L’astronomie : quels enjeux pédagogiques ?

L’astronomie : quels enjeux pédagogiques ?

L’astronomie est la science qui étudie les corps célestes : à partir de l’observation, elle peut en étudier leurs propriétés physiques et chimiques, leur origine et leur évolution. L’origine de cette science remonte dans les pratiques religieuses préhistoriques à plus de 5000 ans. Ensuite, l’astronomie a progressivement pu décrire et expliquer au moyen de la méthode scientifique les nombreux phénomènes qui se passent en dehors la Terre et que nous pouvons observer dans le ciel. Aujourd’hui l’astronomie est une discipline très vaste dans laquelle il est possible de regrouper les différents phénomènes en plusieurs catégories : par types d’objets, par distance, par type de lumière analysée, etc. Tous ces phénomènes peuvent être décrits en utilisant les lois de la physique et de la mathématique.

Astronomie à l’école « Ce qui est à la fois un avantage et un inconvénient de l’astronomie est son lien millénaire à la vie humaine, avec tout le symbolisme qui a été vu dans le mouvement des astres, véritable projection de l’âme humaine sur le ciel. Reconnaître la réalité physique des astres et de leurs propriétés, c’est un peu aussi chasser les dieux du ciel et se retrouver face à face avec une autre réalité : la réalité des sociétés humaines. C’est renvoyer l’homme à la nécessité de se prendre en charge »(Evry Schatzman, 1987). L’Astronomie essaie de répondre en termes scientifiques à des questions ancestrales qui en partant de l’observation du ciel interrogent l’humanité sur sa propre identité depuis toujours. Peut-être à cause de cela elle est une des sciences les plus fascinantes pour tous les publics. L’enseignant peut donc partir de l’intérêt et la fascination des élèves pour entreprendre une démarche scientifique. Elle est naturellement une science à vocation multidisciplinaire : de nombreuses interactions entre la science, la philosophie, la religion, la technologie autour des découvertes astronomiques se sont succédées au cours de l’histoire, produisant de véritables révolutions scientifiques et culturelles, voir Annexe D pour des références historiques. Gouguenheim (2003) parle ainsi de l’astronomie: « Elle peut enfin servir de tremplin pour accéder à de nombreux autres domaines de la connaissance et des activités humaines. Son caractère pluridisciplinaire constitue un double intérêt : donner l’occasion de montrer aux élèves que la connaissance n’est pas aussi morcelée que ce qu’elle apparaît au sein des programmes et montrer que les avancées de la connaissance se font justement par des approches de nature pluridisciplinaire ; c’est aussi un handicap, dans la mesure où les enseignants sont très spécialisés et où le travail en équipes pédagogiques reste difficile”

Spécificités de l’astronomie

Les principales spécificités de l’astronomie en tant que branche de la physique :

1) L’astronomie ne peut pas être étudiée directement dans un laboratoire de physique traditionnelle : l’observation du ciel a toujours été l’activité principale de découverte astronomique ;

2) L’astronomie ne fait pas forcément parti du bagage de formation des enseignants de physique ;

3) L’astronomie est aussi une pratique culturelle scientifique et technique, souvent une curiosité ou une passion cultivée dans les loisirs, un peu comme la musique et le théâtre.

Ces spécificités ont un impact très important sur la façon de présenter cette matière au gymnase et elles représentent le point de départ pour l’élaboration du présent mémoire.

1) Au début l’observation du ciel était faite avec les yeux et tout le savoir resté lié au savant : pendant l’observation à l’oeil nu le savant estime et compare les phénomènes observés selon son expérience et son jugement. Aujourd’hui le ciel s’étudie sur des images : tout au début ces images étaient des plaques photographiques et désormais ce sont des images numériques. Les images ont transformé l’observation du ciel en une véritable acquisition d’informations scientifiques. Les images permettent des mesures, des comparaisons, des analyses, et ce de manière répétée, par différentes techniques, par différentes équipes. La communauté scientifique peut alors communiquer, discuter et arriver à un consensus. Voilà l’importance des images astronomiques dans la pédagogie de l’astronomie en tant que science expérimentale, même en absence d’un laboratoire.

2) Le cursus universitaire du physicien ne comprend pas forcément une certification en astronomie mais elle n’est pas prioritaire et donc pas toujours intégrée.

3) L’astronomie est une science pratiquée par des professionnels et des amateurs : il en va de même pour la botanique, la géologie, le théâtre. Elle est surtout désir, « joie de comprendre un peu mieux les ressorts secrets de notre monde, pour le faire mieux aimer et respecter » (Laisne, 2000). L’enseignant ne peut pas tout simplement la transmettre comme un bagage des connaissances : elle oblige à développer des nouvelles stratégies didactiques et pédagogiques, voir Laisne, 2000. Par exemple, de nombreux gymnases ont des télescopes.

Représentations des élèves et approche pédagogique Dans le cas de l’astronomie, les élèves ont déjà été confrontés à différents éléments de cette matière, soit à l’école, soit dans la vie quotidienne. Ils ont déjà eu l’opportunité d’élaborer leurs propres représentations de l’astronomie. Selon J.P. Astolfi (Astolfi 1998, p. 48), la représentation « combine l’idée de quelque chose qui est mentalement ‘déjà là’ au moment où le savoir se donne sous sa forme scolaire ». Ces représentations de façon plus ou moins conscientes peuvent entraîner des obstacles à l’apprentissage de la matière. Les systèmes explicatifs que l’élève a déjà construit « présentent une forte cohérence interne et leurs servent de modèle d’intelligence du réel ». Il lui est donc très difficile d’y renoncer. Si le but de l’enseignant est sûrement de briser les fausses préconceptions et faire évoluer les représentations vers la description la plus proche de la réalité scientifique, un tel objectif s’avère être un défi si l’on considère que ‘chaque’ élève a produit sa propre représentation et a créé son système de croyances et explications. Pour J.P. Astolfi (Astolfi, 1997), tenir compte des représentations des élèves n’est que la base pour leur proposer un nouvel apprentissage. Pour aider les élèves à dépasser leurs représentations, une solution possible est de proposer une situation dite de « conflit sociocognitif » : des débats, des échanges où on fait la place à des positions divergentes pour arriver à une prise de conscience de la part de tous les intervenants. Face au conflit entre sa propre position et la position des autres – les pairs ou l’expert – l’élève peut trouver le courage d’abandonner son système explicatif et adhérer à un nouveau paradigme. C’est une étape fondamentale de l’apprentissage qui requiert un grand effort intellectuel de l’apprenant et de l’expert.

l’astronomie à l’école Figure 1 L’observatoire Stellarium Gornergrat installé dans la coupole sud de l’hôtel Kulm au Gornergrat. Le projet Stellarium Gornergrat naît comme une collaboration entre plusieurs institutions suisses pour installer une station astronomique sur le site du Gornergrat. Les instruments sont installés dans la coupoule sud de l’hôtel Kulm. La station du « Stellarium Gornergrat (SG) » fournit l’accès aux élèves suisse à un véritable laboratoire d’astronomie où réaliser des observations avec télescopes de qualité professionnelle. Les partenaires du projet sont multiples : la Commune de Zermatt, la Fondation internationale des stations de recherche de haute altitude de la Jungfraujoch et du Gornergrat, la Division de recherche spatiale et des sciences planétaires de l’Université de Berne et le Département d’astronomie de l’Université de Genève. Pour plus d’information une page internet est disponible, www.stellariumgornergrat. ch, dans l’attente de la page officielle actuellement en préparation. Le projet consiste en une station d’observation automatique qui sera utilisable en accès distant à travers une interface web. Son but premier est d’être mis à la disposition des élèves suisses. Les modules pédagogiques développés autour du site du Gornergrat sont une fenêtre ouverte sur le monde de la recherche en astronomie. Il permet d’appréhender la recherche telle qu’elle se pratique actuellement, tout en proposant aux jeunes des sujets abordables à leur niveau.

Analyse de l’objet et analyse de la tâche Le temps joue un rôle très important dans toutes mesures physiques. La mesure de plusieurs phénomènes physiques montre de la variabilité, parfois irrégulière ou bien périodique. Analyser la variabilité des phénomènes nous apporte beaucoup d’informations supplémentaires. La variabilité est un concept-clé en astronomie. Plusieurs questions fondamentales sont liées à ce concept-clé : 1. Comment suivre l’évolution d’un paramètre dans le temps ? 2. Quelles informations peut-on en déduire ? Dans le cas des étoiles, à chaque étoile on peut associer la mesure de sa luminosité (combien de photons sont reçus par cette étoile par seconde) et il est possible de faire des comparaisons de luminosité entre plusieurs objets célestes. Or, la luminosité d’une étoile n’est pas forcément constante dans le temps : il y a des étoiles qui ont une luminosité variable périodiquement, les étoiles variables périodiques. Pour les repérer dans le ciel et en reconnaître la variabilité, plusieurs observations répétées sont nécessaires. Les étoiles de type Céphéide constituent un bon exemple d’étoiles variables (voir une petite liste ici, https://www.cfa.harvard.edu/~pberlind/atlas/htmls/cephcat.html). Avec plusieurs images et donc plusieurs mesures dans le temps pour une étoile, il est possible de construire ce qu’on appelle une courbe de lumière, c’est-à-dire un graphe montrant la variation de la luminosité des étoiles variables périodiques en fonction du temps, voir Fig.2. Les tableaux suivants fournissent une analyse de l’objet d’apprentissage de notre séquence, les étoiles variables, ainsi qu’une analyse de la tâche, production d’une courbe de lumière.

Table des matières

Chapitre 1 Objectif du travail
Chapitre 2 Structure de l’information présentée
Chapitre 3 Introduction
Chapitre 4 L’astronomie : quels enjeux pédagogiques ?
Astronomie à l’école
L’astronomie et le Plan d’Étude au gymnase
Spécificités de l’astronomie
Concepts quotidiens et concepts scientifiques en astronomie
Représentations des élèves et approche pédagogique
Chapitre 5 Stellarium Gornergrat, un laboratoire pour l’astronomie à l’école
Buts du projet
Télescopes à disposition et cibles idéales
Prise de données et analyse
Premiers feedback
Chapitre 6 Mon projet : spécifications et objectifs généraux
Interlocuteurs et spécification
Interlocuteurs et objectifs généraux
Chapitre 7 Mon projet
Description du thème : l’astronomie observationnelle
Analyse de l’objet et analyse de la tâche
Objectifs enseignants et objectifs élèves
Planification et emploi du temps
Analyse des prérequis
Analyse des préconceptions
Chapitre 8 La séquence didactique en détail
Chapitre 9 Conclusion
Interlocuteur : les élèves
Interlocuteurs : les enseignants
Interlocuteur : Stellarium Gornergrat
Bibliographie
Annexe A. Liste d’objets célestes à adopter
Annexe B. Grille diamètre/distance
Annexe C. Carte d’identité à remplir
Annexe D. Suggestions d’histoire de l’astronomie
Annexe E. Télescopes optiques et observatoires
Annexe F. Requête de temps à Stellarium Gornergrat
Annexe G. Requête de temps : observer une étoile variable
Annexe H. Matériel pour la préparation du travail pratique

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