D’où viennent les conceptions initiales des enfants? 

Cadre théorique

Histoire de l’astronomie

Faisons un voyage dans le passé afin d’essayer de comprendre les différentes pensées, les différents moyens matériels que les anciens avaient à leur disposition et leurs évolutions à travers le temps. Il est tout de même important de préciser que l’histoire de l’astronomie a très certainement commencé avant les babyloniens et les égyptiens. Nous ne possédons aucune trace antérieure mais ce n’est pas pour autant qu’il ne s’est rien passé.

L’astronomie babylonienne

Nous pouvons remonter jusqu’à l’époque des babyloniens, peuple vivant entre le Tigre et l’Euphrate aux alentours du IIe millénaire av J-C. En effet, nous avons retrouvé des tablettes d’argile astronomiques datant de 1800 avant J-C. Les babyloniens avaient établi des tables de mouvements des astres grâce à leurs observations et leurs calculs. Ils étaient capables de prévoir les éclipses de Soleil et de Lune mais ils ne pouvaient pas dire si elles seraient visibles en un lieu donné. Ils ont fondé leur calendrier sur le mouvement de la Lune grâce à une bonne description du mouvement de cette dernière, du Soleil et des planètes : c’est le calendrier lunisolaire. L’année commençait autour de l’équinoxe de printemps et leurs mois avec l’apparition du nouveau croissant. Les douze mois lunaires de l’année étaient irréguliers, ils comptaient 29 ou 30 jours, et afin de maintenir le calendrier en phase avec les saisons, il pouvait arriver que les babyloniens insèrent un mois intercalaire.

L’astronomie des Egyptiens

Les égyptiens antiques s’intéressaient eux aussi aux étoiles. Ils observaient le ciel pour régler et organiser leurs pratiques humaines. Ils ont mis au point leur calendrier solaire et l’année égyptienne comptait déjà 360 jours répartis en 12 mois de 30 jours. Pour compenser le décalage des saisons naturelles et des saisons sociopolitiques, ils rajoutaient cinq jours à la fin de l’année. Les mois étaient regroupés quatre par quatre en trois « saisons » : les mois de l’inondation (qui annonçaient les crues du Nil), les mois de la germination et les mois de la récolte. Leur calendrier était donc environ un quart de jour plus court que le nôtre, ainsi que l’année « naturelle » et prenait donc un jour de retard tous les quatre ans (cependant, ce décalage pouvait sembler si infime que l’on peut se demander si ce peuple en était conscient ou non).

La révolution copernicienne

Nicolas Copernic (1473-1543), célèbre astronome polonais, avait imaginé un tout autre système : le soleil est au centre du cosmos et les planètes (dont la Terre) gravitent autour de lui. C’est le système héliocentrique (figure 7) . La Terre devient donc mobile de deux manières :
-la rotation diurne des autres planètes devient le mouvement de la Terre sur elle-même autour de son axe, d’ouest en est.
-la révolution annuelle du soleil devient la révolution de la Terre en un an autour du Soleil.
Le soleil, lui, devient donc immobile, ainsi que l’orbe des étoiles fixes. Les révolutions propres des autres planètes autour de la Terre deviennent les révolutions propres autour du soleil. La Lune en revanche poursuit toujours sa révolution autour de la Terre. Mais Copernic croyait toujours en la corporéité des sphères, aux corps célestes fixés sur des sphères dans l’idée que le monde est plein, qu’il n’y a pas de vide.
Tout ceci est développé dans son ouvrage : Des révolutions des orbes célestes publié en 1543 à Nuremberg l’année de sa mort grâce à l’intervention de son élève Georg Joachim Rheticus et de l’évêque de Chelmo, Tiedemann Giese, un ami de Copernic. Cet ouvrage a eu autant d’importance que L’Almageste de Ptolémée mais il était à l’époque contraire aux Ecritures Saintes. Rheticus a écrit un compendium : Narratio prima, avant la parution de celui de Copernic, où il reprend les théories de son maître. On retrouve dans De revolutionibus des notions de trigonométrie, un catalogue d’étoiles, Copernic traite du mouvement apparent du Soleil, du mouvement de la Lune et de la théorie des éclipses, ainsi que du mouvement des planètes. Il aborde la sphéricité des astres dont la Terre, il rappelle que tous les astres sont animés de mouvements circulaires. Il dit alors que si la Terre, comme le ciel et comme tous les astres, est sphérique, et que si les astres sont animés de mouvements circulaires, pourquoi la Terre n’aurait-elle pas ce même mouvement circulaire ? Il prend Aristote à son propre piège, puisque ce dernier avait affirmé que si la Terre avait un mouvement, elle pouvait en avoir plusieurs et puisque Copernic venait de lui prêter la rotation sur elle-même, il fallait donc admettre que la Terre tournait autour du soleil comme tous les autres astres connus à cette époque.

De plus, Copernic avait de très bons arguments en faveur de sa théorie

Les phases de Vénus par exemple s’expliquaient très bien dans son système héliocentrique alors qu’elles ne s’expliquaient pas du tout dans le système géocentrique. De même pour la rétrogradation des planètes : nous avons vu précédemment qu’Eudoxe de Cnide et Ptolémée avaient tenté de donner des explications à ce phénomène dans le système géocentrique, avec les sphères homocentriques et les épicycles, qui s’avéraient alors très compliquées. Dans le système héliocentrique de Copernic, l’explication semblait beaucoup plus simple et rationnelle. En effet, la rétrogradation des planètes supérieures continuait toujours puisque la Terre tourne plus vite que Mars. Nous pouvons voir sur la figure 8 que vu de la Terre la trajectoire de Mars varie par rapport aux étoiles fixes.
D’après cette expérience, on lâche une pierre du haut d’une tour. L’expérience sensible montre que la pierre rase la tour et tombe au pied de cette dernière. Si on prend en considération la théorie de Copernic, le temps que la pierre tombe, la Terre continue à tourner d’ouest en est, et la pierre devrait donc tomber loin de la tour. Plus précisément, la Terre tournant sur elle-même en parcourant 40 000km en 24 heures, le sol se déplaçant d’ouest en est, la pierre devrait donc tomber à plus de 900m de la tour. Or la pierre tombe verticalement au pied de la tour en rasant la paroi ouest de la tour comme nous le savons tous. La pierre suit son mouvement naturel et va en ligne droite vers le sol. La pierre devrait tomber loin de la tour si la Terre bougeait, donc cette hypothèse est fausse : la Terre ne tourne pas sur ellemême, elle ne bouge pas. L’expérience de la tour fut donc un argument fort contre la rotation diurne.
Tous ces arguments scientifiques peuvent expliquer pourquoi l’astronomie était toujours dominée par l’œuvre de Ptolémée à l’époque de Copernic. Cette domination durait depuis quatorze siècles. La cosmologie de Ptolémée était tributaire d’une physique qui l’avait précédé de cinq siècles, celle d’Aristote, physique de bon sens, issue d’un certain vécu et de logique. Giordano Bruno (1548-1600), philosophe italien, fut brulé, en partie pour avoir soutenu cette même théorie héliocentrique. Nous pouvons donc bien imaginer la pression qui pouvait être exercée par l’Eglise à l’époque. Personne n’avait le droit de remettre en question le système géocentrique. La Terre était au centre de l’Univers, ce n’était pas possible autrement pour eux. Dieu avait créé l’homme, donc l’Homme était forcément au centre du monde. Ceux qui pensaient le contraire étaient accusés d’hérésie par l’Inquisition.
Les arguments théologiques et les arguments scientifiques très forts contre la théorie de Copernic sont donc à l’origine de la mise à l’écart de cette théorie qui ne s’est donc pas imposée d’elle-même.
Copernic aura donc été le premier à contredire deux grands maîtres de l’astronomie et à avoir ouvert une porte qui servira à ses successeurs…

Tycho Brahe et Kepler

Tycho Brahe (1546-1601), astronome danois, a refusé la théorie de Copernic. En effet, pour lui, la Terre était toujours au centre de l’univers, les autres planètes tournaient autour du soleil pendant que ce dernier gravitait autour de la Terre. Il avait proposé un système du monde intermédiaire entre celui de Ptolémée et celui de Copernic en quelque sorte. Héraclide du Pont (IVème siècle avant J-C) avait imaginé un système s’en rapprochant : Mercure et Vénus tournaient autour du soleil pendant que ce dernier tournait autour de la Terre.
Johannes Kepler (1571-1630), astronome allemand, a découvert en étudiant le mouvement de Mars que cette planète décrivait une ellipse dont le soleil occupait l’un de ses foyers (F1 sur la figure 11). Ainsi est née la première loi de Kepler : « les planètes se déplacent autour du soleil sur des orbites elliptiques » et non plus sur des cercles; puis la deuxième : « en des temps égaux, le rayon vecteur qui joint le soleil à une planète balaie des surfaces égales ». Si nous prenons la figure 12, entre A et B et entre C et D, il s’écoule le même temps, donc l’aire balayée entre ces deux surfaces est la même. C’est à partir de 1619  que l’on verra la troisième loi de Kepler : « les cubes des grands axes sont proportionnels aux carrés des périodes ». Les lois de Kepler procureront à Newton les meilleurs indices de la loide la gravitation universelle.

L’attraction Universelle de Newton

Isaac Newton (1643-1727), astronome, physicien et mathématicien anglais, a, grâce aux lois de Kepler sur le mouvement des planètes, pu développer la théorie de la gravitation universelle qu’il explique dans Les principes mathématiques de la philosophie naturelle publié en 1687. C’est la loi décrivant la gravitation comme une force responsable de la chute des corps et du mouvement des corps célestes et de l’attraction entre deux corps (planètes, satellites) possédant une masse. La Terre tourne autour du Soleil donc la force qui agit sur la Terre est constamment dirigée vers le Soleil. La Lune tourne autour de la Terre, elle ne continue pas en ligne droite ce qui implique la force qui agit sur la Lune est constamment dirigée vers la Terre. La Terre attire la Lune, celle-ci devrait tomber vers la Terre, mais la Lune possède un mouvement linéaire uniforme c’est pourquoi elle ne s’écrase pas sur le sol mais reste en orbite autour de la Terre. Newton montrera alors que le mouvement des objets sur Terre (chute de la pomme par exemple) et des corps célestes sont gouvernés par les mêmes lois. C’est lui qui a donc expliqué pourquoi les planètes restent en gravitation autour du soleil et pourquoi la Lune tourne toujours autour de la Terre. Il a simplement démontré la loi des aires de Kepler. Pour lui l’intensité de la force ne joue aucun rôle mais c’est la direction de la force qui prime. La loi des aires pour Newton repose sur le principe d’Inertie (mouvements rectilignes uniformes) et sur la force constamment dirigée vers un même point.
Si un corps ne va pas en ligne droite, c’est qu’il y a une autre force qui agit sur ce corps. Si ces conditions sont présentes alors on peut appliquer la loi des aires. La force qui agit sur la Terre est constamment dirigée vers le soleil. Le soleil est donc la source de cette force. Si il y a la loi des aires c’est qu’il y a une force constamment dirigée vers le centre du soleil et inversement, s’il y a une ligne de force Terre/Soleil alors la loi des aires est appliquée par rapport au point où agit la force.
Mais ceci n’est pas particulier au soleil, c’est valable pour la Terre, la Lune tournant autour de cette dernière, ainsi que pour Jupiter qui agit sur ses satellites. L’attraction n’est donc pas uniquement solaire, elle est universelle.
Newton avait bien compris que toutes ces forces agissaient dans un espace vide et que les sphères n’existaient donc pas. Il sera d’ailleurs critiqué sur ce fait mais il en était conscient, il n’en savait pas plus quant à la nature de cette force et comment elle agissait concrètement.

Cadre opératoire

Séance d’astronomie en CM2 réalisée par une étudiante de M2

L’an passé, je voulais observer une séance d’astronomie dans une classe mais c’était assez  compliqué d’en trouver une qui ne l’avait pas encore étudié et pour moi de trouver un créneau de libre dans notre emploi du temps. Madame Cailleau, ma directrice de mémoire, PEIMF et professeur des écoles à Sablé-sur-Sarthe dans une classe de CM2, m’avait donc proposé une solution. Une étudiante de M2 était venue réaliser en 2012-2013 cette séance en question dans sa classe, elle m’a donc proposé de m’envoyer ses fiches de préparations et les documents utilisés pour cette séquence (annexe 2). J’ai donc regardé et analysé comment cette étudiante s’y était prise, quelles notions ont été abordées, avec quel matériel, pour préparer au mieux mes séances d’histoire d’astronomie que j’ai réalisées au mois de juin dernier dans cette même classe

Constatations et analyse

Cette étudiante de M2 avait prévu de réaliser une séquence de six séances : Le mouvement apparent du soleil, l’alternance jour/nuit, la durée du jour, les saisons, les fuseaux horaires et le système solaire et l’univers. Mais elle en a en réalité réalisé quatre : Le mouvement apparent du soleil (séance 1), la durée du jour (séance 2), les saisons (séance 3) et le système solaire et l’Univers (séance 4).
Dans la séance 1, un travail est effectué sur les cadrans solaires, l’utilisation d’un gnomon fictif pour étudier les ombres au fil des heures. L’étudiante, sans doute par manque de temps, n’a pas pu mettre en place cette expérience sur le terrain avec ses élèves. Elle leur a alors donné directement le résultat des ombres du gnomon par rapport aux heures. Les élèves n’ayant donc pas vécu l’expérience, on pourrait se demander s’ils ont bien compris cette feuille de résultats. De plus, au troisième moment collectif, elle pose la question « Que peuton conclure sur le mouvement du soleil ? » et la réponse attendue est la suivante « La terre tourne sur elle-même, c’est la rotation ». Elle est donc partie du principe que tous les élèves avaient déjà réfuté le système géocentrique. Etait-ce vraiment le cas ? En outre, dans la trace écrite, on passe du mouvement apparent du soleil (il se lève à l’est, se couche à l’ouest…) à « La terre tourne sur elle-même… », comme si cela était évident. Pour un élève qui n’aurait pas compris, qui aurait des représentations initiales de géocentrisme bien ancrées, cette transition doit être extrêmement difficile. A ce moment-là, on aurait pu mettre : « On pourrait donc croire que le soleil tourne autour de la Terre mais en réalité le soleil est fixe et c’est la terre qui tourne à la fois autour du soleil et sur elle-même, ce qui explique le phénomène jour/nuit ». Une parenthèse historique aurait donc pu être abordée ici.
En séance 2, la durée du jour était étudiée grâce à un calendrier des heures de lever et de coucher du soleil que les élèves devaient reporter sur un diagramme. Intervenaient alors les notions de solstices et d’équinoxes. L’étudiante leur a donc expliqué que les différentes durées du jour dans l’année étaient dues à l’axe de rotation de la Terre qui est toujours incliné dans la même direction. L’étudiante aurait pu leur demander : Est-ce qu’on aurait pu expliquer cela dans le système géocentrique ? Ainsi en faisant ce lien avec l’histoire, les élèves se seraient rendu compte que ce phénomène était plus difficile à expliquer autrefois.
En séance 3, l’étudiante a mis les élèves en situation de recherche pour qu’ils puissent expliquer les saisons (dans le système héliocentrique actuel). Il aurait été intéressant de faire un tableau de comparaison entre l’explication d’aujourd’hui et d’autrefois.
Enfin, en séance 4, ils ont étudié le système solaire et l’univers via internet où ils devaient retrouver l’ordre des planètes de la plus proche à la plus éloignée par rapport au soleil et trouver de nombreuses définitions (univers, galaxie, gravitation, orbite, astéroïde, satellite, etc).
J’ai donc constaté qu’aucune référence à l’histoire de l’astronomie ni à de grands astronomes n’apparaissaient dans cette séquence et ceci n’est que le reflet de la plupart des séances menées en sciences expérimentales et technologie « Le ciel et la Terre » en cycle trois. De plus, les représentations des élèves n’avaient pas été relevées. Mais ceci n’enlève pas le fait que la séquence soit bien ficelée en espérant que le savoir n’ait pas « glissé » sur les élèves comme l’avait déclaré De Vecchi et Giordan.

Séances d’histoire de l’astronomie en CM2

J’ai donc mené deux séances d’histoire de l’astronomie avec des élèves de CM2 qui avait déjà étudié « le ciel et la Terre » et plus particulièrement le mouvement de la Terre (et des planètes) autour du soleil, la rotation de la Terre sur elle-même ; la durée du jour et son changement au cours des saisons.
J’aurais aimé que les élèves soient vierges de connaissances à ce sujet pour ainsi relever leurs représentations initiales et partir de l’histoire de l’astronomie avec eux pour arriver au système héliocentrique actuel et ainsi parcourir tout le cheminement de nos ancêtres pour arriver jusque-là. Or, je n’ai pas pu aller en ce sens. J’ai tout de même voulu les initier à l’histoire de l’astronomie pour qu’ils aient connaissance de ce qui avait été fait avant et qu’ils aient conscience que le savoir que nous avons aujourd’hui ne s’est pas imposé de lui-même.
J’espère développer leur raisonnement et leur montrer que les anciennes représentations qu’ils avaient lorsqu’ils étaient plus jeunes rejoignaient un peu celle d’Aristote et de Ptolémée et qu’elles étaient tout à fait rationnelles. Je voulais qu’ils comprennent le raisonnement du système géocentrique et les failles qu’il avait et donc leur montrer comment nous en sommes arrivés au système héliocentrique.

Séquence d’histoire de l’astronomie en CE2

Si le temps me l’avait permis, j’aurais aimé effectuer une séquence autour de l’histoire de l’astronomie jusqu’à notre système actuel. Mais cela avec beaucoup de précautions : à la fin de la séquence, l’histoire de l’astronomie doit permettre à l’élève de rejeter le système géocentrique pour valider le système héliocentrique et non l’inverse. Il ne faudrait pas que l’élève ne garde en mémoire que l’ancien système. Il faudra donc procéder à diverses activité pour que l’élève créé son savoir, qu’il ait des éléments qui aillent à l’encontre du système géocentrique, qu’il y ait une rupture sociocognitive pour qu’il puisse intégrer pleinement le système héliocentrique.

Récupérer les représentations initiales

Pour récupérer les représentations initiales des enfants, je leur poserai la question suivante : « Comment cela fonctionne-t-il dans le ciel selon vous ? » et je leur donnerai deux mots clefs : Le Soleil et la Terre. Ils répondront donc par un dessin et un petit texte pour l’expliquer. A la fin de la séance, quelques élèves pourront présenter leur explication au reste de la classe (avec matériel si besoin). Je leur demanderai pourquoi ils pensent que c’est ainsi, qu’est-ce qui leur fait dire cela. Je m’attends à avoir de nombreuses représentations géocentriques donc je pense qu’ils me répondront « C’est ce que l’on voit, le soleil bouge au cours de la journée, il se lève à l’est et se couche à l’ouest ».

Séance 2

J’étudierai entre ces deux séances les représentations de chacun.
Nous reviendrons sur leurs représentations, et pour ceux qui croient que le soleil tourne autour de la terre, nous verrons que ce n’est pas la représentation que l’on a du monde aujourd’hui mais qu’autrefois de grands penseurs pensaient à cela aussi. Je leur préparerai un diaporama pour leur présenter brièvement Aristote et Ptolémée qui pensaient que la terre était fixe au centre et que le soleil et les autres planètes lui tournaient autour.
« A votre avis, pour eux, le soleil mettait combien de temps à faire le tour de la Terre ? »
Je leur laisserai un temps de réflexion seuls, puis par groupe de deux ou trois. Je pense qu’ils répondront 24 heures, 365 jours, une année…
Puis je leur demanderai : « Une journée ça dure combien de temps ? ». Réponse attendue : 24 heures.
« Une journée comprend le jour et la nuit. Alors pour que l’on ait en 24 heures à la fois le jour et la nuit, en combien de temps met le soleil à faire le tour de la terre ? » → 24h « D’accord donc jusque-là leur représentation du monde marchait. Voyons maintenant comment ils expliquaient les saisons. Qui peut me caractériser les saisons ? Quelle est la durée du jour et de la nuit en été ? Et en hiver ? ». Réponse attendue : il fait jour beaucoup plus longtemps en été et en hiver c’est la nuit qui est plus longue.
Nous allons donc vérifier ceci grâce à un calendrier indiquant le lever et le coucher du soleil.
Les élèves calculeront la durée du jour grâce à l’échelle de temps fournie (ils relèveront tous les 21 de chaque mois) et reporteront leur valeurs dans un tableau. Puis, nous construirons ensemble un diagramme représentant la durée de la journée en heures en fonction de la date (21 de chaque mois).

Conclusion

Je suis convaincue qu’un travail en histoire de l’astronomie en cycle 3 aiderait les élèves à comprendre le système héliocentrique, de par les découvertes et les engagements qui ont forgé notre compréhension de l’espace à travers les siècles. Cela permettra à tous les élèves de réfuter le système géocentrique. Les séances que j’ai menées en CM2 le démontrent. Les élèves étaient investis, ils avaient envie de savoir comment les anciens pensaient. Le fait de raconter l’histoire et de ne pas « plaquer » un savoir tel quel, aide vraiment les élèves à s’y retrouver dans ses représentations. Ils ont besoin de prendre du recul sur ce qu’ils apprennent.
Le fait de savoir que l’astronomie ce n’est pas seulement une terre qui tourne sur elle-même et autour du soleil, mais qu’elle raconte une histoire, cela devient beaucoup plus passionnant pour les élèves.
Je regrette de ne pas avoir eu les représentations initiales de ces CM2 et de ne pas avoir pu évaluer si le système géocentrique était totalement rejeté par tous ses élèves à la fin de la séquence. J’aurais aussi pu leur faire passer un questionnaire pour savoir s’ils avaient aimé travailler sur l’histoire de l’astronomie, si cela leur avait permis de comprendre certaines choses dans notre système, et s’ils trouvaient cela plus intéressant d’aborder une notion complexe du programme par l’histoire. Toutefois, on peut penser que leur investissement durant ces deux séances démontre leur appétit pour la thématique abordée.
J’aurais également aimé avoir le temps de mettre en place les séances pour les CE2 car ce sujet peut porter à cœur et reste toujours à développer. Dans la perspective où j’obtiendrais le CRPE, et si j’étais amené à avoir une classe de CE2 dans ma carrière, je mettrais cette séquence en place pour aborder la partie du programme « Le ciel et la Terre ». Si cette séquence s’avère confirmer mon idée, on pourrait généraliser ce concept à toutes les notions complexes à aborder en sciences et se demander si l’on peut partir de l’histoire de sciences pour aborder de telles notions

Table des matières
Introduction 
Remerciements 
I-Cadre théorique
1) Histoire de l’astronomie
a) L’astronomie babylonienne
b) L’astronomie des Egyptiens
c) L’astronomie grecque
d) La révolution copernicienne
e) Tycho Brahe et Kepler
f) Galilée
g) L’attraction Universelle de Newton
2) Les représentations des enfants de notre système solaire
a) Qu’est-ce qu’une représentation ?
b) D’où viennent les conceptions initiales des enfants?
c) L’importance de les utiliser et comment les faire émerger
d) Représentation d’élèves de CP
II-Cadre opératoire 
1) Séance d’astronomie en CM2 réalisée par une étudiante de M2
a) Ses fiches de préparation
b) Constatations et analyse
2) Séances d’histoire de l’astronomie en CM2
a) Fiches de préparation
b) Résultats et analyse
c) Conclusion
3) Séquence d’histoire de l’astronomie en CE2
4) Conclusion
Annexes
Bibliographie organisée

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