tuyaux, l'un pour les liquides, l'autre pour les solides, quels que soient les savoirs qu'on leur assène sur le sujet. "D'où l'intérêt de partir de ce que croient les élèves, de leurs conceptions - souvent erronées - des phénomènes naturels et scientifiques. Mais pas question d'y rester, il faut leur faire reformuler leurs hypothèses, pour leur permettre d'élaborer leurs connaissances", estime André Giordan.

Expérience de Newton sur la lumièreExpérience d'Isaac Newton sur la composition de la lumière. Elle consiste à faire passer un rai de lumière blanche à travers un premier prisme : des rais de différentes couleurs apparaissent. Si l'on fait passer l'un de ces rayons colorés dans un second prisme, la couleur reste inchangée. Ce n'est donc pas le prisme qui crée les couleurs.
© Benjamin Turquier / CG91
C'est ce que fait Laurence Maurines, responsable du DidaScO (Didactique des Sciences d'Orsay), lorsqu'elle conseille d'envoyer les élèves sur les traces d'Isaac Newton pour étudier la lumière. La lumière blanche est-elle un mélange de toutes les couleurs ? Ou bien chaque couleur provient-elle d'une lumière différente ? Les questions que se posent les enfants sont les mêmes que celles que se posaient les scientifiques à l'époque de Newton. "On peut faire passer un rai de lumière blanche à travers un prisme (solide triangulaire transparent qui disperse les rayons lumineux), qui la décompose, comme le fit ce savant 400 ans plus tôt. Plusieurs couleurs apparaissent, et l'expérience intrigue tout de suite les élèves : les couleurs sont-elles déjà dans la lumière ou apparaissent-elles sous l'action du prisme ? " En suivant toujours Newton, on isole la couleur bleue avec un premier prisme, puis on place sur le trajet de cette lumière bleue un second prisme. Résultat : elle reste bleue. Ce n'est donc pas le prisme qui crée les couleurs, il ne fait que décomposer une lumière blanche composée de différentes couleurs. Mais alors, pourquoi ne voit-on pas partout autour de nous des rais de couleur ? C'est la troisième expérience de Newton proposée par Laurence Maurines : en faisant passer différentes couleurs à travers une lentille, on recompose de la lumière blanche, qui peut donc être re-synthétisée.

Cette série d'expériences suffit-elle à convaincre les jeunes ? "S'ils n'ont pas eu au départ l'occasion de se poser eux-mêmes les questions relatives à la lumière, ils auront du mal à être convaincu par les résultats de Newton, estime Laurence Maurines. Car être convaincu par cette théorie demande tout de même une part de croyance, non pas au sens religieux, mais au sens scientifique, c'est-à-dire “jusqu'à preuve du contraire” (en d'autres termes : 'aucune théorie n'est venue contredire Newton pour l'instant)". À son époque, la théorie de Newton ne fut pas d'emblée acceptée. De même pour des enfants aujourd'hui, l'observation ("je vois une lumière blanche") est tellement antinomique avec la démonstration ("cette lumière est la synthèse de plusieurs couleurs"), qu'elle doit vraiment être expérimentée pour être acceptée, et donc retenue.


* Rapport au ministre de L’Éducation nationale, de la Recherche et de la Technologie sur l’enseignement de la philosophie des sciences, paru en 2000

03.Pourquoi est-ce si difficile à généraliser ?

Atelier scientifique au collègeÉlèves confectionnant un arôme de banane de synthèse, lors d'un atelier scientifique au collège Blaise Pascal de Massy (Essonne). Objectif : donner le goût des sciences aux jeunes, en abordant les sujets de façon plus ludique et plus concrète.
© Guillaume Tixier / CG 91
Faire observer aux enfants un objet ou un phénomène du monde réel, puis les inciter à argumenter et raisonner en commun afin qu'ils construisent leurs connaissances, comme le recommande "La main à la pâte" ; partir des savoirs des enfants pour les déconstruire afin qu'ils s'approprient mieux de nouvelles notions, comme le propose André Giordan, Laurence Marines, et bien d'autres. Pourquoi ces méthodes sont-elles encore peu mises en œuvre dans les établissements ?

Les enseignants, surtout en primaire, ont une peur panique des sciences, car ils craignent de ne pas être à la hauteur. "J'ai même eu dans la formation en pédagogie des sciences que j'organise, des enseignants qui me disaient “non, là je ne comprendrai pas, je préfère juste regarder !”", raconte Sophie Ceylon, conseillère pédagogique à Paris. Ce constat est largement partagé. Il faudrait donc commencer par former les enseignants aux sciences. Ce que propose Sophie Ceylon en formation continue, au sein de l'académie de Paris, mais il faut savoir que cette discipline est peu enseignée en IUFM (Institut universitaire de formation des maîtres). "L'idéal, c'est un stage d'école, auquel participent tous les enseignants d'un établissement, car une dynamique se crée qui permet aux plus avertis d'entraîner les autres."

Faire formuler à l'élève ses propres hypothèses, c'est le credo de Karine Godot, chercheur en didactique des mathématiques. Mais là aussi, pas simple de convertir des enseignants à cette démarche. "Je veux montrer que les mathématiques sont une discipline vivante, à laquelle les élèves peuvent participer. Ce n'est pas juste du calcul et une série de problèmes auxquels correspond une solution", souligne Karine Godot. Avec l'équipe "Maths à modeler", elle propose des sujets de recherches en mathématiques, sur lesquels se penchent actuellement des mathématiciens, mais qui peuvent être, après une adaptation de leur formulation, traités par des élèves du CE2 à l'université. Une heure par semaine, l'élève procède selon une vraie démarche de chercheur, formule des hypothèses et par sa réflexion aboutit à une conjecture, c'est-à-dire une assertion qui a été proposée comme vraie, mais que personne n'a encore pu démontrer ou réfuter. "Mais la plupart des enseignants n'ont jamais fait de recherche, surtout en maths, et redoutent d'être confrontés à des élèves qui peuvent emprunter plusieurs pistes pour aboutir à un même résultat, souligne Karine Godot. Ils craignent aussi d'être confrontés à des problèmes sans solution, ce qui est souvent le cas en mathématiques." Alors, ils préfèrent… ne rien faire.

Enfin, selon Yves Cariou, professeur de SVT (Sciences et vie de la Terre) en IUFM, la crainte de ne pas finir le programme si l'on passe du temps à tester différentes hypothèses avec les élèves est fréquente. "Par ailleurs, de nombreux professeurs ont obtenu leur poste grâce à des méthodes qui leur ont bien réussi, et ne voient pas la nécessité d'en changer", remarque Yves Cariou. Parfois, même ceux qui sont prêts à changer de méthode d'enseignement se trompent. "Par exemple, ils font formuler aux élèves des hypothèses, mais ils vont acquiescer de la tête à une “bonne” hypothèse et ne pas relever une “fausse” piste. Résultat, les enfants lisent très vite sur le visage de leur professeur les bonnes et mauvaises réponses", commente-t-il. Ou comment ruiner la méthode en deux séances…

Combien d'années seront nécessaires pour que les enseignants s'emparent de ces méthodes d'apprentissage des sciences ? "Prenez l'histoire de la fécondation, commente André Giordan. Deux cents ans se sont écoulés entre le moment où des chercheurs ont observé les premiers spermatozoïdes au microscope et le moment où ils ont compris que des gamètes mâles et femelles étaient nécessaires à la fécondation chez l'être humain. Pourquoi tant de temps ? Car cela supposait de penser autrement les relations entre éléments masculins et féminins. Il en est de même avec la pédagogie ! Il faut laisser du temps au temps, et au moins deux ou trois générations pour permettre aux professeurs de s'emparer de ces pratiques nouvelles."

L'Europe ne l'entend pas de cette oreille. Et a décidé, avec le programme "Pollen", d'obliger les enseignants à accélérer le rythme ! (partie 4).

04."Pollen" : comment essaimer de nouvelles méthodes d'apprentissage

Villes pépinières du projet Pollen12 villes pépinières ont été choisies pour mener le projet éducatif "Pollen". Ce programme, financé par la Direction générale de la recherche de l’Union européenne, a pour but d’encourager et développer l’enseignement et l’apprentissage des sciences dans les écoles primaires.
© Pollen, 6th FP, 2006-2007
Lancé en 2006, le projet européen "Pollen" est coordonné par "La main à la pâte" et PAU Éducation (entreprise espagnole spécialisée en direction de projets coopératifs en Europe). Il vise à susciter dans les écoles primaires de douze villes de l'Union européenne un dispositif de référence en faveur d'un enseignement rénové des sciences à l'école primaire. En France, c'est la ville de Saint-Étienne qui a été retenue pour soutenir un ensemble d'activités (formation, équipement des écoles) destiné à favoriser un tel développement. La coordination locale du projet est assurée par l'École nationale des Mines de Saint-Étienne, à travers le Centre de Culture scientifique technique industrielle (CCSTI) La Rotonde. "En France, 75 % des enseignants du primaire ne font pas ou peu de science dans leur classe, explique Clémentine Transetti, coordinatrice de "Pollen" à Saint-Étienne. Nous avons donc déjà formé cinquante enseignants volontaires sur l'année 2006/2007, et nous allons en former encore cent sur les deux années à venir. Notre objectif est d'abord de leur redonner confiance en eux (ils viennent de filières non scientifiques pour la plupart), et de leur montrer qu'on peut suivre le programme tout en appliquant les méthodes de "La main à la pâte"."

Concrètement, les professeurs ont travaillé sur plusieurs thèmes : l'eau, le corps humain, la digestion, les cinq sens, etc. qui correspondent chacun à une partie du fameux "programme". À chaque fois, il leur a été proposé un certain nombre d'activités à faire en classe, avec un support matériel (sous forme de mallette). "Après qu'ils aient expérimenté en classe ces modules, nous reprenions les enseignants en formation, pour voir ce qui avait ou non marché, les améliorations à apporter aux outils pédagogiques, etc.", poursuit Clémentine Transetti. Une quarantaine de modules sont désormais au point, et prêts à être testés auprès de cinquante nouveaux enseignants cette année… Des chercheurs de Saint-Étienne, de l'École des Mines notamment, soutiennent les enseignants dans leur démarche, sont prêts à les conseiller, et même à leur donner un coup de main en classe.

D'ici deux ans, un bilan de "Pollen" sera réalisé. "Nous allons mesurer dans quelle proportion les enseignants font effectivement des sciences en classe, et s'ils enseignent cette discipline avec la méthode que nous préconisons", explique Clémentine Transetti. En revanche, il n'est pas prévu pour l'instant d'évaluation de l'efficacité de la méthode elle-même auprès des élèves. "Sur ce point, chaque enseignant reste maître de sa propre évaluation, qu'il est libre de pratiquer ou non. En France nous n'avons pas cette culture de l'évaluation qui est en revanche très présente en Angleterre par exemple", remarque Clémentine Transetti.

Si dans les différentes villes les résultats sont concluants (c'est à dire que les enseignants sont satisfaits de cette méthode et l'utilisent), une charte européenne sera rédigée proposant une méthode d'enseignement pour tous les pays. Concrètement, de nombreux modules sont d'ores et déjà disponibles sur le site de "La main à la pâte" (en français) et sur le site de "Pollen" (mais seulement en anglais).

À Saint-Étienne, trop d'enseignants se sont portés volontaires pour participer au projet "Pollen", et les animateurs doivent refuser du monde. Plutôt bon signe…

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