Enseigner les Sciences de la nature

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Réflexion pédagogique

La place de la modélisation et de la simulation numérique dans l'enseignement

« Modélisation et simulation peuvent être considérées comme les bases sur lesquelles repose la pensée humaine » P.Valéry (1977).

Les SVT c’est l’étude de la biologie et de la géologie.

La géologie comme la biologie sont confrontés à des modélisations de systèmes complexes de matière et d’énergie. Cette convergence peut-être utilisée pour faciliter la maîtrise par les élèves de modèles notamment celui du cycle du carbone. Cette modélisation est inscrite dans les programmes actuels, en classe de seconde et en classe de TS enseignement de spécialité:

    • En classe de seconde : Cycle du dioxyde de carbone est étudié à travers le couplage lithosphère, hydrosphère, atmosphère et biosphère. On évalue l'influence de l’Homme et l'impact sur la température et le climat. On aborde l'évolution historique de la composition de l’atmosphère terrestre depuis 4,5 milliards d’années. Les notions de respiration, de fermentation et de photosynthèse trouvent leur place au niveau planétaire.
    • En classe de TS enseignement de spécialité : On aborde le thème "du passé géologique à l’évolution future de la planète". On étudie les climats passés de la planète et les climats du futur.

Le cycle du carbone implique des transferts entre les réservoirs géologiques et biologiques mettant en jeu des concepts géologiques (érosion, circulation, sédimentation, magmatisme, …) et des concepts biologiques (respiration, fermentation et photosynthèse). Le cycle du carbone est étudié dans le cadre des changements climatiques pour comprendre l’évolution du climat de la planète à court terme, ainsi que son implication dans les changements climatiques à long terme, notamment durant les 550 millions d’années du Phanérozoïque.

 

Les professeurs ne disposent pas actuellement d’outils pour enseigner ces notions. Nous proposons de démontrer dans ce dossier comment les outils de la modélisation et de la simulation ainsi que les données utilisées par les chercheurs sont transférables dans nos classes dans le cadre des programmes actuels.

  
Le modèle est pour la classe un outil de simplification, de compréhension et d'anticipation :
 
Un outil de simplification : Le modèle simplifie le réel et le rend accessible au raisonnement. Ce modèle est avant tout un modèle visuel ce qui facilite la mémorisation et les processus d'assimilation. C'est également un modèle numérique qui fournit des résultats graphiques supports du raisonnement. En mode modélisation, l'élève qui construit "pas à pas" un modèle en le complexifiant, découvre ce qu'est un modèle. Un modèle comporte des compartiments, des flux qui traduisent des phénomènes biologiques ou géologiques, des équations mathématiques qui régissent le modèle, des boucles de rétroaction. En construisant un modèle on découvre que le modèle est perfectible : « un modèle ne peut pas être supérieur à ses éléments et aux hypothèses qu’il contient ». Von Mirbach .
 

Un outil de compréhension : En mode simulation, l'élève va agir sur le modèle. Il modifie "pas à pas" les données (il change de scénario). Chaque modification peut être précédée d'un raisonnement visant à prévoir les réactions du modèle (Si ... alors je prévois que...). L'élève s'interroge sur la réalité de ses résultats. Il devra comparer les résultats calculés par le modèle aux valeurs mesurées. Une telle approche ressemble au constructivisme : c'est en agissant sur le monde que l'on comprend. En mode simulation l'élève va découvrir le fonctionnement du système planétaire à travers le cycle du carbone à différentes échelles de temps. Le modèle permet d'explorer les situations passées : il permet de remonter le temps sur plusieurs millions d'années.

 Un outil d’anticipation : Le modèle permet de simuler diverses situations du futur. La construction du modèle prédictif exploite les scénarios du GIEC. On évalue l'impact de mesures agravantes (l'impact des déforestations et des incendies, l'impact du dégel du Permafrost etc.) et on recherche les mesures susceptibles d'atténuer le réchauffement climatique. Une telle démarche participe à la responsabilisation du citoyen.
 

 

Pédagogie et modélisation :

Les recherches en didactique des sciences et en sciences cognitives ont montré que l’activité de modélisation menée par des élèves peut contribuer de manière significative à leurs processus d’apprentissage. L’activité de modélisation s’inscrit dans une approche constructiviste d’apprentissage. Si c’est en agissant sur le monde que l’on apprend, c’est en agissant sur le modèle donc en réalisant des simulations numériques que l’élève apprend.

Au cours de la modélisation puis de la simulation numérique, l'élève va:

    • Comprendre le besoin de la création de modèles dans l’activité scientifique et déterminer les raisons pour lesquelles nous produisons des modèles (interprétation des phénomènes, interprétation des données, prévision des résultats etc.).
    • Acquérir des compétences de modélisation (s’interroger sur le problème, formuler des hypothèses, créer, contrôler, améliorer le modèle).
    • Construire des concepts, établir des relations, découvrir des règles et des lois, comprendre des théories : il est envisageable que les élèves puissent approcher des notions transversales entre plusieurs disciplines (géographie, géologie, économie, etc.).
    • Collaborer avec ses collègues dans les activités de modélisation : le travail de modélisation est un lourd travail coûteux en temps. On devra mettre en place des partages des tâches : on est plus efficace en travaillant ensemble que séparément.
 

Plus généralement, les activités de modélisation peuvent contribuer à l’unification des disciplines et promouvoir des approches interdisciplinaires d’enseignement.

Le travail de l'élève qui modélise

Il combine les outils de modélisation avec des observations du monde réel. Lors de la construction d’un modèle, il fait des observations (images satellitales), il effectue des mesures et il construit "pas à pas" un modèle. A chaque étape, il formule des hypothèses qu’il teste. La validation du modèle par des simulations permet de comparer les valeurs calculées aux valeurs mesurées.

 

En modélisant, l’élève vise à simplifier le réel grâce à la visualisation des entités, de leurs propriétés et de leurs relations. La visualisation est cruciale pour les élèves elle favorise la transition du raisonnement sur les objets au raisonnement sur les concepts abstraits.

 

Au cours de la simulation, l’élève exploite de nombreuses informations qui se présentent sous des formes multiples et alternatives de représentation (graphes, diagrammes, tables etc.). La capacité des élèves à produire et à utiliser des modèles dépend des outils de représentation dont ils disposent.

 

La modélisation offre un support au développement de la « conscience méta conceptuelle » invitant les élèves à noter leurs prédictions et leurs interprétations dans un dossier afin de les amener à prendre conscience de leurs actions

 
Modélisation et EEDD
 
Dans le domaine éducatif, les atteintes de l’environnement, l’utilisation et la gestion des ressources, les problèmes d’aménagement font l’objet de l’Éducation à l’Environnement et au Développement Durable. Cette éducation se révèle difficile à mettre en place. Parmi les raisons de cette situation, on peut évoquer la difficulté de réaliser une certaine interdisciplinarité qui se retrouve au niveau-même de l’idée que l’on doit se faire de l’environnement. Les réalités environnementales sont complexes, les facteurs qui y sont impliqués sont nombreux et de nature variée (facteurs écologiques, économiques, sociaux, politiques, etc.). Nous sommes confrontés à la complexité des relations mises en jeu dans l’environnement. Face à cette complexité, nous sommes victimes d’un savoir spécialisé et d’un cloisonnement disciplinaire qui empêchent l’accession à la multidimensionnalité.
 

  

On peut penser que la modélisation des systèmes complexes a sa place dans l’EEDD:

Modéliser des systèmes complexes comme le cycle de l’eau, le cycle du carbone, la gestion des ressources (énergie, aliments, etc.), la gestion des écosystèmes (poissons, faune sauvage etc.).
Modéliser pour mettre en relation tous les facteurs impliqués dans une approche interdisciplinaire.
Modéliser pour rendre accessible ce qui ne l’est pas à priori. Modéliser par souci de simplification.
Modéliser pour comprendre : c’est en simulant que l’on comprend.
Modéliser pour évaluer un risque, pour tester une mesure d’atténuation.
Modéliser pour prévoir.
 
 Les autres domaines de la modélisation
 
Modélisation en physiologie (diabète), en écologie (gestion des ressources, gestion d'un écosystème ...), en hydrogéologie (gestion d'une nappe phréatique), en biochimie (réaction ES) etc.
 

Modélisation en mathématique, en physique, en économie, en géographie, etc.