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Les sciences de la Terre et de l’Univers (STU) : des recherches didactiques qui questionnent leurs caractéristiques épistémologiques

Earth and Universe sciences : researches in science education that question their particular features
Laurence Maurines et Denise Orange Ravachol
p. 9-36

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Texte intégral

1Les sciences de la Terre et de l’Univers (STU) constituent un champ de savoir et un ensemble de pratiques qui s’enracinent dans l’histoire naturelle. En se centrant sur des problèmes et des objets spécifiques, elles se sont développées en se diversifiant en de nombreuses disciplines et sous-disciplines : astronomie, cosmologie, géologie, climatologie, etc. Certaines sont porteuses de débats sur les relations science-métaphysique et science-religions, d’autres se voient de plus en plus associées à des questions sociétales (environnement, risques naturels, etc.).

2Participant d’un mouvement international, les demandes institutionnelles relatives à l’enseignement des sciences ont évolué au cours des vingt dernières années en France. Les programmes du primaire et du secondaire appellent à la formation de futurs citoyens, capables de comprendre les débats sociétaux impliquant les sciences, de faire des choix responsables et de participer à la vie démocratique. Démarches d’investigation, de projet, interdisciplinarité, histoire des sciences, TICE, compétences, autant de mots-clés et de leviers envisagés pour former les élèves. Plus récemment, ces demandes ont touché l’enseignement supérieur : appel à la mise en place d’un continuum bac-3 bac+3, réforme des programmes des classes préparatoires scientifiques.

3C’est dans ce contexte de renouvellement des visées et des méthodes d’enseignement que le comité de rédaction de RDST a souhaité faire un nouveau point sur les recherches menées dans le champ des STU. Ce numéro s’inscrit ainsi dans la continuité des numéros 20 et 21 de la revue Aster (1995) portant sur l’enseignement de la géologie et du numéro 36 (2003) portant sur celui de l’astronomie.

4Quatre articles en composent la partie thématique. Il va sans dire qu’à eux seuls, ils ne peuvent pas rendre compte pleinement des recherches didactiques sur les caractéristiques des sciences de la Terre et de l’Univers, des inflexions récentes dans les instructions officielles relatives à leur enseignement, des conditions d’appropriation d’une véritable culture scientifique par les élèves en STU. Pour autant, parce que la plupart d’entre eux ne mettent pas en jeu la dimension de science historique des STU, ils obligent à repréciser les caractéristiques épistémologiques de ces sciences, les principes, présupposés et valeurs qui les portent, et la manière dont les programmes d’enseignement français les prennent en compte. Ce sont les axes d’approfondissement qui structurent notre article d’introduction. Nous ponctuons cet ensemble en l’ouvrant sur ce qui se travaille en didactique des STU dans un contexte élargi à l’international.

1. Présentation des articles de la partie thématique du numéro 14 de RDST

5Bien que l’appel à contribution concernait les STU, tous les articles reçus, dont les quatre composant ce dossier, s’inscrivent dans le cadre disciplinaire scolaire des sciences de la vie et de la Terre (SVT). Parmi les contributions retenues, trois se rapportent à la géologie, la quatrième à la biologie. Les premières explorent des problèmes fonctionnalistes, relatifs au fonctionnement actuel de la Terre, la dernière s’intéresse à l’évolution des vivants, un problème historique majeur des sciences de la vie.

1.1. Les articles portant sur des problèmes fonctionnalistes en sciences de la Terre

6L’article de Santini et Sensevy met en jeu deux professeurs, l’un novice, l’autre expérimenté, et des élèves de fin d’école primaire en prise avec le fonctionnement du sismographe. Comment construisent-ils une signification partagée ? Leur étude s’inscrit dans le cadre de la théorie de l’action conjointe en didactique. Elle vise à « comprendre l’action didactique par la description de la logique interne des pratiques étudiées ». En s’appuyant sur un corpus constitué de séances d’enseignement entièrement filmées et d’entretiens avec les enseignants, les auteurs modélisent l’action didactique en une succession de jeux d’apprentissage. Ils portent une attention particulière aux gestes des enseignants renvoyant au fonctionnement du sismographe et à la production de sismogramme, et aux analogies avec l’écriture constitutive de ces jeux dont ils sont porteurs, en articulation avec le discours. Le sismographe, désormais image d’Épinal d’un appareil enregistreur des séismes pour le scientifique, se prête plus aisément à des possibilités d’apprentissage sur les séismes que le sismomètre moderne. L’étude de son usage ne doit cependant pas se limiter aux « discours sur ». Geste et analogie sont heuristiques pour la classe, mais aussi pour le chercheur en didactique qui peut y déceler des représentations erronées d’enseignants. C’est aussi le cas du problème de la sismicité terrestre, dont l’approche scientifique exige de la cerner à différentes échelles d’enregistrement (macro et microsismicité), et de maîtriser les analogies que l’on peut faire pour comprendre le fonctionnement des sismographes.

7La contribution de Schneeberger, Kaspar, H. Goix, M. Goix et celle de Chalak porte sur les conditions de la formation de magma sous une dorsale et dans les zones de subduction, telles qu’elles peuvent être étudiées en lycée.La première s’intéresse aux conditions de la fusion partielle des roches sous une dorsale en classe de Première scientifique (élèves de 16-17 ans, grade 11). Les séances observées concernent les classes de deux enseignants cherchant à expliquer pourquoi le magma formé sous la dorsale a une composition différente de celle de la péridotite d’origine. L’étude tente de repérer les difficultés qu’ont les élèves pour appréhender le concept de fusion partielle, un concept à l’interface des sciences de la vie et de la Terre et des sciences physiques et chimiques. Il s’agit pour eux de passer d’un point de vue macroscopique à un point de vue particulaire. Des appuis épistémologiques (évolution des idées sur la formation des magmas et des roches dans la communauté scientifique) et didactiques (obstacles et « nœuds d’obstacles », pratiques langagières et construction de savoirs scientifiques) servent l’interprétation des productions des élèves. Ainsi, la conception macroscopique, continue et non-particulaire de la matière, fréquente chez les lycéens, représente-t-elle un obstacle à la compréhension du phénomène de la fusion partielle. L’étude de cas poursuivie par les auteurs précise ainsi les transformations cognitives et langagières nécessaires à la construction de ce concept et elle en montre la faisabilité chez les élèves, tout en soulignant dans quel contexte de tensions se trouve l’enseignant : faire que les élèves s’approprient le formalisme des géologues, produisent et/ou fassent fonctionner des modèles dont ils interprètent avec vigilance la signification, s’acculturent à la géologie en s’instaurant en communauté discursive critique.

8Un certain nombre de travaux en didactique ont montré l’importance des débats dans la construction, par les élèves, de savoirs scientifiques raisonnés (apodictiques). La deuxième contribution, celle de Chalak, questionne ce qui peut faire que la problématisation peut être entretenue au-delà de ce moment, l’attraction vers la solution à retenir étant telle que le risque est grand de négliger les raisons qui la portent. Elle se focalise sur le rôle des « caricatures », qui reprennent, homogénéisent la forme et dépersonnalisent les caractéristiques fonctionnelles de certaines productions de groupes. En quoi contribuent-elles à maintenir les élèves dans un régime de fonctionnement orienté vers le possible et le nécessaire, à les inciter à argumenter, et ainsi à contrer leur tendance à verser vers le vrai (et le faux) des solutions ?Une séquence forcée sur le volcanisme des zones de subduction dans une classe de Terminale S (33 élèves) sert de support à l’étude, l’enjeu d’apprentissage étant de construire la nécessité d’une fusion localisée du manteau par l’intervention de plusieurs facteurs, dont la température. Après avoir proposé des explications d’un tel volcanisme, après avoir débattu sur la possibilité de telles explications, les élèves sont confrontés aux 3 modèles explicatifs majeurs de la classe (des « caricatures »), juste après le débat puis suite à l’étude de documents avec, à chaque fois, la tâche d’écrire si ces modèles sont possibles ou non, et pour quelles raisons. L’évolution des explications et des argumentations montre que le travail sur les « caricatures » permet de conserver des traces de la problématisation du débat, de faire apparaître les explications privilégiées ou rejetées par les élèves, et, suite à l’étude de documents, de réinterroger des arguments, donc de contribuer au maintien d’un régime de problématisation.

9Les problèmes géologiques en jeu dans ces trois contributions sont des problèmes fonctionnalistes : ils portent sur la compréhension du fonctionnement actuel terrestre, son volcanisme et sa sismicité, bien représentés dans les programmes du secondaire. Compte tenu de ce que l’on sait de la structure de la Terre, leur étude conduit à rechercher des conditions de possibilité de fusion partielle en termes de réarrangement de la matière à un niveau atomique ou bien en termes de pression, température, teneur en eau en des zones particulières du globe et en lien avec les mouvements lithosphériques. Comme d’autres problèmes fonctionnalistes présents dans les programmes, par exemple l’explication des singularités de la planète Terre comparativement aux planètes proches d’elle, ils conduisent à se défaire d’un raisonnement monocausal (une augmentation de la température terrestre suffirait à provoquer la fusion de roches ; la distance au Soleil expliquerait à elle seule la température de surface de la Terre).

1.2. Un article portant sur un problème historique en sciences de la vie

10Le choix de retenir un article en sciences de la vie peut étonner. Nous pensons qu’il a sa place dans ce numéro de RDST consacré aux STU, parce qu’il témoigne des parentés épistémologiques qu’entretiennent la biologie et la géologie (Orange & Orange, 1995) et des liens unissant les problèmes d’évolution de la Terre et des vivants. La contribution de Fortin et Reier-Røberg s’intéresse en effet à l’explication de l’histoire des vivants sur la Terre et elle étudie les types de causalités mobilisés par des élèves de Seconde confrontés à ce problème au regard de celles des scientifiques. Ces auteures rappellent que si certains scientifiques (Lederman, 1992, 2007) privilégient l’unité des méthodes et des explications scientifiques, d’autres défendent une approche plus disciplinaire, en particulier, pour la biologie de l’évolution en tant que science historique (Rudolp, 2000 ; Dagher & Boujaoude, 2005). C’est ce dernier positionnement qu’elles adoptent, ce qui les conduit à complexifier la causalité explicative « à la fois structuro-fonctionnelle et historique » et à faire de la distinction et de l’articulation de causes proximales et de causes ultimes un vrai enjeu éducatif, dans un contexte sociétal où les croyances religieuses prennent de l’importance et où le rabat des sciences sur leur dimension expérimentale favoriserait la non-acceptation de l’évolution. En se basant notamment sur des études didactiques en sciences physiques et en sciences de la Terre (Viennot, Orange Ravachol), Fortin et Reier-Røberg, donnent à voir les raisonnements causaux fréquemment mis en jeu par les élèves pour construire de l’histoire, et la nécessité de les engager dans des problématisations intégrant la contingence pour construire des événements. Ces appuis épistémo-didactico-langagiers servent la construction d’une enquête réalisée auprès de 431 lycéens de seconde (15-16 ans) et l’analyse de ses résultats en termes de positionnement épistémologique des élèves quant à la nature du lien causal et des agents causaux des extinctions et/ou transformation des espèces et au rôle causal qu’ils attribuent aux mutations et à la sélection.

11Il ressort de cette étude que chez un certain nombre de lycéens, l’idée d’un Dieu créateur des espèces animales et végétales n’exclut pas l’idée qu’il puisse y avoir évolution de ces espèces, « l’explication causale de l’histoire du vivant ne relève pas d’une création divine ou d’un projet intelligent ». Ce sont les contraintes qui s’exercent sur le vivant qui jouent, notamment par les mutations qu’elles provoquent. Ils mobilisent des explications pluri-causales mais, à la différence des scientifiques, peu imaginent que les mutations soient l’objet d’une sélection ou qu’elles se produisent par hasard.

12L’absence d’article sur l’astronomie ancré dans l’enseignement de physique-chimie interpelle. Pourrait-elle résulter, tout au moins en partie, de l’apparente stabilité des programmes scolaires ? Si à notre connaissance, le thème « Univers » proposé par les programmes de seconde ne semble pas avoir été perçu comme un potentiel objet de recherche, il existe quelques travaux récents en lien avec les éléments de relativité restreinte introduits en terminale S. Ceux-ci concernent les conceptions des étudiants sur les concepts de simultanéité et l’impact d’un dispositif de simulation 3D (Maisch et al., 2015). Notons également l’existence d’études portant sur l’élaboration et la validation de séquences d’enseignement fondées sur l’histoire des sciences. Celle de Maron (2015) porte sur la gravitation et vise notamment à travailler la difficulté conceptuelle liée au fait que la loi est valable non seulement sur Terre, mais partout dans l’Univers. Celle de Journaux et Maurines (2014) porte sur la transition géo-héliocentrique et vise à travailler les relations science-croyance : il s’agit d’aider les élèves non seulement à distinguer deux domaines de connaissances (scientifique et religieux), mais aussi à percevoir l’existence et l’évolution de présupposés fondateurs des modèles scientifiques.

2. Les STU, sciences pluridimensionnelles

2.1. Un changement d’approche récent des travaux sur les sciences

13Dans la préface d’un livre paru en 2014, Soler, Zwart, Lynch et Israël-Vost soulignent qu’au cours des quarante dernières années, un changement d’approche est apparu dans le champ des études sur les sciences. Désigné par l’expression « le tournant pratique », il consiste à abandonner une vision normative et trop idéalisée de la science et à adopter une approche descriptive des sciences telles qu’elles sont pratiquées. Ce tournant, pointé en sociologie des sciences et en philosophie de l’expérience, conduit à s’intéresser non plus uniquement aux savoirs et produits, mais aussi aux modalités et aux contextes d’élaboration, à tenir compte d’aspects implicite, matériel, collectif, psycho-social, à proposer une histoire fondée sur les raisons des acteurs du passé et non jugée à partir du présent. Il contribue également à la mise en relief de similitudes et spécificités disciplinaires.

  • 1 Il est à souligner que la question d’une vision unifiée se pose à l’intérieur même de la physique (...)

14S’il est un point mis en avant par de nombreux auteurs, c’est la nécessité d’abandonner une vision homogène des sciences, une vision élaborée au dix-neuvième siècle à partir de la physique1, autrement dit la vision d’une science fondée sur l’expérimentation et cherchant à interpréter des phénomènes et à les prédire par l’établissement de lois. Est notamment soulignée l’existence de différences entre les disciplines scientifiques à propos des activités réalisées, des démarches suivies et des problèmes étudiés. Différentes dénominations et catégorisations des sciences sont avancées selon l’angle d’approche retenu.

2.2. Plusieurs approches des différentes dimensions des STU

15Des scientifiques, philosophes et des épistémologues ont depuis longtemps mis en valeur la dimension historique des sciences de la Nature (Mayr, 1989 ; Gayon, 1993 ; Gould, 1991). Gould (ibid., p. 307-308) écrit que « Dans de nombreux domaines – la cosmologie, la géologie, et l’évolution, entre autres –, les phénomènes naturels ne peuvent être élucidés qu’avec les outils de l’histoire » et il ajoute que, de par leur complexité et le caractère unique et contingent des événements, « La traditionnelle « méthode scientifique » ne peut venir à bout des phénomènes historiques » (ibid.).

16À la suite de ces auteurs et en s’appuyant sur le travail de Dodick, Argamon et Chase (2009), Gray (2014) distingue les sciences historiques des sciences expérimentales (tableau 1) et dégage des différences non seulement sur le plan des visées et des explications, mais aussi des démarches de preuve. Il regroupe la paléontologie, la cosmologie et la biologie évolutionniste dans les sciences historiques ; la chimie, la physique et la biologie moléculaire dans les sciences expérimentales. Les premières accordent une place importante aux « traces du passé » comme moyens de reconstituer des chaînes causales et complexes d’événements. Les secondes reposent sur la construction et le test d’hypothèses explicatives des phénomènes. Ce faisant, Gray donne à voir des méthodologies caractéristiques de ces sciences et montre combien elles sont élaborées et non exclusives : les sciences historiques recourent en effet à de l’expérimentation ; la catégorisation sciences expérimentales/sciences historiques est davantage à voir comme un continuum que comme une partition tranchée.

Tableau 1 : comparaison des sciences historique et expérimentale (Gray, 2014, p. 331 ; d’après Dodick et al., 2009)

Sciences expérimentales Sciences historiques
(epistemic goal)Objectif épistémique Etablissement de lois générales ou d’assertions relatives aux phénomènes naturels (par exemple la théorie cinétique moléculaire) Etablissement des causes de phénomènes passés à partir de traces actuelles (par exemple la tectonique des plaques comme cause de phénomènes géologiques variés)
Nature des phénomènes étudiésMode d’établissement de faits Entités comparables et interchangeables (les atomes par exemple)Expérimentation sur des phénomènes naturels pour tester une unique hypothèse (souvent complexe) hypothèse (l’expérience de Geiger-Marsden par exemple) Entités complexes et uniques (le Big Bang par exemple)Observation de phénomènes naturels (pour tester plusieurs hypothèses concurrentes)(par exemple la mesure de la teneur en Iridium à la limite Crétacé/Tertiaire)
Standard de qualité Prédiction valide (par exemple, prédiction de la déviation de la lumière par le soleil pour tester la théorie de la relativité Explication valide (par exemple, la large gamme de faits expliqués par la théorie de l’évolution)

17De son côté, en choisissant de s’intéresser non pas aux démarches de preuve, mais à la construction des problèmes (à la problématisation), Orange Ravachol (2005, 2012) situe les sciences de la Terre entre un pôle fonctionnaliste (elles étudient le fonctionnement actuel de la Terre) et un pôle historique (elles reconstituent l’histoire de la Terre), pôles qu’elles articulent nécessairement (le fonctionnement actuel de la Terre est lié à son histoire et l’histoire de la Terre tire sa scientificité de références au présent). Dès lors, ces sciences ne peuvent se suffire dans leurs explications des lois physico-chimiques élémentaires, qui affranchissent du temps et de l’espace. Penser la Terre comme un objet d’étude complexe et inscrit dans une histoire, oblige à étudier ses changements non pas seulement en termes de lois empiriques ou de causes entraînant un effet, mais en termes de conditions de possibilité pour que l’effet existe. La distinction entre problème fonctionnaliste et problème historique renvoie ainsi à une prise en compte spécifique du temps. Il ne suffit pas d’introduire des temporalités allant au-delà du temps humain, ni des durées immenses. Ce serait, d’une part, courir le risque de tomber dans du temps long magique et des histoires de la Terre cantonnées à de l’invention (des géogonies), d’autre part, laisser de côté la mise en jeu de la contingence, qui seule caractérise « un récit vraiment géohistorique comportant un sens de la complexité imprévue et de la singularité de l’histoire » (Rudwick, 1997, p. 122). La production d’explications fonctionnalistes et/ou de reconstitutions historiques en sciences de la Terre exige de mettre en jeu des causalités complexes, de construire des formes de temps élaborées, de pratiquer des expériences de pensée mises sans cesse sous le contrôle d’une articulation entre le passé et le présent (le principe d’actualisme dont nous parlerons plus loin). Les réduire à de l’expérimental ou à des récits est impossible (Gould, 1991. Ces caractéristiques fondent les parentés épistémologiques entre les sciences de la Terre, les sciences de l’Univers et les sciences de la vie. Elles constituent l’assise particulièrement heuristique de plusieurs recherches récentes en didactiques francophones (Orange Ravachol, 2003, 2012 ; Orange Ravachol & Beorchia, 2011 ; Orange Ravachol & Orange, 2012 ; Gobert, 2014 ; Paulin, 2015 ; Dessart & Triquet, 2015).

18Nous voyons des convergences d’approches entre les travaux anglo-saxons et francophones. Cependant, même si leurs assises épistémologiques sont pour partie comparables (Whewell, 1847 ; Mayr, 1989 ; Gould, 1991), il nous semble que la distinction sciences fonctionnalistes/sciences historiques (Mayr, 1989, que nous retenons, est plus opérante que la distinction sciences expérimentales/sciences historiques, en particulier parce qu’elle permet d’appréhender davantage la complexité des sciences en jeu. C’est le cas pour la biologie et la géologie : dans les phénomènes que ces sciences étudient particulièrement dans la nature actuelle (le fonctionnement du corps humain ou de la Terre), tout ne peut pas donner lieu à une mise à l’épreuve expérimentale au sens strict.

3. Les STU comme entreprise humaine fondée sur des principes, présupposés et valeurs

3.1. Le paradigme et les différentes qualités du consensus

19En introduisant la notion de paradigme dans la Structure des révolutions scientifiques en 1962 et en le précisant dans la postface de la seconde édition en 1969, Kuhn propose une conception de la science et du progrès scientifique qui accorde une place non négligeable aux facteurs psychologiques et surtout sociaux. Elle a ceci « d’original que sont mis en évidence certains aspects non verbaux de l’activité scientifique – certaines compétences pratiques effectives, mais non explicitées et pas toujours explicitables – » (Soler, 2009, p. 225). Présenté comme un cadre conceptuel et instrumental assez large, suffisamment précis pour favoriser un travail collectif, mais également assez ouvert afin de ne pas empêcher toute initiative personnelle, le paradigme est défini comme ce qui fait consensus au sein d’une communauté en régime de science normale. Mais comme le souligne Soler, il existe « différentes qualités de consensus » (ibid., p. 232) : « affirmer que la recherche scientifique est structurée par quelque chose de commun aux membres de la communauté, ce n’est pas soutenir qu’aucune divergence n’existe entre ces membres, ni que tous les scientifiques sans exception s’accordent exactement sur les mêmes choses ».

20C’est pour les généralisations symboliques (formules mathématiques ou expressions sous formes verbales) que le consensus est le plus grand, sans être pour autant nécessairement total : « ce qui fait l’objet du consensus, c’est la forme des généralisations symboliques et non pas forcément tous les détails de l’interprétation physique susceptible d’y être associée » (Soler, ibid., p. 227). Le consensus est moindre pour les métaphores, les analogies qui contribuent à déterminer ce qui est accepté comme explication. Les scientifiques peuvent différer dans leurs préférences personnelles et ne pas leur accorder le même statut (ontologique ou heuristique). De plus, même si les scientifiques partagent en général les valeurs témoignant d’un idéal de scientificité (précision, simplicité, fécondité, cohérence, complétude), ils peuvent les appliquer de manière différente, notamment à cause d’une hiérarchie différente de valeurs.

21Dans ce qui suit, après avoir rappelé le noyau consensuel minimal des présupposés fondateurs de tout travail scientifique relatifs à la réalité, nous examinerons différents éléments du paradigme des STU et mettrons en évidence différentes qualités de consensus. Nous nous intéresserons tout d’abord à trois principes constitutifs du paradigme des STU et verrons que l’un d’entre eux, le principe anthropique, est l’objet d’une divergence d’interprétation. Nous terminerons en illustrant l’existence de hiérarchies différentes de valeurs en prenant le cas de la transition géo-héliocentrique.

3.2. L’assise constituée par le noyau minimal consensuel

22L’activité scientifique repose sur des présupposés rarement explicités relatifs à la réalité et à la connaissance que l’on peut en avoir. Si les débats entre réalistes et idéalistes remontent à l’antiquité, ils ont été renouvelés au début du vingtième siècle suite aux avancées de la physique et ne sont pas clos. Il est possible d’affirmer que l’activité scientifique est fondée sur un présupposé minimal relatif à l’existence d’une réalité extérieure à l’esprit. Cohen Tannoudji, physicien théoricien, l’explicite de la manière suivante (2010, p. 138) : « la « matière » désigne l’ensemble de la réalité objective qui existe indépendamment de – et antérieurement à – la connaissance que l’on peut en avoir [...] cette réalité est en droit, et en principe, intelligible, même si cette intelligibilité est toujours partielle, provisoire et révisable : ce ne peut être une connaissance exhaustive. Il s’agit là d’un présupposé minimal, en d’autres termes la seule alternative à ce matérialisme est le solipsisme ».

  • 2 Lecointre (2012) met également en avant deux présupposés relatifs au mode d’élaboration des connais (...)
  • 3 Pour plus de détails sur les présupposés fondateurs de l’activité scientifique, voir les études de (...)

23Outre l’idée d’une connaissance possible, mais toujours limitée, sont présentes celles d’un réalisme de principe et d’un matérialisme méthodologique pour reprendre les deux expressions du zoologiste et systématicien Lecointre (2012)2. Ainsi, il existe une réalité extérieure à l’esprit ; si celle-ci est supposée constituée de plusieurs plans, la connaissance scientifique ne porte que sur le plan de réalité désigné par matière, autrement dit les questions explorées et les réponses apportées par les sciences ne peuvent concerner que ce plan. De plus, pour que la connaissance scientifique soit possible, la réalité objective possède un « ordre » inhérent et n’est pas modifiée par l’ordre divin si celui-ci est supposé exister3.

3.3. La portée heuristique des principes

24Certains énoncés, appelés principes, occupent une place singulière dans la mesure où, premiers, ils conditionnent la possibilité d’élaboration de nouvelles connaissances d’un champ disciplinaire donné. Ils sont partie prenante de la composante théorique du paradigme et même s’ils ne sont pas toujours rappelés par les scientifiques, ils conditionnent fortement le travail des problèmes.

25Parmi les principes fondateurs des STU, il est possible de repérer celui de l’universalité des lois physiques décrétée au XVIIe siècle par Newton (1643-1727) et celui de l’actualisme mis en valeur au début du XIXe siècle par Whewell (1794-1866) pour caractériser les sciences ayant une dimension historique (sciences qu’il qualifie de palétiologiques). Quant à la cosmologie, elle repose de plus sur les principes cosmologiques et anthropiques. Examinons certains de ces principes de plus près.

3.3.1. Le principe d’actualisme

26Dans la mesure où les regards se portent désormais davantage sur la pratique des sciences (section 2.1) et compte tenu de la double dimension des STU et des sciences de la vie (section 2.2), le travail des problèmes historiques mérite attention. En effet les problèmes historiques se posent et se construisent d’une manière différente des problèmes fonctionnalistes. Si le travail de ces deux types de problèmes consiste bien à co-construire et à articuler un registre des modèles et un registre empirique (roches, structures tectoniques, fossiles, etc.) (Orange Ravachol, 2012), il ne suffit pas à dégager des nécessités fonctionnelles contraignant les explications possibles, ni à construire une histoire de la Terre et/ou des vivants et/ou de l’Univers présentant elle aussi un caractère de nécessité. Comment, par exemple, expliquer la formation des chaînes de montagnes ? Pourquoi les géologues rejettent-ils l’idée d’un cataclysme, brutal et bref donc, qui aurait fait surgir les Alpes en quelques instants ? Comment expliquer l’émergence des mammifères dont des Hominidés ? Comment expliquer la formation de l’Univers, et l’émergence de la vie dans cet Univers ?

27L’histoire des sciences de la Terre est instructive sur ces questions : elle donne à voir, avant le XIXe siècle, des explications variées, mobilisatrices de catastrophes, sans véritable moyen de contrôler les explications possibles. La géologie n’a pu se constituer comme science, au tournant du XIXe siècle, que par l’établissement d’un principe fort qui limite ces possibles : le principe de l’actualisme (Whewell, 1847). Comme le présente Gohau (1997, p. 140), le principe de l’actualisme énonce que « le présent est la clé du passé, ou que les causes qui ont agi au long de l’histoire de la Terre ne diffèrent point essentiellement des causes géologiques actuelles ». La mobilisation de ce principe est essentielle car elle empêche d’avoir systématiquement recours à des événements ad hoc (« catastrophes ») pour expliquer l’histoire de la Terre et de l’Univers, et celle de la vie. Ce faisant, elle ramène les événements passés à des phénomènes identifiés aujourd’hui et elle oblige les scientifiques à construire la nécessité d’un temps long (des durées bien supérieures à ce que peut observer l’Homme) pour rendre compte d’une histoire de la Terre à partir de traces dont on ne voit pas directement de réalisations semblables aujourd’hui. Ainsi, le travail des problèmes historiques en sciences de la Terre et de l’Univers et en sciences de la vie a-t-il essentiellement comme méthode de ramener les événements passés à des phénomènes présents, ce qui d’une certaine manière « tue » l’Histoire. Mais cette réduction d’événements à des phénomènes a ses limites. C’est en particulier le cas lorsque le problème travaillé met en jeu plus ou moins directement l’histoire de l’Homme, autrement dit s’installe dans le contexte d’une histoire révolue donc unique. Comment expliquer la survenue d’un tel événement de cette histoire, lui qui aurait pu ne pas se produire (la contingence qui marque l’Histoire qui se déroule), lui qui, par son existence même, rend nécessaire des événements qui l’ont précédé (une rétrodiction événementielle) ? Comment penser cette contingence qui fait événement ? Comment construire des nécessités événementielles en articulant ce qui se joue dans un sens chronologique (l’ouverture de possibles en termes de bifurcations historiques) et ce qui se joue dans un sens anti-chronologique (la fermeture de certains possibles et la construction de nécessités événementielles) ? La démarche historique à l’œuvre est marquée d’expériences de pensée, telles que Gould (1991) les décrit. Il s’agit de rembobiner l’histoire et de la re-débobiner pour se demander si on obtiendrait la même histoire (figure 1).

Figure 1 : la contingence et la construction rétrospective des événements historiques (Orange Ravachol, 2012)

Figure 1 : la contingence et la construction rétrospective des événements historiques (Orange Ravachol, 2012)

28Nous venons de mettre en valeur la portée scientifique heuristique du principe d’actualisme dans le cadre de problèmes géologiques et biologiques. Cette aptitude se retrouve aussi pour les problèmes des sciences de l’Univers, lorsqu’il s’agit de reconstituer des situations et des événements relevant du passé du cosmos, par des appuis sur ce qui se joue dans le temps présent. À quoi tient donc une telle fécondité de ce principe ? À sa qualité de « principe formel général, parfaitement légitime, d’ordre méthodologique » qu’il ne faut pas confondre « avec le système ou la loi qui en sont une « matérialisation » particulière » (Hooykaas, 1970, p. 272). Faire de l’actualisme une loi serait vouloir qu’il s’applique à tous les cas, avec le risque de le scléroser et de sombrer dans le déterminisme. Le prendre comme principe méthodologique, et donc fonder les explications sur « l’analogie des événements anciens, non seulement sur ce qui se passe effectivement dans le présent, mais encore sur ce qui pourrait s’y passer » (ibid., p. 273), d’une part, ouvre une palette de possibles explicatifs, d’autre part, confère un intérêt scientifique à ce qui dans la nature pourrait être trop vite catalogué, selon un cadre « légaliste », à de l'« extraordinaire », de l’illogique ou de l’irrationnel.

3.3.2. Le principe cosmologique

  • 4 La région de Hubble est définie par la longueur c/H où H est la constante de Hubble.

29Si la géologie, et plus largement les sciences de la nature historiques, repose fortement sur le principe de l’actualisme, la cosmologie s’appuie également sur le principe cosmologique qui pose que l’univers est homogène et isotrope à une très grande échelle. Kragh (2011) note que si ce principe est étayé par des preuves empiriques dans la mesure où il est globalement en accord avec les données d’observation, celles-ci ne disent rien de la structure de l’univers au-delà de la région de Hubble4 à laquelle seule nous pouvons avoir accès. Questionnant le statut épistémique du principe cosmologique, Kragh conclut qu’il porte en soi un élément de croyance et que la cosmologie repose sur des présupposés métaphysiques. Il signale que ce n’est pas le propre de la cosmologie, mais que c’est aussi le cas de la physique « ordinaire ». Il note ainsi que les lois fondamentales de la physique, telles que les lois de Newton (ou d’Einstein) pour la gravitation ou la loi de conservation de l’énergie, sont supposées valables dans tout l’Univers, ce qui est invérifiable, exactement comme l’est le principe cosmologique. Il souligne alors que ce n’est pas la vérifiabilité qui importe, mais la falsifiabilité, et poursuit son exploration des problèmes liés au concept d’univers, de création cosmique, d’origine et de commencement du temps. Rapprochant les changements apportés par la cosmologie au XXe siècle au rejet du géocentrisme aux XVIe -XVIIe siècles, il conclut en précisant que les deux portent en eux des questions en lien avec la philosophie et la religion.

3.3.3. Le principe anthropique en cosmologie

30L’entrée « principe anthropique » du dictionnaire d’histoire et de philosophie des sciences, écrite par Lecourt (1999, p. 760-762), témoigne de l’existence de telles questions et de la difficulté de séparation des registres scientifique et religieux, ou plus précisément spirituel. Celui-ci note que si la version du principe énoncé en 1970 par l’astrophysicien Brandon Carter, version dite faible, « pose simplement que les propriétés qui sont effectivement observées sont celles que la structure et la situation particulières de l’observateur lui permettent de percevoir » (ibid., p. 761), la version forte révèle un renouveau de l’anthropocentrisme. Il souligne une tendance chez certains auteurs contemporains à présenter le scénario du big-bang non pas comme une aventure cosmique, mais à l’interpréter en terme généalogique : « à lire certains textes actuels, on croirait entendre l’écho assourdi des textes les plus mystiques de Kepler au début du XVIIe […] de l’Harmonia Mundi à la Mélodie Secrète de Trinh Xuan Thuan, la musique cosmo-théologique n’a guère connu de variation notable… » (ibid., p. 761). Alors que le principe anthropique sous sa version faible nous semble pouvoir être rapproché du principe d’actualisme, il apparaît dans la version forte une tendance à la « surinterprétation » liée à une recherche de sens.

3.4. Les critères de choix ou valeurs

31L’activité scientifique repose sur des valeurs, c’est-à-dire des critères de positionnement théorique et de choix, plus ou moins explicités. Certaines sont partagées par les scientifiques à une époque donnée et stables dans le temps, d’autres sont interprétées différemment, remodelées et redéfinies.

32En prolongeant la réflexion engagée par Kuhn sur les critères de choix d’une théorie en 1977 dans La tension essentielle, Brenner (2011) examine cinq valeurs associées à la scientificité : la précision, la cohérence, la simplicité, la complétude et la fécondité. En étudiant notamment les arguments avancés par Ptolémée, Copernic et Kepler, il met en évidence une hiérarchie différente des valeurs. Il note ainsi que « Ptolémée est guidé par la simplicité dans le choix de ses concepts, dans la sélection de ses hypothèses et leur combinaison ». S’il en est de même de Kepler, ce n’est pas le cas de Copernic qui « évoque dans les passages où il argumente en faveur de la mobilité de la Terre, les notions d’harmonie ou d’élégance ». (Brenner, 2011, p. 74-75). Dans les dernières pages de son essai, Brenner précise que « L’évolution des valeurs au cours du temps, l’émergence de nouvelles valeurs ne doivent pas nous conduire à croire à une remise en cause perpétuelle, à l’absence de toute justification des décisions scientifiques ». Il souligne également que « le choix scientifique relève de la communauté ; il s’inscrit dans le temps long qui n’est plus celui du chercheur » (ibid., p. 108-109).

33Sans prétendre à l’exhaustivité, les approfondissements précédents disent l’épaisseur théorique du travail des problèmes pris en charge par les STU, l’importance des principes structurants qu’elles mobilisent, les contrôles que ces principes permettent de faire dans l’élaboration d’explications ou de reconstitutions historiques. Bien qu’implicitement admis et opérationnalisés au sein de la communauté scientifique, il est intéressant de noter qu’ils sont particulièrement réaffirmés en temps de vives controverses scientifiques. Ce fut le cas pour l’actualisme, remis en lumière par le paléontologue Schuchert pour rejeter le mobilisme continental de Wegener (Oreskes, 1999) et plus récemment par les climatosceptiques comme Courtillot pour valoriser l’explication géologique du réchauffement climatique, et mettre en doute l’influence prépondérante de l’Homme.

4. Les STU dans leur rapport à la société

34Dans la section précédente, nous avons vu combien le travail des problèmes historiques est exigeant. Il s’agit dans cette section de replacer les problèmes des STU, dont les problèmes historiques, dans le contexte sociétal où s’exerce la pratique scientifique, au regard notamment de courants de pensée influents et/ou des préoccupations sociétales qui ne manquent pas de les affecter.

4.1. Le travail des problèmes historiques à l’épreuve de courants fondamentalistes

35Lorsque les géologues expliquent la formation d’une chaîne de montagnes intracontinentale, en tant que phénomène ayant pu se produire à différents moments de l’histoire de la Terre, ils utilisent une forme élaborée de l’actualisme : l’actualisme à temps long producteur de phénomène. Ils expliquent la « trace » ancienne (chaîne de montagnes avec ses reliefs, ses structures tectoniques, etc.) par des processus actuels (compressions intra-océaniques et intracontinentales), en étant forcés de les imaginer sur une durée qui dépasse le temps humain. Ce temps long est donc un temps producteur des phénomènes anciens (orogenèse et tectogenèse) dont la nature actuelle ne nous donne à voir que quelques bribes.

36Mais la nature actuelle ne peut pas contenir toutes les causes géologiques envisageables. Il est des problèmes géologiques où l’actualisme est porté à ses limites. C’est notamment le cas lorsqu’il est question de l’histoire des vivants (crises biologiques, origine de la vie terrestre et évolution des vivants). Il devient alors nécessaire de mobiliser un catastrophisme élaboré (le recours à des causes d’une autre intensité ou d’une autre nature que celles existant actuellement), ou bien de mettre en jeu des événements historiques, singuliers dans le temps et l’espace.

37Ainsi, pour les problèmes d’évolution des vivants, au contraire du sens commun, il s’agit de s’affranchir de petites histoires lourdes d’un catastrophisme immédiat, d’un recours à du temps long « magique » (la durée serait totipotente), de la métamorphose, de la mise en jeu d’événements ad hoc, etc. En plaçant ces problèmes dans le champ des sciences, en combinant approches fonctionnaliste et historique, les scientifiques font preuve d’une ouverture de pensée qu’ils mettent incessamment sous le contrôle de garde-fous rationnels. Cela permet de rejeter des explications mobilisant l’intervention d’un démiurge, d’un concepteur ou d’un dessein organisateur suprême (intelligent design), explications qui, en rendant tout possible, empêchent tout travail critique. Cela heurte les courants qui, en jouant sur des conflits de vérité et de temporalités, promeuvent pour l’école et l’université une « science de la création », qui est en fait une non-science, parce que non soumise à la critique, et qui, ce faisant, entretiennent une conception téléologique de l’histoire. Notons que la causalité suprême qu’ils mettent en jeu n’est pas une base d’explication, du fait notamment qu’elle oriente vers une conclusion pré-posée à laquelle il faut à tout prix arriver, et qu’elle impose sans les questionner certaines formes de temps.

4.2. Le travail des problèmes historiques à l’épreuve de leur anthropisation

  • 5 Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat.

38Il est aussi des problèmes historiques anthropisés et relativement vifs dans la société dont le réchauffement climatique peut être un exemple. Ces problèmes fortement anthropisés prennent de l’importance dans le monde de la recherche et dans les programmes d’enseignement. Il ne s’agit plus seulement de faire que les élèves s’approprient des savoirs scientifiques. Il faut les conduire à devenir des citoyens éclairés, capables de s’approprier la complexité de ces problèmes et de faire des choix d’actions. Or ces problèmes font l’objet de débats, parfois rugueux, au sein de la communauté scientifique, et ils ne se concrétisent pas totalement en des savoirs stabilisés. Ils sont également parlants pour la société, la concernent à des degrés divers, provoquent en son sein des confrontations d’opinions et des débats, en même temps que s’expriment de fortes attentes de solutions. Prenons l’exemple des changements climatiques. D’un point de vue épistémologique, ce problème n’est pas nouveau (voir les travaux d’Agassiz au début du XIXe siècle, la théorie glaciaire qu’il développe et les débats qu’elle provoque chez les scientifiques). Ce qui le singularise dans l’époque actuelle, c’est qu’il concerne non seulement la reconstitution du passé de la Terre, mais aussi son devenir. Les débats portent moins sur la reconstitution du passé que sur l’invention raisonnée de l’avenir. En effet, la mobilisation d’événements passés, comme conditions de possibilité des traces actuelles, mobilisation qui apporte son lot de contingence, mais qui est encadrée par l’actualisme, participe d’une problématisation historique familière de la communauté des géologues. Ce n’est pas le cas lorsqu’il s’agit de penser l’avenir de la Terre : faut-il l’étudier comme un problème d’évolution du système Terre actuel, avec mise en jeu de la complexité des paramètres qui le caractérisent (une sorte de problématisation fonctionnaliste séquentielle) ? Ou bien comme une approche du fonctionnement d’un système terrestre complexe ayant une histoire et pouvant passer plus ou moins brusquement d’un régime à un autre ? Ce serait une façon de « lire » de manière éclairante la controverse actuelle opposant les membres du GIEC5 et les climatosceptiques (Allègre, Courtillot, Le Moel pour les plus connus).

39De nos jours, ainsi que nous venons d’en donner quelques aspects, la science provoque moins d’adhésion de la part de la société. Des incompréhensions, des malentendus, voire de la défiance s’exercent à son égard, soit que ce qui pouvait être pensé comme progrès scientifiques a montré ses limites, soit que tout un chacun s’en fait une opinion sur des sujets plus largement vulgarisés, soit qu’elle touche au plus près des croyances de chacun dans un contexte où elles sont davantage extériorisées. Les STU n’échappent pas à cette exposition et à ces pénétrations sociétales. Cela transforme certains de leurs problèmes (anthropisation par exemple), remet en cause leurs pratiques scientifiques (construction de rapports de force vis-à-vis de courants sociétaux « toxiques », etc.) et la stabilité des savoirs qu’elles construisent, enfin oblige davantage à recourir à de l’interdisciplinarité, au sein et en dehors des STU.

5. Les programmes d’enseignement français et leurs évolutions

40Les réformes engagées pour répondre aux nombreux défis auxquels doit faire face le monde contemporain visent à favoriser l’acquisition par tout citoyen d’une culture scientifique qui lui permette d’agir de manière responsable. Multidimensionnelle, cette culture requiert non seulement des connaissances en sciences, mais aussi sur les sciences. Fonctionnelle, elle suppose la capacité à les utiliser dans des contextes variés pouvant mettre en jeu des questions socio-scientifiques ou liés à un monde globalisé et des sociétés multiculturelles, en particulier sur le plan religieux. Dans ce qui suit, nous nous intéressons à l’évolution des thèmes abordés dans les programmes d’enseignement et abordons successivement ceux relatifs aux sciences de l’Univers (astronomie de position, astrophysique, cosmologie) puis ceux relatifs aux sciences de la Terre. Nous poursuivons en examinant la place qu’ils accordent à une réflexion sur les sciences en particulier à une réflexion sur les présupposés, principes et valeurs sur lesquels repose l’activité scientifique, et l’image des sciences qu’ils renvoient.

5.1. Les thèmes aux programmes et les méthodes pédagogiques recommandées

41Les STU constituent un ensemble de disciplines enseignées du primaire au supérieur. En France, elles sont présentes dans la partie « découverte du monde » (cycles 1 et 2, MEN, 2008) devenue « Questionner le monde » (cycle 2, MEN, 2015a) puis, au cycle 3, dans une configuration disciplinaire intitulée « Sciences expérimentales et technologie » (MEN, 2008) devenue « Sciences et technologie » (MEN, 2015a) dans les programmes du primaire. Au niveau du secondaire, leur enseignement est dispensé dans le cadre de différentes disciplines scolaires (sciences de la vie et de la Terre, physique-chimie, histoire-géographie) ou de projets interdisciplinaires (IDD : Itinéraires de découvertes ; TPE : Travaux personnels encadrés ; EPI : Enseignements pratiques interdisciplinaires). Dans l’enseignement supérieur, elles sont constitutives de la filière STU et relèvent également pour partie d’autres filières, physique et biologie notamment, mais aussi la géographie, particulièrement préoccupée désormais par les questions de développement durable.

42Depuis les années 2000, trois types de textes officiels chapeautent l’enseignement scientifique des premier et second degrés : les programmes d’enseignement ; le socle commun de connaissances et de compétences (MEN, 2006), devenu socle commun de connaissances et de compétences et de culture (MEN, 2015b) ; les circulaires relatives aux « Éducations à » (à l’environnement, aux risques, etc.) et aux « parcours éducatifs » (de santé, artistique, citoyen, etc.).

43La situation décrite par Hélène Merle sur l’enseignement de l’astronomie au sein des programmes français en 2003 a en partie évolué. Apparue peu à peu dans les programmes scolaires dans les années 1980, l’astronomie était jusqu’à récemment, abordée au niveau du secondaire en physique chimie dans le cadre de l’optique et de la mécanique, ou en lien avec la chimie, plus précisément les éléments chimiques. Hormis le fait qu’une des trois parties du programme de seconde de 2010 s’intitule désormais « Univers » (MEN, 2010) et que des éléments de relativité restreinte sont réapparus dans les programmes de terminale S en 2011 (MEN, 2011), il n’y a pas eu de changement notable dans les points aux programmes d’enseignement depuis 2003 : la plupart relèvent de l’astronomie de position, les autres de la spectroscopie. Du primaire au secondaire, il s’agit d’étudier les phases de la lune, les éclipses et le système Terre-Lune-Soleil, le mouvement des planètes et la gravitation, la lumière émise par les étoiles. Sont également abordées les questions relatives à l’espace et au temps (échelles, mesure).

44Les problématiques historiques en lien avec la cosmologie ne sont pas abordées en tant que telles dans le secondaire. Le seul point en lien avec la cosmologie évoquée par les programmes de terminale S au travers de l’effet Doppler est l’expansion de l’Univers. Si l’on note l’explicitation de deux thèmes en lien avec l’histoire de l’Univers (évolution de l’Univers, origine de la matière) dans les nouveaux programmes de collège mis en place à la rentrée 2016, plus précisément dans ceux du cycle 4, ceux-ci visent les mêmes objectifs que les précédents : faire acquérir aux élèves des connaissances sur sa structure et les aider à s’approprier de grandes distances et durées. En ce qui concerne les ressources destinées aux enseignants de physique-chimie pour la mise en place des nouveaux programmes du primaire et du collège, signalons l’existence de plusieurs documents relatifs à l’astronomie pour le cycle 3. Ceux-ci présentent des scénarios pédagogiques sur des thèmes présents dans les programmes précédents et concernent l’astronomie de position. Il est à noter qu’à ce jour, seules des pistes de contextualisation sont proposées pour le cycle 4 dans le document « aide à la construction d’une progression en physique-chimie au cycle 4 ».

45L’étude des programmes d’enseignement des sciences de la Terre de l’école et du collège (enseignement obligatoire) montre qu’ils accordent une place importante aux problèmes fonctionnalistes (volcanisme, sismicité) qu’ils inscrivent dans un contexte géodynamique global (organisation du système solaire et caractéristiques de ses planètes ; tectonique des plaques). On constate en revanche que les problèmes historiques tels que la formation d’une chaîne de montagnes ne figurent plus explicitement dans leur déclinaison récente (2015). Conjointement à ces évolutions, des connaissances sur les risques naturels (séismes, cyclones, inondations) et ceux liés aux activités humaines (pollution de l’air et des mers, réchauffement climatique, etc.) prennent de l’importance. C’est à leur sujet que la dimension historique est explicitement affirmée. Ainsi lorsqu’il s’agit d’expliquer quelques phénomènes météorologiques et climatiques, les programmes orientent vers la prise en compte des « changements climatiques passés (temps géologiques) et actuels (influence des activités humaines sur le climat) » (MEN, 2015a, p. 345). Cette inclination à prendre en compte et à articuler les dimensions fonctionnalistes et historiques des SVT est cependant grandement pondérée par ce que suggèrent les Ressources associées à ces programmes. L’extrait suivant l’atteste : « Pour traiter de l’évolution du climat, les exemples seront choisis dans une échelle de temps qui est celle de l’humanité, mais quelques exemples sur les climats passés peuvent être évoqués (les glaciations du Quaternaire, impact des émissions volcaniques sur le climat, etc.) » (MEN, 2015, Mettre en œuvre son enseignement, cycle 4, p. 6).

46On assiste ainsi à deux types d’évolution : une mise à l’écart des problèmes historiques socialement « froids » que sont les problèmes de reconstitution du passé de la Terre et une valorisation des problèmes de devenir de la planète, des problèmes socialement « chauds » comme celui du réchauffement climatique. Les problèmes ne sont plus des problèmes « classiques » de reconstitution du passé de la Terre, ce sont des problèmes d’« anticipation de l’avenir terrestre », dont on minimise l’enracinement dans le passé de la planète, tant la place accordée au travail des problèmes historiques est réduite (qui plus est, on ne trouve aucune trace du principe d’actualisme dans les programmes de l’école obligatoire ni dans les ressources associées). Force est de constater que cette approche est théoriquement et méthodologiquement très éloignée des pratiques des scientifiques contemporains (voir les controverses en cours signalées dans la section 4.2 ci-dessus).

  • 6 Le positionnement des instructions officielles interroge car d’une part elles cherchent à ce que le (...)

47Complémentairement à ces évolutions, nous notons l’insistance qu’ont les préconisations officielles du collège à ce que les élèves se distancient par les sciences (physique, chimie, Sciences de la vie et de la Terre) de leurs croyances et d’une vision anthropocentrée6 du monde. Conjointement, ils promeuvent l’engagement de ceux-ci dans des démarches d’investigation. Or si ces démarches ouvrent sur des modes d’exploration diversifiés et prennent en compte l’importance des pratiques langagières (confrontation, débat, échanges), le risque est grand que les enseignants, compte tenu de leur manque de formation en épistémologie et à la prise en compte de cette dimension dans leur enseignement, privilégient l’expérimentation, l’observation et le recours à des substituts du concret (maquettes analogiques par exemple) au détriment d’autres modes d’investigation ? (en particulier la modélisation, qui n’apparaît qu’au cycle 4).

48Cette prépondérance de la dimension expérimentale des sciences de la nature est d’ailleurs explicitement affirmée : l’introduction du programme de physique chimie débute en les situant parmi les sciences expérimentales et d’observation ; la pratique des démarches scientifiques en SVT valorise la proposition d’une ou de plusieurs hypothèses et la conception d’expériences pour la ou les tester. Cela pourrait traduire une certaine tendance empiriste sous-jacente aux instructions officielles des sciences physiques et chimiques et des sciences de la vie et de la Terre, le risque de les limiter à des sciences expérimentales, quand nous avons vu qu’elles sont également des sciences historiques.

5.2. La réflexion sur les sciences dans les programmes de sciences

49Alors que les connaissances de nature épistémologique sont présentées comme une composante fondamentale de la culture scientifique par les textes de cadrage des tests internationaux PISA (OCDE, 2006, 2015), elles restent peu représentées, le plus souvent sous-entendues dans les programmes d’enseignement de sciences français.

50Une étude portant sur les programmes de lycée montre que, même si une visée d’apprentissage de nature épistémologique est explicitée en SVT, celle-ci n’est pas opérationnalisée dans les tableaux de contenus (Maurines, et. al., 2013). L’étude historique du modèle de la tectonique des plaques (programme de la classe de sciences de la vie et de la Terre de première scientifique, MEN 2010) fait de ce point de vue exception.

51Le discours sur la science, les sciences, est largement implicite dans les programmes de sciences de la vie et de la Terre comme il l’est dans les programmes de physique-chimie. Les deux disciplines scolaires renvoient l’idée que les pratiques scientifiques ont des caractéristiques spécifiques qui les distinguent d’autres pratiques : celles-ci semblent liées au mode spécifique d’élaboration des connaissances, notamment à la mise à l’épreuve du réel des hypothèses avancées, et au mode de pensée, en particulier l’esprit critique et la remise en question de l’acquis, la rigueur. Mais comme nous l’avons vu dans la section précédente, elles minorent le travail d’élaboration théorique de la science. Alors même qu’elles se donnent comme objectif fort de se démarquer des croyances, elles ne cessent de cultiver une vision réductrice de leurs démarches, en faisant de l’expérimentation une garante de l’objectivité scientifique.

  • 7 Les standards américains se distinguent sur cette question (voir Maurines et al., 2013)

52Dans les programmes de lycée de ces deux disciplines scolaires apparaît l’idée d’une parenté des disciplines scientifiques et de relations avec des disciplines non scientifiques. Les programmes de sciences de la vie et de la Terre soulignent que cette discipline est ouverte sur les grands problèmes de la société, mais ne mettent pas en valeur la distinction entre problèmes fonctionnalistes et historiques. Lorsqu’il est question de pratiques de démarches historiques, cela renvoie à l’histoire des sciences et à l’intérêt d’y recourir pour renouveler les démarches d’investigation (préambule du programme de seconde, MEN, 2010). Les programmes de physique-chimie mettent davantage l’accent sur les différences avec d’autres formes de pratiques, notamment celles de nature dogmatique. L’idée d’une démarcation science-croyance présente dans les programmes de physique-chimie se retrouve dans plusieurs textes traitant de la laïcité, en particulier dans les parties portant sur l’enseignement des sciences de la vie et de la Terre. Soulignons que, dans ces programmes de sciences du lycée, la plupart des valeurs qui guident les pratiques scientifiques restent implicites, certaines étant absentes. On peut ainsi noter que parmi les valeurs examinées par Brenner (2011), la fécondité et la simplicité ne sont pas évoquées. Il en est de même des présupposés qui les fondent : le monde est supposé connaissable et structuré ; il ne semble exister aucune limite à la connaissance humaine7. Certains présupposés sont présents dans un des programmes et non dans l’autre, il en est ainsi de l’universalité de la science, citée en physique-chimie uniquement. Il est à noter que ce principe est explicitement présent dans les nouveaux programmes de collège de physique-chimie : « la matière observable est partout de même nature et obéit aux mêmes lois ».

53Ces différents constats interrogent sur la façon dont les enseignants de collège et de lycée s’approprient la dimension épistémologique de l’apprentissage des sciences et sur la vision des sciences qu’ils sont susceptibles de transmettre. Quelles difficultés cela pose-t-il aux enseignants d’intégrer et d’articuler des dimensions parfois contradictoires des instructions officielles (programmes, ressources, socle) ?

54Prenons l’exemple de la physique-chimie au collège (cycle 4), dans le cadre des programmes en vigueur depuis 2016. De quelle manière les enseignants peuvent-ils s’approprier et mettre en œuvre les attentes institutionnelles des programmes et celles de nature épistémologique contenues dans les ressources d’accompagnement ? La ressource intitulée « Repères pour enseigner la physique-chimie au cycle 4 » met l’accent sur la modélisation. Celle-ci est présentée comme « l’essence même d’une science expérimentale » et « comme un objectif central de la formation en physique-chimie ». Il est demandé aux enseignants d’expliciter aux élèves la phase de mise en perspective entre les observations et les modèles, phase qui doit être présentée avec tout l’esprit critique nécessaire à l’établissement du modèle et à l’expérimentation sur celui-ci. La ressource intitulée « Valeurs de la République et enseignement de physique-chimie » met l’accent sur « le périmètre des sciences – ce qui inclut les valeurs portées par les sciences et la méthodologie de la démarche scientifique ». Il est attendu des enseignants « une explicitation de la manière dont la science « fonctionne » et un apprentissage du champ couvert par celle-ci permettant in fine à l’élève d’identifier une question de science, c’est-à-dire une question à laquelle la science peut répondre », « une pratique réflexive de la démarche scientifique excluant tout dogmatisme et permettant de renforcer l’idée que « l’école est le lieu de construction de la connaissance et pas celui de la transmission de la croyance» ». Une dernière question concerne le rôle que les enseignants accorderont à l’histoire des sciences au travers des pistes de contextualisation « l’histoire des représentations de l’Univers » et « les observations de Galilée » proposées dans la ressource « aide à la construction d’une progression en physique-chimie en cycle 4 ».

6. Recherches récentes sur l’enseignement des STU à l’étranger, en lien avec leurs caractéristiques épistémologiques

6.1. Thèmes scientifiques explorés dans les recherches portant sur l’enseignement des STU

55Le constat sur la faible place de l’astronomie, et plus largement des STU, dans l’enseignement secondaire français peut être rapproché de celui fait aux Etats-Unis par Tignanelli et Bénéteau-Dupin (2014) ainsi que par Dolphin et Dodick (2014). Elles sont non seulement peu abordées, mais aussi éclatées entre différentes disciplines scolaires, ce qui pourrait contribuer, selon eux, à expliquer le petit nombre de recherche en éducation à l’échelle internationale sur les STU. De leurs articles et de quelques autres, il ressort que l’enseignement des différentes disciplines constitutives des STU a en effet été moins exploré que d’autres dans les revues anglo-saxonnes : l’astronomie est sous-représentée par rapport à la mécanique, l’électricité, la chimie (Duit, Niederrer & Schecker, 2007) ; la biologie est privilégiée au détriment de la géologie (Dolphin & Dodick, 2014) et la géologie au détriment de l’astronomie (Mills, Tomas & Lewthwaite, 2016). Les études portent essentiellement sur les conceptions des apprenants ainsi que sur des dispositifs et situations d’enseignement. Peu de travaux s’intéressent aux enseignants.

  • 8 Il est à signaler la disparition récente d’un journal électronique consacré aux sciences de l’Univ (...)
  • 9 Voir en particulier l’Astronomy Education Review pour d’autres Concept Inventory.

56En ce qui concerne l’astronomie8, il est à signaler deux articles de synthèse, l’un sur les conceptions (Lelliot & Rollnick, 2010), l’autre sur les dispositifs d’enseignement visant à favoriser le changement conceptuel (Mills, Tomas & Lewthwaite, 2016). Depuis peu, apparaissent des articles consacrés à l’astrophysique et à la cosmologie au niveau du supérieur. La majorité porte sur l’élaboration de questionnaires de type Concept Inventory comme celui sur les étoiles de Bayley, Johnson, Prather et Slater (2012)9. Ce renouvellement thématique des recherches dans le domaine des sciences de l’Univers est sans doute à mettre en lien avec la recommandation de l’AAAS (American Association for the Advancement of Science) de proposer des modules de culture scientifique portant sur l’astronomie (Astro 101) à des étudiants non-scientifiques en début d’université (Project 2061).

  • 10 Ce type de recherche existe depuis plusieurs dizaines d’années en France.

57En ce qui concerne les sciences de la Terre, signalons l’existence d’une revue pour chercheurs et praticiens (Journal of Geoscience Education) et l’existence d’un article récemment paru consacré à l’enseignement et aux recherches sur l’enseignement de ce domaine dans la seconde édition du Handbook « Research on Science Éducation » (Orion & Libarkin, 2014). Cet article attire l’attention sur la mise en avant d’une approche systémique dans les nouveaux standards rédigés par l’AAAS (2013). Il fait également état d’une synthèse des études portant sur les conceptions de sens commun sur des thèmes de géologie tels que la structure de la Terre, les tremblements de Terre, la tectonique des plaques, l’histoire de la Terre, etc.10 (Francek, 2013).

6.2. Des recherches explorant les caractéristiques épistémologiques

58Les recherches portant sur la NoS (Nature of Science) sont davantage développées à l’étranger qu’en France, en particulier aux États-Unis. Dans ce pays, il est à noter également que les textes de cadrage de l’enseignement scientifique et les standards qui définissent des objectifs d’enseignement mettent davantage exergue la dimension épistémologique des sciences que les programmes français. Le « Project 2061 » pour l’alphabétisation scientifique de tous les Américains, rédigé dans les années 1990, comporte ainsi un chapitre intitulé « Nature of Science » qui aborde différents aspects des sciences, notamment la vision du monde qui les sous-tend, l’existence de présupposés et de limites. Le processus d’élaboration de ces textes à caractère incitatif (cadres et standards) explique sans doute ce lien étroit entre contenus d’enseignement et de recherche. Remarquons également qu’on peut déceler dans les textes de cadrage récemment parus la même évolution vers l’étude des pratiques que dans le courant de recherche en éducation sur la NoS. Ainsi le dernier texte-cadre (NRC, 2012) et les nouveaux standards (NGSS) présentent l’enseignement scientifique comme plus proche de la façon dont les scientifiques travaillent et pensent, et reposant sur une vision des sciences et de la culture scientifique qui combine un corpus de connaissances et son mode d’élaboration. Ce mode d’élaboration est présenté comme une entreprise collective de construction de modèle et de théorie fondée sur des preuves, entreprise qui vise à enrichir continuellement le corpus de connaissances, à l’affiner et le réviser. Ces nouveaux textes demandent d’articuler des savoirs scientifiques de base, des activités-clés des pratiques scientifiques et d’ingénierie au nombre de huit (poser des questions et définir des problèmes, élaborer et utiliser des modèles, etc.), et des concepts transversaux à tous les domaines scientifiques (échelle, cause et effet, similarité et diversité, etc.). Ces concepts transversaux sont présentés comme devant être explicités aux élèves car ils fournissent un schéma permettant d’organiser des connaissances issues de différents champs en une vision cohérente du monde fondée sur la science.

59Soulignons par ailleurs que les thèmes Terre et Espace sont abordés dans des disciplines scolaires différentes (sciences de la vie et de la Terre et physique-chimie) dans les programmes français du secondaire, alors qu’ils sont réunis dans un même domaine intitulé « Earth and Space » dans les nouveaux standards. Gray (2014) précise que si ce standard recommande d’aborder des problématiques historiques, il existe un décalage entre cette recommandation et les exemples proposés pour illustrer chacune des activités-clés des pratiques scientifiques : les rédacteurs privilégient des exemples relatifs aux sciences expérimentales au détriment d’exemples ayant trait aux sciences historiques. Gray rappelle la nécessité que les enseignants comprennent les différences entre les deux types d’enquête, en particulier celles relatives à l’argumentation, pour la mise en place d’un enseignement scientifique plus authentique. Il évoque les résultats d’une étude portant sur la comparaison des pratiques argumentatives d’enseignants confirmés à propos de situations relevant de ces deux types d’enquêtes. Il conclut en soulignant que travailler ces différences avec les élèves est important car passées sous silence, elles peuvent conduire à une incompréhension de la théorie de l’évolution.

60C’est à un autre aspect des sciences historiques auquel s’intéressent Kampourakis, Silveira et Strasser (2016), celui de la nature et de la structure des explications se rapportant à l’origine des caractéristiques biologiques. Centrée sur la distinction entre causes et processus, entre explication évolutionniste et explication développementale, leur étude peut-être rapprochée de celle conduite par Fortin et Reier-Røberg présentée dans le dossier thématique. Cette étude exploratoire, conduite auprès de 19 futurs enseignants ayant un master en biologie à l’aide d’un questionnaire, s’intéresse aux explications données de la couleur d’une punaise imaginaire. Elle montre que les enseignants ne font pas de distinction claire entre les causes et les processus et ne les prennent pas en compte simultanément dans leurs réponses. En conclusion, les auteurs proposent un schéma présentant les éléments clés de l’explication de l’origine des traits fondé sur une analyse épistémologique de la causalité. Ils soulignent l’intérêt de l’introduire dans l’enseignement afin d’aider les élèves à distinguer entre une cause finale et une cause évolutionniste et appellent à la poursuite de recherches.

61Parallèlement à des études prenant en compte les spécificités disciplinaires liées aux démarches de preuve et à la nature des causalités en jeu, il en existe d’autres qui s’intéressent aux présupposés qui fondent les sciences, telles celles réalisées par Hansson auprès d’élèves de fin d’études secondaires en Suède (Hansson & Redfors, 2006, 2007 ; Hansson, 2014). Inscrites dans la lignée des travaux que Cobern a initiés sur les « worldviews », c’est-à-dire sur les éléments fondamentaux de l’esprit, généralement inconscients, au travers desquels le monde est saisi et interprété, ces études explorent la vision du monde que les élèves attribuent à la science et à la physique, et celle qu’ils déclarent être la leur. L’étude de 2014 de Hansson met en évidence que si la conception d’un univers ordonné et compréhensible est majoritairement partagée, celle de l’uniformité de l’univers ne l’est pas. Plus précisément, l’uniformité des lois dans l’espace soulève davantage de difficultés que l’uniformité des lois dans le temps : un nombre non négligeable d’élèves accordent aux lois scientifiques une validité locale et non universelle. Cette étude mentionne les difficultés relatives à l’apprentissage de la NoS et à la compréhension de savoirs scientifiques (par exemple les conclusions sur l’abondance des éléments chimiques dans les étoiles et les planètes tirées des spectres de la lumière observée) liées au fait que certains élèves ne connaissent pas les présupposés qui fondent la science. Elle rappelle que certains élèves font intervenir le registre religieux pour expliquer scientifiquement ce qu’est le big-bang (Hansson & Redfors, 2006) ou tendent à associer la vision du monde proposée par la physique à des présupposés caractéristiques du scientisme ou de l’athéisme (Hansson & Redfors, 2007). Elle souligne le risque de démotivation des élèves liée à l’écart entre leur vision du monde et celle qu’ils attribuent à la science. Elle se termine en appelant à une explicitation et discussion des présupposés fondateurs des sciences en classe et renvoyant à une étude qui travaille cette question (Hansson & Redfors, 2006). Pour finir, rappelons que d’autres études, en particulier à propos de la théorie de l’évolution, mettent à jour des difficultés similaires concernant les rapports sciences-religions, ou/et présentent les résultats d’expérimentation de séquences d’enseignement innovantes visant à travailler les fondements des sciences (pour plus de détail, voir Maurines, 2010).

Conclusion

62Nous l’écrivions en introduction, la plupart des articles de ce dossier consacré aux STU, « entre spécificités et ouvertures », ne met pas en jeu la dimension historique de ces sciences. Or les approfondissements épistémologiques que nous avons faits disent combien cette dimension constitutive est importante et intellectuellement exigeante en termes de problèmes (des problèmes fonctionnalistes et historiques en interaction), de difficile mise en œuvre de principes (actualisme, cosmologique, anthropique) hautement structurants des démarches, de liens à clarifier entre les problèmes des STU et les attentes sociétales. Les programmes d’enseignement en cours, ainsi que les ressources pour faire la classe tentent de mieux prendre en compte cette dimension historique. Ils s’en éloignent même, tant ils tendent à privilégier les problèmes fonctionnalistes et la démarche expérimentale. Ces constats alertent si nous nous intéressons aux conditions d’appropriation par les élèves d’une véritable culture scientifique en STU. Pour des chercheurs en didactiques, ils offrent des questions de recherche prometteuse. Comment expliquer cette relative ignorance des problèmes historiques propres aux STU dans les prescriptions officielles et leur opérationnalisation dans la classe ?

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Notes

1 Il est à souligner que la question d’une vision unifiée se pose à l’intérieur même de la physique dès le début du vingtième siècle suite aux révolutions quantique et relativiste (Chevalley, in Collectif, Un siècle de philosophie. 1900-2000, Gallimard, Éditions du Centre Pompidou, p. 439-489) et que l’on peut se demander si certains auteurs ne s’appuient pas sur une représentation datée de la physique fondée sur la physique classique.

2 Lecointre (2012) met également en avant deux présupposés relatifs au mode d’élaboration des connaissances scientifiques : le scepticisme initial sur les faits et la rationalité décrite comme consistant simplement à respecter les lois de la logique et le principe de parcimonie.

3 Pour plus de détails sur les présupposés fondateurs de l’activité scientifique, voir les études de Hansson et Redfors de 2007 et de Hansson de 2014, ainsi que la caractérisation proposée par Maurines (2010).

4 La région de Hubble est définie par la longueur c/H où H est la constante de Hubble.

5 Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat.

6 Le positionnement des instructions officielles interroge car d’une part elles cherchent à ce que les élèves se dégagent d’une vision anthropocentrée du monde et d’autre part elles promeuvent l’anthropisation des problèmes.

7 Les standards américains se distinguent sur cette question (voir Maurines et al., 2013)

8 Il est à signaler la disparition récente d’un journal électronique consacré aux sciences de l’Univers pour chercheurs et praticiens (Astronomy Education Review).

9 Voir en particulier l’Astronomy Education Review pour d’autres Concept Inventory.

10 Ce type de recherche existe depuis plusieurs dizaines d’années en France.

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Table des illustrations

Titre Figure 1 : la contingence et la construction rétrospective des événements historiques (Orange Ravachol, 2012)
URL http://rdst.revues.org/docannexe/image/1414/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 130k
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Pour citer cet article

Référence papier

Laurence Maurines et Denise Orange Ravachol, « Les sciences de la Terre et de l’Univers (STU) : des recherches didactiques qui questionnent leurs caractéristiques épistémologiques », RDST, 14 | 2016, 9-36.

Référence électronique

Laurence Maurines et Denise Orange Ravachol, « Les sciences de la Terre et de l’Univers (STU) : des recherches didactiques qui questionnent leurs caractéristiques épistémologiques », RDST [En ligne], 14 | 2016, mis en ligne le 31 décembre 2016, consulté le 20 septembre 2017. URL : http://rdst.revues.org/1414

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Auteurs

Laurence Maurines

Université Paris Sud-Paris 11, laboratoire de didactique des sciences d’Orsay, DidaSco-EST

Articles du même auteur

Denise Orange Ravachol

Université Lille 3-Charles de Gaulle, CIREL-Théodile

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Droits d’auteur

© Éditions de l’École normale supérieure de Lyon

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