La science « construit un modèle de la nature, par définition provisoire, acceptable tant que la confrontation de ses prévisions avec des faits ne fait pas apparaitre de contradiction » (Rojat, 2002).

Les modèles occupent une part croissante dans l’enseignement des SVT. La modélisation prend tout son sens dans la recherche d’explications de phénomènes complexes, biologiques comme géologiques, compte tenu de l’accès facilité des élèves aux outils numériques et de la richesse des supports qui ne cessent de se diversifier.

Cet article propose une synthèse sur la place des modèles et plus généralement de la modélisation dans notre enseignement.

Après une lecture synthétique des programmes du collège et du lycée, la nécessité d’une progressivité dans l’acquisition de la capacité à modéliser sera mise en exergue au travers d’exemples d’activités variées. La plus-value associée aux pratiques de modélisation ainsi que leurs limites seront présentées afin de proposer aux élèves des activités pertinentes au service de la construction de savoirs et de savoir-faire.

Sommaire :

1 Place de la modélisation dans les programmes de SVT et compétences associées

2 Modéliser, pour quoi faire ?

3 Diversité des modèles en SVT

4 Place des modèles dans la progression pédagogique

5 Modélisation et progressivité des apprentissages

6 Les limites à l'utilisation des modèles en classe

Sitographie et Auteurs

1 Place de la modélisation dans les programmes de SVT et compétences associées

L’enseignement des Sciences de la Vie et de la Terre a très fréquemment recours aux modèles et à la modélisation.

La lecture des programmes officiels permet d’identifier plusieurs références à la modélisation et à l’utilisation de modèles.

Exemples de capacités et d’activités associées à des niveaux et des contextes notionnels différents :

Remarque : En terminale enseignement scientifique, le recours aux modèles mathématiques a plusieurs visées.

La démarche de modélisation mathématique comporte plusieurs étapes : identification du type de modèle le mieux adapté pour traduire la réalité, détermination des paramètres du modèle, confrontation des résultats du modèle à des observations, qui peut conduire à limiter son domaine de validité ou à le modifier.

Au-delà des indications des programmes officiels propres à certains contextes notionnels, la lecture des objectifs globaux fait référence à l’utilisation de l’expérimentation assistée par ordinateur, à la modélisation analogique ou numérique, à la réalité virtuelle et à la réalité augmentée, ce qui permet d’envisager l’utilisation de modèles aussi divers soient-ils dans de nombreux apprentissages et en fonction des choix pédagogiques réalisés par l’enseignant(e) de la sixième jusqu’à la terminale.

2 Modéliser, pour quoi faire ?

La modélisation consiste à élaborer un modèle, l’utiliser, le critiquer et le faire évoluer.

« Un modèle est ce à quoi on se rapporte pour représenter quelque chose » (Drouin, 1988).

Un modèle est « un cadre représentatif, idéalisé et ouvert, reconnu approximatif et schématique, mais jugé fécond par rapport à un but donné » (Soler, 2000), fécond c'est à dire que « les résultats de mesure [sur le réel] s'avèrent suffisamment conformes aux prédictions du modèle ».

La modélisation procède donc d’une simplification délibérée du réel. Il y a une simplification car seulement certains aspects du réel sont sélectionnés et intégrés au modèle, alors que les autres sont volontairement ignorés.

On modélise pour décrire et comprendre :

Cette pratique pédagogique est très répandue et rend la réalité des phénomènes plus accessible afin d’en faciliter la compréhension et donc l’acquisition des connaissances. La modélisation permet alors de proposer un cadre explicatif intégrant des paramètres dynamiques et en interaction.

On peut également modéliser pour dépasser des difficultés d’ordre pratique ou liées à des échelles de temps et d’espace inaccessibles :

Le modèle apparaît dans ce cas comme un moyen d’accroître les connaissances. Il permet de se soustraire des contraintes expérimentales (coût, éthique, technologie…) et de rendre fonctionnelle une étude intégrant des échelles de temps et d’espace parfois incompatibles avec les méthodes directes et indirectes de recherche scientifique.

Cette utilisation des modèles se révèle précieuse en sciences de la Terre (géophysique, astronomie…) mais également en biologie, en particulier dans le domaine de la biologie moléculaire et de l’écologie.

Enfin, on modélise pour prévoir :

Un modèle validé (mis à l’épreuve des faits) peut prendre une dimension prédictive.

Par exemple, la construction de modèles climatiques est établie grâce au concours de nombreux acteurs : des climatologues, des physiciens, des chimistes, des biologistes, des géologues, des mathématiciens et des informaticiens. La validité du modèle est évaluée par la comparaison de résultats théoriques issus du modèle et des données actuelles et passées obtenues grâce à des observations variées. Vérifier que les données « réelles » s’accordent avec les données théoriques est essentiel pour tester la fiabilité du modèle et le faire évoluer.

La dimension socio-économique de ce type de modèle devient évidente : le modèle sert à anticiper et devient une aide à la décision.

Le tableau suivant présente une comparaison synthétique des fonctions des modèles dans la recherche scientifique et dans l’enseignement des sciences.

3 Diversité des modèles en SVT

Le tableau suivant regroupe un certain nombre de productions publiées sur le site académique de SVT et centrées sur la modélisation.

Les exemples choisis illustrent la nature du modèle :

- analogique (surlignés en jaune dans le tableau) : il s’agit d’un modèle physique (maquette, montage, schéma ou toute autre représentation) qui a souvent une fonction explicative ("ça marche comme") mais qui peut aussi avoir une fonction prédictive ("si ça marche comme ... alors, si je fais ceci, je devrais obtenir cela"). Les limites de validité du modèle seront d’ailleurs éprouvées par le test de sa fonction prédictive.

- numérique : il s’agit d’un modèle mathématique qui s'appuie sur une ou plusieurs équations ou sur des schémas de fonctionnement (modèles conceptuels). Il peut remplir une fonction probabiliste.

La prépondérance des modèles numériques présentés est révélatrice de leur diversification actuelle liée à l’essor du numérique et des pratiques à partager corrélatives, mais ne traduit en aucun cas leur supériorité d’un point de vue pédagogique.

Ainsi, certains modèles peuvent se compléter. Par exemple, le lien entre la texture des roches magmatiques et leur vitesse de refroidissement (classe de première spécialité ou première enseignement scientifique) peut être conjointement établi :

• par l’étude comparée de la cristallisation de la vanilline à froid et à chaud.
• par l’étude de la cristallisation plus ou moins rapide avec le logiciel Magma, en changeant la vitesse de la simulation.

- mixte : dans ce cas, la construction du modèle intègre une composante analogique et numérique.

Exemples : calcul à l’aide de capteurs piézomètres et du logiciel Audacity de la vitesse de propagation d’une onde dans deux pâtes à modeler (simulant des péridotites lithosphériques ou asthénosphériques), l’une souple à température ambiante et l’autre durcie en étant placée 24h au congélateur. Test d’immunoprécipitation de la brucellose, test ELISA…

Un modèle peut être amené à évoluer :

Deux raisons principales tendent à faire évoluer un modèle :

- lorsqu’il se complexifie sans que de nouveaux faits interviennent. C’est le cas lorsqu’on introduit davantage de paramètres dans un souci de précision afin de rendre les résultats plus fidèles à la réalité.

Exemple : précision croissante des prévisions météorologiques associée à une puissance accrue des supercalculateurs.

- lorsque de nouveaux faits viennent modifier la théorie attenante au modèle.

Exemples : évolution du modèle de la dérive des continents vers le modèle de la tectonique des plaques, construction d’un modèle de régulation de la glycémie en intégrant plusieurs hormones, boucle de régulation du stress intégrant les paramètres hormonaux et nerveux.

Les modèles sont donc évolutifs. Toutefois, les anciens modèles ne sont pas toujours rejetés : ils sont le plus souvent actualisés puis réinterprétés dans le cadre du nouveau modèle.

Les modèles abandonnés sont le cas échéant utilisés, comparés ou éprouvés dans un but pédagogique.

Exemple : invalidation du modèle historique de l’organisation des molécules membranaires (Danielli et Davson).

Par ailleurs, la validité d’un modèle peut dépendre du niveau de classe. Son évolution, du fait de la spiralité des notions construites au cours de la scolarité, contribue à enrichir le concept étudié.

4 Place des modèles dans la progression pédagogique

En classe, le modèle s’intègre dans une démarche explicative permettant la construction d’un savoir associé à l’acquisition de compétences.

Le modèle sert alors deux objectifs :

- didactique : permettre un apport cognitif disciplinaire (argumentation, clarification d’un concept complexe…)

- pédagogique : rendre la construction du savoir optimal grâce à son intégration pertinente dans la démarche explicative.

Les modèles peuvent avoir différents statuts au sein des démarches pédagogiques :

- Le modèle est utilisé comme support d’une argumentation : il peut constituer une « accroche » dans la démarche pédagogique, donnant lieu à une recherche d’arguments afin de le valider ou de le préciser.

Exemples : cycle du carbone (T ES) puis confrontation avec des données expérimentales afin de quantifier les réservoirs et les flux, modèles du cycle de Wilson, de la mosaïque fluide (1^ère ES), de la tectonique des plaques (1^ère Spé), à argumenter afin de valider.

- Le modèle permet d’expliquer un phénomène complexe : lorsque les données sont difficilement accessibles ou non mesurables, le modèle est placé au cœur de la démarche explicative pour éprouver une hypothèse (en confrontant les résultats de l’expérience au modèle), pour argumenter de façon générale.

Exemples : modèles moléculaires enzymes/substrat, ligand/récepteur Sciences de la Vie et de la Terre, Aix - Marseille, Terminale Spécialité SVT (ac-aix-marseille.fr), carte géologique de France 1/1 000 000), activités variées réalisées avec l’application en ligne Thyp https://thyp.netlify.app/

- Le modèle permet de généraliser et d’enrichir un concept : Dans ce cas, le modèle abouti a valeur de synthèse.

C’est par exemple le cas des boucles de régulation de la glycémie ou des hormones sexuelles masculines comme féminines, d’un modèle explicatif du réchauffement climatique intégrant en particulier les phénomènes amplificateurs et d’atténuation.

- Le modèle est utilisé pour prédire : Place variable du modèle dépendant du scénario pédagogique (Simclimat pour évaluer l’importance de variations climatiques…). En géologie, le modèle PREM est construit en faisant la synthèse des connaissances relatives à la structure de la Terre. La confrontation de ce modèle avec des mesures de terrain comme la vitesse des ondes sismiques permet d’identifier les variations par rapport au modèle et donc des contextes géodynamiques particuliers.

Un modèle peut être utilisé selon différentes modalités. Par exemple, le modèle PREM, la carte géologique de France au 1/1 000 000… c’est la démarche pédagogique vécue par les élèves qui va préciser la fonction que va remplir le modèle.

L’ensemble de ces situations pédagogiques permet de diversifier les démarches prépare au mieux à la nouvelle épreuve de l’ECE dont les situations de contextualisations se sont diversifiées :

Vadémécum des ECE revu par rapport à la version de janvier 2022 : https://www.pedagogie.ac-aix-marseille.fr/jcms/c_11048940/fr/dossier-des-evaluations-dse-capacites-experimentales-2023?preview=true

5 Modélisation et progressivité des apprentissages

Modéliser se décline selon différents types d’activités dont le niveau de difficulté est croissant suivant que l’on :

- Utilise ou teste un modèle (= réaliser une simulation) : Sciences de la Vie et de la Terre, Aix - Marseille, Thème Le corps humain et la santé (ac-aix-marseille.fr)

- Modifie un modèle : Sciences de la Vie et de la Terre, Aix - Marseille, Thème Le corps humain et la santé (ac-aix-marseille.fr)

- Construise un modèle : modèles numériques sous scratch ou Edu’Modeles, modèles analogiques construits à partir de la réalisation de tests immunologiques (Brucellose, ELISA ou d’Ouchterlony), d’observations de cellules en division.

L’utilisation du modèle constitue la forme d’activité la plus fréquente.

La difficulté dans la construction d’un modèle tient à plusieurs éléments :

• L’inventaire et le choix des paramètres à introduire dans le modèle pour répondre à une question scientifique par exemple.
• La prise en main du logiciel ou du matériel.

Comme la construction complète d’un modèle est chronophage, Il est souvent préférable de passer par la modification d’un modèle préexistant pour permettre à l’élève de se l’approprier en comprenant sa genèse.

Par exemple, on peut demander à l’élève :

• De modifier une règle ou d’ajouter des paramètres (agents) dans un modèle numérique (Edu’Modèles, Simclimat…).
• De tester un autre paramètre en fournissant une liste de matériel.

Une autre stratégie consiste à demander à l’élève le principe du modèle à construire ou modifier avant de proposer le cas échéant des aides méthodologiques ciblées. Ces aides peuvent recouvrir des formes différentes, une liste du matériel à utiliser, une ou des fiche(s) méthodologique(s) relative(s) au(x) logiciel(s) à utiliser, des fiches d’intentions listant des procédures spécifiques pour aboutir à un but bien précis…

Enfin, la construction d’un modèle, en particulier numérique, peut être réalisée avec la participation d’un autre enseignant :

• de mathématique pour la construction d’un modèle sous scratch au collège.
• de mathématique et/ou de SNT pour la construction d’un modèle sous Python au lycée.

6 Les limites à l'utilisation des modèles en classe

- Le modèle assimilé au réel

Il faut veiller à ce que les élèves comprennent bien que le modèle ne reproduit pas la réalité mais qu’il est utilisé dans un but descriptif efficace de la réalité.

Beaucoup de supports pédagogiques utilisés en classe sont des modèles. Par exemple, une molécule observée avec des logiciels (Libmol, Rastop…) constitue un modèle moléculaire dont les représentations sont plus ou moins éloignées de la réalité et ne tiennent pas compte de la diversité allélique pouvant générer une variabilité sans impacter le fonctionnement ou en l’impactant de façon minime. De même, la réalisation d’un échiquier de croisement en génétique est une modélisation statistique de la transmission des allèles dans un contexte bien particulier qui évacue certains événements qui pourraient moduler cette transmission.

Le remplacement de produits réels par des produits de substitution dans certaines manipulations comme en immunologie (test ELISA, test d’Ouchterlony…) doit nous interroger. Le coût de la manipulation est certes souvent plus faible, mais elle devient une modélisation du phénomène étudié. Dans ce cas, les élèves doivent être informés de l’aspect modélisant et travailler sur la conception de ce dernier ou bien avoir l’ensemble des informations pour pouvoir s’approprier le modèle. L’expérimentation prend alors un autre statut dans la démarche vécue par les élèves.

Remarque : Une autoradiographie, une expérience d’immunofluorescence, une observation microscopique, une IRM traitée fonctionnelle avec un logiciel ne sont pas des modèles, même si elles ne montrent qu’une partie des caractéristiques de l’objet. Ce sont des observations indirectes et/ou incomplètes du réel.

- le modèle comme objectif d’enseignement

Il y a là un risque à assimiler le modèle au réel. En effet, de nombreux modèles sont « implicites » et l’activité de l’élève consiste à les redécouvrir…

Les modèles utilisés gagneraient à être présentés pour ce qu’ils sont aux élèves : tout comme les hypothèses, ils constituent des réponses provisoires, susceptibles d’évoluer. Les modèles sont donc des outils d’apprentissage qui seront à éprouver par les faits ou les résultats expérimentaux. En étant placé au cœur d’une démarche scientifique, l’utilisation de modèles donne alors tout son sens aux activités réalisées lors des séances de travaux pratiques.

- Le modèle, un substitut du réel

(Cf article de Philippe Cosentino) : https://www.cafepedagogique.net/2022/07/12/pour-le-prof-720/)

Les modèles sont généralement associés à des théories. Celles-ci sont considérées comme plus générales que les modèles dans le sens où elles sont plus globales et concernent un ensemble plus large de situations. Le modèle est intimement lié à la théorie dans le sens où il existe des modèles explicatifs de celle-ci : le modèle apparait comme un intermédiaire entre le réel (les faits) et la théorie. Cela nécessite que le modèle se construise sur la base des faits et non l’inverse : le modèle explique partiellement les faits, les faits n’expliquent pas le modèle ; le modèle est construit à partir des faits, les faits ne se construisent pas à partir du modèle.

Par exemple, un modèle numérique est élaboré à partir de données empiriques (ou de résultats expérimentaux) qui permettent la conception des lois du programme informatique de ce même modèle. La simulation que feront les élèves sur un tel programme ne peut évidemment qu’être en accord avec la théorie qui est à l’origine du modèle : il n’est donc pas raisonnable de faire croire aux élèves que le modèle puisse servir à démontrer une théorie scientifique, ce serait une argumentation circulaire sans fondement. Un autre danger serait de penser que le virtuel remplace de façon commode le réel et qu’il n’est nul besoin d’expérimenter sur le réel pour accéder à de nouvelles connaissances.

D'après Eric Sanchez

Source : https://cache.media.eduscol.education.fr/file/SVT/38/1/Ressources_Tectonique_Premiere_S_v3_195381.pdf

L’étude de plusieurs modèles différents relatifs au même mécanisme peut permettre de contourner cette confusion.

Exemples :

- modélisation numérique (logiciel Magma) et analogique (vanilline) de la vitesse de cristallisation.

- Diversité des modèles analogiques de la subduction

https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/modeliser-subduction-profonde.xml

https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/subduction-sans-convergence.xml

Pour conclure, la modélisation est très présente dans nos pratiques, à tel point que parfois nous finissons par l’ignorer. Cette utilisation facilite l’appropriation des connaissances et élargit le champ cognitif lorsque les objets sont difficilement accessibles. À l’avenir, l’augmentation des capacités informatiques associée au développement de l’intelligence artificielle devrait permettre de complexifier les modèles existants en accroissant notamment le nombre de paramètres pris en compte et ainsi de se rapprocher davantage de la réalité sans jamais pouvoir l’atteindre.

Sitographie :

https://ent2d.ac-bordeaux.fr/disciplines/svt/reflexion-sur-modele-et-modelisation/

http://tice.svt.free.fr/spip.php?rubrique382

https://pedagogie.ac-rennes.fr/sites/pedagogie.ac-rennes.fr/IMG/pdf/modeles-modelisation-svt.pdf

http://modelisationsvt.free.fr/modeles_en_questions/modeles_en_questions_modele.html

https://www.persee.fr/doc/aster_0297-9373_2006_num_43_1_1454

https://edutice.archives-ouvertes.fr/edutice-00277941/fr/

https://www.persee.fr/doc/aster_0297-9373_2006_num_43_1_1451

https://www.cafepedagogique.net/2022/07/12/pour-le-prof-720/)

Auteurs :

Mathieu GOIRAND, Sébastien VOLAND

prénom.nom@ac-aix-marseille.fr