Les représentations des enfants de notre système solaire

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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) 8. 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 géocentrique9.
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.

L’attraction Universelle de Newton19

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.

Les représentations des enfants de notre système solaire

Qu’est-ce qu’une représentation ?

Tout d’abord, il est important de faire la différence entre les conceptions initiales des enfants et les représentations.
Une conception initiale est un modèle explicatif qui est dans la tête de l’enfant. C’est une construction intellectuelle qui est, pour ce dernier, construite et cohérente. Il est parfois impossible de connaître les conceptions des enfants.
Une représentation est l’illustration de cette conception initiale, elle peut être illustrée ou mise en mot. Ce sont donc les représentations des enfants que l’on peut récupérer.

D’où viennent les conceptions initiales des enfants?

Le modèle explicatif de l’enfant peut venir du registre empirique c’est-à-dire d’observations, de faits, ou de résultats expérimentaux qui sont concrets pour l’enfant ou des expériences de la vie quotidienne.
Les conceptions initiales peuvent avoir des origines psychogénétiques. Selon Piaget, les conceptions sont dues à l’inachèvement du développement de l’enfant. Par exemple l’anthropomorphisme c’est-à-dire que l’enfant va transposer des caractéristiques de l’humain sur des animaux ou des objets ; ou bien de l’anthropocentrisme c’est-à-dire que l’enfant pense que c’est l’homme qui organise tout ce qui nous entoure, que tout existe parce que l’homme existe. Mais aussi de l’égocentrisme c’est-à-dire que l’enfant considère sa personne comme le centre du monde et ne regardera que ce que lui-seul voudra bien voir. Mais les conceptions initiales peuvent aussi venir du raisonnement par analogie : c’est le premier raisonnement qui se pratique chez les jeunes, et cela les amène à tout comparer à ce qui leur est proche.
Leurs conceptions initiales résultent très souvent du bon sens, de la cohérence ou de l’économie intellectuelle.

L’importance de les utiliser et comment les faire émerger21

Si l’on n’en tient pas compte, ces conceptions peuvent faire obstacle aux apprentissages, « elles se maintiennent, se renforcent même, et le savoir glisse à la surface des élèves sans même les imprégner ».22
Elles sont importantes car elles permettent à l’enseignant de mieux connaître les élèves, leurs intérêts, leurs questions, leurs attentes et leurs besoins ; de prévoir les obstacles possibles et d’orienter ainsi son action et prévoir une pédagogie beaucoup plus efficace. « En d’autres termes, il ne suffit pas de bien présenter une somme de connaissances à un élève (de lui en dire plus, de les lui montrer mieux), pour que ce dernier comprenne, mémorise et intègre spontanément. C’est l’apprenant qui, lui-même, doit se construire chaque bribe de savoir en s’appuyant sur les outils qui lui sont disponibles, c’est-à-dire sur ses idées et ses procédures de pensée. Cela, les recherches en psychogénétique et en didactique des sciences le confirment chaque jour. »23
Nous pouvons provoquer une confrontation des conceptions des enfants. Ce qui constitue déjà une première approche de l’apprentissage. L’écoute réciproque aide chaque enfant à expliciter ses idées, éventuellement à mieux argumenter, à dépasser son égocentrisme, à découvrir qu’il existe d’autres conceptions que les siennes.
La connaissance des conceptions peut passer par des entretiens, des questionnaires, des discussions, des dessins au début d’une séquence. Mais il est important de préciser aux élèves que ce travail n’est pas noté mais servira d’outil de travail pour qu’ils puissent exprimer leur pensée librement .
Si on ne passe pas par cette étape d’expression des conceptions, ces dernières risquent de refaire surface un jour ou l’autre.

Représentation d’élèves de CP

Au mois de janvier 2013, j’étais en stage à l’école Roger Bouvet au Mans dans une classe de CP, et j’ai eu envie de connaître comment les élèves imaginaient notre système à leur âge. Avec l’accord de ma MAT, j’ai donc organisé une séance de représentation de l’univers (annexe 1).

Résultats et analyse

C’est le Soleil qui tourne autour de la Terre :

Eléonore : « La Lune ne bouge pas, le Soleil bouge, il tourne autour de la Terre. La Terre bouge aussi mais les étoiles sont fixes. »
Rolph : « J’ai dessiné la Terre avec différents pays, elle est à côté du soleil et j’ai fait Saturne aussi. La Terre ne bouge pas trop dans le ciel mais le Soleil, lui, il bouge pour mettre le chaud quelque part. »
Aya-Sophia : « J’ai fait Saturne et le Soleil qui bouge autour de la Terre, on dirait qu’il va se poser sur la Terre. La Lune la nuit elle regarde les autres dormir et elle est contente. »
Wendy : « J’ai dessiné Mars, Saturne, la Terre et le Soleil qui tourne autour »
Qénân : « J’ai fait le bouclier magnétique de la Terre en vert, il protège la France pour les météorites. J’ai fait une fusée avec son moteur dans l’espace qui va à 1000 km/h. J’ai fait aussi des météorites, des étoiles filantes qui filent tout droit. Sur la Terre j’ai fait tous les lacs, la France en rose, l’Angleterre en rouge et l’Italie en jaune. Les planètes bougent mais pas toutes à part le Soleil»
Sophia : « J’ai fait la planète Terre, les étoiles et la Lune qui ne bougent pas dans le ciel et j’ai aussi fait le Soleil mais lui oui il bouge »
Tyssannah : « J’ai fait la Terre avec différents pays : la Guyanne…, mais elle bouge pas. J’ai fait le Soleil, lui il bouge parce qu’il se couche en bas et là il est levé. Et j’ai fait des étoiles et un avion aussi »

C’est la Terre qui tourne autour du Soleil :

Mehdi : « J’ai fait la Terre, une étoile qui tombe sur la Terre, une Lune, Mars, la planète Saturne, le Soleil, une étoile filante, la Terre bouge autour du Soleil, le Soleil ne bouge pas et là c’est une autre planète qui ne tourne pas. »
Erwan : « J’ai fait une planète, le Soleil, des étoiles, une fusée, le Lune, la Terre en bleu. La Terre bouge à côté du Soleil et le Soleil bouge aussi mais la Lune elle ne bouge pas. »

Planètes tournent autour du soleil et de la Terre

Louca : « J’ai dessiné le Soleil, Saturne, Mars qui tourne autour du Soleil et de la Terre. »

Rien ne bouge

Alhazradji : « J’ai fait une fusée, des planètes d’extraterrestres qui ne bougent pas dans le ciel, des étoiles filantes et le soleil qui ne bouge pas non plus »
Skodran : « Il y a une planète, et la une autre planète, elles ne bougent pas »
Sabri : « J’ai fait le Soleil, des oiseaux, des nuages, un avion, une fusée, la Terre et ses bâtiments. La Terre est fixe et le Soleil ne bouge pas »

Tout bouge autour d’une autre étoile

Edgar : « J’ai fait des étoiles filantes, le soleil, et la Terre qui bouge autour des étoiles »
Marc-Olivier : « J’ai fait des météorites, la Terre, Saturne et tout cela bouge dans l’espace. »
Sophia : « Tout bouge dans le ciel. »
Méline : « Y a tout qui bouge »

Introduction du phénomène jour/nuit-Soleil/Lune

Arthur : « J’ai dessiné des fusées qui vont sur la planète Saturne, une météorite regarde tout ce qui se passe en France. La Lune bouge, va en haut de la planète Saturne. La Terre bouge, le Soleil aussi, il se couche et après la Lune vient ici et quand c’est presque le matin, le soleil vient. »
Hugo : « Il y a une fusée qui va sur la Terre, une planète où il y a des extraterrestres. La Lune fait la nuit et le Soleil il éclaire »
Anaïs : « J’ai fait la Terre, une étoile et de petites planètes, Saturne, Jupiter et Mars. La Lune tourne autour de la Terre et Saturne aussi. »

Je ne sais pas

Noria : « Je ne sais pas si elle bouge »

Autres

Chiara : « Saturne elle tourne autour des étoiles et pas du soleil. »
Ewen : « J’ai fait une planète inconnue avec un bonhomme qui a la tête à l’envers parce qu’elle bouge, et j’ai fait Mars aussi mais elle, elle, bouge pas et Saturne non plus »
Oliver : « J’ai dessiné la Terre, la Lune, une étoile filante, le Soleil et une autre planète »
Rémi : « J’ai fait la Terre, un bateau qui vole, et des vaisseaux »
Alix : « Entre le Soleil et la Lune c’est tout noir »
Ilan : « J’ai fait l’Univers en bleu, la planète Terre avec en bleu la Tunisie, en vert le Canada, en vert clair la France, et le petit vert c’est le Portugal. En violet c’est une planète bizarre et en noir c’est planète des extraterrestres. »

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.

Ses fiches de préparation

Nous trouverons ses fiches de préparation en annexe 2.

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 peut-on 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.

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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