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Étude des conceptions des élèves de première et de terminale scientifiques sur la transmission synaptique en Tunisie et en France

Study of the conceptions of senior high school pupils majoring in sciences in Tunisia and France concerning synaptic transmission
Studie über die Vorstellungen von 11- und 12-Klässlern (LK Wissenschaft) über synaptische Übertragung in Tunesien und Frankreich
Estudio de las concepciones de los alumnos de Primero y Segundo de bachillerato opción ciencias sobre la transmisión sináptica en Túnez y en Francia
Rym Laribi, Patricia Marzin, Mohsen Sakly et Daniel Favre
p. 193-214

Résumés

Cette étude vise à identifier les conceptions des élèves de classes de première et de terminale S concernant la transmission synaptique. L’analyse a été faite à partir de questionnaires proposés aux élèves avant l’enseignement concernant la transmission synaptique. Nous avons constaté d’une part une diversité d’hypothèses explicatives (électrique, chimique, ondes, pour la transmission du message nerveux), d’autre part que les élèves ont, en majorité, une conception électrique du message nerveux qui renvoie à une conception continue du tissu nerveux.
Notre étude montre que les conceptions des élèves, concernant la transmission nerveuse, pourraient avoir pour origine la façon dont est représentée la communication nerveuse, la première fois qu’elle est enseignée à l’école. Nous identifions des obstacles didactiques.

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Texte intégral

1Si on admet, comme l’ont proposé Astolfi et Develay (1989), qu’apprendre revient à faire évoluer les conceptions, alors il est important pour l’enseignant de s’appuyer sur les conceptions initiales des élèves. Elles constituent un point de départ pour l’apprentissage scolaire et elles vont orienter la façon d’interpréter le travail des élèves. Parce qu’il correspond à un concept clé en biologie, permettant de se repérer ensuite dans les neurosciences (Glickstein, 2006), nous avons choisi d’étudier l’histoire de la transmission synaptique et d’analyser les conceptions initiales des élèves au lycée. L’objectif de cette étude est de repérer et d’identifier des conceptions concernant la transmission synaptique à partir des productions des élèves, afin de pouvoir ultérieurement proposer des situations d’apprentissage.

2Plusieurs publications (Nedjel-Hammou, 1990 ; Darley, 1994 ; Bec & Favre, 1996 ; Beorchia, 2003 ; Bennour, 2004) identifient en effet des difficultés, chez les élèves de terminale, à appréhender le concept de communication nerveuse et à établir des liens entre les concepts associés dans le but de résoudre des problèmes complexes et dont la résolution demande de mettre en relation des concepts souvent enseignés de façon morcelée.

3Dans la perspective de proposer des aides didactiques aux enseignants, la première question que nous nous sommes posée, était de savoir comment les élèves se représentent la transmission du message nerveux au niveau de la synapse, et donc quelles sont leurs conceptions sur ce thème.

1. Cadre théorique

4Dans cette étude, nous utilisons la notion de « conception », définie comme un ensemble de des connaissances spontanées qui représentent les modèles explicatifs des élèves et leurs grilles de lecture de la réalité (Giordan et Martinand, 1988 ; Martinand 2009).

5L’hypothèse est la suivante : Les conceptions sur le système nerveux en particulier peuvent constituer un outil de diagnostic et de repérage des obstacles à l’apprentissage de la transmission chimique du message nerveux au niveau des synapses.

6Ces obstacles représentent une résistance à l’apprentissage tout en répondant de façon « confortable » aux besoins d’explication des élèves (Astolfi & Peterfalvi, 1993).

7Différents auteurs, comme Astolfi & Peterfalvi (1993) ou Favre & Verseils (1997) s’accordent sur le fait que le repérage des obstacles à l’apprentissage permet de proposer des stratégies plus efficaces d’enseignement, permettant aux élèves de surmonter les obstacles épistémologiques qui entravent leurs apprentissages.

8Une perspective constructiviste de l’apprentissage suppose, comme le soulignent Pfund et Duit (1999), que les connaissances antérieures de l’apprenant jouent un rôle déterminant dans l’appropriation du savoir. La théorie du « changement conceptuel » propose de faire passer une conception d’un état primitif à un état plus évolué et plus abstrait (Johsua & Dupin 1999). Cette transformation ou changement conceptuel, pour Di Sessa (2002), consiste au passage d’un savoir fragmenté à un savoir structuré et pour Vosniadou (2002) ce changement consiste en une assimilation du nouveau savoir aux structures existantes.

9En considérant l’histoire des sciences et l’épistémologie comme une aide à l’analyse des obstacles, nous tenterons au cours de cette étude de restituer le cheminement des idées et les obstacles rencontrés à travers l’histoire de la neurotransmission. Ensuite nous identifierons les conceptions des élèves concernant la transmission du message nerveux au niveau de la synapse.

10Au cours de la scolarité, en Tunisie, le thème de la communication nerveuse est abordé explicitement à l’école de base (école élémentaire). Cet enseignement, en langue arabe, intéresse les bases anatomiques et fonctionnelles de la communication nerveuse à travers l’étude d’un réflexe à point de départ cutané (Programmes de Sciences de la vie et de la Terre, ministère de l’éducation et de la formation (Tunisie), 2005, p. 5).

11Dans le système éducatif français la communication nerveuse était enseignée en classe de quatrième, avec par exemple pour objectif scientifique de « montrer le rôle du système nerveux dans la commande du mouvement » (Bulletin officiel de l’Éducation nationale, n° 5, 2005, p. 37).

12Le thème de la communication nerveuse est aussi présent dans les programmes des classes de terminale S en Tunisie et des classes de première S et de première ES en France. Cette partie du programme s’appuie sur la mobilisation des acquis des classes antérieures pour faire acquérir à l’élève des connaissances de base sur différents composants du système nerveux comme les neurones, les synapses, la modulation de l’activité synaptique. Ces connaissances sont nécessaires pour permettre aux élèves d’aborder la résolution des problèmes soulevés par l’utilisation de molécules exogènes, les drogues par exemple.

13Dans les programmes tunisiens et français, l’enseignement de la transmission synaptique est précédé par l’étude de la propagation et du codage du message nerveux ou du potentiel d’action. Dans les programmes tunisiens l’enseignement de la communication nerveuse peut être résumé ainsi : La genèse de potentiels d’action de nature électrique repose sur l’existence d’un potentiel dit « de repos ». Un potentiel d’action électrique est dû à une inversion transitoire de la polarisation membranaire. Au cours de sa propagation le long d’une fibre, le potentiel d’action conserve toutes ses caractéristiques. Les messages nerveux se traduisent au niveau d’une fibre par des trains de potentiels d’action, d’amplitude constante. Les messages nerveux sont codés par la fréquence des potentiels d’action qui sont transmis d’un neurone à d’autres neurones à travers des synapses.

14Pour l’analyse didactique de manuel scolaire, nous avons établi des grilles qui utilisent des méthodes classiques d’analyse des discours, telle que la technique des termes pivots définie par Harris (1953), développée par Jacobi (1987) et utilisée par Clément (2002).

15La grille concernant le concept de message nerveux contient, en plus du mot-clé, ses occurrences et ses reformulations (potentiel d’action, différence de potentiel, influx nerveux, électropositivité, électronégativité, courant électrique, transmission chimique, médiateurs chimiques, récepteurs spécifiques des médiateurs chimiques, neurotransmetteurs).

16L’analyse du contenu de l’unique manuel scolaire officiel, de terminale scientifique concernant la communication nerveuse montre une focalisation sur la nature électrique du message nerveux.

Figure 1. Nature du message nerveux

Figure 1. Nature du message nerveux

17Certains documents « encyclopédiques » comme « l’encyclopédie de Benjamin » destinés aux enfants abordent le système nerveux comme un réseau continu qui est comparé au réseau téléphonique.

18On relève par exemple les analogies suivantes dans ces documents :

Système nerveux

Réseau téléphonique

Le cerveau

La centrale

Les nerfs

Les fils conducteurs

L’influx nerveux

Le message

19Cette analogie est aussi présente dans le manuel de terminale où nous retrouvons la comparaison entre les nerfs et les câbles téléphoniques (figure 2). Il est demandé à l’élève d’observer le document et de répondre à la question suivante : « que suggère l’homologie de structure entre le nerf et le câble téléphonique ? »

Figure 2. Structure du nerf (extrait de manuel scolaire S VT 4e année de l’enseignement secondaire, section sciences expérimentales. Tunis : Centre national pédagogique, 2006. p. 167)

Figure 2. Structure du nerf (extrait de manuel scolaire S VT 4e année de l’enseignement secondaire, section sciences expérimentales. Tunis : Centre national pédagogique, 2006. p. 167)

© 2006 centre national pédagogique de Tunis (droits réservés)

20L’analyse des programmes et du manuel scolaire tunisiens concernant la communication nerveuse montre une surreprésentation de l’aspect électrique du message nerveux qui serait à l’origine d’une orientation des représentations des élèves vers la conception en réseau continu du tissu nerveux et vers une conception électrique de la transmission nerveuse.

21Si on admet, comme Morin (2006), qu’en général le manuel scolaire a une grande influence en classe, il nous semble que la focalisation sur la conception électrique pourrait avoir une grande influence sur les conceptions des élèves.

22Étude historique du concept de la neurotransmission

23Les neurones sont-ils des éléments en continuité ou en contiguïté ? Nous allons tenter de montrer qu’une controverse reliée à l’organisation du tissu nerveux a déjà eu lieu au cours de l’histoire.

24Les travaux de Deiters (1865, in Finger, 2001) ont permis d’obtenir la représentation actuelle du neurone (corps cellulaire, axone, et dendrites). On peut alors se demander s’il y a continuité ou contigüité entre les différents neurones qui constituent le tissu nerveux.

25L’histoire de la neurotransmission est le théâtre d’une opposition entre deux théories et trois modèles explicatifs de la transmission : le modèle chimique, le modèle électrique et le modèle ondulatoire. Chacun possède sa propre cohérence mais un seul sera adopté par la communauté scientifique.

1.1. Deux théories…

26C’est au xixe siècle qu’apparaissent les premiers travaux sur l’anatomie microscopique du système nerveux Émergent alors deux théories explicatives du système nerveux : la théorie réticulaire et la théorie neurale (Teyssou, 2002).

1.1.1. Une théorie réticulaire

27Jusqu’en 1885, il semble admis que le tissu nerveux forme un réseau continu. Pour les partisans de la continuité, les cellules nerveuses ne sont pas individualisées mais anastomosées, elles forment donc un réseau continu par leurs prolongements (Cowan & Kandel (2001) soit dendritique soit axonique (Clarac et al., 2008).

28Plusieurs modèles théoriques ont été proposés pour expliquer la continuité entre les cellules nerveuses.

1.1.2. Une théorie neurale

29His (1886) et Forel (1887) (In Glickstein, 2006) ont supposé que les terminaisons des fibres nerveuses étaient libres. En 1888, Cajal (In Glickstein, 2006) en utilisant la méthode de coloration de Golgi, montre que le système nerveux est constitué d’un réseau de neurones contigus qui communiquent entre eux au niveau des prolongements. Il formule la loi « du contact péri-cellulaire » selon laquelle les neurones sont interconnectés entre eux par contiguïté et non par continuité.

30Pour les « neuronistes », la contiguïté implique l’existence de plusieurs compartiments intracellulaires et le passage du message nerveux à travers le milieu extra-cellulaire. Par la suite de nombreuses expériences et observations vont confirmer la thèse « neuroniste ».

31L’introduction du concept de « synapse » par Sherrington en 1897, pour expliquer l’arc réflexe, a favorisé les thèses neuronistes. Mais l’opposition entre « neuronistes » et « réticularistes » persiste et la question n’est définitivement tranchée qu’à partir de 1950, grâce au perfectionnement technique, dont la microscopie électronique et les travaux de physiologie supposant la libération discontinue (quantum) de neurotransmetteurs (Fatt & Katz, 1952). Après les années soixante, les chercheurs vont pouvoir visualiser l’espace synaptique et montrer que les neurones sont des entités biologiques indépendantes, séparées les unes des autres et fonctionnant en réseau. La question clé est de comprendre par quels mécanismes un potentiel d’action peut franchir une synapse.

1.2. …et trois conceptions

32En lien avec ces deux théories de l’organisation du tissu nerveux (« neuronisme » et « réticularisme »), il a été recensé trois conceptions de la transmission de l’influx nerveux entre les neurones.

1.2.1. Une conception électrique

33Ce modèle trouve ses origines dans la conception « réticulariste », selon laquelle les neurones sont connectés par fusion des membranes des neurones adjacentes, pour former un seul compartiment reliant directement les neurones ou par contact intime en un réseau, le long duquel est propagé le message nerveux sous forme d’un potentiel d’action. Les travaux de Lapicque en 1906 (cf. Cowan & Kandel, 2001) après Weiss (1901) ont permis la formulation des lois de l’excitabilité, et ceux de Du Bois-Reymond (1841) et Helmholtz (1850) ont établi les lois de la conduction nerveuse. Ces travaux ont contribué au dépassement de la conception vitaliste du « fluide nerveux » et à l’établissement de la conception électrique qui s’accorde donc parfaitement au style de pensée d’une période de la science qui est, à partir de 1850, dominée par la physique (Dupont, 1999).

1.2.2. Une conception chimique

34Ce modèle trouve ses origines dans la conception neurale, qui postule que les neurones sont des unités contiguës séparées par un espace inter-synaptique. Selon cette conception, le signal nerveux se transmet d’un neurone à un autre en utilisant un neurotransmetteur, qui est émis par le neurone afférent. Le neurotransmetteur diffuse dans la fente synaptique et se lie aux récepteurs post synaptiques.

1.2.3. Une conception en ondes

  • 1 “This interdependence of mental and neural processes is an empirical fact, even though its precise (...)

35En 1920 Ralph Lillie, dans l’introduction à son article « The physical nature of nervous action » publié dans l’American Journal of Psychiatry (Lillie, 1929), rappelle que les fonctions somatique et psychique sont liées, même si l’on ignore encore leurs liens précis1. Il émet les bases d’une théorie unitaire du système nerveux et compare le processus de conduction nerveuse aux ondes radios, « véhicules de trivialité aussi bien que des sons et des sentiments les plus nobles ».

36D’après Dupont (1999) le cheminement des idées et les obstacles qu’il a fallu dépasser au cours de l’histoire de la neurotransmission peuvent être résumés en trois étapes :

  • la coexistence de deux théories explicatives de la transmission nerveuse ;

  • la problématisation dans une approche « neuroniste » après avoir constaté l’invalidité de l’approche « réticulariste » et la mise en évidence de l’espace inter synaptique ;

  • le développement de la théorie « neuroniste ».

37L’analyse épistémologique et historique du concept de la neurotransmission met en évidence, d’une part, la réticence des « réticularistes » partisans de la conception continue du tissu nerveux qui est du type holistique. Golgi soutient la thèse de continuité car il ne veut pas abandonner l’idée d’action unitaire du système nerveux la théorie du neurone est jugée réductionniste. D’autre part, cette analyse montre que la difficulté de la visualisation de l’espace inter synaptique fait obstacle à la confirmation de conception neurale du système nerveux.

38L’hypothèse explicative de la transmission du message nerveux à travers une synapse dépend donc de la conception concernant l’organisation du tissu nerveux.

2. Méthodologie

2.1. Cursus des élèves

39Pour recenser les conceptions initiales des élèves concernant la transmission du message nerveux au niveau de la synapse, nous avons proposé un pré-test à 140 élèves (64 élèves français et 76 élèves tunisiens) de lycée, dont l’âge se situe entre 17 et 19 ans, pendant l’année scolaire 2007-2008. Les élèves tunisiens concernés par notre étude sont en terminale sciences S, les élèves français sont en première S. Dans le programme français du collège, l’accent est mis essentiellement sur la commande du mouvement qui est assurée par le système nerveux. Étant donné que l’enseignement de la communication nerveuse n’est abordé au lycée qu’en classe de terminale, les connaissances des élèves proviennent principalement de leurs études en collège.

40Les élèves tunisiens ont suivi les programmes de l’enseignement de base (programme officiel 3e degré enseignement de base). Dans ce programme, l’accent est mis essentiellement sur la commande du mouvement réflexe qui est assurée par le système nerveux : « étude du mouvement réflexe : détermination des éléments mis en jeu dans l’activité réflexe arc réflexe » (Programmes de sciences de la vie et de la Terre, ministère de l’éducation et de la formation, Tunisie, 2005, p. 17).

41Dans les deux programmes d’enseignement tunisien et français, la description des récepteurs post synaptiques et l’étude des mécanismes chimiques détaillés de la transmission synaptique sont exclus.

42En faisant le choix de travailler sur deux populations d’origines différentes (64 élèves français et 76 élèves tunisiens) nous avons cherché d’éventuelles similitudes entre les conceptions initiales des élèves français et des élèves tunisiens, concernant la transmission synaptique.

2.2. Pré-test

43Le pré-test est proposé aux élèves avant l’enseignement sur la transmission synaptique. Les connaissances biologiques de l’énoncé relèvent de la neurophysiologie, elles portent sur les notions de neurone et de synapse. Les élèves français de première S, comme les élèves tunisiens de terminales S, disposent des connaissances concernant le neurone et la synapse, dont l’enseignement est antérieur à celui de la neurotransmission.

44Le pré-test est composé d’un texte qui intègre une figure. Le texte propose tout d’abord un exercice de calcul de vitesse puis du temps de la propagation de message nerveux et enfin une comparaison entre le temps calculé et le temps réel (texte et figure 3 ci-dessous).

Travail demandé :

1.1 Calcul de la vitesse de propagation du message nerveux au niveau de la synapse.

Sachant qu’un message nerveux parcourt 2,5 m en 25 ms, calculer la vitesse moyenne de propagation d’un message nerveux chez l’homme en m. ms-1.

Sachant que dans le cadre du réflexe myotatique du biceps du muscle du bras, la distance parcourue par le message nerveux depuis sa naissance au niveau du neurone sensitif jusqu’à la terminaison axonique du neurone moteur est de 75 cm.

Calculez le temps mis par ce message.

Comparez le temps mis par le message pour aller du récepteur à l’effecteur que vous avez calculé, au temps réel qui est de 8 ms.

1.2 Proposez une ou plusieurs hypothèse(s) sur la transmission du message nerveux au niveau de la synapse permettant d’expliquer la différence observée entre temps calculé et temps réel.

Figure 3. Schéma d’une synapse

Figure 3. Schéma d’une synapse

45La situation comprend deux questions ouvertes. Le paramètre testé est la conception de la transmission du message nerveux d’un neurone à un autre. En plus de la consigne formulée par écrit sur le questionnaire, il a été demandé aux élèves de proposer, à l’aide d’un schéma, une ou plusieurs hypothèse(s) sur la transmission du message nerveux au niveau de la synapse permettant d’expliquer la différence observée entre temps calculé et temps réel. Il est demandé aux élèves de compléter une figure (figure 3) qui représente le schéma d’une synapse. Les élèves doivent répondre à la même consigne pour les quatre classes : « Représenter par un schéma et compléter par une légende comment vous imaginez la transmission du message nerveux au niveau d’une synapse ». Les groupes sont constitués de trois ou quatre élèves. Il leur est demandé de produire un schéma commun au groupe.

46Le questionnaire, distribué aux élèves en classe, est rempli sur place, par groupes de trois ou quatre élèves. Ce questionnaire a été distribué au début de la séance de TP sur la transmission synaptique aux élèves des lycées français, juste avant le cours sur la transmission synaptique. Il a été distribué trois séances avant le cours sur la transmission synaptique aux élèves des lycées tunisiens. Pour les deux groupes d’élèves, le temps imparti était d’une demi-heure. Les élèves sont mis en situation de s’exprimer librement (productions anonymes sans évaluation).

47Notre corpus (cf. tableau 1) est composé des productions écrites par les groupes et des transcriptions des discussions entre les élèves dans leurs groupes

Tableau 1. Présentation de la répartition des élèves

Lycées

Lycée 7 novembre Bizerte (Tunisie)

Lycée Farhat Hached Bizerte (Tunisie)

Lycée Mme de Staël
Saint-Julien-en-Genevois (France)

Lycée Charles Baudelaire Cran-Gevrier (France)

Niveaux scolaires

Terminale S

Terminale S

Première scientifique

Première scientifique

Effectif des élèves

28

48 (24 + 24)

32

32

Nombre de groupes

9

16

11

9

2.3. Méthode d’analyse des données

48Il s’agit d’analyse qualitative, l’étude épistémologique et historique a servi de référence pour analyser les productions des élèves et pour répartir leurs conceptions en fonction des catégories que nous avons préalablement définies.

2.3.1. Une grille d’analyse historique a priori

49Deux théories explicatives du système nerveux et de son fonctionnement ont été élaborées et se sont succédées et confrontées au cours du temps. Les modèles explicatifs retenus de l’analyse de l’histoire de la neurotransmission ont servi de base à l’analyse a priori des réponses des élèves. Le schéma ci-dessous (figure 4) rappelle ces différents modèles explicatifs.

Figure 4. Modèles explicatifs de la transmission du message nerveux

Figure 4. Modèles explicatifs de la transmission du message nerveux

50L’analyse a posteriori des réponses des élèves a permis de repérer des systèmes explicatifs rencontrés en histoire de la neurotransmission.

51Nous avons classé les différentes hypothèses explicatives de la manière suivante :

Tableau 2. Grille d’analyse des productions d’élèves

Conception du message nerveux au niveau de la synapse

Description

Électrique

L’influx nerveux électrique se propage d’un neurone à un autre en gardant la nature électrique

Ondes

Représentations graphiques symbolisant les ondes

Chimique

Au niveau de la synapse l’influx nerveux change de nature

2.3.2. Indications sur la catégorisation

52La catégorie « conception chimique » du tissu nerveux renvoie à une transformation du message nerveux pré-synaptique de type électrique en message nerveux post-synaptique de type chimique.

53La catégorie « conception électrique » correspond à la présence dans les productions des élèves de ce qui peut être considéré comme la conservation de la nature électrique du message nerveux.

54La catégorie « conception ondulatoire » est liée à l’idée de la transformation du message nerveux pré-synaptique de type électrique en message nerveux post-synaptique sous forme d’ondes.

2.3.3. Plusieurs exemples de productions des élèves

55Exemple 1

Figure 5. Conception électrique de la transmission chimique

Figure 5. Conception électrique de la transmission chimique

56Dans ces deux représentations, le message nerveux est de type électrique et il se déplace d’un neurone à un autre, grâce une solution conductrice assimilée généralement au liquide cytoplasmique conducteur qui occupe l’espace inter synaptique ou par l’intermédiaire d’un liquide dans lequel baignent les neurones.

57La continuité du tissu nerveux est assurée par le liquide conducteur de l’électricité.

58Exemple 2

Figure 6. Hypothèses explicatives selon une conception électrique et hormonale

Figure 6. Hypothèses explicatives selon une conception électrique et hormonale

59Pour cet exemple, les élèves émettent deux hypothèses explicatives.

60Dans la première hypothèse (catégorie 1 : contiguë) les élèves expriment une conception où le message électrique « impulsion électrique » se transforme en hormone dans l’espace synaptique, se fixe sur des capteurs puis retrouve son caractère électrique dans la cellule post synaptique.

61Dans la deuxième hypothèse (catégorie 2 : continue) les élèves expriment une conception où le message électrique « impulsion électrique » se propage dans l’espace synaptique, tout en gardant ces caractéristiques pour se retrouver dans la cellule post synaptique.

62Pour représenter le message électrique, les élèves font appel à une analogie avec la représentation des éclairs par des formes géométriques.

63Exemple 3

Figure 7. Trois hypothèses explicatives

Figure 7. Trois hypothèses explicatives

64Dans l’hypothèse 1, les élèves supposent que le message est libéré sous forme de substances.

65Dans l’hypothèse 2, l’espace synaptique est occupé par une « solution conductrice » : dans ce cas, la solution permet le passage du message électrique du milieu chargé négativement vers le milieu chargé positivement. Les élèves émettent un doute quant à l’existence de l’écart de temps entre quoi et quoi ?

66Dans l’hypothèse 3, les deux neurones sont reliés par une petite fibre qui assure la continuité entre les cellules nerveuses.

67Exemple 4

68Dans ce cas la transmission du message nerveux à travers l’espace synaptique se fait par l’intermédiaire des ondes.

Figure 8. Hypothèse ondulatoire

Figure 8. Hypothèse ondulatoire

3. Résultats de l’analyse des productions des élèves

69Le corpus recueilli a été analysé d’après la grille du tableau 2, construite a priori. L’analyse des productions des élèves nous a permis de repérer une diversité d’hypothèses explicatives de la transmission du message nerveux, classée en trois catégories de conceptions initiales concernant la transmission de l’influx nerveux : la transmission du type électrique, la transmission du type chimique et la transmission par des ondes (cf. tableau 3). Chaque type de conception de la transmission du message nerveux au niveau de la synapse renvoie à une catégorie d’organisation du tissu nerveux.

70La conception chimique du message nerveux au niveau de la synapse renvoie à la conception du tissu nerveux en réseau contigu. Nous relevons, dans les productions des élèves, une prise en compte de l’existence de l’espace synaptique qui constitue une barrière que le message nerveux doit franchir. Dans ces productions, il a été repéré des indications concernant la transformation du message électrique en d’autres formes de message telles que des substances de transport, un message non électrique ou une substance chimique. De plus, il a été pointé la présence de récepteurs spécifiques de cette nouvelle forme de message, au niveau de la membrane post-synaptique. En revanche, la conception électrique exprimée renvoie à la conception du tissu nerveux en réseau continu. Les productions des élèves regroupent des éléments d’explication, de la transmission électrique du message nerveux au niveau de la synapse, qui font intervenir des structures permettant le passage de ce message à travers l’espace synaptique. Différentes structures sont évoquées par ces élèves pour expliquer la transmission du message nerveux au niveau de la synapse (petites fibres, contact ponctuel, fils conducteurs).

71Le tableau 3 ci-dessous regroupe l’ensemble des catégories et des indicateurs repérés.

Tableau 3. Analyse des productions des élèves

72Les résultats issus de l’analyse des productions des élèves concernant la transmission nerveuse sont reportés dans le tableau 4 ci-dessous. Pour les productions de groupes présentant plusieurs hypothèses explicatives, nous avons retenu toutes les hypothèses de nature différentes qui reflètent les divergences au sein du groupe.

73Par exemple dans la figure 4, la conception du message nerveux sera comptée une fois dans la catégorie message électrique et une autre fois dans la catégorie message non électrique.

Tableau 4. Répartition des pourcentages entre les conceptions des élèves

Message non électrique

Message électrique

Conception ondes

Effectif des productions de groupes des élèves français

11

33,33 %

21

63,33 %

1

3,03 %

Effectif des productions de groupes des élèves tunisiens

8

25,81 %

22

70,96 %

1

3,23 %

Total

19

29,69 %

43

67,19 %

2

3,12 %

74Dans des extraits de transcription nous avons repéré des indicateurs qui nous permettent de définir la catégorie de l’organisation du tissu nerveux à laquelle renvoie la conception ondulatoire.

75Pour le groupe 3 des élèves tunisiens qui supposent que le message nerveux traverse l’espace synaptique sous forme d’onde, nous avons décidé de classer ce message dans la catégorie conception continue du tissu nerveux. En effet nous avons relevé des indicateurs de la catégorie conception continue lors de la discussion dans ce groupe, comme le prouve l’extrait suivant :

Amel : Le message nerveux se propage dans la fibre nerveuse sous forme d’ondes électriques et ce sont ces ondes qu’on va retrouver au niveau de l’espace synaptique

Sami : et ces ondes traversent l’espace synaptique […] peut être, mais il n’est pas vide ?

Mehdi : non il contient un liquide […] Oui il est conducteur

76Tandis que pour le groupe A2 des élèves français du lycée de Saint-Julien-en-Genevois, qui supposent que le message nerveux traverse l’espace synaptique sous forme d’ondes, nous avons décidé de classer ce message dans la catégorie conception contiguë du tissu nerveux. En effet nous avons relevé des indicateurs de la catégorie conception contigüe dans la transcription de la discussion du groupe. Les élèves reconnaissent la présence de l’espace synaptique.

Margo : Pour moi c’est des ondes pas vous ?

Romain : On peut dire que c’est une matière, comme dans la terre quand c’est visqueux ça passe moins rapidement

Margo : Il faut admettre alors que c’est une onde

Tableau 5. Conceptions des élèves concernant l’organisation du tissu nerveux

Nombre de groupes

Conception contigüe

Conception continue

Des élèves français

12

21

Des élèves tunisiens

8

23

Total

20

31,25 %

44

68,75 %

Chi deux : 0,4106

Degré de liberté : 1

P value = 0,5217

77Les données quantitatives du tableau 5 permettent l’utilisation du test « Khi deux ». D’après Mialaret (1991), il est généralement considéré que les effectifs doivent être, en théorie, tous au moins égaux à quatre ou cinq pour que l’utilisation du test « Khi deux » soit pertinente. Le traitement statistique montre que la différence obtenue entre les effectifs des élèves tunisiens et français n’est pas significative (PV supérieure à 0,5 %).

78Il n’y a donc pas de différence statistiquement significative dans la répartition des conceptions des élèves concernant la transmission du message nerveux au niveau de la synapse entre les élèves tunisiens et français.

4. Discussion

79L’analyse des productions des élèves, placés dans différentes situations, a permis de mettre en évidence différentes conceptions concernant la neurotransmission. Nous avons pu détecter dans ces productions des éléments explicatifs qui renvoient à l’organisation continue ou contiguë du tissu nerveux.

4.1. Première conception : Organisation continue, d’inspiration réticulariste

80Pour se construire une conception de la transmission du message nerveux au niveau de la synapse, la majorité des élèves proposent que les structures nerveuses soient continues et mobilisent des raisonnements essentiellement de type analogique. Pour ces élèves, le message nerveux est de nature électrique et se transmet, d’un neurone à un autre, d’une façon continue à travers un réseau de neurones. Cette continuité est assurée par diverses structures qu’ils désignent par : « fibres nerveuses spécifiques », « fil conducteur », « liquide conducteur » ou par un contact intime ponctuel lors de la transmission du message nerveux électrique. L’idée qu’il existe des petites fibres reliant les deux neurones peut être mise en relation avec la première théorie de la conduction de l’influx nerveux par les neurofibrilles intracytoplasmiques, qui avait été avancée à l’origine par Schultze (1869, Frixione, 2006), à savoir que les fibrilles pourraient constituer les voies de passage de l’influx nerveux.

81Quant au contact ponctuel entre les neurones, il peut rappeler l’organisation du tissu nerveux en réseau continu par les prolongements des neurones décrit par Von Gerlach, 1872 (Hortsch, 2009, p. 1) et Golgi, (1883).

82Le choix de la transmission électrique au niveau de la synapse par la majorité des élèves semble être en relation avec le délai très court pour le passage du message nerveux de l’élément pré-synaptique vers l’élément post-synaptique. Ce même constat a été fait par Beorchia (2003) dans l’explication de la commande cérébrale du muscle par des élèves de CM2. En effet, la modalité de transmission électrique proposée par ces élèves répond à une nécessité de la rapidité de transmission, liée au délai court entre le moment où l’objet est détecté et celui où on le saisit.

83Ces élèves, expliquent la différence entre le temps théorique et le temps réel mis par l’influx nerveux pour traverser l’espace synaptique par des bouchons au niveau de petites fibres, qui conduisent le message nerveux électrique en « boules ». Ils utilisent une analogie avec les « bouchons » de la circulation automobile.

84Il nous semble que cette conception électrique pourrait avoir été renforcée par le manuel scolaire, qui représente un outil de base utilisé par les enseignants de sciences (Alvermann, 1987, Lebrun 2006). En effet l’analyse du contenu du manuel scolaire tunisien de terminale scientifique concernant la communication nerveuse montre une focalisation sur la nature électrique du message nerveux.

85La situation proposée aux élèves, comprenant un schéma et une question demandant d’expliquer la différence entre la vitesse de propagation calculée et réelle, ne semble pas orienter les explications de la majorité des élèves vers la contiguïté des structures nerveuses. En mobilisant des structures, qui mettent en relation les deux éléments nerveux, les élèves restituent un seul compartiment intracellulaire qui s’étend sur tout le système nerveux. Ces conceptions pourraient présenter des obstacles de type holiste à l’apprentissage de la neurotransmission. Ces élèves considèrent le tissu nerveux comme un tissu continu et rejettent toute discontinuité qui risque d’entraver le fonctionnement du système nerveux, ce qui revoie à la réticence du type holistique des « réticularistes », comme l’avait proposé Golgi à son époque, car il ne voulait pas abandonner l’idée d’action unitaire du système nerveux (cf. Changeux, 1983, p. 41).

86L’explication électrique de la neurotransmission, qui nécessite la continuité des structures nerveuses, renvoie également à une explication de type mécaniste. Dans le cadre mécaniste cartésien la transmission des esprits animaux nécessite une disposition des organes sans interruption.

87Une minorité d’élèves mobilisent un raisonnement analogique et expliquent la transmission du message nerveux au niveau de la synapse par la propagation des ondes à la manière des ondes sismiques. Cette explication de la neurotransmission par la propagation d’ondes mécaniques peut être mise en relation avec la conception de la modalité de conduction de l’influx nerveux par des « vibrations nerveuses » avancée par Claude Bernard (1875). En usant du terme de vibration Claude Bernard pense à une entité qui se rapproche de l’énergie de la physique moderne (Grmek, 1973. p. 402).

4.2. Seconde conception : organisation contiguë d’inspiration neuroniste

88Dans ce cadre explicatif, le message nerveux se transmet d’un neurone à un autre, en passant par l’espace inter-synaptique d’une façon discontinue à travers un réseau de neurones. La transmission du message nerveux est rendue possible grâce à des intermédiaires : « substance chimique », « hormones » et « substance de transfert ». Ces intermédiaires se fixent sur la membrane de l’élément post-synaptique sur des récepteurs spécifiques. Certains élèves envisagent la conversion du message nerveux en message chimique, tandis que d’autres envisagent un simple stockage du message électrique dans des sacs pendant la traversée de l’espace synaptique pour éviter la propagation du message électrique dans tout l’organisme.

89Nous remarquons qu’un petit nombre d’élèves raisonne de façon différente en adoptant une conception contiguë du tissu nerveux. Leurs productions révèlent une ébauche de conception intégrant la composante chimique du message nerveux. Cependant, aucune référence au changement de la perméabilité cellulaire n’a été proposée par ces élèves.

90L’explication « chimique » de la neurotransmission qui met en jeu l’idée de discontinuité des structures nerveuses et de la transformation du message nerveux électrique en message chimique dépasse l’explication du type mécaniste.

Conclusion

91Les résultats qui précèdent tendent à montrer que les conceptions initiales des élèves sur la transmission synaptique sont inégalement réparties sur deux pôles opposés : des conceptions « électriques » ou des conceptions « chimiques ». Les conceptions électriques recueillies sont relatives à des modèles qui renvoient à une conception continue de l’organisation du tissu nerveux.

92L’autre type de conceptions mobilisées dans le corpus recueilli est relatif à des modèles contigus du tissu nerveux et fait également référence à la conversion du message nerveux électrique en message chimique au niveau de la synapse.

93L’analyse des productions montre qu’une majorité d’élèves conçoit la transmission synaptique comme un phénomène électrique et se représente le tissu nerveux comme un réseau formé par des neurones reliés entre eux par des fils ou des tuyaux de conduction électrique favorisant la transmission de l’intégralité du message nerveux.

94La persistance des conceptions continuistes du tissu nerveux chez les élèves peut être expliquée par la complexité du fonctionnement des conceptions. En effet, ils rendent ces conceptions pertinentes et plausibles à leurs yeux en ignorant l’espace synaptique ou alors en expliquant la diminution de vitesse de propagation par un embouteillage au niveau des structures de liaison entre les deux neurones ou encore par une erreur expérimentale de mesure de temps de propagation du message nerveux.

95La résistance de la conception réticulariste semble être due à une conception du cerveau de type holistique (la singularité du neurone n’est pas prise en compte) et à la difficulté de la perception de l’espace synaptique. Ces conceptions semblent être renforcées par les contenus des manuels scolaires. Comment dans ce cas les élèves peuvent-ils admettre la nécessité de la conversion du message nerveux électrique en message chimique pour assurer la neurotransmission ?

96Cette conception pourrait expliquer certains obstacles à l’apprentissage de la notion de potentiel post-synaptique puis plus tard, dans la compréhension de la notion d’intégration : le phénomène de sommation des influx dans les centres nerveux et à la compréhension de la modulation des messages nerveux au niveau des centres.

97La conception électrique de la transmission du message nerveux au niveau de la synapse peut induire un obstacle à la compréhension du phénomène d’inhibition. En effet s’il est aisé de comprendre qu’un message nerveux arrivant au niveau d’un organe provoque son activation, il est plus difficile de concevoir qu’un message nerveux puisse s’arrêter de circuler.

98Cette analyse révèle une grande similitude entre les conceptions initiales des élèves français et des élèves tunisiens concernant la neurotransmission. Il apparaît donc pertinent que les concepteurs de manuels scolaires, ainsi que les enseignants tunisiens et français, tiennent compte de ces conceptions afin de contribuer à l’appréhension du concept de neurotransmission par leurs élèves.

99Cependant, des études antérieures ont montré que les conceptions initiales des élèves résistent souvent à l’apprentissage car les élèves ne sont pas conscients de l’écart entre leurs conceptions et la connaissance scientifique actuelle et ils ne voient pas de raisons pour changer.

100Pour remédier à cette situation, nous avons proposé la construction de différents dispositifs pédagogiques basés sur une stratégie de prise en compte des conceptions et des obstacles, l’objectif étant de provoquer un conflit cognitif « intra-subjectif » chez ces élèves (Laribi, 2009). En plaçant les élèves dans des situations qui leur posent problème et en montrant aux élèves les limites de leurs conceptions par les simulations des phénomènes biologiques à enseigner, il devient dans ce cas possible d’instaurer une déstabilisation des conceptions des élèves. L’insatisfaction des apprenants à l’égard de leurs propres conceptions engendre alors une motivation intrinsèque qui les amène à rechercher des solutions innovantes.

101Cette démarche devrait contribuer à un changement conceptuel dans les pratiques de l’enseignement de la neurotransmission.

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Notes

1 “This interdependence of mental and neural processes is an empirical fact, even though its precise implications are not clear at present.”

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Table des illustrations

Titre Figure 1. Nature du message nerveux
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/330/img-1.png
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Titre Figure 2. Structure du nerf (extrait de manuel scolaire S VT 4e année de l’enseignement secondaire, section sciences expérimentales. Tunis : Centre national pédagogique, 2006. p. 167)
Crédits © 2006 centre national pédagogique de Tunis (droits réservés)
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/330/img-2.png
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Titre Figure 3. Schéma d’une synapse
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Fichier image/jpeg, 24k
Titre Figure 4. Modèles explicatifs de la transmission du message nerveux
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/330/img-4.png
Fichier image/png, 40k
Titre Figure 5. Conception électrique de la transmission chimique
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/330/img-5.png
Fichier image/png, 122k
Titre Figure 6. Hypothèses explicatives selon une conception électrique et hormonale
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/330/img-6.png
Fichier image/png, 41k
Titre Figure 7. Trois hypothèses explicatives
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/330/img-7.png
Fichier image/png, 176k
Titre Figure 8. Hypothèse ondulatoire
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Fichier image/png, 45k
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Pour citer cet article

Référence papier

Rym Laribi, Patricia Marzin, Mohsen Sakly et Daniel Favre, « Étude des conceptions des élèves de première et de terminale scientifiques sur la transmission synaptique en Tunisie et en France »RDST, 2 | 2010, 193-214.

Référence électronique

Rym Laribi, Patricia Marzin, Mohsen Sakly et Daniel Favre, « Étude des conceptions des élèves de première et de terminale scientifiques sur la transmission synaptique en Tunisie et en France »RDST [En ligne], 2 | 2010, mis en ligne le 15 mars 2013, consulté le 29 mars 2024. URL : http://journals.openedition.org/rdst/330 ; DOI : https://doi.org/10.4000/rdst.330

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Auteurs

Rym Laribi

rym_laribi@voila.fr
Institut supérieur de l’éducation et de la formation continue de Tunis, Tunisie

Patricia Marzin

patricia.marzin@imag.fr
UMR Laboratoire d’informatique de Grenoble (CNRS, Grenoble INP, INRIA, université Joseph-Fourier, université Pierre-Mendès-France)

Mohsen Sakly

mohsen.sakly@fsb.rnu.tn
Faculté des sciences de Bizerte, Tunisie

Daniel Favre

favre@univ-montp2.fr
Université Montpellier 2, CC77, LIRDEF

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Droits d’auteur

CC-BY-NC-ND-4.0

Le texte seul est utilisable sous licence CC BY-NC-ND 4.0. Les autres éléments (illustrations, fichiers annexes importés) sont « Tous droits réservés », sauf mention contraire.

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