Soutenance mémoire
Une approche historique de l’enseignement de l’astronomie en France, à l’école élémentaire
Naissance et évolution de l’enseignement de l’astronomie à l’école élémentaire
Il convient de débuter cet historique de l’enseignement de l’astronomie à partir de l’introduction de la didactique des sciences dont les questions d’enseignement des mathématiques en ont fortement influencé le développement. C’est ainsi au XXème siècle et plus précisément à partir des années 1970 que l’on accorde de l’importance à la place de l’élève dans les apprentissages, ne le percevant plus alors comme simple destinataire passif. Prend naissance alors le triangle didactique, décrit ci-dessus.
L’introduction de l’astronomie dans les programmes scolaires est à l’origine, une demande générale, d’enseignants souhaitant mieux communiquer ce domaine à leurs élèves. En effet, dans les années 70, on relève l’appel de nombreux enseignants dans les écoles afin de travailler sur l’astronomie avec leurs élèves. Une communauté d’enseignants et d’astronomes professionnels s’est ainsi formée, pour discuter de l’importance qu’un tel enseignement pouvait avoir à l’échelle nationale. C’est ce que décrit Lucienne GOUGUENHEIM, dans son article « Enseigner l’astronomie : l’expérience de 25 ans d’activité du comité de liaison enseignants et astronomes (CLEA)» (2003). En effet, cette collaboration entre enseignants soucieux de promulguer l’astronomie comme sciences à part, domaine propre à l’élaboration de compétences transversales, et astronomes professionnels désirant développer l’intérêt de l’astronomie à travers un enseignement spécifique, a donné lieu à la formation du CLEA, Comité de Liaison Enseignants-Astronomes en 1976. Ce contexte a donné naissance à l’élaboration de documents à but pédagogiques faisant office de références théoriques et didactiques en la matière en trente ans d’existence. L’objectif du CLEA étant d’encourager l’enseignement de l’astronomie dans le milieu scolaire (de la Maternelle à l’Université), et d’apporter des outils indispensables à la formation des maitres, il n’a été qu’un vecteur de l’introduction de l’astronomie dans les programmes. En effet, l’évolution du CLEA s’est poursuivie par l’importance des thèmes en astronomie dans les programmes et par le nombre croissant de professeurs formés.
C’est à partir des années 1980 que l’intérêt croissant des enseignants formés, a ouvert les portes de l’enseignement de l’astronomie dans les programmes à l’école. Dans l’article « L’enseignement de l’astronomie » Aster, 2003, Hélène MERLE et Yves GIRAULT, nous présentent l’intérêt de l’astronomie comme science à part, par le fait qu’elle soit reconnue tout d’abord comme l’une des sciences les plus anciennes, mais surtout par la reconnaissance de son caractère « interdisciplinaire ». A l’école élémentaire, on omettra bien évidemment l’abord de la physique quantique, l’optique géométrique ou tout autre phénomène électromagnétique… quand bien même, l’utilisation des mathématiques comme outil de compréhension soit fortement corrélé à l’apprentissage de l’astronomiechez l’élève.
Nous nous contenterons de la sphère de l’école élémentaire. En effet, l’année 1985 voit apparaitre dans les programmes du cours moyen, l’étude des éléments astronomiques (avec le repérage dans l’espace et la mesure du temps), celle de la Terre et des astres, avec notamment la notion d’héliocentrisme. La succession des jours et des nuits est également étudiée ainsi que les fuseaux horaires. Enfin, les phases de la lune et ses conséquences sur la Terre (les marées) ainsi que les ‘planètes du soleil’ font également partie des programmes.
La succession des programmes prend bien évidemment la direction de l’évolution des objectifs à atteindre. Ainsi, en 1995 l’étude des marées a été supprimée des programmes ; en 2002, c’est au tour de l’explication des saisons. Malgré tout, l’année 2002 voit s’élargir le domaine d’étude d’un point de vue spatial, par l’abord de l’univers. Ainsi, la bordure du système solaire est largement dépassée et l’on voit bien l’œil soucieux de l’Homme à la conquête de l’espace, toujours plus grand. C’est dans une perspective de formation de futurs chercheurs et explorateurs de l’univers, que l’élargissement du champ d’observation a lieu.
Ce que disent les programmes de 2008
En effet dans les nouveaux programmes de 2008 la partie qui s’intéresse à l’astronomie et qui s’intitule « le ciel et la terre », regroupe les grandes notions suivantes :
La lumière et les ombres ; 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 ; Le mouvement de la Lune autour de la Terre.
Les sciences demandent une certaine rigueur. Il émane de cette affirmation, le besoin d’un terrain d’entente entre mathématiques et astronomie enseignée à l’école primaire : puisque ce sont les mathématiques elles-mêmes, qui ont permis, dans l’histoire de l’astronomie et de l’astrophysique, de grandes découvertes comme la sphéricité de la terre, ou bien la rotation de la terre sur elle-même ou encore sa révolution autour du soleil.
Il existe un rôle incontournable des mathématiques dans la modélisation des systèmes complexes. En effet l’histoire des mathématiques et celle de l’astronomie sont intimement liées. L’outil « Mathématiques » représenterait un double enjeu :
Sur le plan pragmatique, de calculer des distances, de travailler les échelles de grandeurs et de distances, de construire in fine un modèle abordable, c’est à dire la clé pour rendre possible une « manipulation et une observation directe » des mécanismes astronomiques.
Sur le plan métacognitif, il s’agirait pour l’élève d’être capable d’aller au-delà de ce qu’il voit, de se questionner sur la validité des représentations qu’il peut avoir à son échelle, de se rendre compte que la vision de certains phéno mènes ne s’arrête pas à l’horizon, lui faire prendre conscience que les informations qu’il perçoit ne représentent pas une vérité absolue… c’est-à-dire à terme de prendre du recul sur ce qui se présente à lui…
Il s’agit d’un apprentissage scolaire présent depuis l’école maternelle. L’élève, depuis la maternelle découvre l’espace dans lequel il évolue, de l’école au quartier, la ville, le département, la région, le pays, l’Europe, le monde jusqu’au cycle 3.
L’apprentissage de l’astronomie en exploitant les distances et les grandeurs, permettrait de relativiser sur ces phénomènes à priori statiques, c’est à dire de prendre en compte que l’être humain n’est témoin que d’une infime partie de ces phénomènes. « Qu’est ce que la distance école-maison pour l’escargot ? »: Un exemple d’entrée en matière qui se base sur la réelle notion d’échelle permet de construire des savoirs, tant sur la dimension de l’appréhension de l’espace que sur la notion de distance. Je m’intéresse donc au programme des mathématiques en lien avec le programme de l’astronomie au cycle 3. Pour cela j’utilise un tableau qui rendra plus clair l’approche pluridisciplinaire évoquée dans ma problématique.
Une approche épistémologique
La représentation du réel
Le domaine du réel est considéré sur le plan de la didactique comme étant une composante essentielle à l’intégration d’un concept. L’ouvrage « Mots-clés de la didactique des sciences, Repères, définitions, bibliographies », pages 29-30, présente la définition du concept d’après Gérard Vergnaud, selon laquelle il serait la convergence de trois composantes :
– L’ensemble des situations qui donne sens au concept : c’est la référence ou le référent empirique, qui représente le domaine du réel.
– Les invariants représentent alors l’ensemble des opérations des schèmes mis en œuvre à partir de ce référent.
– Le signifiant, quant à lui est l’ensemble constitué de toutes les formes « langagières et non langagières qui permettent de représenter symboliquement le concept », à travers ses propriétés et ses procédés d’analyse entre autres.
La représentation du réel en astronomie est un enjeu de taille étant donné le niveau d’abstraction de l’objet d’étude : l’Espace et l’Univers. Il est alors nécessaire d’utiliser le « signifiant » comme outil d’analyse afin de se rapprocher le plus de la représentation du réel. La modélisation est le signifiant couramment utilisé dans l’enseignement de l’astronomie. Mais quel type de modélisation peut être utilisé alors ? Et dans quel objectif ?
Modélisation en sciences
D’après le Petit Larousse illustré 2011, le modèle, en didactique, est « une structure formalisée utilisée pour rendre compte d’un ensemble de phénomènes qui possèdent entre eux certaines relations ». Dans le domaine des sciences, le modèle se veut être une structure simplifiée qui imite le « vrai ».
L’exigence première d’un modèle scientifique est sa précision par rapport à l’objet étudié : il demande de la part de son expérimentateur, de mettre en évidence de manière explicite des mécanismes internes propres à son original mais aussi d’être plus facile à manier. D’après Joshua et Dupin(1993), dans « Introduction à la didactique des sciences et des mathématiques », le modèle rassemble 3 exigences : la cohérence de la logique interne avec l’objet d’étude, l’entretien de liens avec le réel (le réel de l’objet d’étude et le réel de la classe), et la capacité analytique de décomposition et de reconstruction.
Dans leur article « Modélisation : une approche épistémologique » issu de la revue ASTER n°43 de 2006, Sensevy et Santini s’intéressent à la relation entre la part d’abstrait et de concret dans la modélisation, et la possibilité d’expérimenter. Ce qui ressort de cette étude est l’utilisation de la modélisation comme outil afin de mieux comprendre certains mécanismes, mais également comme objet d’investigation, c’est à dire l’élaboration d’un modèle afin de tenter de donner une explication scientifique à travers des hypothèses. Le modèle scientifique ressemble à « l’original », il s’agit du principe de similarité et il apporte quelque chose en matière de connaissance sur le plan scientifique, c’est le principe d’utilité. Ce sont les validations explicites et opératoires décrites par Joshua et Dupin (1993) :
– La validation opératoire met en jeu le rôle « monstratif » et « expositif » du modèle. Il tient du fait que le modèle rend compte des hypothèses émises lors du questionnement et permet ainsi, par un support visuel à l’échelle, d’aménager le discours, et même le valider. Il rend compte du principe de similarité décrit précédemment.
– La validation explicite est l’utilisation de modèles dans la démarche scientifique comme éléments investigateurs ; la recherche d’une réponse scientifique passe par l’élaboration de plusieurs modèles hypothétiques dont la validité ne peut être remise en question par rapport aux notions physiques et mathématiques utilisées. Le modèle ici est utilisé afin de tenter de répondre à un questionnement.
Ainsi, modéliser, c’est construire une représentation qui permet plus ou moins de rendre compte de la réalité. Il existe plusieurs types de modèles, dans le domaine des sciences, d’après l’ouvrage « Enseignement et apprentissage de la modélisation en sciences », de l’équipe INRP/LIREST, (1992):
– Un modèle peut correspondre à un objet concret, une image. C’est dans ce cas, le caractère figuratif et/ou analogique qui est mis en avant. Maquette, modèle réduit, schéma simplificateur et image sont autant de facettes que peut avoir ce type de modèle. Le modèle est ici une représentation permettant de visualiser le réel de manière simplifiée, pour se représenter le référent.
– Un modèle peut être la représentation du « no man’s land » entre la réalité, la théorie et les lois scientifiques. Ce type de modèle est considéré comme une interprétation acceptable de la réalité, bien qu’elle ne traduise pas strictement cette réalité. Dans ce cas, il permet l’étude à l’échelle humaine de la réalité, en donnant accès à des paramètres, et favorisant la manipulation. On peut ainsi avoir accès à des données quantifiables qu’il est possible de mesurer et analyser.
– Un modèle de mathématisation : le modèle prend ici la forme d’une représentation permettant de faciliter la compréhension. Il revêt le caractère intelligible du phénomène modélisé, il est construit en même temps que les savoirs.
Dans l’enseignement de l’astronomie au cycle 3, c’est le domaine de l’observation qui entre en jeu. On peut se demander alors si la modélisation est utilisée comme fin en soi (où l’on voit bien le caractère figuratif et représentatif du réel), ou si elle est corrélée à une construction mentale et intelligible, telle que le modèle de mathématisation le définit.
Dans l’article « Mesure » de Malifaud issu de l’encyclopédie Universalis, « pour des phénomènes à l’échelle des limites de l’univers connu, les étalons de temps, de longueur et de masse sont modifiés par la théorie de la relativité. On doit s’aider de modèles dont on détermine abstraitement les structures […] la notion habituelle de mesure se trouve dépassée. » Cette approche de Malifaud est intéressante dès lors que l’on aborde des distances mettant en jeu des galaxies lointaines. Mais en cycle 3 ce n’est qu’une approche de l’Univers qui est abordée. Dans le cas des limites de l’Univers – qui ne seront pas vues à ce stade des études – les distances deviennent totalement abstraites et la modélisation permet uniquement la structuration dans l’espace des objets et non plus la mesure de distances. La modélisation doit alors adapter cette contrainte, l’analogie s’en retrouve bouleversée.
Réflexion sur les manuels scolaires et leur utilisation en sciences
Dans l’article « Le manuel scolaire, un outil efficace mais décrié » de la revue Education et Formation, e292, de janvier 2010, François-Marie Gerard pose la question de l’utilisation des manuels scolaires et de leur efficacité.
D’un point de vue historique, les manuels scolaires ont été pendant une période décriés par la sphère enseignante, notamment lors de la revalorisation du statut de l’enseignant qui se veut être un « praticien réflexif ». Dans les années 1980, le manuel scolaire n’a pas bonne cote. Le même article nous renseigne sur le discours officiel de l’époque qui était qu’ « un bon enseignant était celui qui était capable de se passer des manuels scolaires, perçus comme des outils emprisonnant tant les enseignants que les élèves dans un dispositif préconçu et décontextualisé ». La revalorisation de ces manuels a pris de l’ampleur par la diffusion de l’avis 87 de mars 2004 du Conseil de l’Education et de la Formation (CEF) qui a été formalisée dans le Contrat pour l’Ecole, adopté en 2005. « Doter les élèves et les enseignants des outils du savoir » était à l’ordre du jour.
C’est au travers de ce décret que les manuels scolaires ont été accompagnés du fameux guide pédagogique, incluant également des pistes de remédiation. Gerard met en avant les résultats de recherches annonçant que pour la majorité des enseignants qui utilisaient des manuels dans le domaine de la lecture, les résultats des élèves n’en étaient que meilleurs. Qu’en est-il des sciences ? Et où sont les limites de l’utilisation des manuels scolaires ?
Des études annexes établissent le caractère variable de l’efficacité pédagogique à travers l’utilisation ou non d’un manuel scolaire, faisant le constat de l’inhibition de la réflexion de l’enseignant autour du savoir à transmettre, dans un domaine donné.
L’enseignement des sciences exige en effet la rigueur de la démarche d’investigation afin que l’élève construise son savoir, rigueur qui ne peut être que guidée par l’enseignant. De plus, l’article fait mention d’un savoir qui peut être décontextualisé. Le cas des sciences met en avant la nécessité de répondre à un questionnement, à un besoin.
Problématique
Le champ d’observation et d’étude en astronomie à l’école est de plus en plus large.
Des limites du système solaire, une vingtaine d’années a suffi pour s’éloigner dans l’univers. Cet éloignement met en avant la caractéristique des grandeurs et des distances.
Dans le système solaire et dans l’univers, elles ne sont pas différenciables pour l’Homme, mais elles n’en sont pas moins mesurables, (entre infiniment grand et infiniment plus grand, c’est difficile de comparer).
Les représentations initiales en astronomie chez les jeunes enseignants sont un fait.
L’utilisation des manuels scolaires à la lettre par certains enseignants en est un autre… plus accablant certainement. On ne peut qu’être perplexe quant à l’inhibition de la créativité pédagogique véhiculée au travers de ces outils. En effet, ce support d’enseignement privilégié serait dans ce cas, l’unique support d’apprentissage des élèves. Il ne s’agit pas d’une remise en question de l’élaboration des manuels scolaires, mais bien de leur utilisation. Comment un savoir peut-il être véhiculé, si l’enseignant n’en détient pas les tenants et les aboutissants ? Plus précisément, l’enseignant peut-il prendre appui uniquement sur les manuels scolaires ?
Je m’étais posée la question au départ, de l’éventuel obstacle que pouvaient représenter les distances et les grandeurs dans l’apprentissage de l’astronomie. Mais, il y a un travail de recherche à effectuer avant de savoir s’ils peuvent être des obstacles à prendre en compte dans les apprentissages. Ce travail de recherche est de savoir si l’échelle astronomique est prise en considération dans le savoir enseigné aux élèves, notamment à partir des manuels, qui combinent le travail de pédagogues et didacticiens (la noosphère) et celui des programmes en astronomie à l’école élémentaire. C’est donc avant de se pencher sur le pôle de l’élève et de ses représentations, que j’ai préféré faire un état de la présence des grandeurs et des distances dans les manuels scolaires. En effet, dans le triangle didactique que j’ai pris soin de définir dans la partie théorique, on considère que les grandeurs et des distances astronomiques font partie implicitement du savoir enseigné, mais d’après les programmes, il ne s’agit pas d’un savoir en soi. Il représente un aspect essentiel du domaine de l’astronomie, en ce sens qu’il peut ou non contribuer à la construction des savoirs et savoir-faire relevés dans les programmes.
Ce choix de méthodologie s’est fait en conséquence de causes : le délaissement (celui qu’évoquaient Frede et Venturini) de la discipline des sciences, et encore plus du domaine de l’astronomie, au profit du français et des mathématiques. J’ai pu faire ce constat moi même en me renseignant sur le terrain. Cela est également du au manque de temps et de moyens pour démarcher auprès de nombreuses écoles dans les alentours. Mais en dépit de ces problèmes, cela était un choix stratégique de recherche puisqu’à mon sens il fallait commencer par relever la présence des caractéristiques des grandeurs et des distances dans l’astronomie à l’école. Mes recherches prennent donc la direction du savoir enseigné, l’un des trois pôles du triangle didactique, afin de voir si les grandeurs et les distances sont effectivement des notions plus ou moins explicitées en tant que telles, ou ne sont-elles que des outils à la compréhension des phénomènes astronomiques. Je prends en compte qu’il ne s’agit là que d’une étape d’un travail, qui pourra être poursuivi par d’autres. Je pense notamment au pôle de l’élève (du triangle didactique dont je fais référence) et de ses représentations en astronomie, plus ou moins influencées par la vulgarisation scientifique.
Je mets donc en suspens la question : « en quoi les notions de distances et de grandeurs astronomiques apporteraient une aide à la construction des savoirs dans le domaine astronomique ? »
Traitement et analyse des données
Dans un premier temps, on remarque que la démarche d’investigation est bien présente dans toutes les pages, quelle que soit l’approche envisagée de l’astronomie et quels que soient les programmes suivis.
Le tableau 1 nous permet de voir qu’il y a deux types d’approche de l’astronomie dans ces manuels. Qu’il s’agisse du système solaire ou de l’Univers, une première approche se veut observatrice et descriptive. En effet, sur les 8 manuels, on en compte 3 dont l’objectif principal est d’observer, de comparer et d’émettre des hypothèses. C’est par le questionnement de photographies, de schémas et de dessins que cela se fait en général. Une deuxième approche est celle qui fournit à travers les supports documentaires, des outils de mathématisation (des données servent d’outils à l’élève dans sa démarche d’investigation).
Cette distinction entre les deux approches est mise en évidence (zones rosées) dans le tableau 2. Dans ce dernier, on observe des différences entre les deux types d’approche, compte tenu de la place des grandeurs et des distances, et de leur utilisation. Les grandeurs et les distances sont en effet bien présentes en tant que spécificité du domaine de l’astronomie. Mais on remarque une tendance en ce qui concerne leur place dans la leçon, tendance qui est en lien notamment avec l’approche des manuels constatée plus tôt : les pages de manuel qui privilégient l’observation semblent intégrer les grandeurs et les distances de manière informationnelle, alors que dans les pages de manuels qui privilégient la démonstration et l’expérimentation, les échelles astronomiques seraient un support exploitable, un outil de travail dans l’avancée du raisonnement. D’ailleurs, la présencemajoritaire de données chiffrées soutient cette affirmation.
D’autre part, la modélisation est bien présente, dans toutes les pages de manuels, certes. Mais si l’on poursuit l’analyse, on remarque une autre tendance. Si l’on se penche sur la présence de la modélisation, on remarque que celle-ci est un outil de travail dans notre deuxième catégorie d’approche de l’astronomie (symbolisé par M), elle permet la validation explicite. Alors qu’elle ne figure qu’en tant qu’illustration (I), avec son rôle monstratif, permettant la représentation du réel uniquement d’un point de vue morphologique, dans la première catégorie d’approche : elle permet la validation opératoire. De ce constat viennent s’ajouter la présence et l’utilisation des grandeurs ‘Diamètres’ et ‘Distances’ entre les objets du système solaire et de l’univers. Sur les 5 manuels privilégiant l’expérience, 4 en tout proposent de modéliser les diamètres et les distances en se basant sur des données empiriques chiffrées.
En outre, est-ce le fruit du hasard si l’approche des distances dans la modélisation ne soit présente uniquement dans les manuels qui proposent des outils de mathématisation ? A priori, la modélisation illustrative présente dans l’approche observatrice et descriptive de l’astronomie, n’aborde en aucun cas les distances (le respect de l’échelle des distances), mais uniquement les diamètres des objets célestes. On remarque en effet, que 4 manuels sur 5 dans la deuxième approche, permettent de prendre en compte la modélisation en respectant les échelles des diamètres mais aussi celle des distances.
L’on pourrait faire une comparaison entre les différents manuels issus de programmes d’années différentes, mais l’échantillon de manuels étant trop restreint, je ne peux avancer quelconque affirmation, voire même quelconque hypothèse.
Bilan
Nous voyons bien la nécessité d’aborder les grandeurs et les distances dans l’enseignement de l’astronomie. Mais il existe dans les manuels, des approches différentes des échelles, et elles sont largement corrélées par l’utilisation ou non de la modélisation comme outil de mathématisation. On entend par là que les grandeurs et les distances ne sont pas nécessairement étudiées pour elles-mêmes, mais qu’elles peuvent être utilisées pour structurer l’apprentissage de notions, c’est-à-dire comme outil de compréhension. Il existe alors un enjeu transversal dans cette démarche : on sent bien qu’il y a un souci d’expérimenter et de modéliser pour aborder les distances astronomiques, afin de s’imprégner de l’immensité de l’espace, plutôt que d’user de la simple observation. A noter que l’astronomie est un domaine où l’observation est privilégiée. L’observation est par ailleurs bien présente dans la démarche d’investigation, et l’approche privilégiant la construction mathématisée de modèles ne déroge en aucun cas à la règle.
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Table des matières
Introduction
Repères théoriques
A- La didactique des sciences, un enjeu triangulaire
B- Une approche historique de l’enseignement de l’astronomie en France, à l’école élémentaire
1- Naissance et évolution de l’enseignement de l’astronomie à l’école élémentaire
2- Ce que disent les programmes de 2008
C- Une approche épistémologique
1- La représentation du réel
2- Modélisation en sciences
D- Réflexion sur les manuels scolaires et leur utilisation en sciences
Problématique
Méthodologie de recherche
A- Documentation approfondie et recueil de données
B- Traitement analyse des données
C- Bilan
Conclusion
