Les principales théories de l’apprentissage et les représentations initiales des élèves 

Les principales théories de l’apprentissage et les représentations initiales des élèves

Certaines théories proposent d’intégrer les représentations initiales des élèves en sciences alors que d’autres y sont formellement opposées.
En 1938, pour Bachelard, les erreurs des élèves sont considérées comme des manifestations d’état du savoir et non plus comme un manque de travail ou d’attention.
Pour lui, les obstacles ne sont pas une difficulté mais un point de départ sur lequel il faut s’appuyer pour faire évoluer ces conceptions initiales. Il ne faut donc pas les envisager d’un point de vue négatif.
En 1986, Martinand proposa une théorie de l’apprentissage qui permet de dépasser les obstacles à travers le concept d’objectif-obstacle en envisageant les objectifs d’enseignement en termes d’obstacles franchissables.
Il est donc nécessaire de définir des objectifs en début de séance par rapport aux obstacles des élèves. Par exemple, si certains élèves pensent que le Soleil tourne autour de la Terre, notre objectif de séance sera de leur démontrer que leur représentation initiale était incorrecte par exemple en utilisant une modélisation. Les élèves devront en déduire la connaissance scientifique correcte.
En 1996, Astofli proposa un processus de mise en œuvre pour faire face à ces obstacles :
– repérer les obstacles à l’apprentissage,
– définir le savoir à acquérir en fonction des obstacles décelés,
– choisir un ou plusieurs obstacles franchissables pour la séquence,
– se fixer pour objectif le franchissement de ces obstacles, ce qui constituera un progrès intellectuel pour les élèves.
Certaines théories proposent par opposition de ne pas tenir compte des représentations initiales.

Théories contre les représentations

Le modèle transmissif est basé sur les pédagogies traditionnelles magistrales.
L’enseignant est au centre de ce modèle, il dit, montre et construit le savoir et les élèves doivent simplement l’enregistrer en l’écoutant. On suppose donc que l’élève n’a aucune connaissance antérieure. Le cours ressemble alors à un exposé : c’est le modèle « j’apprends, j’applique ». L’élève n’a donc aucune autonomie. C’est un modèle encore utilisé dans les sections supérieures (lycées, universités) par certains enseignants qui considèrent que c’est à eux de transmettre le savoir et que l’élève n’a un rôle que de spectateur met de côté ses propres représentations.
Un autre type de modèle, le modèle béhavioriste est né au début du XXe siècle aux Etats Unis. Il s’intéresse au comportement de l’homme défini comme « l’ensemble des réactions objectivement observables qu’un organisme généralement pourvu d’un système nerveux oppose aux stimuli, eux aussi observables, dans le milieu dans lequel il vit » (Waston, 1913, p.158-177).
C’est l’apprentissage par conditionnement où les « bonnes » réponses sont récompensées et les « mauvaises » punies. L’enseignant doit alors proposer des situations précises sur lesquels l’élève va travailler pour acquérir ou renforcer des connaissances. En valorisant les élèves qui fournissent des réponses correctes et en mettant de côté ceux qui ne sont pas d’accord, l’enseignant décide de ne pas prendre en compte les conceptions erronées.
Il est donc possible de se demander si on doit ignorer ces représentations initiales. Cette question a fait, dans le passé, débat chez de nombreux chercheurs.
Lorsque les enseignants prennent en compte les représentations des élèves, l’activité dure plus longtemps et est plus compliqué à gérer. Il faut que les élèves acceptent les contradictions qui vont leur permettre d’enrichir leur travail.

Représentations, toutes utiles pour l’apprentissage scientifique ?

Savoir si les représentations sont une aide ou un obstacle pour l’apprentissage scientifique fait débat chez de nombreux chercheurs et professeurs. Il y a des représentations pédagogiquement inutilisables à cause du type de problème que pose leur prise en compte. Les représentations des enfants sont souvent complexes. Certaines ne sont pas utiles dans la construction de savoirs, il faut donc choisir celles qui sont significatives.
Les « fausses connaissances » risquent de se renforcer car ce qui est en général retenu est souvent ce qui peut s’intégrer à ce qui préexiste. Faire circuler une fausse représentation à ses camarades peut influencer ou consolider une fausse idée au lieu de la faire évoluer.
Il faut donc être prudent. Les élèves utilisent souvent les mots qu’ils ont entendus et non pas les mots à leur portée, ils n’en connaissent pas forcément la signification. Le professeur doit faire attention à ne pas donner un autre sens que celui que les élèves entendent. Les élèves peuvent mentir sans s’en rendre compte, pour faire émerger un plaisir ou nier pour protéger. Ils peuvent également avoir peur de se faire juger par les autres élèves et donc ne pas intervenir.
On peut donc estimer que les représentations initiales des élèves sont des aides pour l’apprentissage scientifique si elles sont correctement utilisées.
On peut se demander pour qui ces représentations ont un intérêt dans l’acquisition de connaissances scientifiques ?

Comment les démarches d’enseignement en sciences intègrent-t-elles les représentations initiales ?

Les fondements historiques

L’enseignement des sciences a beaucoup évolué. À la fin du XIXe siècle, la leçon de choses consistait à mettre l’élève devant des objets ou des documents pour qu’il acquière la connaissance.
Pour l’apprenant Pour l’enseignant
Une prise de conscience :
– De l’existence de représentations « fausses » ou mal appropriés.
– Du fait que d’autres n’ont pas les mêmes représentations que lui.
Un point de départ, le socle sur lequel va s’élaborer la connaissance :
Nécessite de construire un savoir plus élaboré, qui oblige de le faire évoluer ou de le transformer.
Un diagnostic :
– Connaissances des apprenants à qui il s’adresse.
– Prise en compte des obstacles.
– Prise de conscience du chemin qu’il reste à parcourir entre les représentations des apprenants et ses objectifs.
Un pronostic et un traitement :
– Choix des situations pédagogiques.
– Moyen de situer ou d’évaluer.
Dès 1960, à partir de nouvelles théories sur le développement de l’enfant, la pédagogie de l’éveil est appliquée. Elle montre qu’il est important de partir des représentations initiales des élèves, de leur questionnement pour que l’apprentissage repose sur une construction ou une transformation de ses représentations. Cette pédagogie a finalement été jugée trop globale.
À partir de 1980, la démarche expérimentale s’impose comme une méthode pour améliorer l’acquisition des connaissances scientifiques en rendant les élèves « actifs ».
Ils deviennent acteurs dans les séances de sciences et non plus simplement spectateurs.
Le professeur anime la séance à laquelle les élèvent vont participer activement.

La démarche d’investigation du point de vue des programmes

Au cycle 2, nous étudions « la découverte du monde » pour passer à l’étude des « sciences expérimentales et de la technologie » au cycle 3.
Dans ce mémoire, nous nous intéressons uniquement aux informations relatives au cycle 3. L’objectif de ce cycle est de comprendre le monde qui entoure les élèves. Pour cela, les programmes préconisent la démarche d’investigation.
Cette démarche est composée de 5 étapes précisées dans les documents d’accompagnement des programmes de 2002 pour la première fois. Ces étapes sont nécessaires dans l’acquisition de savoirs rigoureux. Cette démarche est très utilisée dans les écoles françaises surtout dans le domaine des sciences.
Pour commencer, on initie la démarche avec une situation de départ qui doit attirer la curiosité des élèves. Ils seront plus motivés si la notion est intéressante pour eux. C’est souvent ce moment que les professeurs des écoles choisissent pour recueillir les représentations initiales des élèves afin d’orienter leur séquence. Dans cette étape, ils relèvent les confusions qui devront être rectifiées à la fin de la séquence.
Puis, une fois les représentations initiales identifiées, les élèves avec l’aide du professeur vont essayer de formuler une problématiquescientifique qui sera l’objet du questionnement de la séquence.
Il ne faut pas que l’enseignant donne cette problématique sans que les élèves aient leur mot à dire, ils doivent participer à cette élaboration.
Les élèves vont ensuite émettre des hypothèses pour essayer de répondre à cette question ou ce problème.
Par la suite, les élèves vont passer à une phase d’investigation. Ils vont pouvoir manipuler, observer, analyser des documents ou encore utiliser un modèle pour essayer de valider ou non leur hypothèse. Ils vont ainsi être amenés à interpréter un résultat pour en tirer des conclusions.
Enfin, la dernière étape de cette démarche est la structuration. Les élèves à l’aide de l’enseignant gardent une trace écrite de ce qu’ils ont appris durant cette séquence.
À travers ces différentes étapes, on se rend compte que l’élève participe activement à chacune d’elles en partant de ses représentations initiales. Les instructions officielles nous montre bien que l’objectif principal de cette démarche est de susciter la curiosité des élèves pour les disciplines scientifiques.

La démarche d’investigation du point de vue des chercheurs

En France, depuis plusieurs années les chercheurs en didactique des sciences s’intéressent à la démarche d’investigation.
Calmettes (2015) définit la pratique scientifique d’investigation comme « un processus au cours duquel les élèves, par l’expérimentation directe sur la matière et l’observation, par la consultation de livres, d’autres ressources, d’experts, et par le débat, élaborent leur propre compréhension d’idées scientifiques fondamentales ; tout ceci se déroulant sous la direction du professeur ». Autrement dit, la pratique de cette démarche doit permettre aux élèves de « participer àla résolution des problèmes de recherche et pour cela ils doivent être engagés dans une activitéoriginale d’ordre conceptuel et scientifique. » (Ibid., p. 4).
Boilevin et al. (2015, p16) nous explique la difficulté à définir un enseignement basé sur l’investigation. La démarche d’investigation est présentée comme étant un moyen pour acquérir non seulement des connaissances mais aussi des méthodes de travail. Les chercheurs nous alertent en précisant que la démarche ne doit pas limiter la réflexion des élèves mais induire de véritables situations de recherches.
Plusieurs chercheurs, comme par exemple Cariou (2015), nous présentent cette
démarche d’investigation comme une méthode à adopter.

Élaboration de la problématique

Durant l’élaboration de ce mémoire, je me suis posée plusieurs questions pour arriver à la problématique finale. Premièrement, j’avais remarqué en stage d’observation que les élèves avaient de fortes conceptions quand ils arrivaient en cours de sciences. Par exemple, sur l’électricité, un enfant m’a dit que celle-ci ne fonctionnait uniquement que quand il faisait nuit, pour avoir de la lumière. Cette affirmation de l’élève est en lien avec l’obstacle finaliste (Bachelard,1938).
J’ai commencé par me demander quel type d’activités mettre en œuvre pour déstabiliser les conceptions des élèves ?
Après lecture de nombreux articles et ouvrages, je me suis rendu compte que la notion de modèle était très importante pour franchir les obstacles que nous pouvions rencontrer lors d’une séquence.
Ma problématique a donc évolué vers : « comment déstabiliser les conceptions des élèves à l’aide de situations impliquant une modélisation? ».
Puis, je me suis ensuite questionnée sur quel était l’objectif de la déstabilisation des conceptions des élèves. J’ai compris que cela favorisait la construction de connaissances scientifiquement, en accord avec le savoir de référence.
Cette année je suis en master 2 et j’ai une classe de CE2-CM1 à l’école Henri Fertet à Besançon. J’ai donc décidé de baser mon mémoire sur le cycle 3. De plus, l’astronomie favorisant les activités de modélisation, j’ai donc choisi ce thème.
Ma problématique finale est : « Comment déstabiliser les modèles explicatifs des élèves pour leur permettre de les faire évoluer vers un modèle conforme aux savoirs de référence du cycle 3 en Astronomie ? ».

Contexte de classe et population étudiée

Mes recherches ont été réalisées avec une classe de 26 élèves de CE2-CM1.
J’ai décidé de mener cette séquence pour ce mémoire uniquement avec les CM1 car c’est un sujet du programme de cycle 3. Cette classe est composée de 12 CE2 et 14 CM1. Elle se situe à l’école Henri Fertet, quartier Velotte à Besançon.
Les CM1 ont un niveau très hétérogène : certains sont en réussite scolaire mais d’autres sont en grande difficulté. Plusieurs élèves sont hyperactifs ce qui rend les séances plus compliquées à gérer. Les séances de sciences se déroulent les mardis de 14H15 à 15H15.
La disposition de la classe de manière générale est frontale mais elle change en sciences et en arts. Dans ces matières, les élèves sont disposés en îlots de 3-4 élèves. Cet arrangement permet aux élèves de travailler ensemble, de confronter leurs idées et cela constitue souvent la première déstabilisation de leurs conceptions.
Cette séquence sur le thème de l’alternance jour-nuit s’est déroulée en quatrième période après les vacances de Noël. Avant cela, plusieurs séquences avaient été menées comme par exemple « les mélanges liquides-liquides ». Les élèves ont donc l’habitude de suivre la démarche d’investigation, de chercher, de trouver des solutions, de manipuler et de défendre leurs idées.
Ils connaissent bien cette démarche et savent qu’une première évaluation diagnostique de leurs conceptions est toujours réalisée. Ils y attachent donc de l’importance car c’est à partir de leurs hypothèses que la séquence est construite.

Représentations initiales des élèves

Protocole de récolte des données

Pour répondre à ma problématique, j’ai décidé d’utiliser plusieurs moyens pour collecter les données. Tout d’abord un questionnaire (écrits directifs) avec des questions ouvertes.
Puis, par la suite des dessins accompagnés d’une phrase explicative pour récolter les représentations initiales des élèves. Enfin, pour voir si les représentations initiales des élèves avaient évolué, j’ai proposé une évaluation avec une unique question qui correspondait à la problématique de séquence où je leur imposais une réponse sous forme de dessin avec une explication écrite.
Toutes ces informations recueillies vont me permettre de savoir si les moyens qui seront utilisés (modélisation, documents ressources) auront été efficace vis-à-vis de de la construction du modèle explicatif.

Recueil des représentations initiales des élèves lors de la première séance

Pour commencer la séquence, j’ai proposé aux élèves de répondre à un questionnaire sans l’aide de leurs parents, ni d’internet.
Mon objectif à travers ces 3 questions était de savoir si les élèves avaient déjà entendu parlé de ce sujet et si oui, par quel moyen. Il permettait également d’introduire le sujet en éveillantleur curiosité sur le sujet.

Déroulement du reste de la séquence

J’ai utilisé la réflexion de l’élève sur la maquette pour introduire la notion de modèle scientifique qui constituait une maquette « animée ». Je leur ai expliqué que les scientifiques utilisaient souvent des modèles pour expliquer des phénomènes non visibles.

Test des deux hypothèses

Cette séance a commencé par un rappel avec les élèves des deux hypothèses sélectionnées.
Les élèves avaient à disposition le matériel suivant : un globe par équipe, de la patafix, deux figurines et une lampe torche qui représentait le Soleil. Je leur demandais de placer une figurine sur la France qui représentait un enfant français et une autre sur la Chine qui représentait un enfant chinois. La lampe devait être placée en face de la France.
La situation problème était : « est-ce que les enfants dorment en même temps ? Est ce qu’ils se lèvent en même temps ? ».
Avec le matériel, les élèves ont facilement su me répondre que non : lorsqu’il fait jour pour un enfant, l’autre se trouve dans la nuit. J’ai précisé que l’enfant dans la nuit se trouvait donc dans l’ombre de la Terre.
Après cette première phase d’accroche au sujet, nous sommes ensuite passés à la modélisationde nos 2 hypothèses. Les élèves travaillaient en groupe de 4 et disposaient d’une boule de polystyrène posée sur un pic, d’une lampe torche et de gommettes. Ils devaient placer une gommette sur la France et une autre sur la Chine (opposé). J’ai ensuite demandé « comment faire pour qu’il fasse alternativement jour puis nuit pour chaque enfant ? ». Les élèves devaient donc tester les deux hypothèses : la Terre tourne sur elle-même et le Soleil tourne autour de la Terre.

Histoire des sciences (Galillée 1564-1642)

Après un petit rappel des séances précédentes, les élèves se souvenaient que nous avions proposé de faire « appel » à un troisième scientifique .
Nous avons commencé par la projection de la vidéo documentaire « Copernic et Galillée » disponible sur Canopé.
Ensuite, les élèves avaient à leur disposition un document intitulé « Mag dans l’espace ». Galilée a permis de confirmer la version de Copernic; à savoir que le Soleil est au centre et que la Terre tourne autour.
Grâce à l’exploitation de ces deux documents ressources (méthode utilisée pour déstabiliser les modèles explicatifs des élèves), les élèves ont été capables de dire que l’hypothèse « le Soleil tourne autour de la Terre » était fausse car le Soleil est fixe. C’est donc l’hypothèse « la Terre tourne sur elle-même » qui explique l’alternance jour-nuit. Les élèves étaient alors capables d’élaborer un modèle explicatif conforme aux savoirs de référence du socle 3.

Construction d’un nouveau modèle explicatif

Cette séance avait pour but de concevoir un nouveau modèle explicatif pour les élèves conforme aux savoirs de référence du cycle 3.
Une dernière modélisation devait leur permettre de retenir ce nouveau modèle et de faire évoluer leurs représentations initiales ou de les confirmer.

Analyse des évaluations des élèves

On peut remarquer que 10 élèves sur 14 possèdent la bonne réponse, ce qui est encourageant. J’ai pu remarquer que beaucoup d’élèves répondent « la Terre tourne autour du Soleil et aussi sur elle-même » car ils avaient déjà réalisé une séquence l’année dernière sur les mouvements et ils savaient que la Terre tournait autour du Soleil : ils avaient déjà cette connaissance. Dissocier les deux mouvements leur paraissait impossible car ils sont justes. Ils n’avaient pas compris qu’ils devaient répondre uniquement le mouvement qui expliquait l’alternance jour-nuit. Peut-être serait-il important de bien lire la consigne avec eux en la reformulant avec leurs propres mots pour vérifier leur compréhension et être sûre que la consigne soit lue en entier.
Je tiens à préciser que cette évaluation a été réalisée après la semaine de confinement et les deux semaines de vacances. Cette longue période a sûrement contribué pour les élèves qui n’avaient pas retravaillés cette séquence a leur confusion.
On se rend compte en regardant ces évaluations qu’il n’y a plus de réponse « hors sujet » (exemple : « le jour il fait chaud, la nuit il fait froid ») et que la réponse « la Terre tourne autour du Soleil » seule n’existe plus. Cela montre bien l’évolution des représentations initiales des élèves grâce aux différentes étapes de cette séquence.
Cependant, les réponses des élèves étaient beaucoup plus détaillées qu’au début de la séquence. Ils avait d’une part la bonne réponse mais la plupart arrivait maintenant à la justifier. Voici un exemple d’une explication d’un élève :
Photo 24 : illustration de l’élève « Il ne fait jamais nuit et jour en même temps parce que la Terre tourne sur elle-même donc par exemple le point bleu est dans le jour et le point rouge dans la nuit, puis la Terre t our ne sur elle-même et c’est l’inverse ».
Je me suis rendue compte que ma question n’était pas assez précise car certains élèves ont par exemple juste répondu à la question « car la Terre tourne sur elle-même ». Je pense que j’aurai dû préciser ma question en demandant une explication détaillée. C’est pour raison qu’ensuite dans une séance suivante, j’ai proposé aux élèves de venir expliquer à l’oral leur réponse devant les autres en argumentant leur choix.
Pour terminer cette séquence, j’ai demandé aux élèves ce qui leur avaient permis de retenir ce nouveau modèle scientifique. Les élèves pouvaient lever la main pour plusieurs réponses. Voici les résultats des élèves sous forme de tableau.

Conclusion

J’ai essayé de montrer dans ce mémoire que l’utilisation des représentations initiales était nécessaire dans les séquences scientifiques pour la construction de connaissances rigoureuses.
Les professeurs doivent faire avec les représentations des élèves pour aller contre. La non-prise en compte de ces représentations peut emmener les élèves jusqu’à l’âge adulte avec des conceptions erronées d’un point de vue scientifique. Les professeurs ont donc un rôle primordial.
Dans cette première partie théorique, j’ai détaillé ce qu’était une représentation, à quoi elle servait, s’il était utile ou non de l’utiliser en classe et comment surmonter les obstacles que peuvent rencontrer les élèves. J’ai pris pour exemple l’importance d’utiliser des modèles en sciences pour montrer aux élèves ce qu’il est impossible de voir.
Cette première partie m’a donné des pistes pour la construction de ma séquence. Je trouve important de partir des représentations des élèves pour vraiment orienter notre séquence avec des objectifs précis.
La collecte de données effectuée en début de séquence m’a permis de connaitre les représentations initiales des élèves et d’orienter ma séquence de manière à essayer de les faire évoluer.
La phase d’analyse des différentes données m’a permis d’adapter le contenu des séances aux besoins des élèves. Les modélisations leur ont permis de s’apercevoir que deux hypothèses étaient possibles pour expliquer le phénomène. Le recours à l’histoire des sciences est donc devenu indispensable pour choisir. Et pour terminer, une dernière modélisation leur a permis de fixer les connaissances.
La phase d’évaluation a servi de bilan de séquence dans le but de voir si les représentations initiales des élèves avaient évolué vers des modèles explicatifs conformes aux connaissances de cycle 3. Le bilan est positif mais certaines améliorations sont possibles pour permettre aux élèves de mieux argumenter leur réponse et de dissocier des phénomènes.
Ce bilan m’a conforté dans l’idée d’utiliser la démarche d’investigation en sciences et de déstabiliser les représentations initiales des élèves à l’aide de la modélisation par exemple. Ce mémoire m’a également permis après l’étude des différentes pédagogies proposées par les chercheurs de construire la mienne qui reste à affiner avec l’expérience et le temps.

Table des matières

Introduction 
Partie 1 : Cadres théoriques 
I. Représentations initiales des élèves et obstacles sous-jacents 
Définition des représentations initiales
Conceptions / Représentations
Les différents types d’obstacles sous-jacents
II. Les principales théories de l’apprentissage et les représentations initiales des élèves 
Théories qui tiennent compte des représentations
Théories contre les représentations
Quand et comment peut-on recueillir les représentations initiales des élèves ?
Représentations, toutes utiles pour l’apprentissage scientifique ?
III. Comment les démarches d’enseignement en sciences intègrent-t-elles les représentations initiales ? 
Les fondements historiques
La démarche d’investigation du point de vue des programmes
La démarche d’investigation du point de vue des chercheurs
Notion de modèle scientifique et modélisation
Utilité des savoirs scientifiques dans les sciences
Bilan : faire évoluer les représentations pour construire des connaissances  en sciences
IV. Élaboration de la problématique 
Partie 2 : Cadres pratiques 
I. Contextes 
Contexte institutionnel
Contexte de classe et population étudiée
II. Représentations initiales des élèves 
Protocole de récolte des données
Recueil des représentations initiales des élèves lors de la première séance
Analyse des représentations initiales des élèves
III. Déroulement du reste de la séquence 
Séance 2 : Test des deux hypothèses
Séance 3 : Histoire des sciences (Ptolémée 100-168 et Copernic 1473-1543)
Séance 4 : Histoire des sciences (Galillée 1564-1642)
Séance 5 : Construction d’un nouveau modèle explicatif
IV. Séance évaluation 
Déroulement de la séance 
Analyse des évaluations des élèves 
Conclusion 
Bibliographie 

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