6. L’expérimentation
Une ou des hypothèses ont été sélectionnées pour le test. L’expérimentation permettra de décrire la réalité non plus par les sens (imprécis et personnel, voir §3) mais par des mesures répétables, rigoureuses et uniformes avec des instruments. Notons que la création d’instruments de mesure est un bon thème de démarche scientifique.
L’expérimentation consistera à faire varier un facteur (une variable, indépendante, la cause du phénomène), et une seule, et à mesurer les effets de cette variation sur un autre facteur (l’autre variable, dépendante). La variation peut être la présence ou l’absence ou la présence à différents degrés. Le PER détaille cela dans les attentes fondamentales du 3e cycle :
Au cours, mais au plus tard à la fin du cycle, l'élève...
- imagine une expérimentation qui ne fait varier qu'un facteur à la fois
- prépare et/ou réalise un protocole d'observations, de mesures et de calculs pour un problème à deux facteurs dépendants (mesure de température de l'eau en fonction du temps de chauffage, distance en fonction du temps,…) (PER, 2010)
A ce stade, il faut que l’élève fasse, et on peut espérer qu’il sait pourquoi et pour quoi… Il devrait avoir une idée de ce qu’il doit démontrer, l’hypothèse, et de ce qu’il va obtenir. Il est acteur de sa démarche puisqu’il va choisir la méthode. On passe ainsi du TP classique, lors duquel l’élève réalise docilement une recette de cuisine, à une expérimentation imaginée : « Comment pourrait-on faire ? ».
A chaque obstacle sa solution, si l’enseignant a envie d’en trouver une…
- la sécurité : l’enseignant peut réaliser devant les élèves une expérience qu’ils ont conçue ;
- le manque de matériel : la débrouille et le bricolage font des miracles ; le travail par groupe sur des questions différentes donc des expériences différentes, en tournus ; les élèves sont invités à amener du matériel depuis la maison ;… ;
- le manque de salle de laboratoire : vu les expériences nécessaires au programme, beaucoup peut se faire dans une salle de classe (un point d’eau est nécessaire !) ;
- la discipline : oser et ça marche, en augmentant la difficulté des expériences et la longueur des phases d’autonomie, en mettant en place des phases rituelles (hypothèses, démarrage de démarche, prise en main du matériel, rangement du matériel,..), la classe s’habitue à cette manière de faire ;
- le temps : il n’est pas obligatoire de tout faire chaque fois, l’enseignant peut parfois faire une expérience en démonstration ; il est préférable que les élèves conçoivent sans réaliser plutôt qu’ils réalisent sans avoir conçu… à vous de gérer la frustration ! L’enseignant peut donner des résultats d’expériences conçues par les élèves.
L’expérimentation comporte deux phases distinctes : la préparation et la réalisation.
6a Préparation d’une expérience
L’élève doit d’abord chercher les différents moyens d’investigation possibles pour trouver une réponse à son problème ; cela peut être sur le mode expérimental, mais aussi documentaire ou observatoire.
Dans le cas de l’expérience, les variables à mesurer doivent être clairement identifiées. A partir de cela, il faut rédiger un protocole expérimental respectant les normes de sécurité :
- décrire les opérations en les ordonnant (« calendrier » ou plan de réalisation) ;
- déterminer et choisir les instruments et le matériel nécessaires et adéquats, en les nommant ;
- écrire le mode opératoire en schématisant éventuellement le montage ;
- choisir et préparer les documents pour relever les résultats (tableaux, fiches, graphiques,…);
- réaliser le montage de l’expérience.
Chaque groupe d’élèves est responsable de choisir son matériel correctement et doit en dresser la liste complète, d’où la nécessité de rédiger aussi le mode opératoire complet et séquencé. L’enseignant se doit de ne fournir que le matériel demandé, ou seulement l’instrument qui répond à la fonction que l’élève énonce, s’il n’en connaît pas l’existence ou le nom. Dans les premières réalisations de démarches scientifiques, l’enseignant peut fournir du matériel supplémentaire sur demande au cours de l’expérience.
Plusieurs pistes peuvent être utilisées par l’enseignant pour réduire le temps nécessaire à cette étape (spécialement chronophage !) ou pour en séquencer l’apprentissage :
- Donner la liste du matériel et demander de n’écrire que le mode opératoire ;
- Donner le mode opératoire et ne demander que la rédaction de la liste du matériel nécessaire ;
- Donner les opérations dans le désordre et les faire séquencer correctement ;
- Donner un schéma de montage et demander de rédiger la liste de matériel et le mode opératoire ;
- Faire choisir dans une liste de propositions un dispositif d’exploration qui permet de répondre au problème ;
- Proposer un choix d’instruments de mesure de types différents ou de calibres différents et demander de choisir le plus adapté ;
- …
6b Réaliser une expérience
La réalisation ne posera pas beaucoup de problèmes si la phase précédente a été correctement effectuée. Il s’agira ici de se procurer le matériel nécessaire et de l’utiliser correctement.
Plus les élèves pratiquent des expériences, plus ils développent des compétences de planification et d’organisation et plus ils ont à l’aise avec le matériel et avec la prise de résultats. Les problèmes survenant au début peuvent souvent être réglés en revenant à la préparation de l’expérience, ce qui souligne son importance.
Pour entraîner les élèves à des préparations de protocoles correctes, on peut faire réaliser des expériences selon les protocoles rédigés par d’autres élèves. La discussion entre élèves permet d’améliorer les démarches, en soulignant leur diversité, la reproductibilité des expériences ainsi que la lisibilité des résultats.
La mise en commun des problèmes apparaissant lors des premières expériences permet de mettre en place certaines notions de méthode de travail, qui peuvent faire l’objet d’un « mémo » affiché en classe ou collé dans le cahier, ou d’un questionnaire d’autoévaluation du groupe redistribué occasionnellement :
- nous organisons notre travail en prévoyant les opérations et en les notant dans le cahier avant de commencer ;
- nous nous répartissons les tâches dans le groupe ;
- nous travaillons proprement et nous évitons le gaspillage ;
- nous lisons les éventuels modes d’emploi.
La pratique d’exercices du type Propose une expérience dans les livres Sciences 7e-8e-9e entraîne les élèves à la conception de protocoles expérimentaux.
>>> Activités en lien avec Sciences 7e
>>> Activités en lien avec Sciences 8e