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Enseigner la genèse des magmas sous une dorsale : exemple de la fusion partielle en classe de première scientifique

Teaching of the genesis of magmas under a ridge: example of the partial fusion in scientific 11th grade of high school
Patricia Schneeberger, Caroline Kaspar, Hervé Goix et Marcelle Goix
p. 95-124

Résumés

En classe de première S, le programme de SVT aborde la question de l’expansion et de la genèse de la lithosphère en étudiant la formation du plancher océanique par refroidissement d’un magma, lui-même formé par fusion partielle d’une roche source. L’analyse présentée est issue du prolongement d’une recherche en didactique des sciences de la Terre conduite dans des classes de première S (élèves de 16-17 ans, grade 11). Les séances observées dans plusieurs classes de deux enseignants (associés à cette recherche) avaient pour but de construire une explication concernant la formation du magma sous la dorsale en répondant à la question suivante : pourquoi le magma créé sous la dorsale a-t-il une composition différente de celle de la péridotite d’origine ? Notre étude consiste à élucider les difficultés que rencontrent les élèves pour appréhender le concept de fusion partielle en faisant appel à des notions de physique-chimie et à repérer des conditions favorables aux transformations cognitives et langagières nécessaires à l’apprentissage de ce concept.

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Texte intégral

Introduction

1L’acquisition d’une culture scientifique est un des objectifs principaux de l’enseignement des SVT tant au collège qu’au lycée, ainsi qu’en attestent les préconisations des textes ministériels. Par exemple, le projet de socle commun de 2014 stipule : « À l’issue de la scolarité obligatoire, l’élève dispose d’une culture scientifique et technique qui l’aide à connaître et comprendre le monde dans lequel il vit ». De même, dans les programmes de SVT du lycée, il est spécifié que la discipline SVT vise trois objectifs essentiels parmi lesquels le suivant : « aider à la construction d’une culture scientifique commune fondée sur des connaissances considérées comme valides tant qu'elles résistent à l'épreuve des faits (naturels ou expérimentaux) et des modes de raisonnement propres aux sciences » (MEN, 2010).

2Cette orientation converge avec la position défendue par les didacticiens des sciences qui, dès 1978, dans un ouvrage collectif (Astolfi et al., « quelle éducation scientifique pour quelle société ? »), défendaient la nécessité de développer une culture scientifique où les savoirs fonctionnent comme de véritables outils intellectuels qui permettent aux élèves de mieux comprendre le monde.

3Notre projet vise à étudier les modalités de la construction d’une culture scientifique en contexte scolaire et à en identifier les difficultés à surmonter. Nous prendrons comme exemple la partie du programme de SVT consacrée à la genèse des magmas sous une dorsale en nous intéressant plus particulièrement à la fusion partielle, concept à l’interface des SVT et de la physique-chimie. L’explication scientifique du phénomène mobilise une conception particulaire et discontinue de la matière qui n’est pas maitrisée par la plupart des élèves de lycée. Dans le cas étudié, il s’agit de changer de point de vue (du macroscopique au particulaire) pour appréhender le phénomène et ainsi contribuer à modifier les conceptions des élèves sur la matière. Nous considérons que ce changement est une condition indispensable pour la construction d’une culture scientifique commune à la classe.

4Dans cet article, nous présentons dans une première partie le cadre théorique et la problématique. Dans une deuxième partie, nous décrivons les conditions d’émergence et l’évolution des idées sur la genèse des magmas. Dans une troisième partie, nous présentons une étude de cas à partir d’un scénario destiné à des élèves de première S. Nous poursuivons en étudiant les productions des élèves afin de comprendre la diversité des explications proposées. Enfin, dans une dernière partie, nous proposons une discussion qui permet de reconsidérer l’aide apportée par les professeurs pour que les élèves changent de point de vue.

1. Cadre théorique et projet de recherche

1.1. Cadre de référence

5Notre travail se situe dans le prolongement des recherches effectuées dans notre laboratoire (Lab-E3D, université de Bordeaux), pour essayer de montrer certains aspects du processus d’acculturation scientifique des élèves en repérant l’importance du rôle d’étayage que joue le professeur. Nos recherches s’inscrivent dans une approche des apprentissages qui associe l’acquisition de savoirs scientifiques à l’appropriation de pratiques spécifiques liées à ces savoirs, c’est-à-dire qui engage les élèves dans un mode de fonctionnement compatible avec les pratiques sociales de référence mobilisées en SVT, en l’occurrence celles de la communauté des scientifiques (biologistes, géologues et chimistes). Nous convoquons la notion de « communauté discursive scientifique scolaire » (Jaubert, Rebière & Bernié, 2004) pour observer l’entrée des élèves dans une culture scientifique qui, pour nous, s’accompagne de changements dans leurs façons d’agir-parler-penser. Dans cette perspective, le rôle du professeur est envisagé à travers ce qu’il met en œuvre pour orienter ou réorienter l’activité cognitive et langagière de tous ses élèves.

6Ainsi, dans l’exemple que nous présentons, le projet du professeur est de faire élaborer par la classe (en première S) une explication pertinente en géologie à propos de la formation des magmas sous la dorsale en faisant appel au concept de fusion partielle. Pour l’étude de ce phénomène, le professeur a construit un scénario qui a pour visée principale d’aider les élèves à se décentrer de la manière dont on peut se représenter la fusion dans le quotidien (cas de l'eau par exemple) pour mobiliser des connaissances et des pratiques scientifiques dont la modélisation. Ce projet implique que les pratiques langagières de la classe s’accordent avec les exigences des deux disciplines (géologie et physique-chimie) notamment à travers les significations attribuées au lexique.

1.2. Problématique et projet de recherche

1.2.1. La fusion partielle : un concept à l’interface des SVT et de la physique-chimie

7La notion de fusion partielle est abordée à l’occasion de l’étude de la formation du magma sous la dorsale en première S puis dans le programme de TS pour l’étude de la formation des magmas dans une zone de subduction.

8Le texte du programme n’informe pas sur le type d’énoncé à retenir pour définir la notion de fusion partielle utilisée pour expliquer la formation d’un magma à partir de la transformation d’une roche, la péridotite. Le document d’accompagnement (MEN, 2002c) précise le type d’énoncé à construire : « Lors de la fusion partielle des péridotites, une différenciation chimique se produit. La péridotite est composée d’olivine, de pyroxène (minéraux ferro-magnésiens) et de plagioclase (minéral alumino-calcique). Le plagioclase fond en premier. Le liquide magmatique aura donc une composition chimique plus riche en calcium et aluminium que la péridotite initiale. Ce liquide, en se solidifiant, donnera des basaltes et gabbros. La péridotite résiduelle sera enrichie en olivine et pyroxène. »

9Dans cet énoncé, la fusion partielle est définie par des critères relevant de la variation de la composition chimique du liquide issue de la fusion incongruente d’une roche. Cet énoncé ne met pas en jeu de façon explicite les concepts et les modèles scientifiques relatifs à l’organisation de la matière cristallisée au niveau particulaire mais, implicitement, la présence de minéraux (olivine, pyroxène, plagioclase) traduit une organisation cristallisée de la roche.

10Nous cherchons à comprendre comment aider les élèves à mobiliser leurs connaissances sur la matière pour construire une explication scientifique de la formation du liquide magmatique en interprétant le phénomène au niveau particulaire. Ces connaissances ont été abordées dans les deux disciplines (SVT et physique-chimie) dans des contextes différents. En effet, la géologie s’intéresse aux matériaux naturels, systèmes complexes, contrairement à la chimie qui étudie des systèmes aux paramètres mieux contrôlés. Ainsi, le géologue s’intéresse à la fusion d’une roche quand le chimiste étudie la fusion de solutions ternaires rigoureusement paramétrées. Ces différences, dans la nature des objets d’étude et des problèmes travaillés, conditionnent le discours des enseignants de chacune de ces disciplines. En conséquence, nous nous interrogeons sur les spécificités de la communauté discursive scientifique scolaire que le professeur de géologie tend à construire dans la classe.

1.2.2. Projet de recherche

11L’étude des conceptions initiales des élèves nous a permis de constater que, pour les élèves de première S, la roche est un tout : quand elle fond, elle se comporte comme de l’eau en donnant un liquide de même composition que le solide. Ce type d’explication peut faire obstacle à la construction de la notion de fusion partielle. Notre objectif est de construire un enseignement qui prenne en charge les changements à opérer dans la façon d’appréhender ces phénomènes géologiques (fusion des roches). Dans cette perspective, notre projet de recherche est organisé autour des questions suivantes : quelles sont les difficultés à franchir pour comprendre la notion de fusion partielle ? Quels sont les outils utilisés par les enseignants pour accompagner les élèves ?

12Pour répondre à ces questions nous envisageons de délimiter les savoirs en jeu, les problèmes scientifiques associés, les outils intellectuels à mobiliser, les obstacles à dépasser ainsi que les ruptures à opérer. Cette étude s’appuie sur l’histoire de la géologie et sur des travaux de didactique. Nous décrivons également une situation (empruntée à une recherche sur l’utilisation de modèles en géologie : Schneeberger, Goix & Goix, 2011) afin de repérer dans quelles conditions cette situation peut favoriser les transformations cognitives et langagières nécessaires à l’apprentissage de la fusion partielle. Nous avons retenu cette situation pour déterminer dans quelle mesure l’introduction en classe de certains outils spécifiques du géologue (par exemple des modèles, des représentations graphiques, des formules chimiques, etc.) contribue à élaborer un cadre de travail favorable à la construction d’une explication scientifiquement acceptable.

2. Formation des magmas : une idée controversée

13En nous référant à l’histoire des sciences, nous essayons dans cette partie, de comprendre comment ont évolué les idées sur la formation des magmas afin de mieux situer le niveau d’explication visé par le programme de première S.

2.1. Entre neptunisme et fusion partielle : des changements de paradigmes

14Au cours du XVIIIe siècle, deux théories s’opposent à propos de l’origine des roches : celles des neptuniens (Werner et son école) qui prétendent que toutes les roches se sont déposées dans un océan primitif et celle des vulcanistes comme Desmarest (1774) qui considèrent le basalte comme d’anciennes laves refroidies. Ces deux théories s’inscrivent dans une conception d’un globe sans magma alors que, en parallèle, Hutton (1785) montre que le granite provient de la fusion en profondeur de roches formées en surface. Celui-ci parvient à imposer l’idée que le granite provient d’un liquide sans pour autant utiliser le terme magma qui sera introduit en géologie par Fournet en 1844 et Durocher en 1845.

15Au cours du XIXe siècle, les géologues s’accordent sur une explication mettant en jeu deux magmas : l’un, superficiel, acide, à l’origine des roches granitiques ; l’autre, plus profond, basique, à l’origine des roches basaltiques. La diversité des roches s’explique alors par la diversité de magmas préexistants. En revanche, à la fin du XIXe siècle et au début du XXsiècle, la théorie dominante défend l’existence d’un magma unique ; la diversité des roches s’explique par la différenciation, la contamination de ce magma par les roches encaissantes.

16Au cours du XXsiècle, l’individualisation puis le développement de nouvelles disciplines (géophysique, géochimie, etc.) et l’utilisation de nouvelles techniques vont permettre d’élaborer différents modèles du Globe plus ou moins indépendants les uns des autres (Poirier, 1996, p. 12) qui démontent la théorie de la préexistence du magma. À partir des années soixante, ces différents modèles vont être intégrés dans la théorie de la tectonique des plaques et la genèse des magmas va être expliquée dans ce cadre. Se posent alors les questions suivantes : quelles sont les roches sources ? Quelles sont les conditions de fusion ? Quels sont les mécanismes intervenant ? Actuellement la fusion partielle est le mécanisme admis pour la production de magma aussi bien granitique que basaltique.

2.2. D’un niveau de connaissances à l’autre

17Les évolutions des idées concernant l’origine des roches sont le produit des transformations multiples opérées au sein de la communauté des géologues, que nous interprétons en termes de changements de modes d’agir-parler-penser. Pour définir ces transformations, nous nous appuyons sur l’ouvrage de Davis A. Young (2003) qui présente l’intérêt de différentes approches de l’étude des roches.

18Après avoir distingué une ère primitive, ayant abouti principalement à une classification des roches ignées, il distingue plusieurs « ères » qui représentent ces différentes approches :

– Ère du microscope (fin XIXe siècle) : le microscope polarisant augmente la récolte de données minéralogiques. On passe de l’idée de cristaux se formant simplement dans une lave (Darwin & King, 1878 dans Young, 2003, p. 207) à l’idée de cristaux se formant à partir d’une solution silicatée complexe dont la composition chimique se modifie au cours du refroidissement : c’est l’idée d’une différenciation de magma qui commence à poindre.

–  Ère expérimentale : J. Hall qui travaillait avec J. Hutton réalise des expériences de fusion de roches (1798, publié en 1805) et fait admettre à ses contemporains que les roches peuvent se former par fusion d’autres roches. La thermodynamique, science nouvelle au XIXe siècle, considérée comme révolutionnaire, permet l’émergence d’une pétrologie magmatique (Bonin, Dubois & Gohau, 1997). Un des principaux acteurs du développement de la pétrologie des roches ignées, N.L. Bowen, fait avancer les connaissances sur les mécanismes de la fusion partielle, avec la théorie de la cristallisation/différenciation.

– Ère de la géochimie : au milieu du XXe siècle, l’affinement de méthodes d’analyses géochimiques a permis de développer les données principalement dans le domaine des éléments traces et de préciser l’origine des magmas.

– Ère des fluides dynamiques : elle a permis de connaître le comportement des roches ignées en profondeur.

19Toutes ces approches ont contribué à la construction d’une explication commune de la genèse du magma basaltique des dorsales par fusion partielle d’une péridotite du manteau supérieur. Cette construction a été rendue possible par le partage au sein de la communauté des géologues d’un ensemble de savoirs, de pratiques (dont le travail sur le terrain), de techniques, de problèmes, associé à un usage spécifique de la langue (terminologie, point de vue sur la matière, croisement entre domaines d’études). De notre point de vue, cet ensemble est constitutif de la culture des géologues qui sert de référence pour l’enseignement secondaire.

2.3. Des conditions pour organiser l’enseignement

20Nous avons vu qu’au cours de l’histoire des roches ignées, plusieurs paliers ont été franchis par les géologues, chacun d’eux permettant les avancées suivantes. Il en est de même au niveau de l’enseignement. Les apprentissages des élèves sont subordonnés à des conditions :

– Admettre que les roches ont une histoire et qu’elles peuvent dériver d’une autre roche et considérer la Terre comme un solide où aucun magma n’existe ;

– S’approprier les pratiques communes aux géologues et aux chimistes. Utiliser les outils des géologues : tableaux de composition chimique (roches, minéraux), différents modèles, concepts de la thermodynamique (solidus, liquidus) ;

– Comprendre que, dans le contexte atomiste de notre époque, la matière ne peut s’expliquer que par la combinaison des atomes qui la constituent (Jensen, 2001) ;

– Mettre en cohérence via les échanges, les écrits, les schémas et autres modes de représentation, les données recueillies sur le terrain ou au laboratoire.

21Les recherches que nous conduisons prennent en compte les conditions d’émergence et l’évolution des concepts pour, d’une part, construire des situations d’apprentissage de ces concepts et, d’autre part, repérer les difficultés des élèves afin d’envisager les étayages nécessaires.

3. La fusion partielle : un concept difficile à appréhender

3.1. Les savoirs en jeu

22La fusion partielle de la péridotite peut être étudiée expérimentalement. L’état de la péridotite est déterminé en fonction des conditions de pression, de température et de teneur en eau. Sous la dorsale océanique, la fusion partielle de la péridotite se produit lorsque le géotherme croise le solidus entre 20 et 80 kilomètres de profondeur (figure 1).

Fig. 1 : conditions de fusion de la péridotite et géotherme sous la dorsale

Fig. 1 : conditions de fusion de la péridotite et géotherme sous la dorsale

Source : <http://www.academie-en-ligne.fr/​Ressources/​7/​SN02/​AL7SN02TEPA0113-Sequence-02.pdf>

23La notion de solidus est utilisée en pétrographie pour préciser, sur les diagrammes de phase, la fin de la cristallisation ou le début de l'apparition d'inclusions liquides dans la roche. À température croissante, croiser le solidus revient à initier une fusion partielle ; à température décroissante, cela revient à une solidification totale. La notion de liquidus précise sur les diagrammes de phase le début ou la fin de l'apparition des cristaux dans le liquide magmatique.

24Les expériences de fusion ont permis de modéliser le comportement de systèmes à plusieurs phases solides. La péridotite, par exemple à l’aplomb d’une dorsale peut être modélisée par un système ternaire intégrant les trois principaux minéraux de sa composition : olivine (forstérite), clinopyroxène (diopside), et grenat (pyrope) (Peycru et al., 2008, p. 108-110) (figure 2).

Fig. 2 : diagramme de phase ternaire forstérite (Fo) – diopside (Di) – pyrope (Py) à la pression de 40 kbars

Fig. 2 : diagramme de phase ternaire forstérite (Fo) – diopside (Di) – pyrope (Py) à la pression de 40 kbars

Peycru P. et al., Géologie tout-en-un BCPST, © Paris, Dunod, 2008 [1re éd.], p. 110

25Pour faciliter la compréhension des phénomènes étudiés, le diagramme de phase, représentation utilisée en thermodynamique, permet d’identifier les domaines de l’état physique d’un système, dans le cas étudié les phases solides de la péridotite (olivine, pyroxènes ferro-magnésiens et calciques, etc.). Ces dernières constituent des solutions solides. La notion de solution solide est une notion de thermodynamique ; c’est un mélange de corps purs qui forment un solide homogène. Deux ou plusieurs phases minérales forment une solution solide lorsqu'on passe progressivement de l'une à l'autre par des substitutions de leurs constituants chimiques. Par exemple l'olivine (Fe, Mg)2SiO4 constitue une solution solide entre le terme ferreux fayalite (Fe2SiO4) et le terme magnésien forstérite (Mg2SiO4).

26L’étude du mélange ternaire (figure 2) met en évidence que le premier liquide obtenu a la même composition, dite composition eutectique, différente de celle du mélange solide initial. Ainsi la fusion est dite incongruente et elle ne se déroule pas intégralement à température constante. Pour la péridotite l’évolution du liquide de fusion partielle débute par une fusion à l’eutectique et se poursuit par étapes au fur et à mesure de la dissolution des phases solides : depuis les moins réfractaires jusqu’aux plus réfractaires. En effet, les minéraux contenant des éléments hygromagmatophiles (incompatibles) passent préférentiellement dans la phase liquide. Les constituants présentant les plus grands rayons ioniques (K, Na, Rb, Al, Fe) s’intègrent mal dans le réseau cristallin solide silicaté et présentent plus d’affinité avec la phase liquide. L’étude de la concentration de ces éléments dans la roche initiale, la roche résiduelle et le magma cristallisé va permettre de connaître le taux de fusion. Les minéraux qui contiennent ces éléments hygromagmatophiles, même à l’état de traces (pyroxènes), fondent en premier et contribuent le plus à la production du liquide eutectique. Il est possible d’évaluer le taux de fusion partielle qu’une péridotite a dû subir pour produire un magma basaltique à partir du taux de présence de ces éléments dans le basalte et dans la péridotite susceptible d’avoir subi cette fusion partielle. Finalement la fusion partielle engendre également un rééquilibrage de la composition des phases minérales, conséquence de l’incompatibilité des éléments chimiques. La composition chimique des minéraux résiduels varie en fonction du taux de fusion et s’enrichit en éléments compatibles : Mg, Cr.

27Ainsi construire une explication du phénomène à l’origine de la formation du magma implique de mobiliser des concepts relevant de la géologie et de la physique-chimie pour montrer que les transformations observées dans les roches au niveau macroscopique résultent d’une réorganisation des particules (atomes, ions, molécules) composant les minéraux (pyroxène, plagioclase, etc.).

28Nous allons maintenant étudier les difficultés prévisibles des élèves au regard des connaissances qu’ils sont susceptibles de mobiliser et des obstacles, en particulier la difficulté d’appréhender la matière au niveau particulaire.

3.2. Les savoirs enseignés

29Dans cette partie nous proposons une synthèse des connaissances relevées dans les programmes de SVT et de physique-chimie.

30En SVT, dans les programmes actuels de première S, l’étude de la formation du magma basaltique est envisagée pour expliquer le renouvellement de la lithosphère océanique. Cette partie du programme s’inscrit dans l’étude du modèle de la tectonique des plaques. Cette étude fait appel à des éléments de pétrographie pour caractériser les roches de la croûte océanique (gabbro, basalte), de la croûte continentale (granite) et du manteau (péridotite). Parmi les activités suggérées dans le document ressource (MEN, 2011), les auteurs proposent une étude des minéraux présents dans la roche et une comparaison de leur composition chimique. Les élèves disposent donc de tous ces éléments pour aborder la question de la fusion partielle de la péridotite.

31En physique-chimie, au collège (MEN, 2008), les concepts et notions abordées susceptibles d’être réinvestis par les élèves pour l’étude du TP sont :

– états de la matière et les changements d’états de l’eau (réaliser, observer, schématiser des expériences de changements d’état : solidification, fusion) ;

– notions de mélanges et corps purs (dissolution, miscibilité, solution, liquides miscibles et non miscibles, distinction entre dissolution et fusion) ;

– transformations chimiques, réactifs, produits ;

– molécule, ion, atome, constituants de l’atome, structure lacunaire de la matière.

32Les élèves sont capables d’identifier et de décrire un état physique à partir de ses propriétés en début de collège puis la molécule en tant qu’entité chimique est introduite en 4e. Cette description moléculaire permet d’interpréter les phénomènes vus en 5e, en particulier la distinction entre mélanges et corps purs, les changements d’état et les trois états de l’eau « l’état solide est compact ; les solides cristallins sont ordonnés » (MEN, 2008, p. 19).

33La notion de molécule conduit également à l’étude des transformations chimiques et à leur interprétation atomique. La notion d’ion est introduite en 3e puis les notions de corps pur, de transformation chimique, de réactifs et de produits sont réinvesties dans la partie consacrée à la « synthèse chimique ». Au lycée, les notions d’espèces chimiques ainsi que des considérations sur la constitution et la structure de la matière sont abordées : espèces chimiques, corps purs et mélanges, solution, un modèle de l’atome, éléments chimiques, formules et modèles moléculaires (MEN, 2010).

3.3. Les difficultés et obstacles

34Certaines recherches récentes en didactique de la géologie se sont intéressées à l’enseignement de la formation du magma au niveau d’une dorsale ou au niveau des zones de subduction (en particulier les thèses de Orange-Ravachol, 2003 et de Chalak, 2012). Ces travaux mettent en évidence des conceptions erronées quant aux paramètres qui contrôlent la fusion d’un matériau rocheux. Hervé Goix soulignait déjà que les élèves de collège font intervenir un seul paramètre, la température : « pour les élèves, c'est le chauffage seul qui est capable de transformer le manteau ou la croûte en liquide. C'est le modèle de la vie courante : pratiquement toutes les fusions se produisent par chauffage, ce qui renforce cette idée » (1995, p. 130).

35Il en est de même pour les élèves de lycée qui maintiennent cette tendance, repérée par Fabre et Orange (1997, p. 50 et p. 53), à recourir à une causalité simple où un seul paramètre intervient, la température. Dans le cas étudié, l’enseignant tente de « déstabiliser cette conception commune » avec des documents (isothermes et diagrammes de fusion) qui « permettent aux élèves de mettre leur modèle à l'épreuve et de prendre conscience de sa non pertinence ». Ces auteurs expliquent que l’enseignant doit aider les élèves à « comprendre et accepter un autre raisonnement, plus complexe (plusieurs variables) et moins commun que leur raisonnement spontané (fusion/température) ».

36Des travaux de recherche ont été menés sur les difficultés rencontrées par les élèves dans la compréhension de la matière : les états et les changements d’états (Griffiths & Preston, 1992 ; Lee et al., 1993 ; Özmen, 2013), la nature particulaire de la matière (Carreto & Viovy, 1994 ; Johnson, 1998). Ces études mettent en évidence que les élèves sont confrontés à un obstacle majeur pour fournir une explication du point de vue particulaire de phénomènes macroscopiques. Les travaux de recherche sur l'introduction de modèles particulaires dans l'enseignement de la physique-chimie montrent que les élèves ont une conception continue de la matière qui s’oppose au modèle particulaire (Özmen, 2013). Les élèves ont des difficultés à identifier la nature et l’individualité des particules, aussi le passage de la structure moléculaire aux propriétés macroscopiques est difficile à appréhender (Carreto & Viovy, 1994 ; Griffiths & Preston, 1992). Johnson (1998) a identifié quatre stades sur la nature particulaire de la matière chez des élèves de 11 à 14 ans. Dans un premier temps, les élèves pensent que la matière est continue. Puis, au niveau du modèle A, les élèves envisagent des particules mais au sein d’une matière continue. Au stade suivant, le modèle B, ils envisagent la matière comme étant constituée de particules mais ils pensent que les particules ont les mêmes propriétés que la matière qu’elles constituent. Enfin, le modèle C constitue le stade scientifiquement correct, la matière est constituée de particules dont les propriétés sont différentes de celle de la matière.

37D’autres travaux concernant les changements d’états de la matière mettent en évidence que les élèves ont tendance à mobiliser leurs perceptions macroscopiques des changements d’états pour expliquer ces changements du point de vue microscopique. Les principales difficultés rencontrées par les élèves sont liées à une conception erronée de la matière. Par exemple, concernant le comportement des particules lors des changements d’états, les élèves mobilisent la conception B déterminée par Johnson (1998) et pensent que la taille des particules augmente au cours de la fusion ou de la vaporisation (Griffiths & Preston, 1992 ; Lee et al., 1993).

38Ainsi, la conception macroscopique, continue et non-particulaire de la matière peut représenter un obstacle dans la compréhension du phénomène de la fusion partielle. Nous n’avons pas trouvé d’études didactiques qui s’intéressent spécifiquement au processus de la fusion partielle (dans la littérature francophone) mais nous pouvons déjà entrevoir des difficultés du même type liées à la nécessité d’adopter d’autres formes de raisonnement, qui représentent là aussi un saut cognitif important.

4. Présentation de la séance de TP

4.1. Présentation générale

39Nous présentons ci-dessous un exemple de situation construite dans le cadre d’une recherche collaborative associant des chercheurs en didactique des sciences et deux enseignants qui participent aux travaux de notre laboratoire. La séquence répond aux contraintes de la transposition d’une démarche scientifique en proposant aux élèves de formuler un problème et de construire une argumentation, élaborée progressivement via la production d’écrits et leur confrontation. Ils sont ainsi engagés dans la construction d’une communauté discursive scientifique scolaire.

40Cette séance est précédée par l’étude de différentes roches (péridotite, basalte, gabbro, etc.) au cours de laquelle les élèves ont déterminé les minéraux qui les composent. Pour appréhender l’organisation de la matière, ils ont observé des lames minces et ainsi distingué la matière cristallisée de la matière amorphe. Ils disposent aussi d’informations relatives à la composition chimique des roches. En outre, ils connaissent la structure du globe et les mouvements qui affectent le manteau (cellules de convexion).

41Le schéma ci-dessous représente le déroulement de la séquence étudiée telle qu’elle a été mise en place par les deux enseignants concernés.

Fig. 3 : organisation de la séance de TP

Fig. 3 : organisation de la séance de TP

42La séance prévoit quatre temps jalonnés par des échanges entre élèves et avec le professeur, et la production d’écrits intermédiaires aboutissant à la rédaction collective d’un texte commun qui apporte une réponse pertinente au problème posé. Le professeur accompagne le cheminement des élèves, de l’expression des conceptions à l’élaboration d’une explication commune à la classe, en proposant différentes aides (images, schémas, etc.), en les incitant à réactiver des connaissances et à rédiger des textes intermédiaires.

43La situation proposée repose sur un ensemble de présupposés que nous avons essayé d’expliciter pour mieux comprendre ce qui est attendu des élèves.

4.2. Un problème à construire

44L’objectif de la première partie de la séance est de formuler de manière précise le problème à résoudre. Le professeur indique que les travaux des chercheurs ont montré que le magma basaltique provient de la péridotite qui constitue le manteau or la comparaison des compositions chimiques des deux roches (document 1) montre des différences importantes (Al et Ca plus abondants dans le basalte, Mg moins abondant). Pour l’enseignant, c’est l’occasion de pointer un paradoxe pour introduire la problématique suivante : comment la fusion de la péridotite peut-elle aboutir à un liquide de composition chimique différente ?

Document 1 : extrait de la fiche de préparation du professeur : composition des roches de la lithosphère et de l’asthénosphère

Éléments
Roches Si Al Fe Mg Ca Na K O
Basalte ou gabbro 23,60 7,90 9,60 2,50 7,20 1,90 0,10 44,15
Péridotite de la lithosphère 19,70 0,26 5,50 29,76 0,10 0,07 0,02 42,11
Péridotite de l’asthénosphère 21,10 1,90 6,50 22,50 2,20 0,50 0,02 43,15

Unité : % en masse (d’après J. Bergeron (dir.), Sciences de la vie et de la Terre 1re S, Hatier, 2001, p. 347)

45Le tableau 1 (document 1) présente la composition de la péridotite asthénosphérique à l’origine du magma basaltique produit sous la dorsale ainsi que celle du basalte (donc du magma produit). On a ajouté la composition de la péridotite qui se trouve entre le gabbro (provenant du refroidissement du magma basaltique) et la péridotite asthénosphérique.

46L’intention du professeur est d’engager les élèves dès le départ dans une réflexion faisant appel à une conception discontinue de la matière et renforçant l’idée d’une filiation entre les roches.

4.3. Introduire la notion de fusion partielle

47Pour préciser les conditions dans lesquelles on peut obtenir du magma à partir de la péridotite, le professeur fait construire aux élèves des graphiques permettant de mettre en relation le géotherme de la dorsale et les conditions de fusion de la péridotite (document 2).

Document 2 : géothermes sous les plaines abyssales et sous les dorsales (document établi par les élèves)

Document 2 : géothermes sous les plaines abyssales et sous les dorsales (document établi par les élèves)

_ - _ - : géotherme sous les plaines abyssales ; - - - - - : géotherme sous la dorsale.On soumet des échantillons de péridotite à des pressions et des températures variables, afin de déterminer les conditions de fusion d'une péridotite. On délimite ainsi 3 secteurs A, B et C, séparés par deux droites. La droite du solidus sépare le domaine où la péridotite est entièrement solide (A) du domaine où elle est partiellement fondue (B). La droite du liquidus sépare le domaine B du domaine où la péridotite est liquide (C).

48Avec ce document le professeur introduit les notions de solidus et de liquidus comme des outils pour comprendre que dès que la courbe solidus est franchie, il se forme un liquide par fusion partielle de la roche. Les élèves doivent admettre que la péridotite ne se comporte pas comme un corps pur pour lequel le liquidus et le solidus sont confondus. Cet outil introduit donc une façon d’appréhender la fusion partielle en délimitant un domaine où coexistent liquide et solide au sein de la roche.

4.4. Un « modèle » pour penser la fusion partielle

49Pour apporter des éléments de réponses à la question posée, le professeur propose aux élèves d’utiliser le « modèle » présenté ci-dessous (figure 4).

50Quatre corps à l’état solide et aux températures de fusion différentes, sont placés dans un tube à essais (de bas en haut : de la cire, de la paraffine, de la graisse de canard et de la « végétaline »). Plusieurs tubes à essais ainsi préparés (préalablement placés au congélateur) sont plongés dans des bains-marie à des températures différentes.

Figure 4 : modèle utilisé

Figure 4 : modèle utilisé

51La tâche des élèves consiste à observer la fusion des composants du tube et à évaluer la composition du liquide obtenu (en % des différents composants) en fonction de la température. A l'issue de cette activité, les élèves présentent les résultats obtenus sous la forme d'un tableau (document 3)

Document 3 : résultats obtenus

Conditions thermodynamiques
Température
Pression
Composition de la phase liquide % de chaque matériau dans la phase liquide Composition de la phase solide % de chaque matériau dans la phase solide
0°C
P atmosphérique
graisse 25%
végétaline 25%
paraffine 25%
cire 25%
25°C
P atmosphérique
graisse 100% végétaline 33%
paraffine 33%
cire 33%
40°C
P atmosphérique
graisse 50% paraffine 50%
végétaline 50% cire 50%
60°C
P atmosphérique
graisse 33% cire 100%
végétaline 33%
paraffine 33%

52Les élèves doivent ensuite fournir une interprétation sous la forme d’un court texte pour décrire les variations de composition du liquide obtenu.

53Le modèle a été construit pour focaliser l’attention des élèves sur l’évolution de la composition du liquide obtenu en fonction de la température quand on fait fondre un solide hétérogène. Ils doivent constater (en mesurant l’épaisseur des différentes parties solides dans le tube) que la proportion des composants est différente dans le résidu solide et dans le liquide surnageant, d’où la nécessité de les consigner dans un tableau pour les comparer. Cette estimation permet de dépasser la constatation d’un simple changement d’état et d’appréhender la variation de composition du liquide obtenu. La présence (dans les tubes) de quatre phases solides de même volume rend possible ce type de travail en évitant que les élèves n’en restent à une approche sensible. Il s’agit donc de faire fonctionner le modèle comme un outil pour comprendre un phénomène qui n’est pas accessible aux sens. L’utilisation du terme de « phase solide » pour désigner les composants qui sont restés solides et de « phase liquide » pour désigner le mélange hétérogène des composants fondus relève d’approximations que le professeur ne peut éviter.

54Cependant ce dispositif ne peut être considéré comme un modèle de la fusion partielle de la péridotite : les quatre constituants qui composent le « solide initial » ne sont pas des solutions solides, contrairement aux minéraux qui constituent cette roche. Le phénomène observé correspond à une fusion différentielle et porte uniquement sur des changements de nature physique.

4.5. Expliquer la formation du magma basaltique

55Pour aider les élèves à construire une explication de l’origine des constituants du magma, qui tienne compte des données quantitatives concernant la composition chimique des roches (document 1), le professeur met à leur disposition une présentation très succincte des résultats des expériences de Bowen sur la fusion différentielle de minéraux composant une péridotite (document 4)

Document 4 : Étude expérimentale de la fusion d'une péridotite

Bowen, en 1915, réalise une fusion à sec d'une péridotite semblable à la péridotite asthénosphérique dont la composition était la suivante :
— Grenat pyrope Mg3Al2(SiO4)3
— Spinelle MgAl2O4
— Olivine (Fe,Mg)2SiO4
— Pyroxènes ferro-magnésiens (Mg,Fe)2Si2O6
— Pyroxènes calciques (Mg,Fe)CaSi2O6
— Feldspaths plagioclases (Ca,Na)Al2Si3O8

Il s'aperçoit que, lors de la fusion, la phase résiduelle solide et la phase liquide évoluent, leurs compositions varient :
1re étape : les plagioclases (de la phase solide) disparaissent ;
2e étape : les pyroxènes calciques disparaissent, la phase liquide augmente ;
3e étape : les pyroxènes ferro-magnésiens disparaissent ; il ne reste plus que de l'olivine dans la phase solide.

D'après Geowiki <http://www.geowiki.fr/​index.php?title=Evolution_chimique_des_magmas>

56L’utilisation de ce document a pour fonction de provoquer un déplacement du raisonnement des élèves en les obligeant à mobiliser le niveau particulaire pour interpréter un phénomène macroscopique. Pour construire une explication, les élèves doivent comprendre que les formules données dans le document 4 correspondent à la composition chimique des minéraux. Le professeur attend d’eux qu’ils fassent intervenir une désorganisation de la matière lors de la fusion de la péridotite et la migration de certains constituants correspondant à certains éléments chimiques dans le liquide résultant. La distinction entre les éléments incompatibles (hygromagmatophiles) et les éléments compatibles est passée sous silence.

5. Repérage des difficultés et des obstacles

57Nous disposons d’un ensemble de réponses écrites recueillies dans les classes des deux enseignants associés à cette recherche pendant plusieurs années. Nous avons également relevé des réponses orales produites lors des travaux de groupes (dont certains ont été enregistrés). Nous avons sélectionné ci-dessous quelques productions écrites d’élèves réalisées au cours de la séance de TP. Traduisant des réponses fréquentes (exprimées par plus de quatre élèves dans une même classe) et récurrentes d’une année à l’autre, elles illustrent à la fois les difficultés rencontrées chez certains élèves et les avancées réalisées par d’autres. Ces données sont des points de repère permettant aux deux enseignants d’adapter leur action ultérieure.

Laurence : On a réchauffé le tube de départ qui était rempli de cire, de paraffine, de végétaline et de graisse. La végétaline se liquéfie à 40 ° c donc elle ne réagit pas de la même façon que les autres composants. À 30 °C la graisse a fondu. Donc les différents produits n’ont pas la même température de fusion.

Lauriane : On a donc un ordre de fusion exactement comme les minéraux. On peut donc dire que la végétaline représente les plagioclases, la graisse d’oie représente le pyroxène et le reste, l’olivine. L’expérience représente donc la fusion de la péridotite à différentes températures.

Yoann : On voit que la quantité de calcium est supérieure dans le basalte que dans la péridotite donc le calcium est très fusible et il a complètement fondu lors de la création du magma. Or pour le magnésium, sa quantité est plus importante dans la péridotite que dans le basalte donc le magnésium n’est pas très fusible et donc il ne compose pas beaucoup le magma.

Maxence : On peut donc raisonner par analogie et assimiler les différents composants du tube à ceux présents dans la péridotite […]. On peut donc penser que, comme dans le tube, à l’état final, les pyroxènes et les plagioclases composeront la phase liquide alors qu’il n’y aura plus que de l’olivine dans la phase solide.

Thomas : Si on met en rapport les documents et l’expérience, on peut assimiler les composants du tube à ceux présents dans la péridotite car nous savons, grâce aux documents, que les différents composants de la péridotite ne fondent pas à la même température. => les pyroxènes et les plagioclases sont plus fusibles que l’olivine. Donc par analogie nous pouvons dire qu’à l’état final les pyroxènes et plagioclases composent le magma et il n’y aura que l’olivine dans la péridotite résiduelle.

0céane : cf. figure 5

Léa : La cire représente l’olivine, la paraffine, les pyroxènes ferro-magnésiens, la végétaline, les pyroxènes calciques, et enfin la graisse de canard représentent les plagioclases. Le plagioclase, fondant en premier, celui-ci étant composé de Al, Ca, et Na il y a donc plus de Al, Ca et Na dans le liquide que dans le solide donc plus dans le basalte que dans la péridotite. L’olivine, elle ne fondant pas, celle-ci étant composée de magnésium, il y aura donc peu de magnésium dans le liquide, ce qui explique que contrairement à la péridotite, le basalte soit pauvre en magnésium.

Arthur : On voit que lorsque la péridotite est solide elle est composée de plusieurs composants Si, Ca, Al, Mg, […] Bowen dit alors que lorsque la péridotite entre en fusion elle perd petit à petit des composants, il ne reste alors plus que l’olivine. Les composants qu’elle a perdus en fusionnant contenaient les éléments suivants : Al, Ca (en grande partie). Le basalte est composé de ces éléments alors que la péridotite ne l’est qu’en petite partie.

Ophélie : Les plagioclases et les pyroxènes fondent entièrement. On devrait donc retrouver leur composition chimique dans le basalte ou le gabbro […] En effet on retrouve bien le calcium des plagioclases en plus grande quantité dans le basalte 7,2 % que dans la péridotite.

Yann: cf. figure 6

Le feldspath fond en premier. Les éléments se séparent. 10 cristaux ont fondu. Le solide n’en a plus que 20 et le liquide en a 10. Donc il reste du solide mais il y a moins d’éléments dans le solide et le liquide récupère les éléments perdus par le solide.

Noémie : D’après le doc. 4 [expérience de Bowen], on s’aperçoit que la fusion se fait sous plusieurs étapes et que tous les minéraux ne se liquéfient pas. Dans la 1re étape seulement les plagioclases "disparaissent" de l’état solide comme à 30 °C lors de l’expérience faite en classe où seulement la graisse se liquéfie. La péridotite est composée de minéraux olivine, pyroxène calcique et ferromagnésien et de feldspaths plagioclases qui sont eux-mêmes composés de composants chimiques comme le Ca, l’O qui forment la composition chimique de la péridotite. Lors de la fusion de la péridotite certains des minéraux disparaissent et forment le liquide obtenu qui est le magma. […] Donc le magma ne possède pas les mêmes minéraux que la péridotite donc ne possède pas les mêmes composants chimiques : la composition chimique du magma et de la péridotite sont différentes.

Fig. 5 : schéma réalisé par Océane

Fig. 5 : schéma réalisé par Océane

Fig. 6 : schéma réalisé par Yann

Fig. 6 : schéma réalisé par Yann

5.1. Du sensible au modèle

58La lecture des interventions des élèves (à l’écrit ou à l’oral) montre que ces derniers se déplacent dans un « dédale de représentations » (Fillon, 1997), où les connaissances de géologie et de chimie se mêlent aux connaissances communes. Ces difficultés sont liées à la conception de la matière mais aussi à des difficultés strictement géologiques (existence d’un magma, permanence des roches, structure des cristaux par exemple). Ces erreurs ne sont que la manifestation locale d’obstacles plus fondamentaux communs à différentes disciplines comme le primat de la perception et la pensée catégorielle (Astolfi & Peterfalvi, 1993, p. 111).

59La mise en place de l’explication nécessite aussi des connaissances sur la fusion de solides hétérogènes et l’expérience proposée vise à pallier cette lacune. Comment les élèves vont-ils utiliser les résultats de cette manipulation ?

5.1.1. Des difficultés liées à la conception des roches

60Fanny (à l’oral) considère que, puisque l’asthénosphère présente des mouvements de convection, elle est composée de liquide magmatique. Elle ne peut penser que le magma doit être créé.

61Quand l’enseignant demande aux élèves de comparer la composition chimique des roches (basalte et péridotite), ils cherchent spontanément à repérer des similitudes plutôt que des différences. Ce qui nous donne à croire qu’ils pensent que les roches sont permanentes. Ils recherchent donc des ressemblances et non des différences tout comme en biologie les ressemblances sont recherchées pour dire que des individus descendent l’un de l’autre. On peut interpréter cette difficulté à prélever des données pertinentes dans le tableau du document 1 comme la traduction d’une conception erronée de l’histoire d’une roche.

62Laurie (à l’oral) n’active pas le bon registre explicatif : elle assimile la fusion partielle d’une roche à une différence de comportement, la ductilité étant considérée comme une étape de la fusion.

5.1.2. Des difficultés relatives à la conception de la matière

63A côté de ces difficultés d’ordre géologique, nous pouvons remarquer des problèmes de conception de la matière. Deux principales conceptions de la matière apparaissent :

La matière est continue et homogène

64Maxence et Thomas admettent que la composition du solide et du liquide peut varier en fonction du taux de fusion mais ils ne changent pas de point de vue. Pour eux le minéral est un tout. Ils ne se saisissent pas des formules qui sont données pour expliquer la fusion partielle.

65Deux difficultés peuvent être avancées : d’une part l’utilisation d’un prototype de fusion. Ces élèves appliquent le modèle de fusion de la glace : lors de la fusion les molécules d’eau persistent. Ce modèle n’est pas pertinent dans le cas présent ; d’autre part la prédominance de la forme : Océane montre, sur son schéma, la persistance de formes (des cristaux ?) dans le liquide. Cette conception relèverait d’un obstacle envisagé par Canguilhem (1985, p. 62) en biologie : intrication entre matière et forme.

66Pour expliquer la fusion partielle, il faudrait donc opérer une double rupture.

La matière est discontinue et hétérogène

67Nous avons regroupé ici des formulations dans lesquelles les élèves ont pris en compte les compositions chimiques des minéraux données. Est-ce un respect du contrat didactique (le professeur ne donne pas d’informations inutiles) ou bien une nécessité explicative ?

68Dans le cas de Yoann le professeur pourrait penser qu’il raisonne à un niveau particulaire mais la suite de son discours montre qu’il envisage des constituants doués des mêmes propriétés que la matière qu’ils constituent conformément au modèle B délimité par Johnson (1998) : pour lui le calcium ou le magnésium du minéral peuvent fondre au même titre que le minéral.

69Léa et Arthur expliquent la fusion par une désorganisation de la matière solide. Pour eux, le liquide s’enrichit en Ca, Mg qui ont migré depuis le solide. Ils ne peuvent pas être plus précis dans leur formulation dans la mesure où l’état cristallisé est seulement présenté par l’enseignant comme un état ordonné de la matière, les interactions entre atomes n’ayant pas été précisées. Pour le professeur, il semble que ce soit un premier niveau de formulation acceptable de la fusion partielle. En effet, il permet d’expliquer la filiation des roches et la composition du magma basaltique.

5.1.3. L’utilisation du modèle de fusion différentielle

70Laurence ne dépasse pas la description macroscopique du phénomène et n’exprime pas la variation de composition du liquide. Elle en reste, dans sa formulation, à un niveau perceptif.

71Lauriane, Maxence et Thomas utilisent l’expérience (figure 4) comme une analogie. Pour la première, la description de l’ordre de fusion de la péridotite semble suffire. En revanche, les deux autres mettent en relation la fusion et la composition du magma et de la péridotite restante. On peut se demander si l’analogie n’est pas un obstacle au passage au niveau particulaire dans la mesure où l’étude de la fusion des graisses est restée à un niveau macroscopique.

72Léa, quant à elle, met en relation les deux modèles proposés (figure 4 et document 4) termes à termes mais se saisit des formules pour expliquer les différences de composition entre magma basaltique et péridotite. Ophélie qui ne fait pas une référence explicite à la manipulation l’utilise pour anticiper les résultats de la composition du magma lors de la fusion de la péridotite. Arthur, quant à lui, sans faire explicitement référence au modèle 1 (figure 5), propose une explication au niveau particulaire dynamique (« petit à petit »). Ces trois élèves, qui utilisent les formules chimiques à leur disposition, adoptent un point de vue pertinent en mobilisant une autre façon de parler et penser le phénomène de fusion partielle.

73Dans ces textes, les formulations ne traduisent pas une seule difficulté mais sont sous-tendues par le « jeu convergent de plusieurs obstacles », ce que Astolfi et Péterfalvi (1993, p. 107) nomment « nœud d’obstacles ». Certains élèves construisent, néanmoins, des explications pertinentes et jugées acceptables. Le saut cognitif demandé n’est donc pas hors de leur portée.

5.2. La nécessité d’opérer un changement de raisonnement

74Les observations successives réalisées dans les classes nous ont permis de constater que, si des déplacements sont possibles, ils ne se font pas spontanément tout comme en chimie (Laugier & Dumon, 2003 ; Fillon, 1997 ; Caretto & Viovy, 1994). Nous avons montré (dans la section 4) les aides prévues pour orienter le raisonnement des élèves en tenant compte de deux variables importantes : d’une part le phénomène de fusion lui-même, d’autre part la conception de la matière.

75Ainsi, la rédaction de textes intermédiaires, leur confrontation à d’autres textes permet aux élèves de reconfigurer leur pensée. Cette aide se traduit, lorsqu’elle est fonctionnelle, par l’usage de raisonnements plus pertinents. La comparaison du texte final de Noémie avec ses premières productions montre que son explication a évolué d’une simple description à un texte explicatif, en ayant recours à la composition chimique.

76Extrait du texte initial de Noémie : « Lors de la fusion certains des minéraux disparaissent et forment le liquide obtenu qui est le magma/néanmoins tous les minéraux de la péridotite ne forment pas le magma comme l’olivine qui formera la péridotite appauvrie ».

  • 1 Les enseignants n’ont pas souhaité rentrer dans le détail de la structure en précisant que les ent (...)

77Les professeurs ont également utilisé des aides supplémentaires, comme la symbolisation, pour forcer le passage du continu au discontinu. En effet, les élèves savent, depuis les classes antérieures, que la matière est composée de particules (atomes, molécules, ions, etc.) en agitation constante et que l’état liquide est caractérisé par une agitation plus intense de ces particules. De plus, ils ont vu lors des séances de TP précédentes que dans la matière cristallisée ces particules sont organisées en réseaux réguliers. Cependant peu d’élèves mobilisent spontanément leurs connaissances pour construire une explication de la fusion partielle au niveau particulaire. Tenant compte de cette difficulté, les professeurs ont proposé, dans certaines classes, une représentation symbolique des minéraux en précisant que « les atomes sont modélisés par des carrés de couleur différente »1.

78Yann utilise le modèle proposé et représente la fusion du feldspath comme une séparation physique des particules et précise la composition du magma. Le vocabulaire reste encore ambigu : le terme « élément » est utilisé mais on ne sait pas exactement ce qu’il représente. Dans le groupe où cette schématisation a été pratiquée, tous les élèves décrivent la fusion au niveau particulaire ; même s’ils en restent à une séparation mécanique des entités chimiques, ce niveau d’explication est jugé acceptable par les professeurs.

79À travers cette pratique, le professeur contraint les élèves à prendre en charge une des variables du raisonnement  (la nature discontinue de la matière) pour les aider à rompre avec leur raisonnement spontané.

80La manière dont les élèves notent les résultats et les explications produites signale des difficultés récurrentes. La compréhension de la modification de la composition chimique du magma lors de la fusion partielle suppose plusieurs ruptures. Le schéma ci-dessous (figure 7) matérialise ces ruptures dans les deux domaines : géologie et chimie.

81Une première rupture est nécessaire pour entrer dans l’explication : passer d’un aspect qualitatif (la graisse a fondu, la végétaline a fondu, etc.) à un aspect quantitatif (en termes de proportions) et admettre que le liquide n’a pas la même composition que le solide de départ. On en reste à un niveau macroscopique mais on s’intéresse au comportement d’un solide hétérogène. C’est la partie supérieure de la figure 7.

82Une deuxième rupture concerne la prise en compte du niveau discontinu de la matière. Il s’agit d’arriver à une première formulation de la fusion partielle comme fusion différentielle en faisant fonctionner les concepts vus en physique-chimie. C’est la partie inférieure de la figure 7. Le niveau de formulation auquel on arrive dépend du niveau des connaissances utilisées.

Fig. 7 : des ruptures à opérer pour l’élève

Fig. 7 : des ruptures à opérer pour l’élève

6. Des conditions d’acculturation aux sciences de la Terre

83L’étude de cas a permis de préciser les transformations cognitives et langagières nécessaires à la construction du concept de fusion partielle. Dans cette partie, nous cherchons à comprendre les contraintes qui pèsent sur les enseignants de SVT qui poursuivent un objectif d’acculturation dans le cadre de leur enseignement de la géologie en première S.

84En effet, les deux professeurs ont été conduits à délimiter un niveau d’explication scientifiquement acceptable tout en étant accessible aux élèves. Il en résulte un ensemble de tensions que ces professeurs ont géré en situation.

6.1. Une utilisation appropriée du formalisme de la chimie en géologie

85Les deux professeurs ont indiqué dès le départ que le magma basaltique provient de la péridotite ; cette origine est présentée comme une connaissance établie. D’emblée, ils introduisent un outil emprunté au géologue (tableau de composition chimique des roches) afin que les élèves identifient le taux de présence des éléments chimiques dans le basalte et dans la péridotite. Les professeurs attendent d’eux qu’ils relèvent des différences (notamment pour Al, Ca Mg) alors qu’un grand nombre d’élèves relèvent les similitudes.

86Par ailleurs, à l’étape 4 du TP, les élèves doivent établir une relation entre la composition chimique des minéraux de la péridotite et la composition chimique du magma basaltique. Le niveau d’explication attendu par les professeurs met en jeu la dissociation des minéraux sans entrer dans la description des mécanismes impliqués au niveau de l’agencement des constituants du solide cristallin. Les énoncés produits par certains élèves (comme Léa) rendent compte de ce niveau d’explication même s’ils ne mobilisent pas explicitement la notion d’entités chimiques.

87Au cours de la séance, les professeurs se sont rendu compte que les élèves ne maîtrisent pas le formalisme des géologues (symboles des entités chimiques et formules chimiques des minéraux) dont la compréhension est indispensable pour construire l’explication attendue. Ce constat plaide en faveur de la nécessité d’instaurer dans la classe des pratiques langagières permettant l’acquisition de ce formalisme.

6.2. Le recours au modèle analogique

88Comme dans toutes les sciences, la modélisation est une pratique incontournable en géologie. Les didacticiens des sciences, s’appuyant sur les travaux de S. Bachelard (1979), ont montré l’intérêt de la modélisation dans la construction des savoirs scientifiques (Martinand, 1992, 1994). Certains auteurs (Legay, 1997 ; Desbeaux-Salviat & Rojat, 2006) proposent des pistes pour l’enseignement ou la formation des enseignants. Cependant les enseignants disposent de peu de repères pour construire et conduire des situations d’enseignement/apprentissage faisant appel à des modèles. Peu d’études en effet portent sur la fonction des pratiques de modélisation dans les apprentissages en géologie (Orange-Ravachol, 2007 ; Sanchez, 2008).

89Les travaux (non publiés) que nous avons conduits dans le cadre du séminaire des Sciences de la Terre dirigé par Denise Orange Ravachol (enquête auprès des enseignants débutants) nous permettent de constater que les modèles analogiques occupent une place prépondérante dans l’enseignement des SVT et notamment en géologie. Les modèles analogiques sont très fréquemment utilisés dans un but de monstration (Johsua, 1989).

90Nous avons déjà pointé la dimension analogique du modèle proposé aux élèves et les risques que cela peut entraîner dans la compréhension de la fusion partielle de la péridotite. D’une certaine manière, le dispositif utilisé (figure 5) au cours de la séance joue ce rôle de visualisation d’un phénomène qui n’est pas accessible aux sens. L’enseignant assume ce choix mais incite les élèves à quantifier pour qu’ils puissent l’utiliser comme un modèle. Il en résulte parfois des ambiguïtés qui peuvent représenter des difficultés pour les élèves.

91Nous avons vu précédemment, dans la partie 5, que ce modèle peut introduire toutes sortes de distorsions par rapport à la fusion partielle d’une roche en particulier à cause du choix des matériaux utilisés (ce ne sont pas des solutions solides). Un des risques que peut entraîner l’utilisation de ce modèle est d’inciter les élèves à considérer que les minéraux qui composent la péridotite ont des comportements analogues aux produits utilisés dans le modèle. Le professeur doit donc veiller à ne pas renforcer la confusion possible entre le modèle et le réel. Cette limite du modèle n’est pas sans conséquence sur la mobilisation par les élèves du niveau d’explication microscopique dans leur interprétation du phénomène de fusion partielle. Cependant, l’analyse des productions des élèves montre que ce modèle a pu aider au moins certains d’entre eux à construire une explication pertinente.

92En SVT, les modèles construits pour enseigner reposent souvent sur des approximations nécessaires qui peuvent être sources de confusions pour les élèves et de tensions pour le professeur. Les élèves risquent de rester dans le champ de l’expérience quotidienne sans accéder aux concepts scientifiques. Le professeur, conscient de ce risque, décide de prendre des précautions, ainsi qu’en atteste le témoignage extrait de l’entretien avec un des professeurs qui a mis en œuvre la séance présentée dans la partie 4.

Extrait du discours du professeur

« Tout d’abord, il est sûr que le modèle de la fusion des graisses doit être exploité avec précaution. Nous avons choisi parmi les paramètres qui entrent en jeu dans la fusion partielle l’élévation de température, mais nous avons négligé les autres paramètres en particulier la pression qui est le facteur intervenant au niveau des dorsales. Nous avons aussi choisi des lipides qui ont des températures de fusion différentes mais ces graisses comportent, entre autres, de nombreux acides gras différents et nous ne connaissons pas le comportement de ces acides gras lors de la fusion, y a-t-il des acides gras plus "incompatibles" que d’autres ? Enfin la fusion d’une roche concerne les minéraux et ce changement d’état concerne les arrangements atomiques. La fusion partielle s’explique donc au niveau atomique, les éléments d’un ou plusieurs minéraux passent dans la phase liquide mais la phase solide n’est pas que le reste des minéraux qui n’ont pas fondu, il peut s’agir de nouveaux minéraux résultant de réactions de fusion. Dans le modèle proposé, nous en restons à un niveau macroscopique et nous supposons qu’il n’y a pas de réaction entre les différents composants. Il s’agit simplement de faire prendre conscience aux élèves que tous les corps ne fondent pas à la même température (ils le savent par ailleurs), qu’ils peuvent coexister sous deux états mais surtout que la proportion de chaque composant varie dans le liquide obtenu quand la température change. Les élèves auront, au moins, pu enrichir leur référent empirique : la fusion d’un mélange n’est pas identique à la fusion d’un corps pur. »

6.3. L’élaboration d’un énoncé de savoir adapté

93Les différentes étapes du TP sont articulées entre elles de telle façon que les élèves puissent progressivement se doter de moyens (intellectuels et langagiers) d’appréhender un phénomène à un niveau d’explication satisfaisant en géologie. Le rôle du professeur consiste à les aider à adopter des modes d’agir-parler-penser compatibles avec ceux de la communauté discursive des géologues.

94Dans le cas de la fusion partielle, les élèves sont confrontés à une difficulté importante car ils ne mobilisent pas spontanément des connaissances de physique-chimie, en particulier la constitution et la structure de la matière, quand ils travaillent sur des questions de géologie. L’extrait ci-dessus de l’interview d’un des enseignants montre que, à l’instar des pratiques des géologues, il emploie le terme d’élément pour désigner des entités chimiques. Cet usage du langage, dominant chez les enseignants de SVT, risque entretenir des malentendus et générer des obstacles à l’apprentissage.

95L’analyse des productions jugées satisfaisantes par le professeur de SVT peut donner lieu à des interprétations différentes selon la signification attribuée à l’usage de certains termes. Ainsi, Léa et Arthur utilisent les termes Al, Ca, Na, etc. pour désigner des composants du plagioclase, ou des pyroxènes calciques. On peut considérer que ces termes sont utilisés en tant que marqueurs de fusion pour interpréter le tableau (composition chimique des roches) et ainsi donner du sens au changement d’état (ici fusion différentielle) sans forcément être considérés comme des entités chimiques, susceptibles de réagir entre elles. Pour les deux professeurs de SVT, ces élèves ont correctement identifié ce qui est en jeu dans les transformations observées dans les roches au niveau macroscopique : elles résultent d’une réorganisation des particules (atomes, ions, molécules) composant les minéraux (pyroxène, plagioclase, etc.). Ils estiment en effet que ce niveau d’explication est pertinent dans la mesure où il s’écarte du sens commun et s’appuie sur une conception discontinue de la matière.

96Cet exemple montre la nécessité d’instaurer, dans la classe, une communauté discursive spécifique à la classe de première S.

Conclusion

97L’étude que nous avons conduite montre qu’il est possible de faire accéder les élèves à la compréhension de la fusion partielle à condition de les aider à adopter des raisonnements qui rompent avec leurs conceptions spontanées de l’explication d’un phénomène naturel. Les professeurs de SVT doivent ainsi s’appuyer sur des savoirs et des pratiques associées à leur mobilisation (dans la construction et/ou la résolution de problèmes) pour aider les élèves à sortir du sens commun. Ce sont des composantes de la culture scientifique commune que les enseignants doivent aider les élèves à acquérir.

98Certaines de ces connaissances relèvent de la physique-chimie mais leur utilisation dans un contexte différent représente une source de difficulté pour le professeur et pour les élèves. Ainsi, malgré l’enseignement reçu, les élèves n’utilisent pas de manière spontanée un point de vue particulaire dans les interprétations qu’ils produisent en géologie.

99Les programmes de SVT soulignent la convergence avec l’enseignement des sciences physiques mais les modalités ne sont pas précisées. Pour organiser des liens entre les deux disciplines il serait utile de développer des pratiques professionnelles communes. On pourrait ainsi espérer permettre aux élèves de surmonter les obstacles à l’apprentissage du concept de fusion partielle, qui se trouve à l’interface des deux disciplines.

100Cette étude montre aussi l’importance de l’étayage que fournit le professeur à travers les aides qu’il propose pour engager l’élève dans une reconfiguration de son mode d’agir-parler-penser. L’élève ne peut faire seul ce travail et le professeur doit mettre à sa disposition les outils nécessaires pour initier de tels changements. L’analyse du travail visant la construction d’une explication de la genèse du magma basaltique a permis d’identifier les composantes d’une communauté discursive scientifique scolaire spécifique à l’enseignement de la géologie (énoncés de savoir, problèmes travaillés, pratiques, etc.) et de comprendre comment le professeur l’instaure dans la classe.

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Bibliographie

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Notes

1 Les enseignants n’ont pas souhaité rentrer dans le détail de la structure en précisant que les entités en jeu peuvent être des ions.

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Table des illustrations

Titre Fig. 1 : conditions de fusion de la péridotite et géotherme sous la dorsale
Légende Source : <http://www.academie-en-ligne.fr/​Ressources/​7/​SN02/​AL7SN02TEPA0113-Sequence-02.pdf>
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1427/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 167k
Titre Fig. 2 : diagramme de phase ternaire forstérite (Fo) – diopside (Di) – pyrope (Py) à la pression de 40 kbars
Légende Peycru P. et al., Géologie tout-en-un BCPST, © Paris, Dunod, 2008 [1re éd.], p. 110
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1427/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 289k
Titre Fig. 3 : organisation de la séance de TP
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1427/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 129k
Titre Document 2 : géothermes sous les plaines abyssales et sous les dorsales (document établi par les élèves)
Légende _ - _ - : géotherme sous les plaines abyssales ; - - - - - : géotherme sous la dorsale.On soumet des échantillons de péridotite à des pressions et des températures variables, afin de déterminer les conditions de fusion d'une péridotite. On délimite ainsi 3 secteurs A, B et C, séparés par deux droites. La droite du solidus sépare le domaine où la péridotite est entièrement solide (A) du domaine où elle est partiellement fondue (B). La droite du liquidus sépare le domaine B du domaine où la péridotite est liquide (C).
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1427/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 84k
Titre Figure 4 : modèle utilisé
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1427/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 127k
Titre Fig. 5 : schéma réalisé par Océane
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1427/img-6.jpg
Fichier image/jpeg, 311k
Titre Fig. 6 : schéma réalisé par Yann
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1427/img-7.jpg
Fichier image/jpeg, 104k
Titre Fig. 7 : des ruptures à opérer pour l’élève
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1427/img-8.jpg
Fichier image/jpeg, 330k
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Pour citer cet article

Référence papier

Patricia Schneeberger, Caroline Kaspar, Hervé Goix et Marcelle Goix, « Enseigner la genèse des magmas sous une dorsale : exemple de la fusion partielle en classe de première scientifique », RDST, 14 | 2016, 95-124.

Référence électronique

Patricia Schneeberger, Caroline Kaspar, Hervé Goix et Marcelle Goix, « Enseigner la genèse des magmas sous une dorsale : exemple de la fusion partielle en classe de première scientifique », RDST [En ligne], 14 | 2016, mis en ligne le 31 décembre 2018, consulté le 09 août 2020. URL : http://journals.openedition.org/rdst/1427 ; DOI : https://doi.org/10.4000/rdst.1427

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Droits d’auteur

© Éditions de l’École normale supérieure de Lyon

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