Enseigner la démarche expérimentale en sciences

Introduction

Perspectives historiques

Un peu d'épistémologie : inductivisme  et falsificationnisme

• L'empirisme, ou le savoir issu des faits de l'expérience. La science (ses lois et théories) est formée, de façon rigoureuse, de faits issus de l'observation et de l'expérience, sans laisser de place aux opinions personnelles des chercheurs. Cette conception, qui remonte au XVII^e siècle (Galilée, Newton), comprend certains problèmes. Tout d'abord, il s'agit de savoir combien d'observations permettront assurément de conclure à la véracité d'une loi : Observer, dans de nombreuses situations, qu'un grand nombre de corbeaux a la couleur noire ne permettra jamais de conclure "Tous les corbeaux sont noirs". Un autre problème est celui des situations : il est impossible de déterminer a priori quelles sont les situations qui pourront éventuellement jouer significativement sur le résultat. Par exemple, si l'on veut déterminer scientifiquement le point d'ébullition de l'eau, quels sont les paramètres qui pourront influencer cette mesure ? (pression, pureté de l'eau, température extérieure, heure du jour, couleur du récipient ? - seules les deux premiers paramètres sont signifiants). Ainsi, avoir des idées sur cette question reviendrait justement à dire que l'on possède une théorie avant toute observation, ce qui n'est pas compatible avec l'inductivisme, qui procède de l'observation vers la théorie. Enfin, un troisième argument est de signaler les problèmes posés par l'observation proprement dite : la perception humaine, on peut le tester aisément, n'est pas exempte de défauts, d'illusions (e.g., illusions d'optique), et l'on n'est donc jamais sûr, par nos sens, d'observer le monde réel ; cette question est encore plus vive lorsqu'on fait intervenir des instruments (e.g., microscope). La classique démarche OHERIC (Observation, Hypothèse, Expérience, Résultat, Interprétation, Conclusion) (voir par exemple Giordan, 1999).
  

• Le falsificationnisme, ou le progrès par essais et erreurs. Les théories sont de simples conjectures, des suppositions, qui tentent de répondre aux questions non résolues par les théories précédentes. On les teste le plus rigoureusement possible, on les confronte à l'observation et l'expérience, et l'on élimine celles qui n'y résistent pas. Ainsi, on ne dira jamais qu'une théorie est vraie, mais seulement qu'elle est la meilleure possible à cette date. L'approche scientifique falsificationniste est donc différente de la précédente : ici, l'on formulera les théories de manière à ce qu'elles soient falsifiables (i.e., qu'on puisse produire des énoncés ou des observations qui lui sont contradictoires). Par exemple, la proposition "On peut avoir de la chance dans les paris sportifs" reste vraie que la personne joue ou pas et, si elle joue, qu'elle gagne ou pas" ; et il suffira d'observer un seul corbeau blanc pour invalider l'assertion "Tous les corbeaux sont noirs". Cette approche darwinienne a été formulée par Popper (1998). La démarche Question, Hypothèse, Expérience (Giordan, 1999), peut rentrer dans cette approche, du moment que la question soit falsifiable, et qu'on soit attentif au fait qu'aucune expérience ne réfute exactement l'hypothèse de départ.
  

Comment mettre en oeuvre une démarche expérimentale d'investigation ?

Un document d'application des programmes en sciences, du MEN (2002) contient un canevas d'une séquence (Le même document contient, à l'attention des cycles 3 (élémentaire), d'intéressantes mise en oeuvre de situations : - Que deviennent les aliments que nous mangeons ? - Quelle heure est-il à Paris, Pékin ou Sydney ? - Le fonctionnement du levier. - Comment savoir d'où vient le vent ?)

1. Choix d'une situation de départ, compatible avec les programmes, le projet de cycle, les ressources disponibles, les centres d'intérêt locaux, l'intérêt des élèves.
2. Formulation du questionnement des élèves, guidée par l'enseignant qui reformule éventuellement les questions, les recentre sur le champ scientifique, favorise l'amélioration de l'expression orale des élèves ; émergence des conceptions initiales des élèves, confrontation des divergences de points de vue.
3. Elaboration des hypothèses et la conception de l'investigation (par groupes), formulation orale de l'hypothèse, élaboration éventuelle de protocoles pour (in)valider les hypothèses ; élaboration d'écrits et schémas précisant ces derniers ; prédiction du résultat de l'expérience ("que va-t-il se passer selon moi", "pour quelles raisons ?") ; communication orale à la classe des hypothèses et protocoles proposés dans les groupes.
4. L'investigation conduite par les élèves, débat par groupes pour déterminer les modalités de mise en oeuvre de l'expérience ; contrôle de la variation des paramètres ; description de l'expérience (écrit + schémas), relevé précis des conditions de l'expérience (s'assurer de sa reproductibilité) ; traces écrites personnelles des élèves.
5. L'acquisition et la structuration des connaissances, comparaison et mise en relation des résultats des différentes expériences ; confrontation avec le savoir établi (documentation) ; recherche des causes d'éventuels désaccords, analyse critique des expériences, formulation écrite par les élèves avec l'aide du maître, des connaissances acquises ; réalisation de productions de communication des résultats.

Et les élèves, comment s'y prennent-ils ?

• Les expériences imitées : trouvées dans des livres, des manuels et reproduites telles quelles. Elles ne permettent pas l'appropriation de savoirs, ni de compétences en rapport avec l'expérimentation.
• Les expériences pour voir : imaginées par un ou plusieurs élève(s), qui ont une intuition et réalisent une expérience pour voir ce qu'elle donne. Bien guidées par l'enseignant (qui demande à l'élève d'expliquer ce qu'il suppose, et pourquoi), elles peuvent mener à une démarche intéressante.
• Les expériences pour vérifier : dans ce type d'expériences, l'enseignant va demander à l'élève s'il est sûr de ce qu'il avance. Cela va l'amener à douter, chercher d'autres moyens de vérification, voire d'autres expériences ou interprétations pour se justifier.

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Références de base