IUFM DE BOURGOGNE

CONCOURS DE RECRUTEMENT : professeur des écoles

LA DEMARCHE D’INVESTIGATION

Comment utiliser les différentes formes de travailpour l’étude des séismes au cycle 3

Emmanuel BITON

Directeur de mémoire : François BARRAUD

ANNEE 2003 02STA03761

SOMMAIRE

Introduction. p.1

1. La place des sciences à l’école primaire. p.2

1.1. Un bref rappel historique. p.2

1.2. Différences entre leçon de choses et activité scientifique. p.3

1.3. La finalité d’un tel enseignement. p.3

1.4. La pertinence de l’existence d’un enseignement scientifique à l’écoleélémentaire. p.4

2. Comment enseigner les sciences à l’école élémentaire, avec quellesdémarches ? p.5

2.1. Les compétences attendues en fin de cycle III. p.5

2.2. Différentes démarches ou formes de travail. p.7

2.2.1. La situation de départ et le recueil des représentations initiales. p.72.2.2. La formulation du problème. p.82.2.3. L’émission d’hypothèses. p.82.2.4. La démarche expérimentale. p.92.2.5. La démarche documentaire. p.112.2.6. La démarche de modélisation. p.12

3. Ma démarche. p.14

3.1. Choix du sujet d’étude. p.14

3.2. Cadre de l’expérimentation en classe. p.14

3.3. La séquence et son analyse. p.153.3.1. Progression. p.15

3.3.2. Séance 1 : découverte d’une manifestation de l’activité de la terre :le séisme. p.16

3.3.2.1. descriptif de la séance. p.163.3.2.2. analyse. p.17

3.3.3. Séance 2 : la mortalité engendrée par les séismes. p.183.3.3.1. descriptif de la séance. p.183.3.3.2. analyse. p.19

3.3.4. Séance 3 : les ondes sismiques. p.203.3.4.1. descriptif de la séance. p.203.3.4.2. analyse. p.23

3.3.5. Séance 4 : comment expliquer ces tremblements de terre ? p.253.3.5.1. descriptif de la séance. p.253.3.5.2. analyse. p.26

3.3.6. Séance 5 : conception de protocoles utilisant la modélisation,nouveau problème : la construction des bâtiments.

3.3.6.1. descriptif de la séance. p.283.3.6.2. analyse. p.29

3.3.7. Evaluation. p.30

Conclusion. p.32

Bibliographie.

Annexes.

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INTRODUCTION

De la fin du XIXème siècle aux années 60, l’enseignement des sciences àl’école primaire a pris la forme de « leçons de choses » dont le but était de fairede l’écolier un bon observateur. Les années 70 ont vu l’apparition des « activitésd’éveil scientifique » qui, cependant, laissaient encore au maître le rôle principal.

Aujourd’hui, l’importance des sciences est réaffirmée dans les instructionsofficielles qui insistent sur la nécessité de rendre les élèves actifs grâce à desméthodes d’enseignement radicalement différentes.

Durant notre scolarité, un enseignement magistral, hormis quelques pratiques,où là encore, l’activité des élèves se limitait souvent à mettre en œuvre undispositif expérimental entièrement décrit par le maître, était proposé. Le rôledes enfants se bornait donc généralement à relever et interpréter des résultatsd’expériences non élaborées par eux.

Ce mémoire vise justement à montrer un autre enseignement des sciences oùl’enfant participe à la construction de ses savoirs. Les nouveaux programmes sontpar ailleurs très explicites à ce sujet, cet enseignement devant entrer encorrélation avec les compétences à atteindre qui sont clairement énoncées.Les instructions officielles utilisent dorénavant le terme de démarched’investigation, qui doit s’articuler autour du questionnement des élèves sur lemonde réel. Grâce aux suggestions du maître, cette démarche peut recourir àdiverses formes de travail, telles que l’expérimentation, la recherchedocumentaire… y compris au cours d’une même séance. Je me propose donc demontrer comment utiliser ces différentes formes de travail à travers un sujetqui, au premier abord, peut sembler ne pas pouvoir se prêter à une démarched’investigation : les séismes. Ce mémoire s’attarde aussi sur un type de travailparticulier et mal connu : la démarche de modélisation.

Nous verrons donc que l’enseignement des sciences peut se faire de façonvivante, en choisissant avec soin les formes de travail en fonction des problèmesposés, qui permettront aux élèves d’entrer petit à petit dans un réelraisonnement scientifique,

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1 La place des sciences à l’école élémentaire

1.1 Un bref rappel historique de l’évolution des sciences dans lesInstructions Officielles

Avant les années 60, l’enseignement des sciences à l’école élémentaire se faitsous la forme de « leçon de choses » dont le but est de faire de l’écolier un bonobservateur. Les programmes des années 70, quant à eux, mentionnent le termede « sciences expérimentales » qui regroupent la physique, la biologie et latechnologie. On parle alors « d’activités d’éveil à caractère scientifique ».

En 1985, les programmes ne parlent plus de sciences expérimentales mais desciences et technologie, qui englobent les sciences physiques, la technologie et labiologie. Dans ces nouvelles instructions, on peut constater la disparition desactivités manuelles à vocation artistique et le rattachement des activitésmanuelles à la technologie. On peut se féliciter de ce dernier point car il neréduit pas la technologie à une science expérimentale, mais la complète par lacréation d’objets finis. Ce changement démontre une volonté de donner à l’enfantune véritable culture scientifique, culture jusqu’à présent inexistante dansl’enseignement général.

Enfin, les programmes de 1995 ont pour objectif d’être en cohérence avecl’organisation de l’école en trois cycles pédagogiques de la maternelle à la fin del’élémentaire. De plus, dans un souci de respecter l’approche globale que le jeuneenfant a de son environnement, un nouveau domaine de compétences est créépour les cycles 1 et 2. Il s’agit de « la découverte du monde » qui regroupe desactivités issues de différents champs disciplinaires (histoire, géographie,éducation civique, physique, technologie et biologie) mais ayant des objectifsméthodologiques semblables. Au cycle 3, en vue de différencier ces disciplines,on retrouve l’expression « sciences et technologie » qui associe physique,technologie et biologie.

Notons que ces dernières années, l’enseignement des sciences à l’écoleélémentaire bénéficie d’une attention particulière notamment grâce aux prisesde position de chercheurs renommés ou du programme « La main à la pâte ». Plusrécemment encore, et sous l’urgence d’une impulsion forte en la matière, est néle PRESTE, Plan de rénovation de l’enseignement des sciences et de latechnologie à l’école qui n’est pour le moment pas encore bien identifié à l’écoleprimaire.

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1.2. Différences entre la leçon de choses et une activité scientifique

Leçon de choses Activité scientifiqueCentrée sur l’objet d’observation etnotamment sur le vocabulaire à retenir.

Centrée sur l’enfant et notamment surl’objet à construire.

Essentiellement des objectifs en termede connaissances.

Objectifs divers : connaissances,méthodes et attitudes.

Activités de description etéventuellement des activitésmanipulatoires.

Activités variées : activitésd’observation et autres activités dequestionnement et de formulationd’hypothèses.

Plutôt centrée sur les connaissancesfactuelles.

Plutôt centrée sur les connaissancesconceptuelles.

La connaissance est déjà établie. La connaissance est en élaboration.Mémorisation de la connaissance. Structuration de la connaissance avant

mémorisation.

Alors que les leçons de choses présentaient un caractère quelque peudogmatique et magistral, l’observation prenant le dessus sur l’expérimentationsans réelle problématique, les activités scientifiques et techniques, conformes àun programme, proposent à l’enfant une première découverte du monde et unaccès progressif aux savoirs et aux savoir-faire de base, tout en mettantl’accent sur les compétences transversales.

1.3. La finalité d’un tel enseignement

Dans notre société de haute technologie, les futurs citoyens doivent êtredotés d’une réelle culture générale et plus particulièrement scientifique afin dene pas se cantonner dans un rôle d’utilisateur-consommateur n’ayant qu’uneconnaissance limitée des objets qu’ils emploient. Parallèlement, on peut regretterla place de plus en plus importante que prennent les para-sciences. Aussi, le rôlede l’école est de lutter contre ces ignorances en développant les savoirsscientifiques et le sens critique. Dans le cadre de la scolarisation obligatoire,chaque niveau de classe est une étape importante et indispensable d’uneprogression. En effet, l’évolution harmonieuse de l’enfant passe par desremaniements successifs de niveau de formulation (Gaston Bachelard, La

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formation de l’esprit scientifique). Dans ce principe, il est indispensable que lespremiers fondements scientifiques soient construits dès l’école primaire, etabordés sérieusement à l’école maternelle. De plus, ces enseignements apportentune contribution majeure au développement de la pensée logique et créatrice del’enfant, ainsi qu’aux apprentissages fondamentaux liés à la communication oraleet écrite ou aux mathématiques. De même, ils ont pour objectif de faire acquérirdes méthodes propres à la démarche scientifique (observer / analyser /expérimenter / représenter) et technologique(concevoir/fabriquer/transformer). Enfin, l’enseignement scientifique vise àdévelopper les qualités suivantes : objectivité, sens de la preuve et goût del’invention.

1.4. La pertinence de l’existence d’un enseignement scientifique à l’écoleélémentaire

Dans La psychologie de l’intelligence, Piaget précise que le développementintellectuel de l’enfant passe par une série de stades qui se succèdent selon unordre assez clairement défini, n’atteignant le niveau intellectuel de l’adulte qu’àl’adolescence.

Ainsi, entre 6 et 12 ans environ le développement intellectuel de l’enfantcorrespond à l’âge de la pensée opératoire également appelée « intelligenceabstraite ». Vers 10 ans, l’enfant commence à pouvoir raisonner de façonabstraite. Toutefois les diverses opérations mentales qu’il est capabled’effectuer (analyse, comparaison, classement, déduction) ne peuvent se faireque dans des situations concrètes. Il convient de faire remarquer qu’un enfantde l’école élémentaire se contente souvent d’aboutir à des conclusions par unesimple observation de la situation. Il n’emploie des formulations comme « si…alors… » qu’après avoir réalisé l’expérience. De plus, il n’émet pas réellement unehypothèse mais se limite à décrire une situation et des résultats, il n’y a pasd’anticipation.

Aussi, suite à ces observations, on peut se demander si les enfants de l’écoleélémentaire ont les capacités d’analyse et de synthèse nécessaires à l’activitéscientifique. De même, ont-ils la maîtrise d’un nombre suffisant de paramètrespour être capables d’analyser une situation et de mener à bien une démarcheexpérimentale ou documentaire dans laquelle il est souvent nécessaire d’anticiperses actes ?

Il est impossible de passer outre les travaux de psychologues comme Piagetet Wallon et donc de nier les difficultés de l’enfant à dépasser une visionpersonnelle, confuse et globale du monde (on parle de syncrétisme et

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d’égocentrisme). Par exemple, les travaux de Piaget tendraient à prouver queseuls les enfants ayant atteint le stade des opérations formelles sont capablesde mener à bien une démarche scientifique. Or, on a vu qu’à l’école élémentaireles élèves en sont encore au stade des opérations concrètes. Cela voudrait-il direque l’enseignement scientifique doit être repoussé aux premières années ducollège ?

Même si les enfants de l’école élémentaire ne peuvent accéder à l’ensembledes démarches scientifiques, il n’en est pas moins vrai qu’ils sont en mesure depratiquer des activités scientifiques. En effet, n’oublions pas que celles-ciréclament de l’ingénuité, de la spontanéité ou des capacités d’émerveillement,autant de qualités dont les enfants sont justement très riches. Nous retiendronsdonc que le jeune âge des élèves de l’école primaire dans son ensemble nes’oppose pas à la mise en place d’un véritable apprentissage scientifique, dans lamesure où l’enseignant se donne pour priorité l’établissement d’une authentiquerelation d’écoute avec et entre des élèves considérés, reconnus et réellementsollicités.

2. Comment enseigner les sciences à l’école élémentaire, avecquelles démarches ?

2.1. Les compétences attendues en fin de cycle III

Outre les notions devant être abordées au cycle III, il me semble plusjudicieux de se pencher sur les capacités à développer pour atteindre lacompréhension de ces notions. En fin de cycle III, l’élève devra être capable de :

_ poser des questions précises et cohérentes à propos d’une situationd’observation ou d’expérience,

_ imaginer et réaliser un dispositif expérimental susceptible de répondre auxquestions que l’on se pose, en s’appuyant sur des observations, des mesuresappropriées ou un schéma,

_ réaliser un montage électrique à partir d’un schéma,_ utiliser des instruments d’observation et de mesure,_ recommencer une expérience en ne modifiant qu’un seul facteur par rapport

à l’expérience précédente,_ mettre en relation des données, en faire une représentation schématique et

l’interpréter, mettre en relation des observations réalisées en classe et dessavoirs que l’on trouve dans une documentation,

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_ participer à la préparation d’une enquête ou d’une visite en élaborant unprotocole d’observation ou un questionnaire,

_ rédiger un compte-rendu intégrant schéma d’expérience ou dessind’observation.

Notons que les instructions officielles font apparaître le terme de« démarche d’investigation ». Cette démarche peut recourir à diverses formesde travail :

_ expérimentation directe,_ réalisation matérielle (recherche d’une solution technique),_ observation directe ou assistée par un instrument, avec ou sans mesure,_ recherche sur des documents,_ enquête et visite.

Ces différentes formes de travail sont donc à mettre en place autant quepossible, et mon souci dans ce mémoire est de mettre l’accent sur trois de cesformes de travail, à savoir l’expérimentation, la recherche sur documents et lamodélisation qui n’apparaît pas dans les textes mais qui est plus difficile àdéfinir. (voir §).Il n’apparaît pas non plus dans les nouveaux programmes le terme de « démarchescientifique », et on préférera parler à présent de « démarche constructived’investigation ».Bien que la dénomination soit différente, il me semble que les enjeux et lesfondements de cette démarche constructive d’investigation sont sensiblementidentiques à ceux de la démarche scientifique. Le schéma ci-dessous en détailleles principales étapes qui ne peuvent ni ne doivent être exhaustives.

Problème posé

Hypothèses = solutions provisoires à vérifier

Activités de recherche

Résultats

Interprétation

Communication des résultats

Observationdémarche

d’observation

Expérimentationdémarche

expérimentale

Documentationdémarche

documentaire

Modélisationdémarche demodélisation

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2.2. Différentes démarches ou formes de travail

2.2.1. La situation de départ et le recueil des représentations initiales.

Toute démarche pédagogique doit reposer d’abord sur une situation de départqui doit être choisie avec soin. Elle a pour but de formuler clairement desproblèmes, de motiver les élèves et d’amener un recueil de leurs représentationsinitiales sur le sujet étudié. En effet, les travaux de Gaston Bachelard ontmontré toute l’importance de la prise en compte des conceptions premières desélèves avant de vouloir leur enseigner quoi que ce soit. Techniquement, il estpréférable de recueillir ces conceptions sous la forme d’un écrit ou d’un dessin,après que l’élève ait compris le problème. Ainsi les idées de tous les élèves,timides aussi bien que meneurs, pourront être prises en compte. Le classementde ces réponses permettra de dégager un petit nombre d’idées significatives deleur pensée.L’émergence de ces représentations est primordiale si l’on veut les infléchir peuà peu. En effet, l’enseignant ne peut faire comme si ses élèves étaient vierges detout savoir et « plaquer » son enseignement en espérant que celui-ci va venir segreffer sur chaque élève. Il ne s’agit pas non plus de détruire les conceptionsinitiales des enfants, ni même de les remplacer immédiatement par la bonnenotion. Le rôle de l’enseignant sera de mettre en évidence les relationsqu’entretient la nouvelle connaissance avec les acquis antérieurs et d’élaborerainsi des réseaux de complexité croissante. Mais il se peut également quecertaines des conceptions des élèves soient fausses. Afin de les remplacerdurablement, il est impératif que l’enfant puisse se poser une question dans lecadre d’une situation problème et dans laquelle ses représentations de la réaliténe peuvent plus fonctionner de manière satisfaisante. Ce n’est que lorsquel’enfant sera conscient de cette insuffisance que l’on pourra lui proposer unereprésentation plus conforme à la réalité.

Si l’on passe outre ces conceptions initiales, en espérant que des nouvellesnotions viendront détruire et remplacer les anciennes, c’est l’inverse qui seproduira et au bout du compte, l’élève n’aura bien souvent rien appris. C’est doncl’enfant lui-même avec l’aide de l’adulte et de ses pairs qui va construire sespropres savoirs. Il va apprendre à s’interroger, à mettre au point et à réaliserdes expériences pour résoudre son problème.

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2.2.2. La formulation du problème.

La formulation du problème est une étape particulièrement difficile si l’onveut que celui-ci implique véritablement les élèves. Ici, la place de l’enseignantest très importante puisque contrairement au chercheur dans son laboratoire, ilconnaît déjà les conclusions auxquelles il veut que ses élèves aboutissent.L’implication des enfants dépend de la façon dont le problème est posé. Pour queceux-ci entrent véritablement dans la recherche, il est préférable que leproblème émerge d’eux-mêmes. Le maître devra alors veiller à les guider pour lesfaire passer de questions fermées à des questions ouvertes (pourquoi, comment,où…), de questions empreintes d’anthropomorphisme, de magie à des questionsplus scientifiques.Enfin ce problème doit prendre en compte les conceptions initiales qu’ont lesélèves et faire en sorte qu’elles puissent être modifiées si besoin.

2.2.3. L’émission d’hypothèses.

Le problème étant posé, il convient ensuite de le résoudre. Pour cela, lesélèves vont devoir proposer des hypothèses qui sont d’autant de solutionspossibles à celui-ci. Si les enfants arrivent généralement à produire de telleshypothèses, ils ont par contre énormément de mal à s’en défaire ensuite sibesoin. En effet, ces solutions sont énoncées par les élèves comme des véritésqui traduisent souvent leurs conceptions et sont pour cela très ancrées dans lessystèmes de représentation qu’ils ont pu se forger.

Par ailleurs, le concept-même d’hypothèse est très difficile à faire acquériraux élèves qui, à ce stade de développement, ne comprennent pas encore bienl’idée de « plausible » (c’est-à-dire une idée à laquelle on accorde une croyancetemporaire qu’il s’agit de justifier ou de démentir). Ainsi, dans son livre, Unepédagogie pour les sciences expérimentales, André Giordan explique qu’au débutde l’apprentissage de cette démarche, même si les enfants arrivent finalement àproposer une solution plausible au problème (qu’on leur fera donc nommerhypothèse), ils la mettent de côté ensuite et expérimentent pour voir, pour avoirle plaisir de manipuler, et non pour tester l’hypothèse en question.

Le maître devra donc s’efforcer de faire naître en eux cette idée de« plausible », en les questionnant sur leurs affirmations, en facilitant leurconfrontation avec la réalité ou avec leurs affirmations mutuelles.

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Nous avons vu les bases communes aux différentes démarches, voyonsmaintenant ce qui fait leur particularité (c’est-à-dire les différentes phases derecherche).

2.2.4. La démarche expérimentale

Il convient avant tout d’apporter quelques précisions. Très souvent, ladémarche expérimentale est associée à la célèbre formule OHERIC. Celle-cicorrespond à un cheminement qu’il suffit de suivre pour arriver à une conclusioncertaine. Il prend la forme suivante :

Observation → Hypothèse → Expérimentation → Résultat → Interprétation →Conclusion.

Ce cheminement très guidé est aujourd’hui fort critiqué en particulier à cause dufait qu’il part obligatoirement d’observations. Cela supposerait que tout nouveauphénomène pourrait commencer par être observé préalablement, ce qui est loind’être le cas. Ce serait également oublier que bien souvent nos sens noustrompent, et donc que l’observation ne peut pas toujours fournir une base sûre.Par ailleurs, ce cheminement est très linéaire et ne correspond pas à un travailde recherche qui, lui, effectue de nombreux tâtonnements et allers-retoursentre hypothèse et expérimentation.Ainsi, Michel Develay préfère appeler ce cheminement guidé « méthodeexpérimentale » et réserver le terme de « démarche expérimentale » à uneconduite de pensée plus vagabonde, moins poussée par l’enseignant. Celle-cicomporte trois étapes essentielles qui ne se succèdent pas linéairement maisentre lesquelles l’élève chercheur va et vient :

- poser un problème et le formuler- résoudre un problème (émettre des hypothèses, les tester en concevant,

réalisant et analysant des expériences)- communiquer ses résultats

Ces précisions étant faites, intéressons-nous maintenant plusparticulièrement à ce qui fait la particularité de cette démarche, à savoirl’expérimentation.

Lorsque les élèves ont formulé des hypothèses bien précises, il convient deles tester et c’est là qu’intervient cette expérimentation (qui, grâce à ceshypothèses, n’est pas une simple manipulation). Il s’agit tout d’abord pour lesélèves d’imaginer et de mettre en place un protocole expérimental, c’est-à-dire

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une suite d’opérations qui doivent permettre d’éprouver la validité deshypothèses.

Ensuite, lors de la manipulation, (réalisation pratique de l’expérience), desprécautions scientifiques doivent être prises : selon les protocolesexpérimentaux, il existera parfois une expérience témoin par rapport à laquelleon fera varier pour chaque hypothèse un seul paramètre (auquel cas il fautévidemment commencer par cette expérience). Dans d’autres cas, le paramètrepris en compte ne le sera pas par rapport à une première expérience donnée,mais correspondra à une différence entre plusieurs expériences ponctuelles.Dans tous les cas, il faut surtout veiller à ne faire varier qu’un seul paramètre àla fois.

Après chaque manipulation, les élèves obtiennent un résultat qu’ils doiventanalyser et interpréter afin de savoir si l’hypothèse testée est vérifiée et peutêtre validée ou non. Une réfutation d’une hypothèse conduira à en formuer denouvelles.

Enfin lorsque toutes les hypothèses émises auront été testées, les élèvesformuleront la conclusion qui doit apporter une réponse au problème initial.

Cette démarche est généralement très appréciée des élèves car ilsmanipulent. Même si ce n’est souvent que « pour voir », faire des expériencesplaît beaucoup aux élèves, du fait du côté ludique, extra-scolaire de l’activité.

Egalement, en même temps qu’elle permet d’atteindre des acquisitionsnotionnelles et méthodologiques, c’est aussi un merveilleux outil pour laformation d’un esprit scientifique, logique et créatif. En effet, il est intéressantde constater l’extrême richesse des modes de pensée. Selon les étapes de ladémarche, ce sont tour à tour les modes de pensée déductive, inductive,analogique, dialectique et divergente qui vont être valorisés. C’est peut-être unedes raisons pour lesquelles au plan de l’apprentissage, elle constitue uneréférence pour la plupart des disciplines enseignées.

Toutefois, la recherche expérimentale possède des limites et il n’est paspossible de réduire les sciences à un apprentissage expérimental. Tout d’abord,certaines notions de l’école élémentaire ne peuvent pas se construire parl’expérimentation et doivent être construites par d’autres démarches. Ensuited’un point de vue pratique, les hypothèses doivent correspondre à des énoncés àinfirmer ou à confirmer par l’expérience. Toutes celles qui ne peuvent pas êtresoumises au test expérimental doivent être abandonnées.Enfin, comme on l’a déjà vu précédemment, des difficultés liées audéveloppement psychologique de l’enfant peuvent apparaître : une bonne maîtrisedu temps afin de penser un raisonnement hypothético-déductif (« si…alors… »),

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la construction de l’idée de plausible pour le principe d’hypothèse, sont autant decapacités qui sont en cours de construction chez des élèves d’école élémentaire.

2.2.5. La démarche documentaire

La recherche documentaire est une démarche qui peut être utilisée danstoutes les disciplines pour résoudre un problème posé. La spécificité desactivités scientifiques reste la confrontation des conceptions des élèves au réel :aussi, l’appel aux documents est-il réservé aux cas dans lesquels il est impossibled’expérimenter. Les documents proposés peuvent être de nature différente : desdonnées chiffrées, des textes, des descriptions, des graphiques, des dessins… Ilconvient de préciser que la documentation sélectionnée par le maître doit restertoutefois adaptée aux élèves, sans être trop importante.

Après avoir dégagé le problème et proposé des hypothèses pour y répondre,le travail s’organise selon les étapes suivantes :

- chercher des documents (étape qui peut être effectuée par l’enseignantpréalablement, ce qui facilite la tâche des élèves)

- parcourir ces documents dans l’optique d’y trouver des élémentspermettant d’infirmer ou de vérifier les hypothèses formulées

- organiser et éventuellement transmettre les réponses trouvéesLes élèves rentreront beaucoup mieux dans la recherche si celle-ci part d’unequestion soulevée par un élève. Cette pratique a l’avantage de ne pas découragerla curiosité des enfants et même de l’encourager puisqu’on la juge digne dedéboucher sur un vrai travail.Ensuite, les élèves s’étant approprié les questions, il va falloir qu’ils apprennentpetit à petit à utiliser la richesse des documents. En effet, au début, les enfantsn’utilisent pas les documents iconographiques. De plus, quand ils ne trouvent pas,ils ont tendance à bâcler leur recherche en recopiant un bref passage dudocument ayant un rapport avec la question.

Evidemment, pour réaliser une telle recherche, il ne suffit pas de savoir lire.La lecture documentaire est une forme de lecture spécifique. On s’y autorise despratiques auxquelles les enfants ne sont pas habitués dans les classes. Parexemple on ne lit pas tout, on ne commence pas forcément au début, oninterrompt la lecture pour regarder les images. A propos des documentsiconographiques, la plupart des enfants n’y accordent, comme souvent dans lesouvrages de fiction, qu’un rôle d’illustration. Ils ont du mal à réaliser que l’on peuttrouver la réponse à une question écrite en regardant une image.

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Cependant, la recherche documentaire employée comme outil scientifique, nesaurait être réduite à un acte de lecture. Les activités préparatoires à cettelecture sont indispensables à la réussite de l’entreprise. En effet, ellespermettront à l’enfant d’avoir le sentiment de savoir où il va. Sans cet appui, ilrisque de se perdre dans les informations trop nombreuses. C’est parce qu’il saitexactement ce qu’il recherche qu’il pourra écarter les informations inutiles. Ilfaut donc bien assimiler le but de la recherche.

Enfin, en plus de savoir lire, l’enfant devra être capable de curiositéintellectuelle, d’autonomie et d’esprit critique. Il devra prendre suffisamment derecul par rapport à ce qu’il lit pour l’analyser et en faire la synthèse dans laperspective de répondre à la question. Cette démarche demande à l’enfant descapacités d’abstraction, d’analyse et de synthèse qui ne peuvent être tout à faitacquises en fin de cycle III.

2.2.6. La démarche de modélisation.

Avant de rentrer plus finement dans l’explicitation de cette démarche tellequ’elle a été utilisée dans ce mémoire, il me paraît nécessaire d’expliciter lestermes de modèle et de modélisation.

Un modèle est une représentation systémique et hypothétique d’une partie dela réalité, délimitée par la pensée en fonction d’un problème à résoudre. Unmodèle est un objet pour penser (objet au sens intellectuel du terme).La modélisation est tout d’abord la construction d’un modèle ou l’appropriationd’un modèle proposé par le maître, et ensuite la conduite d’un raisonnement.On peut envisager trois fonctions pour les modèles :– de représentation : un dispositif mécanique peut représenter les fonctionsde respiration ou circulation sanguine ;

– d’explication : l’apparition de buée est interprétée par l’existence d’un étatinvisible : la vapeur d’eau ;

– de prédiction : une maquette qui représente le mouvement de rotation de laTerre pour expliquer l’alternance jour – nuit permet de prévoir les décalageshoraires.

Le terme « démarche de modélisation » tel que je souhaite le présenter dans cemémoire a donc le sens suivant : l’utilisation d’une maquette-modèle. Dans ledomaine des séismes, le modèle pourra remplir ainsi les trois fonctions citéesprécédemment : représentation, explicitation et prédiction.

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Le signifiant, en l’occurrence la maquette, présente un fort pouvoir figuratif et ilme semble intéressant de démarquer cette démarche de la démarcheexpérimentale, même si toutes les deux sont fort ressemblantes.En effet, les étapes de cette démarche sont les mêmes que celles utilisée dansla démarche expérimentale. La nécessité d’une telle démarche voit le jourlorsque l’expérimentation directe n’est pas possible. L’enseignant a donc recoursà plusieurs choix : l’observation directe, la recherche documentaire, lamaquette… Le choix de la démarche de modélisation peut se justifier par le faitqu’elle permet à l’élève une approche « tactile » et visuelle qu’il ne peut avoir lorsd’une recherche documentaire. L’expérimentation devient alors possible par lebiais de cette maquette.

Mais il existe des obstacles à l’utilisation de ce mode d’investigation en cesens que le modèle ne décrit pas la réalité telle qu’elle pourrait être. Biencontrairement au sens commun, il est généralement impossible de décrirecomplètement et totalement une réalité et ceci d’autant plus que les relationsentre ces éléments échappent aux techniques d’observation. La seule façon del’appréhender est donc de construire une représentation ne rendant compte quede certains aspects de cette réalité. On ne conserve dans cette représentationque les caractères qui nous paraissent indispensables pour répondre auxproblèmes posés par le réel. La construction d’un modèle implique donc un choixparmi les descriptions possibles de la réalité; ce choix est guidé par le type deproblème à résoudre.Outre ces problèmes spécifiques liés à la modélisation, le mode d’investigationest le même que pour la démarche expérimentale, et les obstacles sontidentiques à ceux rencontrés dans la démarche expérimentale.

Le sujet d’étude choisi est fort bien adapté à cette troisième démarche,sachant que l’expérimentation à proprement parler ne peut être réalisée,l’observation est impossible et l’investigation ne peut être réduite uniquement àune démarche documentaire.

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3. Ma démarche.

3.1. Choix du sujet d’étude : les séismes.

L’étude des séismes en tant qu’objectif notionnel au cycle 3 est présent dansles nouveaux programmes sous l’intitulé : étude des manifestations de l’activitéde la Terre. Il me semblait intéressant de le traiter en classe dans la mesure oùce sujet ne se prête pas à priori à une démarche d’investigation de typeexpérimental et où, de plus, la représentation de tels phénomènes est souventinterprétée par des conceptions erronées, de par la nature même de cesmanifestations. En effet, il est difficile pour les élèves de se placer dans uneéchelle terrestre et de prendre du recul. Un autre aspect qui a guidé mon choixréside dans le fort caractère émotionnel suscité par cette manifestation del’activité terrestre, par les drames qu’elle entraîne et par conséquence ladifficulté d’analyse de celle-ci. Ceci est valable pour toutes les catastrophesnaturelles qui touchent notre planète. Il me semble aussi que, si le volcanisme estun sujet fréquemment abordé au cycle 3, l’activité sismique l’est beaucoup moins.

Pour ce qui est des savoir-faire, j’ai particulièrement mis l’accent sur laconstruction d’une réelle démarche scientifique, en prenant soin de faireapparaître clairement les étapes de la démarche d’investigation. Nous verronsdans la suite du mémoire que ce type de savoir-faire n’est pas si long à assimilerpar les élèves, même si la construction de celui-ci doit être bien guidée par lemaître.

3.2. Cadre de l’expérimentation en classe

Mon premier stage en responsabilité en cycle 3 s’est déroulé à Château-Chinon, dans une classe de CE2 composée de 23 élèves. Bien que l’étude desséismes puisse paraître délicate à ce niveau, j’ai pensé qu’il était possibled’adapter les contenus et les méthodes d’enseignement pour pouvoir traiter cesujet.

Les élèves de cette classe n’étaient pas du tout habitués à utiliser unedémarche scientifique, c’est pour cela que j’en ai fait un objectif prioritaire etce sur toute la durée de mon intervention. (voir 3.1.)

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3.3. La séquence et son analyse.

3.3.1. Progression.

Avant de concevoir cette séquence d’étude des séismes, il a fallu choisir lescompétences notionnelles à aborder, notamment pour une classe de CE2. J’aidonc retenu les points suivants : _ dépasser l’aspect émotionnel du sujet

_ connaître les manifestations visibles d’unséisme

_ comprendre que les pertes humainesengendrées par un séisme sont le résultat de plusieurs facteurs

_ comprendre que le séisme est un événementrelativement localisé

_ comprendre le phénomène d’ondes sismiques _ comprendre que les tremblements de terre

sont provoqués par une rupture brutale des plaques de l’écorce terrestre _ comprendre que l’écorce terrestre est

constituée de plaques qui flottent sur de la roche en fusion _ comprendre que les bâtiments sont plus ou

moins fragiles suivant selon la façon dont ils sont construits

Une fois ces compétences délimitées, je me suis penché sur le moded’investigation à privilégier pour chaque objectif visé. Un problème se posealors : quels sont les éléments qui vont nous guider pour opter pour telle ou telleméthode ?J’ai pris le parti de raisonner ainsi pour chaque notion abordée : _ quel peut êtrele problème inducteur ?

_ quels sont lesmoyens d’y répondre ?

En effet, il me semble simpliste de penser qu’une méthode d’investigationpeut permettre de répondre à toutes les compétences visées, même autour d’unsujet unique.

Nous allons, dans l’analyse de la séquence, nous attarder plus en détail sur laconstruction de ces problèmes, et ensuite sur les choix des différentesméthodes d’investigation permettant d’y répondre. (séquence complète enannexe)

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3.3.2. Séance 1 : découverte d’une manifestation de l’activité de la Terre :le séisme.

3.3.2.1. descriptif de la séance

Objectifs : _ dépasser l'aspect émotionnel du sujet d'étude. _ construire une première approche de la démarche scientifique quisera présente dans toutes les séances.

_ connaître les manifestations d’un séisme. _ introduire le vocabulaire suivant : séisme, violence, intensité,

secousses…

Matériel : divers documents récents relatant des séismes (témoignages, articlesde journaux…), feuille de recueil des représentations initiales.

Organisation : précisée dans chaque phase.

Déroulement :

Phase 1 : recueil des représentations initiales.- Distribution de la feuille.- Individuellement, répondre brièvement aux deux questions suivantes :

_ que se passe-t-il lors d’un tremblement de terre ? (manifestations etconséquences)

_ qu’est-ce qui provoque un tremblement de terre ? (causes)

Phase 2 : mise en commun au tableau.- le maître note au tableau les conceptions possibles. Cela constitue une premièreapproche de la démarche scientifique : émettre une ébauche d'hypothèse.

Phase 3 : étude documentaire.- distribution des documents pour chaque groupe de 3 élèves.- lecture silencieuse.- mise en commun avec le maître : au tableau, chaque groupe choisit la conception(si elle existe) qui correspond à ce qu'ils ont découvert grâce aux documents.

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Phase 4 : trace écrite.Un tremblement de terre (ou séisme) est caractérisé par des secousses plus oumoins violentes dont la durée ne dépasse pas quelques secondes ou quelquesminutes. La violence de ces secousses (l'intensité) est graduée de 1 à 9.

Attention : on se contentera d'insister sur les manifestations visibles desséismes (secousses, durée, intensité…), non pas ses causes. La présentation decette séance doit permettre aux élèves une première approche de la démarchescientifique, bien penser à marquer nettement chaque phase de cette démarche.

3.3.2.2. Analyse.

L’objectif de la séance était donc de s’attacher aux conséquences d’untremblement de terre, sous toutes ses formes.

Le choix d’une démarche d’investigation de type documentaire était implicite.Les articles sont nombreux à ce sujet, illustrés et il est facile pour les élèves des’approprier les éléments de réponse tant dans le texte que dans les photos. J’aivoulu, dans cette première séance, permettre d’instaurer une méthode de travailpour les séances à venir, calquée sur la démarche scientifique : le problème a étéposé, les conceptions des élèves ont été inscrites au tableau (hypothèses) et larecherche documentaire a permis de vérifier ces hypothèses pour parvenir à uneconclusion.

Comportement des élèves :

A l’annonce du sujet traité, les élèves ont été enthousiastes et les réactionsont été nombreuses. A partir de là, le relevé des conceptions initiales a été trèsriche et très varié (voir annexes). Pour ce qui est de l’explication desconséquences des séismes, les conceptions des élèves sont à peu prèsexactes même si des confusions existent : tremblement et bruit, volcan etséisme…Pour ce qui est des causes du tremblement de terre, les conceptions sont aussifantaisistes les unes que les autres : le soleil tape trop fort, les tracteurs,l’orage, le T.N.T. !!! Certains élèves évoquent le volcanisme, qui est une autremanifestation de l’activité terrestre mais pas forcément liée aux tremblementsde terre.

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Le travail de groupe a été fort enrichissant pour les élèves, permettant desréactions et des échanges nombreux, tant le sujet les touchait intimement (unarticle relatait le tremblement de terre qui avait fait de nombreuses victimesdans une école).Le vocabulaire spécifique est ressorti assez rapidement : secousse, violence,mais le caractère éphémère des secousses a du être souligné par le maître, demême que la notion d’intensité.

Cette séance d’introduction s’est avérée très prometteuse, la curiosité desélèves sur ce sujet étant très forte. La question de la cause des séismes estrevenue plusieurs fois pendant la séance, j’ai volontairement évité de répondre àcette question qui faisait l’objet de séances à venir.

3.3.3. Séance 2 : la mortalité engendrée par les séismes.

3.3.3.1. Descriptif de la séance.

Objectifs : _ comprendre que plusieurs facteurs interviennent pour expliquer lenombre de morts lors d’un séisme (population, bâtiments, intensité).

_ isoler, à l'aide de documents, les variables qui permettront detrouver ces différents facteurs.

_ utiliser la démarche scientifique pour parvenir à une conclusion.

Matériel : carte des séismes avec leur intensité, le nombre de morts, carteindiquant pays riches et pays pauvres, carte de la population dans le monde.

Organisation de la classe : W en groupes.

Déroulement :

Phase 1 : observation.- distribution des documents et explicitation (si difficultés à lire une carte).- mise en commun des observations au tableau.

Phase 2 : problème.- faire émerger le problème : de quoi dépend le nombre de morts lors d’unséisme ?- émission d'hypothèses en commun au tableau.

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Phase 3 : validation ou non par les documents.- intensité : guider les élèves et les amener à s'apercevoir que cette hypothèseest juste (en choisissant plusieurs exemples) mais que cette hypothèse n'est passuffisante (10 fois plus de morts pour des pays différents à intensité égale.- population : idem mais problème : à population sensiblement égale, on n’a pas lemême nombre de morts- pays riches/pauvres : bâtiments, moyens de secours…

Phase 4 : conclusion/trace écrite.Le nombre de victimes lors d'un tremblement de terre ne dépend pas uniquementde son intensité.En effet, un séisme très violent dans une zone très peu peuplée fait peu devictimes. Un séisme de plus petite intensité dans une zone très peuplée peutfaire plus de victimes.Le nombre de victimes varie aussi suivant la richesse du pays, les bâtimentsn'étant pas aussi solides, les moyens de secours moins efficaces…

3.3.3.2.Analyse :

Du point de vue de l’enseignant :

Cette deuxième séance s’attachait donc à mettre en valeur les facteurs demortalité lors d’un tremblement de terre. Le deuxième objectif était d’utiliser ànouveau une démarche scientifique pour répondre à l’objectif notionnel.

Le mode d’investigation retenu est encore une fois la recherchedocumentaire, l’expérimentation et la modélisation étant encore impossibles.

Pour calquer cette séance sur la démarche scientifique, il faut commencer parimaginer le type de problème auquel on voudrait que les élèves répondent, afin depouvoir le faire émerger en classe. En effet, le problème a de meilleures chancesd’être approprié par les élèves s’il émane de leurs observations. Cette phase estsans aucun doute une des plus délicates, car il s’agit de les guider sans leurimposer un problème auquel ils seraient totalement extérieurs.Pour ce faire, le choix des documents est un élément déterminant : 2 documentsavec des mortalités différentes et des intensités égales, 2 documents avec lemême nombre de morts et des intensités différentes….pour faire apparaître leproblème. Mais le choix des documents doit aussi permettre d’y répondre, c’est àdire d’isoler les variables qui permettront de dégager les différents facteurs decette mortalité.

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Le schéma est ensuite le même que dans la première séance : émissiond’hypothèses, validation ou non par la recherche documentaire et conclusion.

Du point de vue des élèves :

Si la formulation du problème n’a pas posé de difficulté dans cette séance, isolerdes variables semble être un réel obstacle à l’aboutissement d’une démarchescientifique en classe. En effet, valider telle ou telle hypothèse nécessite defiger certaines variables, ce qui ne semble pas à la portée de certains élèves. Onobtient par contre facilement la démonstration par une contre-hypothèse et il aété plus aisé de faire prendre conscience aux élèves qu’une hypothèse n’était pasvalable en bloquant volontairement une variable.Ex : Inde : séisme d’intensité 4, 2500 morts. Japon : séisme d’intensité 4, 27 morts.Pourquoi ? La réponse, avec l’aide des documents, est plus facile à déterminerune fois les deux informations sélectionnées. La recherche documentaire, pourêtre efficace et surtout à la portée des élèves, doit être minutieusementpréparée pour atteindre les objectifs fixés.

Conclusion :

Contrairement aux idées reçues qui laissent penser que la recherchedocumentaire est beaucoup moins coûteuse en temps lors de la conception de laséance que les méthodes d’expérimentation et de modélisation, il n’en est rien.En effet, chaque hypothèse doit être anticipée et doit trouver dans lesdocuments un moyen de la vérifier ou de la réfuter, ce qui est loin d’être évident.Des « montages » de documents sont alors indispensables, ce qui demande de lapart de l’enseignant un travail considérable en amont.

3.3.4. Séance 3 : les ondes sismiques.

3.3.4.1. Descriptif de la séance.

Objectifs : _ comprendre que le séisme est un évènement relativement localisé. _ comprendre le phénomène d'ondes sismiques. _ acquérir le vocabulaire approprié. _ utiliser une démarche scientifique.

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Matériel : 1 table, des cubes de bois ou des sucres, un grand récipient, uncaillou, un marteau, 2 fiches d'expérience par élève.

Déroulement :

1ère situation-problème :

Phase 1 : définition du 1er problème._ reparler collectivement du séisme en Italie qui a marqué les élèves._ demander si nous avons ressenti les secousses à Château-Chinon._ faire émerger le problème : la secousse est-elle ressentie seulement à un seulpoint lors d'un séisme ou à d'autres points aussi ?_ distribution de la fiche. (voir annexe)_ copie de la question du problème.

Phase 2 : hypothèses sur le 1er problème.faire noter l'hypothèse de leur choix sur la fiche.

Phase 3 : validation ou non des hypothèses par l'expérimentation modélisantesuivante :_ On présente une table et des cubes de bois ou des sucres._ collectivement, les élèves proposent une modélisation d'un village._ réalisation de l'expérience :

Etat 1 Etat 2

On dispose les cubes sur la table. On frappe ensuite avec le marteau sous latable (au centre). Les cubes les plus proches du centre tombent.

_ faire dessiner l'expérience par les enfants et l'explication du déroulement decelle-ci (protocole)._ penser à noter les résultats de l'expérience. (dessin plus explication : certainsbâtiments tombent, d'autres non.)

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Phase 4 : interprétation de l'expérience.Les bâtiments les plus éloignés de l'impact ne sont pas tombés.

Phase 5 : conclusionL'hypothèse de départ est fausse.L'hypothèse de départ est juste.Noter la conclusion suivante :La secousse n'est pas ressentie à un seul endroit mais elle est moins forte quandon s'éloigne de la secousse.

2ème situation-problème :

Phase 1 : poser le problème.Le deuxième problème découle de la conclusion du premier.Comment se déplace la secousse ? (introduction de la notion d'ondes sismiques)_ Noter cette question._ faire le schéma au tableau.

Phase 2 : hypothèses._ vers la gauche, vers la droite, devant, en rond_ Noter ces hypothèses.

Phase 3 : validation ou non des hypothèses par l'expérimentation._ Présentation de l'expérience :Un récipient assez large rempli d'eau au repos. On laisse tomber un caillou ou unegoutte d'eau au centre du récipient et on observe._ On observe des vagues._ Elles forment des cercles._ Les vagues sont moins hautes sur les bords du récipient qu'au centre._ Noter ces résultats.

Phase 4 : interprétation/conclusion._ Phase la plus délicate : les élèves doivent faire le lien entre cette expérienceet le cas des séismes._ Les secousses "se déplacent" en cercles (concentriques).L'hypothèse de départ est fausse.L'hypothèse de départ est juste.Important : bien faire redire le problème avant de noter la conclusion.

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Trace écrite de fin de séance :

Le centre visible du séisme où les destructions sont les plus fortes est appelél'épicentre. Les ondes sismiques se déplacent ensuite autour de l'épicentrecomme sur le schéma (en cercles concentriques) en devenant de moins en moinsviolentes.

3.3.4.2. Analyse

Dans cette séance, la notion abordée pouvait se prêter à l’utilisation d’unmode d’investigation de type expérimental ou de modélisation. On peut danscette séance identifier 2 temps, correspondant à deux situations différentes.

1ère situation :

Il fallait mettre en évidence que le séisme produisait des secousses, qu’ellesn’étaient pas localisées en un point, mais étendues.J’ai donc utilisé pour cela un dispositif modélisant composé d’immeubles en sucre.Le mode d’investigation a donc été adapté au problème posé, c’est à direl’expérimentation sur un système de modélisation.

Pour la première fois, les élèves avaient une feuille photocopiée pour leurpermettre de bien comprendre la structure de la démarche scientifique. (voirannexe)

Deux problèmes se sont posés à moi lors de la séance : _ comment formuler leproblème ?

_ comment utiliser lemodèle pour faire comprendre que si les immeubles ne tombent pas, ce n’est paspour cela que l’on ne ressent pas de secousses ?Ces deux questions n’ayant pas été anticipées, il est apparu évident que leproblème a eu du mal à émerger, et je me suis aperçu que les élèves ne sel’étaient pas approprié. Cela s’explique facilement car l’exemple présenté étaitdifficile à saisir notamment à cause de l’échelle géographique des évènements.Peut-être aurait-il fallu contextualiser davantage le problème en restant à uneéchelle locale ou cantonale (Château-Chinon et ses villages proches).

Un autre problème est apparu lors de la séance : les sucres n’étant pastombés dans les zones les plus éloignées de l’impact, les élèves ont eu tendance àpenser que la secousse, dans ces zones, n’avait pas été ressentie. Or, lesvibrations étaient bien présentes mais pas assez fortes pour provoquer la chute

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des sucres. Le terme « ressentir » nécessitait donc d’être explicité. Une façonde prouver l’existence de ces secousses dans ces zones était alors de proposeraux élèves de poser les doigts sur ces zones de la table lors du choc.

En ce qui concerne la mise en place de la démarche scientifique, la feuillephotocopiée distribuée permettant de structurer la démarche a été dansl’ensemble bien perçue par les élèves. On remarque tout de même qu’émettre deshypothèses n’est pas un travail auquel ils sont habitués, ce qui les déstabilise unpeu. Certains ne vont pas oser dire ce qu’ils pensent, d’autres auront du mal àeffectuer des propositions. Un fort obstacle à l’émission d’hypothèses résideaussi dans le fait que pour eux, ce qui est écrit ne peut et ne doit pas êtreerroné, ce qui dans ce genre d’exercice, n’a aucune importance, bien au contraire.

Un autre temps fort de la séance, riche en enseignement pour moinotamment, a été le compte-rendu d’expérience, le mode opératoire en quelquesorte. J’avais proposé dans ma fiche, connaissant leur manque de pratique dansce domaine, de décrire l’expérience réalisée par un schéma suivi d’explicationsécrites. Les productions ont été très diverses, tant au niveau du mode dereprésentation que des explications écrites. En effet, chacun a dû trouver lemoyen de décrire l’expérience par le dessin, et aussi d’exprimer le déroulementtemporel de cette manipulation. L’enchaînement des différentes phases a doncété difficile à percevoir et il a fallu leur faire prendre conscience de deuxétapes dans la schématisation de la situation : la situation finale et la situationinitiale. Cela s’est donc traduit le plus souvent par deux schémas distincts. Il estimportant de noter que les légendes ne sont jamais présentes, ce qui montre queces élèves n’étaient pas familiarisés avec ce style de travail.

Une fois la conclusion donnée, il n’est pas toujours facile pour les élèves deréfuter ou non leur hypothèse : cela leur demande de revenir sur leur travail enamont, et chacun sait que ce n’est pas chose facile pour des élèves de cet âge.Cela demande aussi de comparer cette conclusion à une hypothèse qui n’a pastoujours été bien exprimée, ou complètement hors-sujet.

Nous pourrons voir si la situation par rapport à ce type de démarche est lamême en s’attardant sur la 2ème phase de la séance qui a été réalisée deux joursplus tard.

2ème situation :

L’objectif de cette deuxième situation était de mettre en évidence que lessecousses (ondes sismiques) se propagent en décrivant des cercles concentriquesd’intensité décroissante.

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Le mode d’investigation que j’ai retenu en rapport avec l’objectif visé était detype expérimental. Il fallait observer les ondes créées à la surface de l’eaulorsqu’on faisait tomber un objet au centre de cette surface.

La formulation du problème était encore une fois très délicate, mais lesélèves se le sont approprié assez facilement. C’est ainsi que les hypothèses sontapparues assez clairement, et j’ai même pu remarquer que le concept de cercle aété proposé par plusieurs élèves.

L’utilisation de la fiche photocopiée était déjà intégrée par la majorité desélèves et j’ai été surpris de la rapidité avec laquelle ils avaient saisi la démarche.Voici littéralement une remarque d’élève lors de la deuxième utilisation de cettefiche : « Ah oui, on a un problème, après on dit ce qu’on pense et puis on faitl’expérience pour vérifier » ; relance de l’enseignant : « Et ensuite ? » ; « Et benon dit si on a juste et puis on marque la bonne réponse ». Remplir correctementla fiche photocopiée ne constituait déjà plus un obstacle pour la majorité desélèves.

Si il est apparu assez évident pour eux de conclure que les ondes se déplacenten cercles (le terme « concentrique » n’étant pas d’une importance capitale à ceniveau), l’observation de la hauteur des vagues suivant la distance de l’impacts’est avérée difficile. En effet, le problème n’appelait qu’une seule réponse :comment se propagent les ondes sismiques. Mais lorsque j’ai demandé si ilsn’avaient pas remarqué autre chose, aucun élève n’a relevé l’intensité des vagues.Il aurait donc fallu, pour qu’ils s’en aperçoivent, faire une autre manipulation :formuler le problème, émettre des hypothèses, expérimenter (on peut utiliserdes baguettes de bois posées verticalement dans le récipient, et qui servent detémoin de niveau d’eau…), conclure. La durée de mon stage n’étant pas extensibleet des choix devant être faits, j’ai proposé la conclusion et les élèves ont ensuitevalidé cette proposition par l’observation de la manipulation.

3.3.5. Séance 4 : Comment expliquer ces tremblements de terre ?

3.3.5.1. descriptif de la séance

Objectifs : _ faire comprendre que les tremblements de terre sont provoquéspar une rupture brutale des plaques.

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_ faire comprendre que l'écorce terrestre (la coquille solide duglobe) est constituée de plaques qui flottent sur la roche en fusion.

_ valider ces explications à l'aide d'une modélisation.

Matériel : documents en annexe, modèle des plaques.

Déroulement :

Phase 1 : la terre : une mosaïque de plaques.On a vu comment la terre tremblait, mais maintenant, il faut se poser la questionde savoir ce qui la fait trembler._ distribuer les documents._ Lecture silencieuse._ mise en commun des principaux points retenus (le maître les note au tableau)._ copie de la trace écrite :La coquille solide du globe terrestre est formée de douze plaques qui sedéplacent les unes par rapport aux autres : elles "flottent" sur des roches àplus de 1000°C qui sont partiellement fondues.Le séisme est provoqué par une cassure brutale de roches au foyer du séisme,sous l'épicentre.Coller les documents sur les plaques et le foyer.

Phase 2 : validation de ce modèle._ Présenter la maquette._ Faire expliquer par les élèves en quoi cette modélisation peut être acceptable.(plaques, bâtiments, choc entre deux plaques…)._ réaliser l'expérience plusieurs fois.

Remarque : la présentation du modèle a été fait en fin de cette séancenotamment pour pouvoir se consacrer, lors de la prochaine séance, à la réelleconception d'expériences et ainsi dépasser l'aspect ludique du dispositif.

3.3.5.2. Analyse.

Cette 4ème séance visait un des objectifs notionnels qui est certainement leplus difficile d’accès pour des élèves de début de cycle 3. Il s’agit dorénavant decomprendre les causes d’un tremblement de terre.

La démarche de modélisation, dans ce cadre, m’a semblé très pertinente.Cependant, il me parait difficile, compte-tenu du temps consacré à cette séance

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en classe, de fonder uniquement la séance sur cette démarche. En effet, lemeilleur mode d’utilisation de cette démarche d’investigation serait que lesélèves construisent eux-mêmes un modèle, qu’ils le valident et ensuite qu’ilspuissent l’exploiter pour la résolution d’autres problèmes.Dans le cadre de mon étude, l’élaboration d’une maquette reflétant le mécanismedes séismes me semble être un objectif trop élevé, d’une part à cause du niveaudes élèves et d’autre part à cause du temps qui était fixé pour mener à termecette séquence.J’ai donc opté pour une séance mixte.

Dans un premier temps, j’ai donc décidé d’utiliser l’investigation de typedocumentaire. Le problème été facile à formuler, et il est venu spontanément dela part des élèves : qu’est-ce qui provoque les séismes ? Il est important de noterque cette question est revenue à de nombreuses reprises lors des séancesprécédentes, c’est pourquoi les élèves ont été si enthousiastes de découvrir cequi entraîne les tremblements de terre. La phase d’émission des hypothèses à cesujet étant difficile, j’ai décider de laisser librement les élèves parcourir lesdocuments, et de faire ensuite un retour collectif au tableau. Leur implication aété totale, et leur curiosité naturelle a permis a chacun de trouver lesinformations utiles dans les documents, grâce à une lecture qui prenait là toutson sens. La phase de retour collectif s’est avérée très rapide et complète, laplupart des élèves s’étant appropriés les informations sur des documents de toustypes et les commentaires concernant leurs représentations initiales ont étéfort intéressants.

Dans un deuxième temps, une fois la trace écrite construite collectivement autableau, j’ai choisi de présenter la maquette (voir annexe). C’est ainsi que lesélèves sont entrés dans la démarche de modélisation. Cette entrée ne s’est pasfaite sans problème, notamment en ce concerne la fonction représentative de lamaquette. En effet, lors de la première prise de contact avec le modèle, bonnombre d’élèves ne se sont pas rendus compte de ce qu’il représentait. Ce n’estque grâce à l’intervention de certains élèves que cette idée d’une représentationde la terre leur est parue possible. Les immeubles en bois et le sable posé aufond y sont pour beaucoup : la présence d’éléments se rapprochant du réel esttrès importante. Des interrogations se sont aussi posées sur la fonction desplaques sortant du carton. Devant de telles interrogations, nous avons conclu qu’ilfallait démonter la maquette pour en comprendre son fonctionnement et pouvoirl’utiliser. Collectivement, ils ont donc émis des hypothèses quant à sonfonctionnement et la façon dont elle avait été construite. J’ai ensuite démonté lamaquette afin de découvrir les différents éléments qui la compose.

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Après avoir pris connaissance du système, la maquette a été reconstituée etles élèves ont ainsi pu proposer un mode de fonctionnement. Plusieurs essais ontété réalisés et les résultats ont été validés par les élèves. Une élève a parailleurs souligné le fait que les documents précisaient la possibilité pour lesplaques de se chevaucher ou bien de se cisailler, ce qui n’était pas le cas pour lamaquette. J’ai donc précisé que cette maquette ne représentait quepartiellement un cas possible de séisme, mais en aucun cas la réalité. Il s’agissaitbien d’un « outil à expériences », un modèle pour répondre à des questions quel’on peut se poser ou que l’on s’est déjà posées.

3.3.6. Séance 5 : conception de protocoles utilisant la modélisation, nouveauproblème : la construction des bâtiments.

3.3.6.1. descriptif de la séance.

Objectifs : _ Utiliser la modélisation dans une démarche scientifique. _ Comprendre que les bâtiments sont plus ou moins fragiles suivant

la façon dont ils sont construits.

Matériel : maquette, fiche d'expérience.

Déroulement :

Phase 1 : expérimentation afin de valider les nouvelles notions des séancesprécédentes.

_ proposer de vérifier : que les dégâts sont moins importants quand on s'éloignede l'épicentre en utilisant la maquette._ seule contrainte : les bâtiments doivent être posés sur le sable._ W collectif, le protocole est noté au tableau._ il s'agit seulement de construire l'expérience et de montrer commentfonctionne le modèle.

Phase 2 : Nouveau problème : comment expliquer que certains immeubless'écroulent, d'autres non alors qu'ils sont à la même distance de l'épicentre.

_ W individuel : copie du problème, émission des hypothèses.

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_ W de groupe : proposition du protocole expérimental sur la fiche (1 pargroupe)._ synthèse au tableau groupe par groupe._ choix de l'expérience adéquate._ W individuel : remplir la fiche d'expérience afin de valider ou non seshypothèses._ certaines hypothèses ne trouveront certainement pas de réponseexpérimentale, il faudra leur montrer que ce modèle n'est pas parfait car ilreprésente une partie seulement de la réalité.

Phase 3 : Trace écrite (en groupe classe complet).

On sait construire des immeubles qui résistent aux séismes. Mais leur prix esttrès élevé, c'est pourquoi on en trouve peu dans certains pays à risques. Pourtantles tremblements de terre sont imprévisibles et le seul moyen d'éviter descatastrophes est de réaliser des constructions adaptées dans les zones àrisques.

3.3.6.2. Analyse.

Dans la 1ère phase de cette séance, j’ai proposé à la classe de vérifier laréponse à un problème auquel nous avions répondu précédemment, en utilisantcette fois-ci la maquette.Les élèves devaient donc proposer le protocole expérimental permettant deprouver que les dégâts sont moins importants lorsqu’on s’éloigne de l’épicentred’un séisme. Un obstacle s’est alors posé : où va se trouver l’épicentre ? En effet,pour eux, si l’épicentre est l’endroit où les dégâts sont les plus importants, il leurest difficile de déterminer son emplacement sans pouvoir examiner lesconséquences du tremblement de terre. Le raisonnement doit donc se faire defaçon inverse. La relation entre la position du choc entre les plaques etl’épicentre du séisme n’était pas établie. Une fois ce problème surmonté,l’épicentre localisé, le protocole a émergé rapidement, et l’expérience s’estavérée concluante.

Dans la 2ème phase de la séance, la formulation du problème a de nouveau posédes difficultés aux élèves, et les hypothèses, par le fait, ont été assez pauvres,voire folkloriques. Peut-être le problème posé était-il trop difficile pour desélèves de début de cycle 3, ce qui explique pourquoi les hypothèses ont toutesété erronées. Ceci ne marque pas l’échec de la séance dans sa globalité puisquedes expériences ont été menées à partir de ces hypothèses, et les élèves ont

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ainsi été en mesure de les réfuter. L’utilisation de la maquette a donc été bienassimilée, de même que la démarche scientifique que je leur ai proposé au coursde ces 5 séances.

Je me suis donc vu dans l’obligation de leur préciser qu’on pouvait placer lesimmeubles de différentes façons sur la terre (légèrement enfoncés, beaucoup,pas du tout). A partir de ce moment, chaque groupe a été en mesure de proposerune expérience, la plus souvent judicieuse, 4 groupes sur 6 ayant réussi à isolerune variable et une seule : l’enfoncement des immeubles en terre, sans fairebouger les autres variables.

Cette séance, malgré le niveau des élèves qui pouvait présenter un problème,a été une des plus rentable. La communication inter-élèves s’est faitenaturellement et de façon très constructive, les problèmes et les hypothèsess’enchaînaient très rapidement, les conclusions étaient bien exprimées.L’effervescence de la classe a bien sûr dépassé le plan de la séance, mais il mesemblait plus intéressant de privilégier l’utilisation de la démarche plutôt quel’acquisition des connaissances.

3.3.7. Evaluation.

Tout au long de cette séquence, j’ai eu le souci de mettre en place une réelledémarche d’investigation. C’est donc à cet égard et non pas au point de vue desconnaissances notionnelles sur les séismes que j’ai choisi de porter un regardparticulier concernant l’évaluation. Cependant, je me suis aperçu de la difficultéde cerner des critères de réussite pour un objectif aussi large.

L’évaluation a donc été continue tout au cours de la séquence, selon lescritères suivants qui seront développés ensuite :1) capacité à formuler ou à s’approprier un problème.2) capacité à formuler des hypothèses en rapport à ce problème.3) capacité à construire un protocole expérimental en accord avec le problèmeposé.4) capacité à dégager le résultat de l’expérimentation ou de la recherche et enproposer une interprétation.5) capacité à valider ou réfuter une hypothèse.6) capacité à en déduire une conclusion.

Voici les conclusions que je peux apporter concernant ces différents points :1) La formulation ou l’appropriation d’un problème n’est pas chose facile pour

la majorité des élèves. De plus, le type de problème est un élément tellement

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important qu’une évaluation de la progression des élèves sur ce point sembleimpossible en un temps d’expérimentation si court.

2) Pour ce qui est de la formulation d’hypothèses, l’étude des productions amontré une progression impressionnante des élèves : lors de la 1ère séance, seuls11 élèves sur 23 avaient été capables de formuler une hypothèse qui tiennecompte du problème posé, alors que pour la dernière séance, seuls 2 élèvesrestaient en difficulté par rapport à ce point. Le fait de formuler deshypothèses est bien entendu un élément qui me fait penser que la démarche dansson sens le plus large a été bien assimilée.

3) La construction d’un protocole expérimental n’est apparu qu’à la dernièreséance et, comme nous l’avons vu précédemment, 4 groupes sur 6 ont réussi àproposer un dispositif satisfaisant. Ces résultats ne sont donc pas significatifset il me semble que pour ce type de sujet d’étude, proposer un dispositifexpérimental était un exercice difficile pour des élèves de CE2.

4) Si le fait de formuler un résultat n’a posé aucun problème à l’ensemble desélèves, en proposer une interprétation est plus délicat. En effet, la transpositionde ce résultat est difficile dans le cadre d’une expérimentation, et elle demandedes capacités d’abstraction dont des élèves de CE2 ne semblent pas disposer.Seule la recherche documentaire permet de dégager des interprétationssatisfaisantes. L’aide du maître dans ce domaine est donc indispensable.

5) Valider ou réfuter une hypothèse est une compétence atteinte par 90%des élèves, encore faut-il que leurs hypothèses aient été clairement formulées.

6) Formuler une conclusion pose les mêmes difficultés que pour le critère 4,et nécessite un esprit de synthèse peu en accord avec le niveau des élèves. Bienguidée, une synthèse collective peut cependant aboutir à une conclusionsatisfaisante, et ce travail me semble nécessaire même si il demande du temps.

Au final, je pense pouvoir affirmer que les élèves ont bien cerné la démarched’investigation et ont intégré ce modèle de raisonnement scientifique, même sicertaines étapes sont encore difficiles à réaliser sans l’aide du maître. Un travailà long terme pourrait certainement nous éclairer sur les résultats de ce moded’enseignement.

Les compétences notionnelles n’ont pas été évaluées, ayant déjà manqué detemps pour finir l’expérimentation de ma séquence. L’esprit de cette évaluationaurait pu être de proposer des situations-problèmes concernant les pointsétudiés. Cet élément manquant dans ce mémoire est donc le résultat de lamauvaise estimation temporelle de mes séances, ayant délibérément choisid’exploiter pleinement les situations mises en place en classe.

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CONCLUSION

Aujourd’hui, si tous s’accordent à dire que l’enseignement des sciences àl’école élémentaire est capital tant au point de vue méthodologique, que del’acquisition des connaissances, l’enseignant doit pour cela rendre l’enfant actifafin que ce dernier construise ses savoirs.

Pour ce faire, le maître doit mettre en place une réelle démarched’investigation. Lors de l’expérimentation de cette séquence, j’ai réellement prisconscience de l’importance du choix des formes de travail à utiliser. En effet,chaque problème à résoudre doit trouver un mode d’investigation différent, eton peut même dire que plusieurs formes de travail lors d’une même séancedoivent être envisagées.

La démarche de modélisation m’est apparue comme étant un outil trèscomplet pour la formation à l’esprit scientifique, même si je me suis rapidementrendu compte que les obstacles à son utilisation étaient nombreux. Il me semblecependant que cette méthode mal connue, grâce à une utilisation régulière etbien contrôlée, a un grand rôle à jouer dans l’enseignement des sciences,permettant aux élèves d’avancer dans les différents stades d’abstraction.

Ce travail m’a aussi permis de me rendre compte des multiples compétencesmises en jeu dans l’enseignement des sciences, de la nécessaire complémentaritéde tous les savoirs-faire à utiliser, et de la difficulté pour l’enseignant depermettre aux élèves de construire, au fil des séquences, un raisonnementscientifique.

Le domaine des sciences à l’école primaire apparaît donc pour moi, grâce à larédaction de ce mémoire, comme un extraordinaire sujet de recherchepédagogique pour les années à venir.

BIBLIOGRAPHIE

R.Tavernier : Enseigner la biologie et la géologie à l’école élémentaire. Bordas,1992.

P.Antheaume, M.Dupond, M.Marcel : Découverte du vivant et de la Terre.Hachette éducation, 1995.

J-P.Bonan : Enseigner la physique à l’école primaire. Hachette éducation, 1998.

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M.Develay : article extrait de la revue Aster Expérimentern modéliser N°8,1989.

M.E.N. : Programmes de l’école élémentaire.

Dispositif expérimental pour la simulation de séismes.

Les planches coupées en biais (représentant les plaques), peuvent glisser sue lefond du carton. Lorsqu’on pousse chacune des planches, l’une passe par-dessusl’autre. Le sable posé par-dessus est emmené par ce mouvement et provoque lachute des constructions les plus proches.

Annexe 1 : représentations initiales

Annexe 2 : représentations initiales

Annexe 3 : séance 3, 1ère situation.

Annexe 4 : séance 3, 1ère situation.

Annexe 5 : séance 3, 1ère situation.

Annexe 6 : séance 3, 2ème situation.

Annexe 7 : séance 5.

Annexe 8 : séance 5.

LA DEMARCHE D’INVESTIGATION

Comment utiliser les différentes formes de travail pourl’étude des séismes au cycle 3

Résumé : Ce mémoire montre comment on peut utiliser lesdifférentes formes de travail possibles dans une démarched’investigation ( recherche documentaire, expérimentation) ets’appuie particulièrement sur la modélisation à travers un sujetd’étude : les séismes.

Mots-clés : investigation, modélisation, expérimentation, recherchedocumentaire, séisme.