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Dossier : Didactique des sciences et histoire des sciences

Enseigner le concept d’ADN en lien avec la démarche historique : un processus de modélisation négociée

Teaching the concept of DNA in relationship to the historical approach: a process of negotiated modelling
Den Begriff DNA im Zusammenhang mit der historischen Herangehensweise unterrichten : ein Prozess der ausgehandelten Modellierung
Enseñar el concepto de ADN en relación con el enfoque histórico : un proceso de modelización negociado
Hassen-Reda Dahmani et Patricia Schneeberger
p. 55-82

Résumés

L’ADN fait l’objet dans cette étude de l’expérimentation de deux nouvelles approches d’enseignement pour la classe de seconde. Elles s’inspirent de la démarche qui a conduit deux scientifiques, J. Watson et F. Crick, à proposer en 1953 le modèle de la double hélice. Des élèves d’une classe sont amenés à construire différents modèles graphiques évolutifs aboutissant au modèle d’agencement par paires de bases complémentaires. Des élèves d’une autre classe réalisent une analyse comparative critique de modèles graphiques précurseurs à ce modèle. Les élèves négocient la signification des différentes conjectures en les soumettant à différentes contraintes fonctionnelles et empiriques renvoyant aux nécessités du modèle. L’analyse de ces séquences permet de mettre en évidence, grâce à l’éclairage historique, les conceptions sous-jacentes aux idées et modèles produits.

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Texte intégral

Nous tenons à remercier les élèves, leurs enseignants (et en particulier Laurent Lafond, professeur agrégé au lycée Montaigne) et les responsables pédagogiques des lycées de la région de Bordeaux pour nous avoir accueillis dans leur classe et permis d’expérimenter des séquences d’enseignement innovantes.

Introduction

1Deux manières d’utiliser l’histoire des sciences en classe de seconde sont expérimentées. Elles se basent sur le cheminement intellectuel parcouru par Watson et Crick pour approcher et résoudre le problème du lien entre les fonctions de l’ADN et sa structure moléculaire et les a amenés à déduire son caractère universel et expliquer sa variabilité. Selon l’interprétation que nous avons faite de différentes sources documentaires, en particulier celles produites par les découvreurs de la double hélice, ces chercheurs sont arrivés à expliquer la manière dont l’ADN constituait le support matériel de l’information génétique (fonction de code) et à proposer un mécanisme par lequel cette information pouvait se transmettre d’une génération à la suivante (fonction de copie), en mettant en tension les différentes conjectures qu’ils imaginaient avec les faits expérimentaux obtenus par d’autres.

2La première situation est proposée à des élèves qui n’ont pas encore abordé le chapitre portant sur l’étude de l’ADN. Elle se présente sous la forme d’une énigme à résoudre. Il s’agit pour les élèves de « construire » une structure schématique simplifiée de la molécule d’ADN en « spéculant » sur différentes modalités d’appariement des paires de bases azotées, de la même manière qu’avaient opéré Watson et Crick en construisant « des modèles de tous les arrangements possibles des nucléotides » (Marty & Monin, 2003, p. 111).

3La deuxième fait analyser par des élèves qui ont déjà étudié le thème de l’ADN, des dispositifs d’agencement et d’appariement de ces mêmes bases azotées dans deux modèles précurseurs à celui de la double hélice d’ADN.

  • 1 Bulletin officiel du ministère de l’Éducation nationale, spécial n° 4 du 29 avril 2010.

4L’intérêt de ces deux activités est de permettre aux élèves de mieux comprendre les implications structurales des fonctions génétiques de l’ADN en les amenant à réfléchir sur la signification de plusieurs notions, celles de message codé, de copie de ce message, d’universalité et de variabilité. Les élèves sont organisés en groupes restreints pour favoriser la communication et les échanges, les amener à exprimer leur raisonnement spontané et mettre en jeu leur capacité d’imagination à l’instar de Watson et Crick (Watson, 1968, p. 114). Ces activités permettent en même temps aux élèves d’intégrer l’idée que la molécule d’ADN est un objet construit intellectuellement et non le résultat d’observations micro ou macroscopiques, et que dans la recherche, la spéculation théorique constitue une voie d’investigation qui peut venir en amont, en soutien ou à la suite de l’activité expérimentale. Ceci est en adéquation avec les récentes directives promulguées par l’institution éducative1 qui préconisent aux enseignants d’accorder « un statut également respectable à l’acquisition des attitudes » qu’à l’acquisition des connaissances pour l’assimilation de savoirs par les élèves.

5Certaines difficultés qui sont apparues au cours des séquences sont présentées et analysées dans cette étude dans la perspective d’identifier les conditions pour lesquelles « la scolarisation de l’activité scientifique » (Schneeberger, 2005) peut générer chez les élèves un apprentissage plus actif et donc opératoire et durable.

1. Problématique

6L’enseignement de la structure de l’ADN porte plusieurs enjeux didactiques, scientifiques et épistémologiques. Trois raisons principales expliquent notre intérêt pour ce thème :

7Les notions biologiques enseignées dans les niveaux antérieurs à la classe de seconde, s’inscrivent principalement dans des dimensions et approches macroscopiques. Organismes, cellules et organites constituent en effet des « objets » d’étude observables directement à l’oeil nu ou à l’œil instrumenté (microscope photonique). Dès l’étude de l’ADN, l’enseignement porte sur un niveau d’organisation de la matière radicalement microscopique et abstrait, les molécules. Des défis et enjeux didactiques nouveaux découlent de ce changement d’échelle, notamment la nécessité pour les élèves de « se constituer une représentation d’une structure fonctionnelle non directement observable » (Rumelhard, 1988, p. 37).

8L’enseignement de l’ADN offre aux enseignants une opportunité particulière de faire percevoir un premier exemple de la façon dont une structure moléculaire est liée à une fonction. La compréhension des liens qui existent entre propriétés structurales microscopiques (génotype) et comportement fonctionnel macroscopique (phénotype), et inversement, est un enjeu de l’enseignement de la biologie car il est au cœur de la compréhension du fonctionnement du vivant. Debru (1983, p. 328), faisant référence à la complexité des systèmes moléculaires, fait remarquer que « cette déduction a été exceptionnellement réussie pour l’ADN ».

9La riche documentation qui présente l’aventure de l’élucidation de l’ADN permet de mettre en lumière le contexte scientifique et les forces sociales à l’œuvre dans la formulation et la résolution de cette importante question scientifique.

10Comment alors prendre en considération et mettre à profit ces différentes contraintes et enjeux en termes d’apprentissage ?

11Dans cette étude, nous partons du postulat que l’enseignement scientifique a pour but non seulement l’assimilation par les élèves de connaissances et la maîtrise relative de certaines techniques, mais aussi l’appropriation de démarches et approches scientifiques. L’étude de l’ADN constitue pour nous un cas d’école en la matière. Historiquement, la production de savoirs sur l’ADN s’est basée sur des preuves expérimentales mais également sur un processus de modélisation (Watson & Berry, 2003). Il aura fallu près de cinquante ans de travaux sur la structure intime de l’ADN pour qu’elle soit enfin élucidée, en raison des controverses et débats au sein de la communauté des chercheurs.

  • 2 D’après ces mêmes auteurs « les pratiques scientifiques scolaires (y compris discursives) s’inscriv (...)

12L’approche épistémologique que nous adoptons prend en compte non seulement la connaissance produite, le modèle (ici, la double hélice d’ADN), mais le processus qui y a conduit, mettant en jeu l’accumulation de données expérimentales mais surtout un travail d’élaboration théorique « formulé, résolu et reformulé interdisciplinairement dans la recherche » (Casonato, 1992, p. 351). Ceci revient à proposer un enseignement basé sur une manière particulière de mobiliser l’histoire des sciences pour rapprocher l’activité scolaire de la pratique scientifique. La classe de sciences est à construire dans cette tension entre « ses fonctionnements (dont ses fonctionnements langagiers) et ceux de la communauté d’origine des savoirs en jeu » (Fillon et al, 2004, p. 206)2.

13Les activités proposées aux élèves s’appuient sur une démarche d’investigation qui s’inspire de celle adoptée par Watson et Crick. Elles valorisent le travail de modélisation théorique des chercheurs, souvent minoré au bénéfice du travail empirique. Nous nous interrogerons sur l’efficacité des dispositifs mis en œuvre avec les élèves dans la négociation et la construction de significations opératoires des deux fonctions fondamentales de l’ADN : celle de message codé (le gène comme une information codée, compris comme l’enchaînement non aléatoire des paires de bases azotées) et celle de réplication (compris comme un mécanisme possible de copiage pour la transmission du message codé d’une cellule à une autre).

2. Contexte de la recherche

2.1. Une étude qui s’insère dans un travail sur la modélisation graphique et les interactions langagières en classe

  • 3 Thèse en didactique de la Biologie soutenue en juillet 2009 à l’université Bordeaux 2 sous la direc (...)

14Cette étude a été amorcée dans le cadre d’un travail de thèse (Dahmani, 2009)3 qui a porté sur l’analyse des représentations figuratives et graphiques des molécules, d’un point de vue didactique, sémiologique et épistémologique. Elle a permis de mettre en lumière les conditions pour lesquelles les images pouvaient jouer un rôle « d’intermédiaires sémiotiques entre l’objet (la molécule) et les données expérimentales » (Dahmani et al., 2009, p. 226). Elle a en outre considéré les images comme un important « moyen d’expression qui guide l’activité cognitive des élèves » (Vezin J.F. & Vezin L., 1987) à la condition qu’elles soient « rattachées à des connaissances ou à des interrogations portant sur le domaine correspondant » et qu’elles soient « associées à des tâches qui aient véritablement un sens pour l’élève » (Gouanelle & Schneeberger, 1996, p. 84). Dans cette optique, et en référence aux conceptions vygotskiennes, le rôle cognitif des débats en classe pour la construction de significations autour des images a été également abordé. La classe étant considérée dans cette recherche comme communauté discursive spécifique et complexe (Bernié et al., 2003).

Figure 1. Exemples de documents conçus par un enseignant pour les élèves.

Figure 1. Exemples de documents conçus par un enseignant pour les élèves.

2.2. Un programme, un contenu et des activités scolaires habituelles

  • 4 Fiches de préparation de séquence : TP « Universalité de l’ADN », TP « Organisation de la molécule (...)
  • 5 RasTop est un logiciel éducatif de visualisation de molécules en trois dimensions. Il appartient à (...)

15En classe de seconde de lycée, l’étude de l’ADN à l’échelle moléculaire s’insère dans le chapitre : Cellule, ADN et unité du vivant. Elle éclaire en partie la question du support de l’information génétique permettant l’expression des plans d’organisation des êtres vivants. Le programme officiel cite deux notions essentielles à enseigner : universalité (code génétique) et variabilité (qui explique les mutations). Selon nos observations de séquences (menées par deux enseignants de lycées de Bordeaux) et l’analyse de ressources pour l’enseignement4 (voir exemples dans la fig. 1), ces notions font l’objet de deux séances de travaux pratiques. Dans l’une, les élèves déterminent la localisation subcellulaire par microscopie optique (après coloration) de l’ADN de cellules d’oignon. Puis, après extraction et précipitation à l’alcool de ces cellules, les élèves visualisent une substance gélatineuse blanche (appelée parfois « méduse » dans le jargon enseignant). Ces expérimentations conduisent à l’établissement d’une sorte de preuve expérimentale de l’existence de l’ADN donnant à ce concept abstrait une existence physique. Dans la deuxième séance, la structure moléculaire intime de l’ADN fait l’objet d’activités avec des outils scientifiques authentiques (en usage dans la recherche) à travers des activités manipulatoires de type in silico (logiciels). Ces activités ont pour but d’amener les élèves à accéder aux représentations moléculaires infographiques des différents constituants de l’ADN (grâce au logiciel RasTop5) et d’identifier quelques liens entre génotype et phénotype par l’étude de certaines mutations au niveau des groupes sanguins (grâce au logiciel Anagène).

3. Deux types d’éléments pour l’élaboration des séances d’enseignement

16Les choix pour élaborer des séances d’enseignement reposent sur une analyse de bibliographie sur l’histoire de l’élucidation de la structure de l’ADN et sur une enquête par questionnaire auprès des élèves concernés.

3.1. Analyse historique et épistémologique

17L’analyse qui va suivre est un essai interprétatif des faits scientifiques mais aussi humains, relationnels et sociaux relatés par différentes sources bibliographiques tels que Casonato (1992), Kahn (2003), Marty et Monin (2003), Morange (1994) qui ont décrit l’histoire de la découverte de la structure en double hélice de l’ADN, et par les acteurs mêmes du modèle de la double hélice (Crick, Watson).

18En analysant l’évolution historique de l’acquisition des connaissances en génétique moléculaire, depuis les travaux de Mendel en 1866 (hérédité portée par des facteurs), ceux de Sutton et de Morgan en 1903 (gènes situés sur les chromosomes), jusqu’à la reconnaissance de l’importance de la structure des acides nucléiques, notamment l’ADN, pour la compréhension du vivant, nous distinguons deux approches qui se sont succédées historiquement (voir fig. 2) :

Figure 2. Schéma proposant une représentation chronologique de la contribution des principaux acteurs à l’élucidation du rôle et de la structure de l’ADN, depuis l’identification des bases azotées à la proposition du modèle de la double hélice.

Figure 2. Schéma proposant une représentation chronologique de la contribution des principaux acteurs à l’élucidation du rôle et de la structure de l’ADN, depuis l’identification des bases azotées à la proposition du modèle de la double hélice.

19Tout d’abord une approche que nous qualifions de non-génétique marquée par le paradigme métabolique. Dans cette phase, les chercheurs pensent que les gènes (qui portent l’information génétique) sont des protéines non encore découvertes. Quant aux acides nucléiques, ils sont considérés comme des molécules peu importantes, non responsables de l’hérédité, leur rôle étant purement métabolique (ils fournissent de l’énergie à la cellule). Cette phase commence par les travaux de Miescher en 1869 avec l’isolement de la nucléine et se prolonge jusqu’à la fin des années 1940. Les recherches portent exclusivement sur la structuration des nucléotides et la place correcte des liaisons chimiques entre les bases azotées, le sucre et l’acide phosphorique. Le point de divergence entre les chercheurs concerne le nombre de nucléotides entrant dans la structure régulière et monotone de l’acide nucléique qui comprend un enchaînement répétitif des quatre bases azotées. En 1940, le modèle tétranucléotidique, proposé initialement par Levene (1909), est réfuté par d’autres chercheurs qui identifient expérimentalement des enchaînements polynucléotidiques.

20Puis une approche génétique : bien que la structure moléculaire de l’ADN soit encore ignorée dans ses détails, on assiste à une prise de conscience de son rôle génétique, avec la preuve expérimentale que les caractères héréditaires sont transmissibles d’une bactérie à une autre par des molécules d’ADN, et un changement de paradigme s’opère : « L’ADN : facteur transformant », énoncé par Avery en 1944. Il coïncide avec l’idée d’un gène comme une information codée, un message codé, avancée à la même époque par Schrödinger (1944) dans son ouvrage Qu’est-ce que la vie ? : « La fibre chromosomique contient, chiffré dans une sorte de code miniature, tout le devenir d’un organisme, de son développement, de son fonctionnement ». Au même moment l’absence de protéines dans les préparations est attestée et l’ADN est identifié dans les chromosomes, ce qui impliquait que les gènes étaient faits d’ADN. C’est sous ce paradigme naissant que Chargaff, en 1949, découvre que le pourcentage de chacune des quatre bases azotées (A, T, C et G) diffère selon les espèces, tout en étant identique dans chaque organe d’un même individu ; ceci évoqua pour Watson « une caractéristique en rapport avec l’hérédité » (1968, p. 16). Les chercheurs commencent alors à penser que le code génétique est susceptible d’être porté par des différences de quantité entre chaque base. La cristallographie par diffraction des rayons X qui permet de radiographier les molécules, d’en obtenir le squelette atomique et ainsi d’en déduire la forme générale (l’architecture), est appliquée à l’étude de l’ADN. Elle va permettre de fournir des éléments d’informations précieux à M. Wilkins et R. Franklin ainsi qu’à L. Pauling et M. Perutz.

  • 6 Cliché paru dans la revue Sciences et Avenir, n° 104, 1995, p. 139.

21En 1951, le biologiste J. Watson et les cristallographes F. Crick et M. Wilkins considèrent qu’il faut comprendre l’ADN à son niveau moléculaire pour lever le voile sur l’essence du gène (Watson & Berry, 2003, p. 65). En prenant en compte les données expérimentales disponibles (notamment les clichés de rayons X obtenus par Rosalind Franklin), ils arrivent à opter, après plusieurs controverses, pour l’existence de deux hélices au sein de la structure de l’ADN. Ils positionnent les bases azotées à l’intérieur de cette armature en construction, puis, ils essaient de reproduire, par le biais de maquettes, le mode d’appariement de ces bases azotées. Après plusieurs propositions de modèles, Watson et Crick pensent détenir en 1953 celui qui satisfait le mieux les fonctions supposées de l’ADN. Le modèle en double hélice réussit à obtenir l’approbation d’une partie importante de la communauté scientifique en raison, notamment, de sa cohérence avec les données expérimentales. « L’étape suivante consistait à comparer sérieusement les données expérimentales fournies par les rayons X avec le type de diffraction que ce modèle impliquait » (Watson, 1968, p. 215). Il n’existait en effet « aucune vérification expérimentale du modèle » (Kahn, 2003). La nature du code que l’ADN contient intrinsèquement sera plus tard décryptée et assimilée à un système de correspondance entre ARN messager et protéine. En 1995, la visualisation de l’ADN par microscopie électronique à effet tunnel apporte des arguments visuels qui plaident en faveur de ce modèle6.

3.2. Un questionnaire pour relever les conceptions des élèves à propos de l’ADN

22L’objectif est d’identifier certaines conceptions qu’ont les élèves sur l’ADN afin d’essayer d’en tenir compte dans la conception des situations. Ces conceptions, difficilement identifiables car « aussi invisibles que les objets de la génétique » (Ohly, 1998), peuvent être considérées comme un « déjà-là », un « pré-requis », ou encore « un potentiel de production de connaissances » (Weil-Barais & Lemeignan, 1994, p. 100).

23Le questionnaire est rempli par les élèves en début d’année scolaire (2008/2009), avant que les enseignants n’abordent le chapitre sur l’universalité et la variabilité de l’ADN. Il est proposé par nous, discuté et amélioré avec les enseignants. Il est distribué à 47 élèves de deux classes de seconde de deux lycées différents.

24Consignes verbales données aux élèves :

25Ce test est un moyen de recueillir ce que vous savez déjà sur l’ADN afin de mieux préparer la séance. Ce n’est pas une évaluation. Essayez d’expliciter vos réponses en rédigeant des phrases ou sinon, citez des termes que vous connaissez.

Partie A :

QA1-Que voudriez-vous savoir sur l’ADN ?

QA2-Que pensez-vous déjà connaître à son sujet ?

Partie B [les élèves ne sont pas autorisés à revenir sur les réponses de la partie A] :

QB1- Où trouve-t-on l’ADN ? Où se situe-t-il ?

QB2- Que signifie le sigle ADN en Biologie ?

QB3- Faites-en un dessin.

QB4- Depuis quand connaissons-nous approximativement son existence ? [l’enseignant indique aux élèves qu’il leur suffit de la situer à l’échelle d’un siècle].

QB5- Pourquoi ignorait-on son existence auparavant ?

26Ces questions ont pour objectif d’identifier les connaissances des élèves portant sur des aspects factuels (QB1, QB2, QB3) et sur des aspects liés à l’histoire des sciences (QB4, QB5). Elles ne portent pas explicitement sur les aspects fonctionnels de l’ADN (codage, transmission de l’information, etc.) car nous voulions savoir si les élèves y feraient référence dans leurs réponses aux questions QA1, QA2, QB5.

27L’analyse des réponses fait ressortir la prééminence des aspects structuraux de l’ADN sur les aspects fonctionnels. Ces derniers sont simplement énoncés par certains élèves sans que leur sens ne soit précisé. L’ADN se limite à l’idée de double hélice. 56 % des élèves questionnés en donnent une représentation schématique (globale et non détaillée) plus ou moins correcte (voir tableau 1).

28Or, l’aspect spatial n’est pas le plus fondamental du point de vue des fonctions génétiques de l’ADN. La forme en double hélice n’a en effet que peu de lien avec les fonctions de code et de copie et est surtout en rapport avec les aspects de conformation, de compactage et de stabilité physico-chimique de la molécule. Elle explique également certains mécanismes de régulation de l’expression génétique. Watson précise que c’est plutôt « la nature double de la structure qui vient en premier » (Watson, 1968, p. 17), c’est-à-dire « la complémentarité des deux brins enroulés ensemble » (Watson, 1968, p. 19).

29Aux élèves de la deuxième classe, ceux pour lesquels a été conçue la Si B (voir plus loin), le dessin d’un « fragment d’ADN comprenant quatre paires de nucléotides » a été demandé. Bien qu’ayant préalablement manipulé le logiciel de visualisation dynamique des molécules RasTop, leur dessin montre encore la persistance de difficultés à agencer correctement les paires de bases azotées (voir tableau 2).

30La notion importante de complémentarité entre les bases reste donc encore à construire, mais différemment pour être mieux assimilée.

  • 7 Aspects identifiés et analysés dans Giordan & Martinand, 1988.

31Par ailleurs, nous constatons que les connaissances des élèves sur l’ADN relèvent plus d’un objet médiatisé que d’un objet scientifique avec référence aux « enquêtes policières », à « l’identification des personnes », aux « séries de sciences fiction », aux « malformations » etc.7.

32Concernant le volet historique, 25 % des élèves situent la découverte de la structure de l’ADN dans la première moitié du XXe siècle et la plupart ne se prononcent pas. Enfin, plus de la moitié des élèves déclarent que » c’est l’invisibilité de l’ADN » qui est la principale raison qui a retardé la découverte de l’ADN et que « c’est l’amélioration des techniques de microscopie » qui a apporté une contribution majeure au progrès de sa connaissance.

33L’ADN étant un concept fortement vulgarisé, il est difficile de distinguer la part imputable à l’enseignement dans le développement de ces conceptions et celle qui est induite par des facteurs extérieurs. Mais l’enseignement donne souvent l’idée que l’observation des phénomènes est une activité scientifique incontournable, voire exclusive, permettant un accès direct à la connaissance, minorant le travail de modélisation théorique. D’après Coquidé, cette approche reste encore « très prégnante chez les enseignants des sciences » (2008, p. 122). Pour Lhoste, elle « empêche l’entrée des élèves dans une véritable culture scientifique » (2008, p. 56). Les séquences que nous proposons consisteront à dépasser cet obstacle épistémologique.

4. La conception des séances de classe

4.1. Les aspects historico-épistémologiques retenus pour l’élaboration de séances de classe

  • 8 « A structure for desoxyribose nucleic acid » (Watson J.D. & Crick F.H.C. 1953) traduit par « Une s (...)

34Il ressort de notre analyse bibliographique que l’élucidation de la structure en double hélice de l’ADN a été rendue possible principalement grâce à la capacité de Watson et Crick de mettre à l’épreuve différents modèles de structure, fruits de spéculations purement théoriques, avec les données empiriques disponibles alors. Au début, les spéculations portent sur la position des bases azotées que Watson situe de prime abord vers l’extérieur des chaînes car considérant « qu’il serait facile de copier ainsi l’extérieur d’une structure tridimensionnelle » (Crick, 1988, p. 50). Cette supposition ne résista pas à la confrontation avec des données cristallographiques et chimiques. Ce qui amena ces chercheurs à opter pour la solution alternative en essayant par là même d’identifier la manière dont les bases s’appariaient à l’intérieur des hélices. Certaines propositions d’appariement issues de leurs spéculations auraient pu s’ériger durablement en obstacles épistémologiques, par exemple celle qui consiste à apparier des paires de bases identiques. Elle correspondait à une conception intuitive forte (les semblables se lient aux semblables), mais, pour Watson, elle satisfaisait avant tout à l’un des présupposés fonctionnels qu’était la réplication. Enfin, lorsque la communauté scientifique prend connaissance du modèle de la double hélice d’ADN, Watson écrit : « nous avons tous deux (Crick et lui-même) obtenu quelque chose qui pourrait bien être la réponse que tout le monde attendait » (Watson, 1968, p. 117). Ils proposent une structure moléculaire qui remplirait au moins deux fonctions : « stockage de l’information génétique d’une part et autoréplication et hérédité d’autre part » (Karp, 2004, p. 408). Malgré la certitude qu’ils avaient acquise, Watson et Crick indiquent dans la note qu’ils font paraître dans la revue Nature, que ce modèle devait être considéré comme hypothétique8, que la structure proposée devait être tenue pour non formellement démontrée, qu’elle ne reposait pas entièrement sur des faits expérimentaux et qu’elle avait été imaginée alors que certains résultats n’étaient pas encore en leur possession. (1953, p. 737).

  • 9 Ou, comme le pense Kahn, « ne reposant « que sur des données expérimentales acquises par un autre c (...)

35La proposition de ce modèle a été surtout l’aboutissement d’une activité de modélisation, presque « sans faire d’expériences » comme l’affirment Watson et Berry (2003, p. 71) ou du moins grâce à « l’incorporation d’un nombre minimum de faits expérimentaux » (Crick in Marty & Monin, 2003)9. Même si Morange (1994, p. 147) s’insurge contre « l’idée répandue que Watson et Crick avaient donné plus de place aux discussions et théories qu’aux expériences et aux observations », il reconnaît toutefois que ces derniers « n’avaient eux-mêmes effectué aucune expérience sur cette molécule ». Ce qui a été déterminant pour ces chercheurs, c’est donc d’avoir opté pour une démarche d’investigation basée sur la spéculation théorique jusqu’au moment où un modèle en double hélice appariant les paires de bases de manière complémentaire sur le plan stérique s’imposa à eux.

36C’est cette démarche spéculative des chercheurs que nous souhaitons transposer dans ces séances de classe.

4.2. Principes directeurs

37Nous avons conçu deux situations à partir de ces analyses. La conception prend en compte l’analyse du contenu et des recommandations du programme officiel ainsi que la manière dont est traité le thème de l’ADN par les enseignants que nous avons observés. Son contenu est également déterminé par les résultats de l’analyse historico-épistémologique.

38Tout en évitant de donner une vision réductrice ou caricaturale du travail des chercheurs, ces séquences visent à permettre aux élèves d’intégrer le fait que l’imagination et l’intuition des chercheurs sont deux éléments déterminants dans le processus de construction d’un modèle. Ces séquences sont conçues en référence à la notion de « situation-image » au sens défini par Mottet, c’est-à-dire « l’image en tant qu’outil de structuration cognitive » (1996) ; elles sont basées sur la recherche par les élèves du type d’agencement et de d’appariement des bases azotées qui répond au mieux aux nécessités du modèle.

4.3. Description des situations-images

39Ces séances sont proposées à deux enseignants de deux lycées de la région de Bordeaux (France). Les deux classes de seconde sont composées au total de 47 élèves (de 15-16 ans).

4.3.1. Description de la situation-image Si A

40Cette situation est proposée à des élèves qui n’ont pas encore abordé le chapitre portant sur l’étude de l’ADN. Nous considérons toutefois que conséquemment à l’enseignement des phénomènes héréditaires dispensé dans la classe antérieure (3e, collège), ces élèves se situent dans le paradigme reconnaissant un rôle génétique à l’ADN. Cette séquence cherche à leur faire construire les notions de « message codé » et de « copie de ce message » par une activité de modélisation progressive. Elle consiste à amener les élèves à proposer, à partir d’une représentation schématique d’un nucléotide, différentes conjectures d’appariement des paires de bases azotées, en introduisant des contraintes ou des informations successives.

41En premier lieu, afin que la recherche de conjectures d’appariement des bases azotées soit abordée de manière accessible pour les élèves de ce niveau scolaire, une phase de familiarisation avec des représentations schématiques épurées de la structure de l’ADN leur est proposée. La lettre B va représenter de manière symbolique et indifférenciée l’une des quatre molécules de bases azotées ; la lettre P, l’acide phosphorique et la lettre S, un sucre.

42Cette étape aboutit à la représentation d’un nucléotide sous la forme PSB.

43Puis, l’enseignant demande aux élèves de « relier deux nucléotides au niveau de leur base azotée respective ». Les élèves produisent une représentation symbolisant une paire de bases appariées de la manière suivante : PSB-BSP (certains schémas d’élèves, comme PSB-PSB, sont éliminés par l’enseignant). Cette donnée empirique (qui était parvenue à Watson et Crick par l’intermédiaire d’autres chercheurs, cristallographes et chimistes) constitue l’une des conditions du modèle dont l’importance pourra être mesurée par les élèves en temps opportun au cours du processus de modélisation pour envisager un possible mécanisme de copie du message codé. La recherche débute à partir du moment où l’enseignant informe les élèves de l’existence d’un enchaînement de paires de nucléotides dans l’ADN. Les élèves dessinent une portion d’un double brin comportant la succession d’au moins trois paires de nucléotides successifs (nombre suffisant pour faire travailler par la suite les élèves sur différentes modalités d’appariement) et représenté de la manière suivante :

44En se basant sur cette dernière représentation, l’enseignant informe alors les élèves de l’existence de quatre bases azotées différentes. La lettre B se décline en quatre lettres A, T, C ou G.

45À partir de cette étape, les élèves peuvent commencer à spéculer de manière intuitive sur une large palette de conjectures d’appariement possibles en tenant compte des contraintes, c’est-à-dire le fait que l’ADN porte un message codé, lequel est susceptible d’être copié et transmis.

46Par la suite, dans le but de restreindre le nombre de possibilités d’appariement qui seront proposées, l’enseignant introduit une contrainte supplémentaire. Il s’agit d’une donnée empirique qui constitue l’une des règles de Chargaff : le pourcentage de chaque base.

47Enfin, des informations sont données sur la dimension ou la forme relative des bases azotées. Elles indiquent le fait que les bases azotées A et T d’une part et C et G d’autre part ont des configurations réciproques complémentaires à la manière du schéma ci-dessous :

48Cette donnée a constitué pour Watson et Crick un élément déterminant qui a étayé l’idée d’un appariement entre bases complémentaires avec pour conséquence stéréochimique l’existence d’une structure de l’ADN en double hélice régulière.

49Les deux dernières données empiriques ainsi fournies permettent de faire valider (ou réfuter) par les élèves les différents modèles qu’ils ont préalablement produits.

50Lors du déroulement de l’ensemble du processus de modélisation, l’enseignant a pour rôle d’alimenter le travail réflexif et de communication enclenché dans la classe au sein des groupes d’élèves, afin de les accompagner dans la production de schémas interprétatifs. L’objectif n’est pas tant de faire produire par les élèves un modèle d’agencement des bases azotées identique à celui auquel Watson et Crick ont abouti ou de rechercher un consensus dans la classe, mais de les amener à fournir les arguments plaidant en faveur ou en défaveur de chacune des propositions de modèle qu’ils font et ainsi de construire les nécessités du modèle.

4.3.2. Description de la situation-image Si B

51Cette alternative didactique est présentée à des élèves à la suite d’un enseignement sur le thème de l’ADN (avec un contenu et des activités telles que décrites au § 2.2).

52Les connaissances que les élèves ont acquises à propos de la structure et des fonctions génétiques de l’ADN sont ainsi mises à contribution pour analyser comparativement et de manière critique des modèles d’ADN précurseurs au modèle actuel de Watson et Crick.

53La confrontation des élèves à deux modèles anciens qui se sont révélés faux mais qui, dans le contexte historique, possédaient une certaine fonctionnalité, leur permet de mettre à l’épreuve les notions d’universalité et de variabilité qui leur ont été préalablement enseignées. C’est la qualité des arguments avancés par les élèves qui permettent à l’enseignant de juger du degré d’opérationnalité des notions acquises, notamment lorsque les élèves s’emploient à vérifier si ces modèles satisfont ou pas aux contraintes fonctionnelles de l’ADN (message codé et copie). Cette situation-image permet aux élèves d’accéder à l’idée de modèles hypothétiques et évolutifs et peut assurer pour l’enseignant une fonction d’évaluation.

54Le plus ancien des deux modèles présenté aux élèves, que nous appelons modèle provisoire (Mp) s’inspire de la théorie tétranucléotidique de Levene (1909) acceptée jusqu’en 1940 et qui considère que l’ADN est une chaîne polynucléotidique formée par la répétition de motifs tétranucléotidiques comportant une égale quantité de bases puriques et de bases pyrimidiques (Fig. 4).Ce modèle est basé sur le principe d’un enchaînement répétitif des quatre bases azotées disposées sur un seul brin. Bien qu’il ait été produit sous le paradigme métabolique (voir § 3.1), les élèves peuvent cependant rechercher les données structurales qui disqualifient (ou pas) ce modèle du point de vue des fonctions génétiques de l’ADN.

55Le deuxième modèle exposé aux élèves est un modèle spéculatif imaginé par Watson en 1952 sous le paradigme génétique (Watson, 1968, p. 113). Nous le qualifions de modèle transitoire (Mt) : les bases azotées sont disposées à l’extérieur de la molécule et le squelette sucre-phosphate est au centre, lié par des ions magnésium qui interagissent avec les groupements phosphates.

56Les élèves analysent ces deux modèles graphiques authentiques de l’ADN en recherchant s’ils répondent aux contraintes fonctionnelles (celle de code et de copie) en référence au modèle qui leur a été enseigné, celui de Watson et Crick (1953), nommé modèle actuel (Ma).

5. Mise en œuvre des séances élaborées

57Après le déroulement des séquences, nous analysons les différents matériaux recueillis à différentes phases de l’activité. Nous analysons les productions réalisées par les élèves, l’argumentaire qui les accompagne et leur évolution au cours de l’activité. Les matériaux sont de deux natures : des productions graphiques (Si A) et des échanges langagiers. Pour chaque schéma produit, nous cherchons à identifier les entités et les relations qui sont représentées, en nous appuyant sur les commentaires des élèves. Nous analysons également le rôle de l’enseignant dans la construction des représentations des élèves et de leur évolution au cours de l’activité. Ces séances, qui sont étudiées du point de vue qualitatif (études de cas), ont duré en moyenne cinquante-cinq minutes.

5.1. La situation-image Si A et l’activité des élèves

58Nous présentons les observations significatives qui rendent compte du cheminement des élèves et du rôle de l’enseignant dans le déroulement de cette activité. Nous analysons notamment comment les différentes contraintes didactiques ont été prises en compte par les élèves pour l’obtention du modèle d’appariement à paires de bases complémentaires. Ces contraintes sont de deux natures : d’une part celles qui, annoncées d’emblée dans la consigne, sont en rapport avec le rôle génétique de l’ADN à travers les fonctions de code et de copie qu’il assume, d’autre part les contraintes empiriques.

59Ensemble, elles permettent de valider ou de réfuter certains modèles d’appariement. L’objectif de ce travail de mise en convergence de ces deux types de contraintes est de faire acquérir aux élèves des connaissances opératoires sur les notions engagées.

60Différentes phases sont identifiées et rendent compte de l’évolution du processus de modélisation et des difficultés rencontrées par les élèves.

5.1.1. Phase de problématisation

61En premier lieu, dans des échanges introductifs avec l’ensemble de la classe, l’enseignant informe les élèves de ce qui est attendu d’eux : « aujourd’hui on “cherche”, on aura un cours plus tard. Çà c’est de l’ordre d’un travail de construction, de réflexion […] et pour avoir aussi une approche historique de la chose ».

62Afin d’introduire et d’amorcer avec les élèves un début de problématisation, l’enseignant prend en compte le fait que, dans les questionnaires analysés, la majorité des élèves relient de manière assez systématique « ADN et double hélice » et non pas « ADN et code génétique » ou « ADN et mutations » par exemple.

63L’enseignant fait remarquer aux élèves qu’historiquement « les chercheurs se doutaient que l’ADN était une molécule importante […] mais ils n’ont pas dit “Tiens ! Aujourd’hui j’invente la double hélice d’ADN et comment je me débrouille pour arriver à une double hélice” ». L’enseignant essaye ainsi d’éviter de donner un vernis finaliste ou positiviste de la science en train de se faire. Il leur fait part de la démarche d’investigation adoptée historiquement par les chercheurs. Il commence à évoquer les contraintes expérimentales sur lesquelles les chercheurs avaient buté (analyse chimique de la molécule d’ADN, enchaînement des nucléotides, etc.). Lors de la phase de familiarisation avec des représentations moléculaires simplifiées de l’ADN, les élèves avaient fourni le schéma d’une portion de polynucléotide en double brin (voir ci-après représentation 3, tableau 3). Pour compléter cette représentation, l’enseignant fournit aux élèves une première donnée empirique : « la lettre B peut être déclinée en quatre sortes de bases azotées : A, T, C et G ». Il ajoute que « cette molécule est suffisamment caractéristique d’un individu pour qu’on puisse l’identifier ».

64L’enseignant fait appel à des notions enseignées aux élèves l’année scolaire précédente en les interrogeant :

Professeur 1 : « L’ADN, comme vous l’avez vu en 3e lors de l’étude des chromosomes, qu’a-t-il de particulier ? À quoi sert-il dans la cellule ? »

E1 : « Il est unique »

E2 : « C’est le code génétique »

E3 : « Il va définir la couleur des yeux, des cheveux ».

Professeur 1 : « Oui, en effet, et tout le mode de fonctionnement des cellules est déterminé et est défini à partir de la molécule d’ADN ».

65L’enseignant pose alors la question suivante : « D’après vous, qu’est-ce qui peut dans l’ADN [il montre la représentation 3] avoir du sens, c’est-à-dire être porteur d’une information ? ». L’un des groupes d’élèves répond aussitôt que ce sont les bases azotées qui sont porteuses de sens. Ce groupe a pu distinguer les variants des invariants de cette molécule, ce qui permet à l’enseignant d’expliciter plus nettement la problématique : « Dans cette molécule d’ADN, il y aura en effet une succession de quatre bases azotées, et on va voir alors si c’est dans l’ordre, dans le désordre, si c’est aléatoire ».

5.1.2. Phase de modélisation graphique

66Dans la phase d’élaboration de modèles graphiques, des questions sont posées par les élèves, signe qu’ils se saisissent du problème : « On ne peut différencier les bases ? », « C’est toujours la même chose ? », « Mais la base, elle change ? », « À chaque fois ? Sur chaque ligne ? », « Comment on fait ? », « On garde toujours la même base ? ». Pour cette dernière question, l’enseignant fait remarquer qu’un tel mode d’appariement serait trop répétitif et pourrait ainsi ne pas satisfaire à la fonction de message codé.

67Les élèves sont ainsi orientés vers la recherche de conjectures d’appariement répondant à cette contrainte. Le processus de modélisation qui s’instaure conduit les élèves à produire des schémas (représentations 4.1., 4.2., 4.3. dans le tableau 3).

68Les productions graphiques renseignent l’enseignant sur le consensus auquel le débat et la négociation ont conduit au sein de chaque groupe ; les échanges langagiers lui permettent de vérifier régulièrement l’adéquation entre ce que les élèves produisent graphiquement et ce qu’ils déclarent.

  • 10 Comme l’indique Martinand « les qualités des modèles sont celles qui peuvent être contrôlées par le (...)

69L’enseignant tient un rôle essentiel dans la régulation de cette négociation même si les élèves peuvent parfois en assurer seuls le déroulement10. À titre d’exemple, lorsqu’il a été demandé à un groupe d’élèves d’argumenter le modèle d’appariement que nous avons qualifié « d’appariement alternatif » (représentation 4.3.), l’un des élèves répond « Je ne sais pas trop […] J’ai un peu mélangé comme ça. Il s’agit de deux nucléotides différents, donc ils devraient porter deux bases différentes ». L’enseignant ne discute pas la pertinence de l’argument mais précise la contrainte : « il va falloir d’une part que cette molécule soit invariable, ou plutôt qu’elle ne bouge pas dans le temps et deuxièmement qu’elle soit porteuse d’information. Autrement dit qu’il y a un code, une façon de coder l’information ».

70L’enseignant reprend le modèle produit par une autre élève (représentation 4.1. de Faustine). Il le soumet à l’analyse de l’ensemble de la classe : « reprenons l’exemple de Faustine. C’est comme si je veux faire une chanson avec deux notes. Est-ce que ce modèle-là vous semble pertinent […] est-ce qu’il peut être porteur d’information, si oui, laquelle, si non, pourquoi ? ». Il se tourne vers l’auteur du modèle et l’interroge : « Faustine, est-ce que tu mets que des A à chaque fois [dans l’un des brins] ou bien après tu déclines des G par exemple ? ».

71Faustine argumente de la façon suivante en défendant son modèle : « C’est ça qui porte de l’information [elle montre le brin parallèle où elle fait varier les bases], parce que ça va varier, enfin l’ordre des bases ». Pour elle, le modèle répond à la contrainte. L’enseignant reconnaît en effet que ce modèle est pertinent a priori pour expliquer la variabilité, même s’il est « insuffisant pour donner un nombre de combinaisons possibles des bases azotées pour expliquer la variabilité des êtres vivants ». Il effectue quelques calculs de probabilités avec les élèves pour étayer son propos. Pour l’enseignant, là où le modèle de Faustine « ne tient plus » c’est par rapport à la fonction de copie. L’enseignant fait de toute évidence référence à la fonction de réplication, telle que nous en connaissons actuellement le mécanisme : l’autoréplication où chaque brin d’ADN spécifie univoquement son complément. Le modèle de Faustine ne peut satisfaire au principe d’autoréplication, de même qu’à celui de la réplication semi-conservative de l’ADN (chacune des molécules filles hérite d’un brin de l’ADN parental).

72L’enseignant corrige les modèles des élèves en fonction de ce que nous connaissons actuellement des caractéristiques de l’ADN et non en fonction des spéculations théoriques issues des conceptions ou schémas de pensée propres à eux. En effet, Faustine a-t-elle imaginé un mécanisme de copie particulier ? De même, les autres groupes d’élèves qui ont proposé des brins, soit identiques (modèle 4.2), soit « alternatifs » (modèle 4.3.), ont-ils imaginé un mécanisme de copie où les deux brins de la molécule fille seraient synthétisés de novo, en utilisant les brins parentaux comme matrice ? Si tel est le cas, cela aurait rejoint l’une des possibilités qui avait été évoquée historiquement sous le vocable de mécanisme conservatif (cf. tableau 4). Nous constatons qu’à ce stade de la séquence, l’enseignant ne se préoccupe pas des conceptions et des argumentations sous-jacentes aux modèles produits par les élèves.

73Dans l’étape suivante, afin d’amener les élèves à restreindre le nombre de possibilités d’appariement, l’enseignant introduit une nouvelle contrainte pour amener les élèves à éliminer certaines conjectures précédemment suggérées et à en concevoir une nouvelle : « les chimistes ont remarqué qu’il y avait autant de bases A que de bases T et autant de C que de G. ». Un élève réagit aussitôt : « Ah parce qu’elles ne sont pas toutes équivalentes ? ».

74Cette réflexion d’élève montre l’intérêt d’un processus progressif de construction de connaissances. L’élève a tout de suite pris conscience que les modèles précédents devaient alors être revus en regard de cette nouvelle contrainte. L’enseignant explique aux élèves pourquoi il n’a pas donné cette information au début de l’activité : « c’est vrai, pour vous c’est du tâtonnement, mais eux [les chercheurs] étaient dans la même situation que vous, ils avaient des données qui provenaient de la chimie et c’était à eux de les combiner à chaque fois et, si nécessaire, de tout remettre par terre pour tout reconstruire ».

75Suite à cette nouvelle donnée, un groupe d’élèves arrive à proposer un modèle d’appariement conforme au modèle canonique (modèle 5). L’enseignant demande aux élèves d’argumenter en quoi ce modèle est porteur de l’information. Pour cela il aide les élèves à établir une analogie entre cette notion de code génétique et le code morse (ou les lettres de l’alphabet) grâce auquel un grand nombre de mots peuvent être produits à partir de peu de signes. Il explique aussi la notion de « variabilité » de l’ADN par les mutations en faisant l’analogie avec les erreurs de typographie, les coquilles, qui peuvent changer le sens d’un texte ou même ne plus en donner du tout.

5.1.3. Phase d’institutionnalisation

76Vers la fin de la séance, l’enseignant indique que « le sens du message génétique sera donné par l’ordre, on dit “ la séquence”, dans laquelle s’enchaînent les fameux nucléotides le long de la molécule d’ADN ». Il explicite en même temps la notion de copie, c’est-à-dire l’importance de cet appariement spécifique entre A et T et C et G pour expliquer le pouvoir autoréplicatif des gènes que suggère ce modèle. Un élève semble reconnaître à présent l’existence d’un lien entre fonction et structure en s’exclamant : « Ah, c’est çà qui fait que […] dans le chromosome… ? ! ».

Tableau 4. : portées et limites des modèles produits par les élèves par rapport à deux critères fonctionnels de l’ADN.

Tableau 4. : portées et limites des modèles produits par les élèves par rapport à deux critères fonctionnels de l’ADN.

* Ici, le terme désigne le fait que ce sont les quatre bases azotées, et la modalité de leur appariement, qui assurent la variabilité de la molécule d’ADN en tant que support de l’information génétique.
** Ce terme désigne le mécanisme (la réplication) qui permet de passer d’une molécule d’ADN formée de deux brins à deux molécules d’ADN bicaténaires identiques.

77L’enseignant valide le modèle d’appariement des bases azotées auquel les élèves ont abouti comme étant celui proposé en 1953 par Watson et Crick dans le modèle en double hélice de l’ADN.

5.2. La situation-image Si B

78L’enseignant entame la séquence en donnant aux élèves la consigne suivante : « Il s’agit de regarder pour chacune de ces structures, est-ce qu’elles sont compatibles avec ce qu’est capable de faire l’ADN et que nous avons vu lors des précédentes séances ». L’enseignant demande à certains élèves de (re)définir les termes « code » et » copie » :

Professeur 2 : « Que veut dire la fonction de code pour l’ADN, Benjamin ? »

Benjamin : « Cela veut dire qu’il peut […] enfin c’est lui qui va donner comment on va être, c’est lui qui va faire les chromosomes et qui va donner les informations génétiques. »

Professeur 2 : « Oui. Et la fonction de copie, c’est quoi alors, Jules ? »

Jules : « C’est lors de la division cellulaire, les cellules vont être exactement pareilles […] Chaque cellule va hériter de la totalité des gènes ».

79Les réponses des élèves sont encore confuses, imprécises, et ne se rapportent pas à l’appariement des bases azotées dont nous avons vu l’importance pour les notions d’universalité et de variabilité. Il leur reste encore à établir le lien entre fonctions et structure. Ce sera l’enjeu de la situation-image.

80Dans le but d’amorcer le travail d’analyse critique des modèles historiques, l’enseignant reformule plus précisément la consigne : « pour chacun de ces trois modèles historiques, est-ce que les fonctions de code et de copie sont possibles ou non et pourquoi ? »

81Différentes contraintes et nécessités du modèle sont prises en compte par les élèves.

82Tout d’abord La nécessité de l’existence d’un double brin :

83Les élèves essayent de définir l’élément qui invalide le modèle de Levene (Mp). Ils relèvent qu’un élément manque dans la représentation graphique :

E1 : « Là, on va écrire qu’ici on a représenté qu’une moitié »

E2 : « On va écrire “manque de complément” »

E1 : « ou “incomplet” »

E2 : « Non “manque du complémentaire » quoi […] de l’« autre côté »

E1 : « “Manque de la "symétrie", on va dire »

E3 : « Manque du miroir »

84D’après les termes utilisés, cet élément constitue une partie essentielle de la structure. En employant les termes de « moitié » ou de « complément » ainsi que de « symétrie » et de « miroir », les élèves font allusion à la nécessité de l’existence d’un brin complémentaire mais sans préciser pour quelle fonction de l’ADN celui-ci est nécessaire.

85Puis la contrainte de copie. Dans un autre groupe, un débat vif s’instaure entre les élèves à propos de la possibilité de réplication :

E2 : « Mais le copiage c’est possible que là [Ma] »

E1 : « Pourquoi c’est possible que là ? »

E3 : « Il faut que ça s’ouvre et il y en a [les bases] qui se rajoutent. »

E2 « Donc, là ce n’est pas possible de copier parce qu’il n’y a qu’une seule branche là [Mp] et là [M], eh bien on ne peut rien copier, non ? »

E3 : « Dans le deuxième on n’a pas besoin de copier ? ! »

E2 : « Moi, j’ai dit que ce n’était possible de copier que dans le dernier »

E1 « et pourquoi pas dans le deuxième ? »

6. Discussion comparative des deux situations

86Nous comparons les deux situations-image en termes de conditions didactiques, avant de comparer la démarche des élèves et celle des chercheurs en ce qui concerne la spéculation théorique et le jeu des possibles.

6.1. Comparaison des conditions didactiques

87La différence majeure entre les deux situations est que dans Si A, c’est l’enseignant qui introduit les contraintes, alors que dans Si B, ce sont les élèves qui les proposent.

88La première situation (Si A) analysée en détail dans cette étude est une démarche « pas à pas » qui a laissé finalement peu d’initiative aux élèves. Alors que la situation-image Si B a donné plus de place à la réflexion des élèves car la problématisation était à leur charge. Dans celle-ci, du fait que la modélisation se faisait a posteriori (alors qu’elle se faisait au fur et à mesure dans Si A), elle a amené les élèves à considérer de manière plus efficace les contraintes et nécessités du modèle.

89Par ailleurs, de par la nature de l’activité proposée aux élèves dans Si A, ceux-ci ont été capables de produire des représentations graphiques significatives d’appariement entre paires de bases azotées, dont certaines ressemblaient à celles produites historiquement par les chercheurs. Ces représentations sémiotiques ont joué pour les élèves un rôle « d’objectivation des contenus de pensée » ou « de prise de conscience » (Duval, 1995, p. 18 ; Goody, 1979) de leurs conceptions. Les échanges langagiers au sein des groupes ont concouru à l’évolution de certains modèles produits par les élèves par « des déplacements de significations qui ont permis l’élaboration d’explications » (Schneeberger et al., 2007). Cependant, d’autres modèles imaginés par certains élèves auraient pu jouer un rôle d’intermédiaires conceptuels, si toutefois ils avaient été davantage pris en compte par l’enseignant. Ce qui nous amène à essayer d’expliquer ce qui a limité l’efficacité didactique de ces situations, en dehors d’une possible difficulté, rencontrée par certains élèves, à maîtriser le système symbolique de représentation qui leur a été imposé.

90L’une des limites, identifiée notamment dans Si A, a été le fait, qu’à plusieurs moments, l’activité était pilotée par les attentes de l’enseignant. Ceci peut expliquer pourquoi il n’y a pas eu une prise en compte suffisante de certains possibles proposés par les élèves. Certaines conjectures et productions graphiques des élèves ont été par ailleurs interprétées et la valeur des arguments jugée à la lumière des connaissances actuelles sur l’ADN. Ceci a pu empêcher l’évolution du processus de conceptualisation sur la base d’un travail critique de modèles spéculatifs appelés à évoluer.

91Les productions graphiques des élèves sont confrontées puis rejetées successivement, sur la base des conditions énoncées par l’enseignant. L’activité guidée et la modélisation pas à pas ont eu pour seule fonction de faire adhérer l’élève au modèle final. En l’absence d’une véritable problématisation, les élèves n’ont pas pu identifier véritablement les « contraintes en jeu » ; certains d’entre eux restaient encore attachés à des considérations structurales sans véritable lien avec les aspects fonctionnels. En outre, le modèle d’appariement entre bases complémentaires semble avoir été évoqué de manière fortuite par les élèves à la fin de la séance. Si cette conjecture avait été proposée plus précocement dans la séquence, elle aurait court-circuité le processus de spéculation et de négociation.

92Dans la situation-image Si B, la problématisation a probablement favorisé une activité de modélisation a posteriori. Les élèves ont essayé de négocier de manière active le sens des mots et celui des représentations proposées, ce qui les a amenés à construire avec relativement plus d’efficacité les conditions et nécessités du modèle.

6.2. La spéculation théorique et le jeu des possibles

93Certaines façons de faire et de penser des élèves ont des points communs avec celles que les chercheurs mettent en œuvre au cours de leur cheminement de recherche.

  • 11 D’après Watson, Franklin affirmait que « c’était par l’expérimentation qu’elle entendait continuer (...)

94Dans Si A, lorsque les élèves ont eu en main les premières données empiriques (l’existence de quatre bases azotées différentes et d’un appariement de nucléotides par le biais de celles-ci), ils ont commencé, à la manière de Watson et Crick, à « manipuler les bases selon toutes les combinaisons de paires possibles » (Watson, 1968, p. 147). En effet, Watson dans son livre « La double hélice (1968) », indique que pour identifier le mode d’appariement le plus plausible, Crick et lui-même ont parfois eu recours « au fignolage » (p. 104, p. 212), à « l’improvisation rapide » (p. 110) et « au jeu » (p. 112), ce qui, historiquement, leur avait été reproché par certains chercheurs qui s’opposaient à la construction de modèles par ce type d’approche11. Certaines de leurs propositions naissaient ainsi par simples « prédiction » (p. 113) ou par raisonnement intuitif (notamment lorsque n’existait « aucune preuve du contraire » (p. 114). Pour les élèves, c’est aussi par ce type d’approche que des propositions d’appariement pouvaient être faites en réponse à la consigne. À ce stade de l’activité, les élèves savent probablement que leurs premières propositions ne peuvent être que partielles et provisoires. Par la suite, comme cela a été le cas pour Watson et Crick, le travail devient moins spéculatif, grâce à la confrontation des modèles imaginés avec les nouvelles contraintes empiriques introduites par l’enseignant. Cette phase de validation a permis à certains élèves de produire des modèles de plus en plus cohérents, car la réduction du nombre de possibilités d’appariement les pousse à argumenter de manière plus réfléchie.

95Grâce au processus de modélisation, les élèves ont pu explorer, de la même manière que les chercheurs, un « champ de possibles » qui a pu résulter de « schèmes argumentatifs » (Plantin in Orange, 2007) « partagés » (Orange, 2007). Il y avait un avantage certain à leur permettre de construire une succession de modèles précurseurs dont certains contenaient potentiellement un début de conceptualisation. Mais les fondements des propositions restaient encore insuffisamment construits dans cette séquence.

Conclusion

96L’étude a consisté à comparer deux situations-images qui illustrent deux façons différentes de mettre à profit l’histoire des sciences dans la construction d’un savoir scientifique.

97Si pour nous, il était prévisible que les élèves n’affecteraient pas aux modèles le même sens que ceux formulés historiquement par les chercheurs, il était cependant possible d’envisager leur utilisation comme supports pour amorcer un début de conceptualisation (dans Si A) ou vérifier l’acquisition correcte des notions (dans Si B).

98Une analyse attentive et critique du contexte historico-épistémologique qui a permis l’élucidation de la structure de l’ADN nous est apparue comme une exigence fondamentale pour pouvoir mettre en relief plus précisément des homologies et des différences entre situations scolaire et historique.

99C’est l’une des conditions qui permet d’envisager, dans l’enseignement, une utilisation plus efficace de l’histoire des sciences en termes d’acquisition conjointes de connaissances et d’attitudes.

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Notes

1 Bulletin officiel du ministère de l’Éducation nationale, spécial n° 4 du 29 avril 2010.

2 D’après ces mêmes auteurs « les pratiques scientifiques scolaires (y compris discursives) s’inscrivent dans une dialectique entre les pratiques de la communauté scientifique (y compris discursives) et celles de la communauté d’instruction, ce qui suppose la mise en œuvre, dans la classe d’un discours explicatif passant par l’élaboration de modèles ».

3 Thèse en didactique de la Biologie soutenue en juillet 2009 à l’université Bordeaux 2 sous la direction de P. Schneeberger.

4 Fiches de préparation de séquence : TP « Universalité de l’ADN », TP « Organisation de la molécule d’ADN » (avec fiche technique d’utilisation du logiciel RasTop et fichier ADN), TP « De la variabilité de la molécule d’ADN à la diversité des individus », fiches d’utilisation du logiciel ANAGENE à propos des groupes sanguins A, B, O, fiches de TP parties élèves et professeur concernant « L’étude de la structure de l’ADN à partir de modèles virtuels (logiciel RasTop), comparaison de séquences d’ADN (logiciel ANAGENE).

5 RasTop est un logiciel éducatif de visualisation de molécules en trois dimensions. Il appartient à la famille des logiciels dérivés de Rasmol. Réalisé initialement par Roger Sayle, Rasmol a évolué grâce à divers apports. Il est actuellement dynamisé par Herbert Bernstein sur le site <www.openrasmol.org>. Diverses versions de Rasmol sont téléchargeables sur le site de l’INRP. Voir aussi <http://www.geneinfinity.org/rastop/>.

6 Cliché paru dans la revue Sciences et Avenir, n° 104, 1995, p. 139.

7 Aspects identifiés et analysés dans Giordan & Martinand, 1988.

8 « A structure for desoxyribose nucleic acid » (Watson J.D. & Crick F.H.C. 1953) traduit par « Une structure pour l’acide désoxyribonucléique » (traduction extraite du livre de J. Watson, La double hélice, Hachette, 1999, p. 236-237).

9 Ou, comme le pense Kahn, « ne reposant « que sur des données expérimentales acquises par un autre chercheur (Rosalind Franklin) » (2003, p. 7). Morange indique que celle-ci fut même « privée de sa découverte de la double hélice » et « traitée assez durement par Watson dans son ouvrage autobiographique » (1994, p. 150).

10 Comme l’indique Martinand « les qualités des modèles sont celles qui peuvent être contrôlées par les élèves eux-mêmes c’est-à-dire leur cohérence, leur validité par rapport au champ » de référence, leur efficacité en tant qu’outil » (1994, p. 24).

11 D’après Watson, Franklin affirmait que « c’était par l’expérimentation qu’elle entendait continuer les recherches » (1968, p. 64).

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Table des illustrations

Titre Figure 1. Exemples de documents conçus par un enseignant pour les élèves.
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/374/img-1.png
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Titre Figure 2. Schéma proposant une représentation chronologique de la contribution des principaux acteurs à l’élucidation du rôle et de la structure de l’ADN, depuis l’identification des bases azotées à la proposition du modèle de la double hélice.
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URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/374/img-9.png
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Titre Tableau 4. : portées et limites des modèles produits par les élèves par rapport à deux critères fonctionnels de l’ADN.
Légende * Ici, le terme désigne le fait que ce sont les quatre bases azotées, et la modalité de leur appariement, qui assurent la variabilité de la molécule d’ADN en tant que support de l’information génétique.** Ce terme désigne le mécanisme (la réplication) qui permet de passer d’une molécule d’ADN formée de deux brins à deux molécules d’ADN bicaténaires identiques.
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/374/img-10.png
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Pour citer cet article

Référence papier

Hassen-Reda Dahmani et Patricia Schneeberger, « Enseigner le concept d’ADN en lien avec la démarche historique : un processus de modélisation négociée »RDST, 3 | 2011, 55-82.

Référence électronique

Hassen-Reda Dahmani et Patricia Schneeberger, « Enseigner le concept d’ADN en lien avec la démarche historique : un processus de modélisation négociée »RDST [En ligne], 3 | 2011, mis en ligne le 15 octobre 2013, consulté le 29 mars 2024. URL : http://journals.openedition.org/rdst/374 ; DOI : https://doi.org/10.4000/rdst.374

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Auteurs

Hassen-Reda Dahmani

dahmani@ens-kouba.dz
ENS, Kouba-Alger(Algérie), laboratoire de recherches en didactique des sciences

Patricia Schneeberger

patricia.schneeberger@aquitaine.iufm.fr
Université Victor-Segalen-Bordeaux 2, Laboratoire cultures éducation sociétés EA 4140

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Droits d’auteur

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