1Les activités des élèves sont au cœur de la construction des compétences du socle commun et du suivi évaluatif de cette construction. Les activités des élèves sont à mobiliser sur des tâches dites complexes en ce sens qu’elles incitent à des prises d’initiative par les apprenants, qui y trouvent du sens et donc de la motivation. L’introduction, l’organisation, la régulation et l’exploitation de telles activités constituent le centre de la formation des professeurs des Premier et Second degrés. En sciences, les activités des élèves prennent place dans tout ou partie de démarches d’investigation, pourvues de divers supports de recherches, limitées mais effectivement dévolues aux intéressés.

2Cette étude revient sur la transposition didactique de la démarche d’investigation. Elle étend la réflexion à l’histoire des sciences et aux apports que peuvent en recevoir les objectifs scolaires. Elle procure un exemple d’un tel apport, après en avoir posé ses conditions réalistes. Elle met enfin en perspective des prolongements, des conditions et des limites actuelles.

Démarche scientifique d’investigation et cursus scolaire

3Claude Bernard2 définit en 1865 la démarche d’investigation scientifique à partir du constat rigoureux de faits ou de phénomènes dans deux situations typiques : l’observation est l’investigation d’un phénomène naturel ; l’expérience est l’investigation d’un phénomène intentionnellement modifié par l’investigateur (l’expérience n’est au fond qu’une observation provoquée).

4En sciences expérimentales, la démarche scolaire d’investigation scientifique est explicitée par un groupe de savoir-faire acquis dans diverses conditions qui sont proposées aux élèves dans le cadre des programmes scolaires. Ces derniers découlent d’une transposition des « savoirs savants ». Les conditions offertes aux activités des élèves sont liées aux degrés d’enseignement : les collèges et les lycées sont pourvus de laboratoires, mais des activités pratiques sont accessibles au 1^er degré.

5La transposition didactique de la démarche d’investigation concentre des critiques récurrentes. Selon André Giordan3, la démarche expérimentale est très souvent défigurée en classe, au travers d’un schéma simplifié désigné par un acronyme : la démarche OHERIC*… Rien n’est plus faux que de concevoir la démarche expérimentale ainsi… il n’existe pas de démarche expérimentale standard. D’après Jean-Pierre Astolfi et Régis Demounem4, le schéma dit OHERIC (Observation-Hypothèse-Expérience-Résultats-Interprétation-Conclusion), prétendument dérivé de Claude Bernard est un schéma reconstruit largement réifié.

6Il importe de se pencher sur les instructions officielles en matière de démarche scolaire d’investigation scientifique. Nous reproduisons cette norme délivrée pour les 4 niveaux du collège5, succinctement réitérée au lycée6 :

7Le « canevas » est traversé par le principe de la liberté pédagogique. Pour autant, il n’est pas neutre que des directives spécifiques veillent à ce que, précisément, il ne soit pas « réifié » dans le second degré. Le sujet est, à l’évidence, sensible, comme le montrent les instructions officielles relatives aux objectifs et à l’adaptabilité d’une démarche d’investigation scientifique :

8La mise en tension des extraits de textes officiels conduit à identifier des repères de la démarche d’investigation.

Figure L – Modélisation des repères essentiels d’une démarche d’investigation scientifique.

9Ces repères ne trahissent pas le « canevas » officiel : l’identification de l’objet de la recherche (problème ou question à résoudre) ; l’existence d’un temps d’investigation proprement dite par les élèves pourvus de moyens à leur portée ; l’existence de productions des élèves et leur conversion effective en acquis. Le recentrage de la démarche sur des repères incorpore les remarques de Giordan, Astolfi et Demounem : repérer ne signifie pas rigidifier, uniformiser ou réifier. Ce recentrage solidarise deux aspects essentiels sur le fond et non sur la forme : la signification et la productivité des tâches. La présentation infographique permet de localiser la ou les tâches des élèves au centre du processus cognitif. Ainsi expurgées, les tâches deviennent observables de l’extérieur, ou bien auto-observables : les critères d’observation deviennent ainsi critères de la réussite, ou bien motifs d’un insuccès. Ces critères se déclinent en capacités méthodologiques. Les tâches prennent appui sur des méthodes déjà-là, ou bien elles engagent la construction de méthodes nouvelles.

10Les tâches des élèves, au centre de la démarche d’investigation, ont ainsi une double visée : une visée de contribution à l’acquisition de connaissances, un objectif d’acquisition de méthodes ou capacités (être capable de...). Une « tâche des élèves » est une activité des élèves conduite avec, pour ces derniers, un degré raisonnable d’autonomie. Prendre sa place dans un espace offert à de l’autonomie est une attitude. Ce sont les raisons pour lesquelles il est juste d’écrire que la démarche d’investigation scientifique est un des instruments majeurs d’acquisition des compétences du socle commun par les élèves du collège, et de l’appui que prennent ensuite les programmes des lycées sur ces compétences.

Figure 2 – Modélisation d’une compétence du Socle commun en France.

11La nature et la portée de la démarche d’investigation scientifique sont ainsi posées. Claude Bernard spécifie en des termes simples à quoi revient une expérience. Rapprocher ces deux désignations porte en germe un autre concept : la démarche scientifique d’investigation expérimentale, communément désignée par l’expression « démarche scientifique expérimentale » ou bien encore et en raccourci « démarche expérimentale ». Les préalables que nous avons développés permettent de qualifier aisément la démarche scientifique expérimentale : il s’agit d’une démarche d’investigation dont la recherche en réponse au problème posé repose sur une expérimentation complète et démonstrative, en ce sens qu’elle apporte la preuve.

Démarche scientifique d’investigation et perspective historique

12Cette conceptualisation conduit à la dimension historique en sciences. Il s’attache à cette dimension l’émergence de la science dans l’acception d’aujourd’hui. La science s’est constituée lorsque le fait est venu remplacer dans la conviction la croyance ou l’intuition. Les observations corrélées, puis éprouvées par l’intelligence en termes de causes et d’effets assortis de la reproductibilité des liens ont progressivement accru le corpus de la science, avant de le subdiviser. L’histoire de la mise en place de connaissances majeures passe par des expériences déjà anciennes qui montrent en premier lieu le génie de la conjecture et du maniement rigoureux des facteurs par des esprits pionniers dont il ne faut jamais perdre de vue que le capital de connaissances scientifiques n’atteignait pas le volume détenu par un élève de lycée contemporain...

13Néanmoins, un collégien, un lycéen se trouvent ordinairement dans 3 situations distinctes en matière d’expérimentation :

14une durée limitée : redécouverte à effectuer dans une durée circonscrite, et avec une « obligation de résultat »

15un matériel expérimental circonscrit, souvent fortement orienté vers sa finalité didactique.

16un double cahier des charges : gestion intellectuelle du raisonnement à conduire ; gestion technique du matériel à utiliser. L’exemple-type est l’expérimentation assistée par ordinateur : la surcharge représentée par les fiches techniques est pesante pour beaucoup d’élèves.

17Les programmes scolaires en Sciences de la Vie et de la Terre proposent un nombre limité de situations authentiquement expérimentales. Il n’en reste pas moins que la voie expérimentale est la voie emblématique de la découverte. L’expression « sciences expérimentales » traduit ce primat. Les élèves ont dans un certain nombre de cas accès à une pratique expérimentale effective. Cette pratique synchronique représente le plus souvent un segment non exhaustif du « canevas ». C’est le plus souvent avec un regard externe et observateur que les élèves pourraient être confrontés, de manière synchrone, à des pratiques expérimentales complètes.

18Il est également possible de solliciter leurs capacités d’analyse de manière diachronique. Les pratiques visées sont alors des démarches d’investigation expérimentales qui ont joué un rôle important dans la découverte d’une connaissance scientifique, et dont les auteurs ont réalisé une présentation structurée. Cette possibilité repose sur l’existence d’une mémoire de « documents culturels authentiques ». La connaissance scientifique est construite et non imposée7. La perspective historique permet elle-même de présenter les connaissances scientifiques comme une construction humaine progressive et non comme un ensemble de vérités révélées. Il existe d’autres apports de l’histoire des sciences, qui peut aider à :

19transformer le rapport au savoir scientifique, en considérant les représentations des élèves (et les obstacles qu’elles peuvent constituer) à la lumière de modèles scientifiques historiques ;

20faire réfléchir les élèves sur la façon dont se construisent les savoirs scientifiques ;

21faire mesurer les liens complexes entre les différentes sciences expérimentales, entre la science et les sciences humaines.

22L’enseignement appuyé sur des emprunts à l’histoire des Sciences est à envisager sur deux axes :

23l’axe culturel, qui situe le chercheur dans la société de son époque, en relation avec d’autres hommes ; qui nourrit la réflexion sur ce qu’est une science : en travaillant sur la démarche ; en soulignant l’importance des débats, des controverses, des conflits… dans la production des théories scientifiques qui sont soumises à des entreprises de réfutation ; en soulignant l’importance des tâtonnements scientifiques ; en relativisant les acquis.

24l’axe didactique avec notamment la prise en compte du statut de l’erreur (l’histoire des sciences aide les enseignants à identifier les obstacles, et à comprendre pourquoi les élèves ne comprennent pas, d’illustres savants ayant eu les mêmes difficultés avant eux...) ainsi que l’appropriation du problème à résoudre et du sens des savoirs scolaires : faire réfléchir sur la manière dont on se posait le problème à différentes époques et comment il a été résolu.

25Le problème est de rechercher si l’approche historique d’une question scientifique peut être une manière originale de construire une démarche d’investigation. L’approche historique repose en sciences comme ailleurs sur des sources avérées. Les instituts actuels de recherche scientifique constituent de tels documents en références patrimoniales reposant sur des gestes de conservation. Le concept de conservation n’est pas sans incidences pratiques. Génère-t-il des obstacles à la diffusion d’une éducation au patrimoine à partir d’un corpus documentaire ? Les obstacles tiennent-ils à la connaissance des ressources, à la maîtrise méthodologique, à l’accessibilité des ressources ?

26Relativement à ce dernier aspect, la dématérialisation des documents rend-elle possible un acte d’enseignement dans la classe ? En effet, les élèves peuvent être amenés à utiliser les technologies de l’information et de la communication. Dans cette hypothèse, l’utilisation de documents substitués au réel s’étendrait jusqu’à l’histoire des sciences. Les Sciences de la Vie et de la Terre contribueraient à l’acquisition d’une culture humaniste.

27Les instructions officielles ministérielles énoncent les objectifs scolaires de la démarche historique. Une connaissance scientifique abordée sous cet angle se lie à une temporalité que ne peut lui prêter le temps scolaire. Cette temporalité offre un espace narratif : celui où trouvent place l’élaboration, les modifications, les avancées, les régressions. La connaissance scientifique ne procède pas d’un cheminement linéaire. Sa « caricature » pourrait à l’inverse se doter d’un tel cheminement : approche réductrice circonscrite à une succession évènementielle. Si narration il y a, elle doit prendre la forme d’un compte-rendu argumentatif préoccupé du soulignement des arguments qui ont une importance historique majeure.

28Le recours à la démarche historique pose la question de l’illusion de prétendre faire « réinventer » par les élèves, en une ou deux séances, ce qui a nécessité le travail de plusieurs générations de chercheurs. Il importe également de se garder du séduisant raccourci de la pensée qui laisserait supposer une homologie entre le « canevas de la démarche » (construction ontogénétique des savoirs avec le plus souvent une médiation sociale) et le processus historique des découvertes. La succession des générations humaines a subi un aléa que ne tolère pas l’individualité du cursus scolaire.

29Y compris dans la démarche historique, la documentation des élèves ne peut et ne doit être exhaustive. Il convient de dégager et de visualiser des critères de sélection d’une expérience historique de référence.

Figure 3 – Intérêt des démarches historiques, et critères d’une expérience de référence.

30La démarche historique équivaut à une investigation par les élèves d’une investigation ancienne conduite elle-même par un chercheur. À cette occasion est opérée une méta-investigation, qui relève d’un processus métacognitif fortement diachronique. La démarche historique inscrit la construction des connaissances dans le temps, elle restaure pour les élèves la temporalité de la découverte.

31On retient de l’histoire de l’élaboration des connaissances des expérimentations qui ont apporté la preuve d’un fait scientifique au terme d’un questionnement, des expérimentations exploratoires dont les preuves qu’elles ont apportées ont été à l’origine de nouveaux questionnements à leur tour porteurs d’avancées. De telles expérimentations donnent à des faits observés ou conjecturés le statut de faits scientifiques, et elles introduisent une hiérarchie entre des faits scientifiques. On peut qualifier de référence une démarche d’investigation scientifique présentant ces critères.

Apports potentiels d’une démarche historique en Sciences de la Vie et de la Terre (exemple en classe de Seconde de détermination)

32Nous prenons pour exemple l’histoire de la découverte de la nutrition des végétaux, qui découle de nombreux paliers argumentatifs. Originellement, Aristote pensait que les végétaux trouvaient dans la terre tous les éléments correspondant à leurs besoins. Van Helmont (1579-1644) fit pousser un jeune saule dans une caisse de bois contenant une quantité de terre bien déterminée. Après arrosage, durant cinq ans, avec de l’eau de pluie filtrée sur tamis, il observa que le poids de l’arbre avait augmenté de 76 kg, tandis que celui de la terre n’avait diminué que de 57 g. La terre n’ayant accusé aucune variation sensible de poids, l’expérience de Van Helmont invalide la conviction d’Aristote. Van Helmont a prouvé que le saule prélève des substances ailleurs que dans la terre, par hypothèse dans l’air. En 1771, Priestley découvre que le séjour d’une plante dans une quantité limitée d’air ne « dénature » pas ce dernier, à l’inverse du séjour d’un animal (dans l’air « dénaturé », une chandelle ne peut brûler). Poursuivant on investigation, Priestley prouve que le séjour d’une plante dans de l’air « dénaturé » ne lèse pas la plante et rétablit la « qualité de l’air » : des chandelles peuvent de nouveau y brûler. Ce phénomène est prouvé par une expérience témoin : en l’absence de plante, l’air ne rétablit pas sa propriété d’entretenir les combustions. Sans disposer encore des connaissances scientifiques correspondantes, Priestley observe l’épuisement de la réserve de dioxygène par la respiration animale, et la reconstitution possible de cette réserve de dioxygène par la présence ultérieure d’un végétal. En 1778, Ingen-Houz observe qu’une plante ou des feuilles immergées dans de l’eau dégagent « un air aux qualités bien supérieures à celles de l’air commun le plus pur ». Priestley connaissait cette propriété depuis 1771. Mais il constatait la non reproductibilité de l’expérience dont s’empare Ingen-Houz. Ce dernier démontre que :

« Le rétablissement de la qualité de l’air est conditionné par la lumière éclairant la plante. Le rétablissement de la qualité de l’air n’est pas opéré par des fleurs, qui au contraire, “vicient” l’air comme un animal. Sans disposer encore de la totalité des connaissances scientifiques correspondantes, Ingen-Houz identifie le caractère indispensable de la lumière et de la couleur verte des organes végétaux actifs dans le phénomène considéré. »

33En 1783, Senebier prouve que le dégagement gazeux montré par Ingen-Houz en 1778 en conditions d’immersion est conditionné par les propriétés de l’eau. Une eau privée d’air ne permet pas le phénomène. Une eau enrichie en air et tout spécialement en dioxyde de carbone augmente l’intensité du phénomène. En 1775, Lavoisier (qui a rencontré Priestley) a découvert la composition de l’air. Senebier montre l’influence de l’absorption de dioxyde de carbone sur la production de gaz par les végétaux. Le concept d’échange gazeux photosynthétique est en germe dans l’ensemble de ces travaux. En 1816, Bienaimé Caventou et Pelletier isolent la chlorophylle, pigment vert qui colore les végétaux.

34En 1877, Timiryazef connaît les conclusions d’Ingen-Houz, et il les conceptualise en une interaction lumière-chlorophylle. À cette date le chercheur russe choisit de préciser cette interaction. Cette démarche historique s’est étendue sur 13 ans. Elle recoupe un sujet majeur du programme actuel de la classe de Seconde du Lycée Général et Technologique.

Figure 4 – Signification de la nutrition des végétaux : les connaissances à acquérir en classe de Seconde.

35Timiryazef a connaissance de ce que la lumière blanche (lumière solaire) est composée d’une infinité de couleurs qui en constituent le spectre continu après décomposition grâce à un prisme.

Figure 5 – Décomposition de la lumière solaire : spectre continu incident

36Il recherche en un premier temps si les différentes bandes lumineuse du spectre agissent à l’identique sur la chlorophylle des feuilles. Il prend pour indicateur la quantité de dioxyde de carbone absorbé par différentes feuilles d’une même espèce placées en conditions identiques et pour lesquelles varie seule la couleur dominante de l’éclairement.

Figure 6 – Mesure de l’absorption de C02 par des fragments de feuilles disposées en différentes zones du spectre incident

37La chlorophylle absorbe très faiblement le rayonnement rouge (à l’exception d’une bande étroite), ainsi que dans le jaune-vert (couleur perçue par l’œil humain de manière dominante). Ceci est montré indirectement par la mesure de la quantité de dioxyde de carbone absorbé : il y a correspondance entre l’absorption lumineuse par la chlorophylle et le prélèvement de dioxyde de carbone par les fragments de feuilles. Ceci est montré directement par le spectre de la lumière blanche après la traversée d’une solution de chlorophylle.

Figure 7 – Spectre de la lumière blanche après la traversée d’une solution de chlorophylle.

38En un second temps, Timiryazef recherche exactement la preuve de la connaissance qui est à acquérir aujourd’hui par les élèves de la classe de Seconde : La lumière solaire permet, dans les parties chlorophylliennes des végétaux, la synthèse de matière organique. Le savant apporte cette preuve en 1890, de manière directe, à l’exclusion de tout indicateur intermédiaire de raisonnement. La figure suivante consolide la lecture interprétative de l’expérience de 1877.

Figure 8 – Explicitation de l’expérience de référence 1 de Timiryazef en 1877.

39En 1890, Timiryazef met en évidence grâce à un réactif la quantité de matière organique (amidon) synthétisée dans les feuilles éclairées par la projection de la lumière blanche décomposée.

Figure 9 – Modélisation de l’expérience de référence 2 de Timiryazef en 1890.

40L’analyse interprétative de l’expérience de référence de Timiryazef peut être directement exploitée en classe de Seconde.

Figure 10 – Mise en relation de l’expérience de réference 2 de Timiryazef en 1890 avec les connaissances à acquérir en classe de Seconde.

41À ce stade de la présentation, il est possible de préciser les rapports entre la méta-investigation de la démarche scientifique expérimentale historique conduite par Timiryazef et le canevas d’une démarche mis en forme par les didacticiens. Nous prenons pour référence la formulation synthétique du canevas incluse dans le programme de SVT/enseignement commun.

Document 11 – Mise en relation de l’expérience des expériences de référence 1 et 2 de Timiryazef (1877 et 1890) avec le canevas scolaire d’une démarche d’investigation en classe de Seconde.

42Les expressions directement extraites des Instructions officielles et que nous soulignons situent avec exactitude l’apport de la démarche historique dans la conceptualisation du terme de canevas. Le canevas est davantage un outil de description a posteriori d’une démarche d’investigation expérimentale qu’un outil de conception a priori d’une telle démarche. Les réserves formulées par Giordan, Astolfi et Demounem, mentionnées plus haut, nous semblent liées à une inversion de fonctionnalité du canevas. Ainsi positionné, le canevas apparaît bien comme résultat d’une opération métacognitive opérable par des élèves à partir de travaux de chercheurs qui ont marqué la pensée scientifique. La démarche historique apparaît ainsi dans une triple portée.

43Elle met à même de reconstruire de manière à la fois ambitieuse et économe des connaissances scientifiques, dans une perspective résolument constructiviste soulignée par l’arythmie de la progression des concepts, et le caractère couramment différé de leur mise en réseau – autre processus déterminant.

44Elle se constitue en puissant vecteur d’identification de savoir-faire mentaux et pratiques explicités par le chercheur lui-même : les élèves trouvent là une source de capacités méthodologiques.

45Elle induit enfin une culture à travers des gestes d’insertion dans la démarche au long cours d’identification à une culture humaniste dépassant les frontières des Etats et des nationalités, celle du patrimoine intellectuel de l’humanité.

46La référence à la construction de connaissances inscrite dans une temporalité étendue renvoie à la question curriculaire. Relativement à la recherche engagée en vue de définir la place des « documents culturels authentiques » dans les programmes scolaires de toutes les disciplines enseignées, la présente contribution montre que la démarche historique est incluse dans le curriculum prescrit par les programmes de Sciences de la Vie et de la Terre. La démarche historique peut spécifiquement constituer un objet d’enseignement. L’exemple majeur est donné par la tectonique des plaques dans le programme de Première scientifique ; « la tectonique des plaques l’histoire d’un modèle ». Les grandes lignes de la tectonique des plaques ont été présentées au collège. Il s’agit, en s’appuyant sur une démarche historique, de comprendre comment ce modèle a peu à peu été construit au cours de l’histoire des sciences et de le compléter. On se limite à quelques étapes significatives de l’histoire de ce modèle.

47La pratique enseignante est ainsi assignée à introduire cet authentique curriculum enseigné. L’exemple des travaux de Timiryazef concernant la nutrition des végétaux illustre pour sa part comment l’expérimentation la plus élaborée du chercheur conduit, par ses conclusions, directement aux savoirs requis en classe de Seconde (curriculum assimilé). Relativement à l’étude « savante » conduite en 1890, la formulation scolaire de 2010 à l’intention des lycéens intègre les macro-concepts englobants issus des études environnementales à l’échelle de la planète : « Ce processus permet, à l’échelle de la planète, l’entrée de matière minérale et d’énergie dans la biosphère ». Timiryazef ne catégorisait pas explicitement matière minérale et matière organique, ne distinguait pas encore autotrophie des végétaux et hétérotrophie. Le caractère générique du concept d’énergie et des conversions d’énergie n’était pas encore transféré en biologie. L’écriture des programmes apparaît comme une reconstruction de la culture socialement produite10, c’est-à-dire, une réinvention de la culture que se concrétise dans un type particulier de savoir : le savoir scolaire. Ce savoir constitue la composante de base du curriculum scolaire. Dans son application, le curriculum se trouve associé aux idées de contrôle du processus pédagogique, de l’organisation, de la séquence et de la progression des connaissances. Et L’élaboration curriculaire en tant que projet éducatif de l’école est un des facteurs essentiels garantissant la scolarité.

48Cette étude rejoint ici les objectifs globaux de la recherche dont il est témoigné, parmi lesquels figure la réflexion relative aux différentes modalités de mise en œuvre pédagogique, selon les disciplines impliquées dans ces enseignements et apprentissages touchant à l’éducation au patrimoine. Il est possible de provisoirement conclure à travers deux questions. L’éducation et l’enseignement scientifique sont-ils une éducation-apprentissage-instruction au patrimoine scientifique ou bien une éducation-apprentissage-instruction par le patrimoine scientifique ? L’éducation-apprentissage-instruction par le patrimoine scientifique conduit-elle à une éducation-apprentissage-instruction au patrimoine scientifique ? Aborder le sujet par l’entremise des études curriculaires conduit à penser ces deux interrogations comme non exclusives l’une de l’autre, et mieux encore comme complémentaires.