Projet-B-20 Loris, Naïm & Olivier

Titre: Que faut-il mettre en place du côté de l’enseignant-e pour que la démarche d’investigation par les élèves durant un laboratoire améliore leur compréhension des concepts de la biologie?

  1. Introduction

Depuis plus de 30 ans une transition s’est opérée dans l’enseignement des sciences: on ne cherche plus simplement à ce que les élèves acquièrent une base de notions sur des faits scientifiques, mais également qu’ils comprennent les concepts fondamentaux de la discipline, tels que "la cellule est l'unité fondamentale du vivant" (Tanner & Allen, 2005). 

L’enseignant-e, à travers les activités proposées, doit chercher à retrouver l’essence de la discipline (Astolfi, 2008). La biologie étant une science expérimentale, il faut chercher à travailler sur des activités propres à la discipline, notamment des laboratoires (TP) et concentrer notre enseignement sur les concepts centraux. Le travail sur les démarches scientifiques fait en effet partie des compétences à acquérir selon le Plan d’études romand et le Plan d’études du Collège de Genève. 

Malheureusement, lorsque nous décidons de faire un TP avec nos élèves trop souvent ce qui est présenté comme de l’expérimental se rapproche plus de la recette de cuisine que de la véritable expérimentation (De Vecchi, 2006). Finalement, les élèves apprennent à être « obéissant » en suivant au pied de la lettre un protocole, mais n’apprennent pas l'entièreté des concepts structurants de la biologie visés dans le TP et ce que signifie que faire de la science.

La démarche d’investigation ou inquiry-based learning (IBL) offre une alternative qui mérite d’être explorée car elle place l’élève au centre (dans le sens qu'il est en partie acteur de la construction du savoir), permet de travailler la démarche scientifique et d’évaluer des compétences de niveaux élevés selon la taxonomie de Bloom (Crowe et al., 2008). L’IBL permet de promouvoir chez les élèves certaines attitudes se rapportant à l’investigation scientifique (faire des prédictions, formuler des hypothèses, communiquer des résultats (Cianciolo et al, 2006).

Lorsque nous allons discuter d'IBL, nous nous basons sur la définition de Potvin qui définit la démarche d'investigation comme “tout processus de résolution de problème par lequel on s'efforce, à partir d'une analyse systématique des faits, d'obtenir la formulation, l'amélioration ou la vérification convaincante de propositions scientifiques et de les communiquer sous une forme intelligible” (Potvin, 2019, p.148). La démarche d’investigation s’inscrit dans le cadre plus large des démarches scientifiques et implique l’analyse d’un phénomène observable. Elle peut être conduite dans le cadre d’un TP, mais pas obligatoirement. L’essentiel est que l’élève puisse concevoir le principe de l’expérience (De Vecchi, 2006). 

Afin de tenter de répondre à notre question de recherche, nous nous sommes tout d’abord demandé si la démarche d’investigation était une méthode réellement efficace en termes d’apprentissage des élèves. Comme base pour notre réflexion nous avons choisi l’article intitulé Can an Inquiry Approach Improve College Student Learning in a Teaching Laboratory? (Rissing & Cogan, 2009). Les auteurs y proposent d’utiliser la démarche d’investigation comme moteur d’apprentissage lors des TPs. C’est cette question de l’IBL dans le cadre d’un laboratoire en cours de biologie qui va nous intéresser dans le cadre de ce séminaire de recherche.






  1. Problématique 

Rissing & Cogan dans leur article montrent qu’en reprenant un TP classique mais en le repensant sur le modèle de l’IBL (question de départ, construction d’hypothèses, test, …), la performance des élèves sur un test standardisé se voit grandement améliorée (à la fois leur propre évaluation de ce qu’ils ont compris), alors qu’en suivant le format « recette de cuisine » il n’y a aucun changement (Rissing & Cogan, 2009). 

Hattie dans son ouvrage Visible learning, méta-analyse de ce qui fonctionne ou ne fonctionne pas dans l’enseignement, a mesuré un effet modéré de la démarche d’investigation sur les performances des élèves (d=0.31) (Hattie, 2008). 

L’étude PISA va plus loin et révèle même une performance réduite chez les élèves dont les enseignants auraient appliqué des méthodes se rapportant à la démarche d’investigation (PISA, 2015) (voir figure 2 ci-dessous). 

La question se pose alors de savoir si l’IBL est réellement efficace en termes d’apprentissages? Nous postulons que la méthode n’est ni bonne ni mauvaise et qu’il faut plutôt regarder du côté de la façon dont elle est conduite. Un-e enseignant-e peut chercher à conduire une démarche d’investigation mais ne pas le faire correctement, ce qui pourrait avoir aucun effet (ou même un effet négatif) sur l’apprentissage des élèves. Mais alors, qu’est ce qui doit absolument être mis en place pour que l’IBL soit efficace?

Cette question est certes très intéressante mais ne pourra pas être abordée de façon complète dans le cadre de ce séminaire. Nous proposons donc de focaliser notre problématique sur l'une des démarches de l'IBL, c'est-à-dire, la conception et la réalisation par les élèves d'un montage expérimental dans le but de répondre à une question de recherche. 


 


  1. Sélection de résultats

Nous avons recherché dans la littérature ce que les didacticiens préconisent pour conduire une bonne démarche d’investigation. Ces “résultats” vont nous permettre de formuler des conjectures liant intervention de l’enseignant-e et effets attendus. 

Dans son ouvrage Enseigner l’expérimental en classe, De Vecchi suggère de laisser les élèves s’engager dans l’activité d’investigation quitte à ce qu’ils partent sur des mauvaises pistes (hypothèse fausse, …). L’enseignant-e se met alors en retrait et devient une personne-ressource qui vient “soulager” les élèves au besoin. Il ne s’agit pas de laisser les élèves en “stabulation libre”, mais de leur permettre de s’approprier le problème. 

L’enseignant-e organise ensuite des moments de régulation qui permettent une confrontation et une mise en commun des hypothèses de recherche. Mettre des moments de confrontation et de synthèse dans les différentes phases aide à structurer leur démarche par investigation.

A contrario, Kirschner (2006) conclu qu'une activité non-guidée est normalement moins efficace et qu'il existe même des preuves que ce type de pédagogie pourrait avoir des effets délétères sur l'apprentissage, introduisant par la même occasion des conceptions erronées ainsi qu'une connaissance désorganisée (p.83). 

Lorsqu’il s’agit de de réaliser un montage dans le but de répondre à une question de recherche, De Vecchi suggère que les élèves conçoivent le montage avant de le réaliser. Ceci peut se faire un réalisant un schéma du montage et ensuite analyser les différentes propositions au sein de petits groupes ou du groupe classe. Si les élèves butent sur une étape de la démarche, l’enseignant-e peut proposer un montage général ou une piste de résolution.

En prenant en compte à la fois les recommandations de Kirschner tout en cherchant à ce que les élèves découvrent seuls la façon de réaliser un montage (proposé par De Vecchi), nous pensons qu'un guidage important à la fois sur des aspects organisationnels et théoriques (ce qui ne va pas être évalué) est nécessaire, mais qu'un guidage réduit sur la partie montage du TP permettra aux élèves de développer et/ou d'exercer certaines capacités cognitives. En effet, selon le livre de Tobias & Duffy (2009), que l'on soit constructiviste ou non constructiviste, les deux approches s'entendent néanmoins sur un point, il y a nécessité d'un guidage.

Conjecture 1 (CJ1): Laisser les élèves s’engager dans l’activité avec un minimum de guidage durant la partie du TP concernant le montage et son dessin par les élèves pour ensuite réguler lors des mises en commun. 

Conjecture 2 (CJ12): Mettre des moments de confrontation et de synthèse dans les différentes phases peut aider les élèves  à structurer leur démarche d’investigation. 

Dans son livre Faire apprendre les sciences et la technologie à l’école : Épistémologie, didactique, sciences cognitives et neurosciences au service de l’enseignant, Potvin dit que pour que l’élève apprenne comment les connaissances scientifiques sont construites il doit se mettre dans la “peau du chercheur”. Ceci implique l’abandon de l’acronyme OHERIC (Observation, Hypothèse, Expérience, Résultats, Interprétation et Conclusion) qui ne traduit pas la réalité de comment la recherche est faite. Les élèves ne vont pas “vivre” la démarche d’investigation s’ils sont contraints à suivre un cadre aussi rigide. 

Il insiste aussi sur le fait que toute activité scientifique est une discussion. L’élève doit à la fois construire un argumentaire qui montre que sa proposition fonctionne, mais il doit également penser à la robustesse de sa proposition, en imaginant les objections pouvant être faites par un “interlocuteur intelligent”, soit un camarade de la classe ou face à l'enseignant·e.

En contraste, Kirschner (1992) souligne le fait qu'il y a souvent confusion dans la tête de l'enseignant-e entre ce que signifie "faire de la science" et "enseigner/apprendre la science" (p.275). L'utilisation du TP ne permet guère d'appréhender la réalité de la recherche scientifique, mais reste utilise lorsqu'il s'agit de définir la structure syntaxique du domaine scientifique (p. 296). 

Conjecture 3 (CJ3): Pour que les élèves apprennent ce qu'est une démarche d’investigation, il faut les laisser mener leur recherche mais en leur rappelant constamment, tout au long du processus, qu'au bout du chemin se trouvera certainement un interlocuteur intelligent à convaincre (tel que présenté par Potvin).

Dans leur article Guidelines for design of online resources for IBST, Gueudet et al. offrent plusieurs pistes pour conduire efficacement une démarche d’investigation (utilisant les TIC). Les auteurs préconisent une responsabilité partagée entre enseignant et élève vis-à-vis des connaissances à acquérir. Ils insistent aussi sur l’importance de se référer directement aux savoirs savants, que ce soit pour l’élève ou l’enseignant. 

De plus, les élèves doivent avoir à disposition un espace (forum en ligne) leur permettant d’échanger et de confronter leurs propositions. L’enseignant-e devra ensuite utiliser les productions des élèves en classe dans le but d’alimenter l’argumentaire et faire avancer le processus d’investigation. 

Conjecture 4 (CJ4): Pour que l’élève s’approprie la démarche d’investigation il faut lui donner une part de responsabilité dans l’acquisition des connaissances et dans le processus de recherche.

  

IV Transposition des conjectures


CJ1:

ED1: Laisser  les élèves concevoir librement le montage d'une expérience sans l'intervention de l'enseignant·e pour cette phase du TP.

CJ2:

ED2: Confronter les différentes propositions en petits groupes ou en groupe classe avant la réalisation. 

CJ3: 

ED3: Tout au long de l’activité, l’élève doit avoir à l’esprit que ses résultats peuvent être confrontés à l’examen minutieux d’un interlocuteur intelligent qui cherchera à les mettre en défaut. 

CJ4:

ED4: L’élève doit être en contact direct avec la source de savoir qui lui servira de référence pour mener à bien sa démarche.

ED5: L’enseignant-e prend en compte les productions des élèves pour construire la connaissance commune du groupe classe.

 



Sources : 

Astolfi, J.-P. (2008). La saveur des savoirs. Issy-les-Moulineaux: ESF éditeur.

Bueno-Ravel, L., Forest, D., Gueudet, G., & Sensevy, G. (2010). Guidelines for design of online resources for IBST. Deliverable 5.2 (p. 32). European Union.

Cianciolo, Jennifer & Flory, Luke & Atwell, Jonathan. (2006). Evaluating the use of inquiry-based activities: do student and teacher behaviors really change. Coll. Sci. Teach.. 36. 

Crowe, A., Dirks, C., & Wenderoth, M. P. (2008). Biology in Bloom: Implementing Bloom’s Taxonomy to Enhance Student Learning in Biology. CBE Life Sciences Education, 7(4), 368–381. https://doi.org/10.1187/cbe.08-05-0024

De Vecchi, G. (2006). Enseigner l'expérimental en classe : pour une véritable éducation scientifique. Paris: Hachette éducation.

Hattie, J. (2008). Visible learning : A synthesis of over 800 meta-analyses relating to achievement. Routledge.

Kirschner, P. A. (1992). Epistemology, practical work and Academic skills in science education. Science and Education, 1(3), 273‑299. https://doi.org/10.1007/BF00430277

Kirschner, P. A., Sweller, J., & Clark, R. E. (2006). Why Minimal Guidance During Instruction Does Not Work : An Analysis of the Failure of Constructivist, Discovery, Problem-Based, Experiential, and Inquiry-Based Teaching. Educational Psychologist, 41(2), 75‑86. https://doi.org/doi:10.1207/s15326985ep4102_1

Masson, S., Potvin, P., Riopel, M., Foisy, L.-M. B., & Lafortune, S. (2012). Using fMRI to study conceptual change: Why and how? International Journal of Environmental & Science Education, 7(1), 19–35.

OCDE. (2016). PISA 2015 Results (Volume II). https://doi.org/10.1787/9789264267510-en

Potvin, P. (2019). Faire apprendre les sciences et la technologie à l’école : Épistémologie, didactique, sciences cognitives et neurosciences au service de l’enseignant. Presses de l’université Laval. pp 146 sqq

Rissing, S. W., & Cogan, J. G. (2009). Can an Inquiry Approach Improve College Student Learning in a Teaching Laboratory? CBE—Life Sciences Education, 8(1), 55–61. https://doi.org/10.1187/cbe.08-05-0023

Tanner, K., & Allen, D. (2005). Approaches to Biology Teaching and Learning: Understanding the Wrong Answers—Teaching toward Conceptual Change. Cell Biology Education, 4(2), 112–117. https://doi.org/10.1187/cbe.05-02-0068

Tobias, S., & Duffy, T. M. (2009). Constructivist instruction: success or failure? New York: Routledge. 

Commentaire du CE 20 I 20

  • Le cadre théorique se construit  bien
  • Pour la CJ 4 cf. Buchs, C., Lehraus, K., & Butera, F. (2006).

  • Son implémentation semble en route, mais la manière dont vous obtiendrez des résultats (EO) est encore embryonnaire. Dit autrement votre projet est fort sur votre réflexion et votre interventions, mais encore peu sur l’observation de ce qui se passera chez l'élève : comment vous saurez ou ils en sont et comment réguler. C'est paradoxal pour une problématique sur l'investigation.
  • Les EO ne sont pas encore assez clairs : explicitez le questionnaire de compréhension, ce que peut être un argument "pertinent", 
  • L'EA 4 devrait se traduire par des EO qui évaluent sa capacité à prédire / expliquer décider , l'EA5 se réfère à son sentiment de valorisation : c'est pertinent. essayez de formuler des indicateurs de la direction de sa motivation (voire utiliser des grilles de mesure (rubric en anglais) existantes, Cf Millar, R. (2009), ou Pekrun, R., Frenzel, A. C., Goetz, T., & Perry, R. P. (2007) ou la théorie de la SDT (Ryan, R. M., & Deci, E. L. (2000).

  • Votre projet a un bon potentiel : il faut le poursuivre pour en réaliser le potentiel
  • Il est possible que l'ampleur que votre cadre théorique donne à votre projet le rende difficile à réaliser.
  • Il pourrait être judicieux d'en limiter l'ampleur. Si vous n'y arrivez pas je peux vous accorder un entretien pour le focaliser.
    • Buchs, C., Lehraus, K., & Butera, F. (2006). Quelles interactions sociales au service de l’apprentissage en petits groupes. In E. Gentaz & Ph. Dessus (Eds.), Apprentissage et enseignement. Sciences cognitives et éducation (pp. 183-199). Paris : Dunod. Extraits-intranet.pdf
    • Ryan, R. M., & Deci, E. L. (2000). Self-Determination Theory and the Facilitation of Intrinsic Motivation, Social Development, and Well-Being. American Psychologist, 55(1), 68‑78.
    • Pekrun, R., Frenzel, A. C., Goetz, T., & Perry, R. P. (2007). The control-value theory of achievement emotions : An integrative approach to emotions in education. In Emotion in education (p. 13‑36). Elsevier. | intranet.pdf
    • Black, A. E., & Deci, E. L. (2000). The effects of instructors' autonomy support and students' autonomous motivation on learning organic chemistry: A self‐determination theory perspective. Science Education, 84(6), 740-756. doi: 10.1002/1098-237X(200011)84:6<740::AID-SCE4>3.0.CO;2-3 | intranet.pdf

  • Commentaire du CE 17 XII 19

    La question de la nature du guidage (mais d'autres groupes travaillent ce point), de la cible (sur quoi il porte),  et de la son effacement progressif apparait comme un aspect à clarifier  à ce point  : votre CJ1 pourrait préciser un peu plus l'idée de "minimum de guidage" : s'agit-il d'un degré global de guidage réduit ? d'un guidage réduit sur certains aspects ?  Comment savoir quand vous pourrez progressivement l'effacer ?

    Plus fondamentalement : La justification de ce guidage réduit qui semble au coeur de certaines conceptualisations de l'investigation : par quel effet cognitif est-il supposé améliorer quels  apprentissages ?

    S'agit-il de moins les guider pour qu'ils découvrent tout seuls ? S'agit-il de ne pas donner des recettes pour les obliger à effectuer des activités cognitives (p.ex développer, exercer des modèles mentaux,  des compétences) ? autre chose encore ?

    Pour aller plus loin vous pourrez vous référer à :

    Tobias, S., & Duffy, T. M. (2009). Constructivist instruction: success or failure? New York: Routledge.
    Ils mettent bien en évidence une convergence sur la nécessité de guidage, mais divergent sur les modalités de ce guidage.

    Commentaire du CE 8 XII 19

    Vous mettez bien en discussion des positions contrastées sur la base de sources intéressantes.

    Votre Cj-Map est bien construite à ce stade du projet. Les EO pourront être encore améliorés pour être mesurables.

    Mais attendons les commentaires de vos collègues du groupe qui va commenter votre projet. Et l'atelier suivant qui traite de ce sujet.

    Pour aller plus loin vous pourrez vous référer à :

    Tobias, S., & Duffy, T. M. (2009). Constructivist instruction: success or failure? New York: Routledge.
    Ils mettent bien en évidence une convergence sur la nécessité de guidage, mais divergent sur les modalités de ce guidage.

    Commentaire du CE 19 XI 19


    Votre CJ-Map est vraiment intéressante : elle exprime bien la dynamique des interactions entre les CJ et les effets attendus. Elle sera progressivement ajustée et intégrera des moyens d'observer les compétences et connaissances que vous aurez mieux définies.

    A ce stade clarifier le sens que vous donnez aux termes et concepts est important et contribue à focaliser une problématique intéressante mais trop large pour finir en mai 2020…


    Le schéma de l'investigation n'est pas référencé et discuté dans le texte : quel rôle joue-t-il ?
    Il faudra définir l’IBL  que de nombreux texte utilisent dans des sens différents.
    Montrer ces différences et vous concentrer sur une définition pour le projet aidera à focaliser
    Ensuite les différents éclairages permettent d'extraire des conjectures qui visent à améliorer les apprentissages - qu'il faut mieux définir (vous faites référence aux niveaux de Bloom / Crowe c'est une bonne piste) .

    Quand vous dites "laisser les élèves s’engager dans l’activité quitte à partir sur des mauvaises pistes pour ensuite réguler" vous prenez le point de vue defndu par vos lectures mais pas vraiment celui d'autres chercheurs plus perplexes (et PISA que vous citez)
    Un cadrage théorique devrait tenter une synthèse un peu plus large :
    Par exemple vous faites peu de cas des recherches qui mettent en doute l'efficacité des pédagogies ou le guidage est faible
    • Kirschner, P. A., Sweller, J., & Clark, R. E. (2006). Why Minimal Guidance During Instruction Does Not Work : An Analysis of the Failure of Constructivist, Discovery, Problem-Based, Experiential, and Inquiry-Based Teaching. Educational Psychologist, 41(2), 75‑86. https://doi.org/doi:10.1207/s15326985ep4102_1

    Sur l'affirmation "en se plaçant dans la peau du chercheur"  voir p. exemple
    • Kirschner, P. A. (1992). Epistemology, practical work and Academic skills in science education. Science and Education, 1(3), 273‑299. https://doi.org/10.1007/BF00430277

    Des expressions comme "l’essence de la discipline "   " place l’élève au centre, " pourraient être mieux justifiées

    Globalement : essayer de focaliser sur des CJ moins extrêmes ou ambitieuses me parait plus prudent et inclure dans la >QdR une définition des apprentissages que vous cherchez à développer

    la CJ1 est assez large (probablement plus d'une ... ) et me parait assez difficile à implémenter.

    Votre projet soulève de belles questions et vaut la peine que vous le focalisiez.

    Commentaire du CE 4 XI 19 


    Le texte et les commentaires résument plusieurs points de l'article étudié, mais ne discutent pas les limites et la validité par rapport à votre situation pour en extraire ce qui serait pertinent pour votre recherche. 

    Vous évoquez beaucoup " placer l'élève au centre "  , l'article dit cependant que "“student centered” has been a “tough road” for various reasons (Brainard, 2007)."

    L'apport des maths en biologie n'est pas vraiment argumenté : le rapport Bio2010 le fait assez bien...
    • NRC. (2003). BIO2010 : Transforming Undergraduate Education for Future Research Biologists (Nᵒ ISBN: 0-309-08535-7). Washington, DC.: National Academies Press.
    Mais est-ce bien sur cet aspect que vous voulez focaliser votre projet  ? 

    Vous pourriez maintenant tirer de cet article quelques idées importantes et vous le mettre en perspective avec d'autres sources. Y a-t-il d'autres articles qui confirment ou nuancent les approches de Rissing, S. W., & Cogan, J. G. (2009).  Y en a-t-il d'autres qui formulent un autre  constat ou proposent de nouvelles manières d'aborder le TP ?  Prenez en compte ce les résultats de Pisa 2015 indique sur les effet de l'IBL - Discutez notamment la différence entre une intervention par des enseignants enthousiastes et une méthode appliquée à l'échelle d'un pays.  
    OCDE. (2016). PISA 2015 Results (Volume II). https://doi.org/10.1787/9789264267510-en

    Le " format de l’apprentissage par investigation " est-il clairement défini pour vous ? 
    • Potvin, P. (2019). Faire apprendre les sciences et la technologie à l’école : Épistémologie, didactique, sciences cognitives et neurosciences au service de l’enseignant. Presses de l’université Laval. pp 146 sqq
    • Bueno-Ravel, L., Forest, D., Gueudet, G., & Sensevy, G. (2010). Guidelines for design of online resources for IBST. Deliverable 5.2 (p. 32). European Union.

     Que penser de l'effet de nouveauté (Hawthorn effect )  ?
     Que penser du temps attribué à l'intervention dans l'interprétation des résultats de cet article ? 

    Vous mentionnez quelques fois que l'investigation prend plus de temps mais développe d'autres compétences est-elle bien établie: vous ne la discutez pas. Est-ce établi de manière indiscutable ?

    La CJ-map est intéressante pour une première version : nous en reparlerons à l'atelier.
    Les ED sont le plus souvent une activité ou une façon spécifique de faire l'activité.
    p. ex "Il faudra faire en sorte que le tp soit construit de manière à ce que …  devra être opérationnalisé pour pouvoir ête implémenté.

    Vous mentionnez que l'investigation produirait de meilleurs apprentissages : vous ne le discutez pas. Est-ce établi de manière indiscutable ?
    Regardez ce que Hattie dit sur l'investigation et l'efficacité des formats d'apprentissages.
    • Hattie, J. (2008). Visible learning : A synthesis of over 800 meta-analyses relating to achievement. Routledge. extraits intranet
    Prenez en compte p. ex ce que  les résultats de Pisa 2015 indiquent sur les effet de l'IBL - Discutez notamment la différence entre une intervention par des enseignants enthousiastes et une méthode appliquée à l'échelle d'un pays.  
    • OCDE. (2016). PISA 2015 Results (Volume II). https://doi.org/10.1787/9789264267510-en
    Les commentaires discutent l'opportunité de partager les objectifs avec les élèves. Etes vous bien sûrs de parler des mêmes concepts ( objectifs du labo ? objectifs d'apprentissage par les élèves ? ) 
     
    Il faut avec ces lectures  aller vers la définition d'une question ( qui deviendra la QdR)


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