Par Sarah Phillips
Intrinsèquement, la science consiste à comprendre les interactions entre la matière et l’énergie. Aussi simple que cela puisse paraître, la quantité et la diversité de ces interactions, ainsi que les nombreuses échelles de temps, de lieux et de tailles dans lesquelles elles opèrent font des sciences une discipline extrêmement complexe. Face à cette complexité, les modèles constituent des outils essentiels, que ce soit pour les scientifiques ou pour les élèves de sciences.
Les scientifiques utilisent les modèles de multiples façons. Ils peuvent ainsi créer un modèle 2D ou 3D afin d’expliquer un phénomène ou de formuler une hypothèse sur la manière dont différentes composantes d’un système interagissent les unes avec les autres. Ils peuvent aussi développer des modèles mathématiques afin de trouver et de décrire des liens entre les données quantitatives qu’ils ont obtenues de leurs expériences. Ces modèles peuvent ensuite être testés et perfectionnés en menant des expériences supplémentaires. À terme, ils peuvent être acceptés comme constituant des règles ou des généralisations, comme cela a été le cas pour la loi de Boyle ou les lois de Newton sur le mouvement.
Les élèves de sciences apprennent au sujet des modèles, des règles et des généralisations qui ont été établis par les scientifiques, mais ils peuvent également apprendre avec les modèles. C’est ce qui arrive lorsque les élèves utilisent des modèles existants pour comprendre et expliquer le monde qui les entoure, et lorsqu’ils conçoivent leurs propres modèles.
Les élèves utilisent des modèles existants pour donner du sens à des phénomènes.
Les élèves pourraient, par exemple, utiliser le modèle particulaire de la matière pour expliquer pourquoi le sucre se dissout plus rapidement dans l’eau chaude que dans l’eau froide.
Les élèves peuvent également concevoir des modèles pour expliquer des phénomènes.
Les élèves pourraient, par exemple, utiliser un graphique regroupant les données qu’ils ont rassemblées durant une expérience afin de montrer comment le courant évolue dans un circuit au fur et à mesure que l’on augmente la tension. En invitant les élèves à visualiser des processus complexes et/ou invisibles, les modèles les aident à comprendre et à expliquer des phénomènes. Ils peuvent en outre les aider à passer d’observations et d’expériences concrètes à des processus et à des liens abstraits.
« Les modèles sont des ponts qui relient l’apprentissage concret aux idées abstraites à l’aide d’objets physiques. Pour passer d’une réflexion concrète à une réflexion abstraite, il faut percevoir la similarité entre les éléments d’une situation qui, au premier regard, pourraient sembler différents. Les modèles constituent un moyen d’effectuer cette transition et aident les élèves à établir des liens essentiels à l’utilisation des graphiques, des tableaux et des formules. » (Carrejo et Reinhartz, 2014, p. 11, traduction libre) (en anglais).
Que les élèves utilisent des modèles existants ou qu’ils conçoivent leur propre modèle, ce qui compte, c’est la manière dont les modèles sont utilisés. Les modèles sont couramment utilisés dans de nombreux projets scientifiques. C’est notamment le cas des modèles de volcan en 3D, des modèles illustrant les différences entre les cellules végétales et les cellules animales, et des modèles illustrant la circulation de l’énergie et des nutriments au sein d’un écosystème local. Bien que ce type de projets implique des modèles, ils ne demandent pas nécessairement aux élèves de mener une réflexion propre à la modélisation.
La modélisation correspond à l’utilisation de modèles pour illustrer, expliquer et/ou prédire des phénomènes. Élaborer un modèle qui montre les parties d’un volcan n’est pas une activité de modélisation à moins que les élèves utilisent le modèle pour expliquer un aspect du volcan, tel que la manière dont il s’est formé ou les facteurs qui déclenchent une éruption.
| Modèle | Exemple d’activité de modélisation |
| Volcan 3D | Utilisation du modèle pour expliquer les causes des éruptions volcaniques. |
| Diagramme d’une cellule végétale et d’une cellule animale | Utilisation des modèles pour illustrer les différences entre les cellules végétales et les cellules animales. |
| Réseau alimentaire | Utilisation du modèle pour prédire ce qui arriverait si un prédateur disparaissait de l’écosystème. |
Les modèles constituent un concept connexe dans les cours de sciences du Programme d’éducation intermédiaire (PEI). Dans ce contexte, ils sont définis de la manière suivante : « Représentations utilisées pour tester des théories ou des propositions scientifiques pouvant être répétées et validées avec précision ; simulations utilisées pour expliquer ou prévoir des processus qui peuvent ne pas être observables, ou pour comprendre la dynamique de phénomènes multiples sous-tendant un système complexe ». Cette définition établit un lien clair entre le modèle et son application pour tester, expliquer et prévoir. À ce titre, la modélisation fait partie intégrante du cadre de sciences du PEI.
La modélisation est aussi liée à un grand nombre des objectifs spécifiques des sciences du PEI. Le cadre opérationnel proposé par Schwarz et al. (2009) propose ainsi une base pour établir ces liens (en anglais).
| Éléments relatifs à la pratique de la modélisation* | Exemples | Objectifs spécifiques des sciences du PEI correspondants |
| « Les élèves établissent des modèles conformes aux preuves et aux théories antérieures pour illustrer, expliquer ou prédire des phénomènes. » | Dessiner un modèle pour montrer comment plusieurs facteurs peuvent influer sur la croissance des plantes ; utiliser le modèle pour formuler une hypothèse vérifiable. | Bi : expliquer un problème ou une question qui sera vérifié(e) par une recherche scientifique.
Bii : formuler une hypothèse vérifiable et l’expliquer en faisant appel à un raisonnement scientifique. |
| Utiliser un modèle pour résumer et expliquer les données et les observations d’une expérience. | Cii : interpréter des données et expliquer des résultats en faisant appel à un raisonnement scientifique. | |
| « Les élèves utilisent des modèles pour illustrer, expliquer et prédire des phénomènes. »
|
Utiliser le modèle de Bohr pour expliquer la différence entre les liaisons ioniques et covalentes. | Ai : expliquer des connaissances scientifiques. |
| Utiliser le modèle particulaire de la matière pour prédire ce qui arrivera à la densité d’un objet au fur et à mesure que sa température change. | Bii : formuler une hypothèse vérifiable et l’expliquer en faisant appel à un raisonnement scientifique. | |
| « Les élèves comparent et évaluent l’aptitude de différents modèles à représenter et à expliquer précisément des schémas au sein de phénomènes, et à prédire de nouveaux phénomènes. » | Étudier la manière dont les modèles scientifiques établis ont été révisés au fil du temps.e | Ai : expliquer des connaissances scientifiques. |
| Comparer différents modèles de l’atome (Rutherford, Bohr, Lewis, etc.) pour évaluer l’aptitude de chacun à représenter les liaisons ioniques et covalentes. | Aiii : analyser et évaluer des informations afin de formuler des jugements scientifiquement étayés. | |
| Comparer les données recueillies à partir d’expériences avec différents types de graphiques (linéaires, exponentiels, quadratiques) afin de déterminer le type de graphique le plus adapté. | Cii : interpréter des données et expliquer des résultats en faisant appel à un raisonnement scientifique. | |
| “« Les élèves passent en revue des modèles afin d’améliorer leur capacité explicative et prédictive en prenant en considération des preuves ou des aspects supplémentaires d’un phénomène. » | Utiliser les données recueillies durant l’expérience afin d’étudier le modèle utilisé pour générer l’hypothèse. | Ciii : évaluer la validité d’une hypothèse en fonction du résultat de la recherche scientifique. |
* tiré de Schwarz et al., 2009, p. 635 (traduction libre).
À la différence des examens sur papier, l’interface numérique utilisée dans les examens sur ordinateur du PEI fournit une série d’outils qui permettent aux élèves de réaliser des activités de modélisation. Dans la vidéo de présentation des examens de sciences du PEI, on observe que les candidats ont la possibilité d’utiliser des simulations et une série d’outils d’analyse de données pour développer des hypothèses et expliquer leurs conclusions en se référant à des modèles mathématiques.
L’utilisation des modèles dans les cours de sciences du PEI aide les élèves à étudier les sciences tout en développant leur capacité à penser et à travailler comme des scientifiques. Les activités de modélisation sont étroitement liées aux objectifs spécifiques des sciences du PEI et peuvent être utilisées pour soutenir l’apprentissage des élèves en classe et en laboratoire.
Et vous, utilisez-vous la modélisation dans vos cours de sciences du PEI ? Si c’est le cas, nous serions ravis d’en savoir plus sur votre expérience ! N’hésitez pas à nous écrire à l’adresse myp.curriculum@ibo.org.
Sarah Phillips est responsable de programme d’études au sein de l’équipe de développement du Programme d’éducation intermédiaire de l’IB.