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Dossier : Le temps et l'espace

Espace et temps dans l’enseignement des sciences et des technologies

Maryline Coquidé et Ludovic Morge
p. 9-26

Texte intégral

Nous remercions Yann Vaills, professeur des universités à l’université d’Orléans, pour sa relecture et ses commentaires concernant la relativité et Claire Margolinas, pour avoir suggéré la lecture des travaux de Vergnaud, ce qui a permis d’établir ces liens entre la didactique des mathématiques et la didactique des sciences.

1Revivre indéfiniment la même journée, comme l’expérimente le journaliste Phil Connors dans le film « Un jour sans fin » ? Arrêter le temps et figer le monde par un accord de luth, comme le réalise le ménestrel Dominique dans « Les visiteurs du soir » ? De suite, nous pensons à une création fantastique ou bien à de la science-fiction. Nous pouvons, en effet, aller et venir dans l’espace, nous déplacer dans n’importe quelle direction, alors que nous ne pouvons pas changer notre place dans le temps. Si la pratique quotidienne de l’espace et du temps vécus peut apparaitre comme « évidente », les conceptualisations de temps et d’espace dans les sciences sont, au contraire, difficiles, problématiques et loin d’une évidence.

2L’espace, le temps et les relations spatio-temporelles sont utilisés dans tous les champs des sciences et des technologies. Ils occupent une place importante dans l’enseignement des disciplines scientifiques et technologiques, de la maternelle à l’université. Ainsi, les questions d’échelle de temps et d’espace sont au cœur de certains apprentissages dans des domaines aussi variés que l’astronomie, la physique nucléaire, les réactions chimiques, la géologie ou les sciences de l’environnement. Les deux concepts d’espace et de temps doivent parfois être mobilisés simultanément pour modéliser, décrire et expliquer : par exemple l’évolution des êtres vivants ou bien encore le mouvement des objets.

3Mais l’espace et le temps peuvent être sources de difficultés dans les apprentissages scientifiques et technologiques. Le raisonnement linéaire causal, forme de raisonnement spontané, organise l’espace et le temps de telle sorte qu’un événement qui se produit à un instant t à un endroit de l’espace, est la cause d’un autre événement à un instant t + 1 se produisant à un autre endroit de l’espace. Cette forme d’organisation spontanée de l’espace et du temps, fait obstacle à d’autres formes de raisonnement mettant en jeu des concepts tels que la simultanéité ou la rétroaction. L’espace et le temps peuvent également poser des problèmes aux élèves au niveau de leur représentation sémiotique. Comment représenter deux évènements simultanés, une série de modifications subies par une molécule par exemple, alors que la lecture et le langage oral imposent un ordre dans la structuration de l’information ?

4En évoquant différentes manières, historiques, psychologiques, culturelles ou disciplinaires de saisir le temps et l’espace, nous commencerons par une forme de « prise de recul » sur les rapports aux espaces et aux temps. Nous proposerons ensuite quelques constats concernant l’acculturation scolaire à l’espace et au temps. Enfin, nous avons choisi, pour présenter les différents articles de ce dossier, d’analyser comment ceux-ci pouvaient interpeller l’espace et le temps à travers trois problèmes didactiques importants de didactique des sciences et des technologies : la représentation iconique ou graphique du temps, le rapport du temps à la causalité et le raisonnement linéaire causal, les différentes approches et conceptualisations d‘espace et de temps.

1. Des rapports aux espaces et aux temps

5Pour éviter un risque de réification de l’espace et du temps, nous préférons envisager ici non pas des définitions mais différentes approches et relations à l’espace et au temps. En effet, si espace et temps sont des concepts scientifiques, s’ils sont appréhendés de façon extrinsèque par différentes techniques de mesure, ce sont aussi des constructions sociohistoriques et culturelles, des perceptions et des sentiments (Noël, 1983).

1.1. Constructions psycho-socio-culturelles de l’espace et du temps

6Les différentes manières de saisir l’espace et le temps peuvent ainsi être analysées de manière psychologique (les perceptions d’espace et de temps sont différentes selon l’âge et selon les situations) ou selon des dimensions culturelles et sociales.

7La psychologie cognitive et les neurosciences étudient les processus sensoriels, notamment visuels et auditifs, qui permettent de localiser un objet dans l’espace. Elles examinent la faculté cognitive à manipuler des informations spatiales et à utiliser des concepts relatifs à cette notion. L’humain, comme tout autre être vivant, n’a cependant pas d’organe sensoriel lui permettant de capter le temps et c’est principalement selon deux aspects principaux que les psychologues ont étudié la notion de temps et sa prise de conscience par l’homme : la succession des événements et leur durée (Weil-Barais, 1993). L’espace, au sens concret d’environnement dans lequel nous vivons, a donc une existence sensible beaucoup plus directe que le temps, dont le déroulement ne constitue qu’une perception de second degré, indirectement fondée sur des modifications, en particulier de configurations spatiales via les processus et les mouvements.

8Une approche d’anthropologie cognitive décrit, de son côté, la façon dont les différents systèmes linguistiques et culturels influencent la représentation que se font les individus de l’espace et du temps. D’une façon pionnière, l’anthropologue américain Edward Hall, spécialiste de communication interculturelle, a ainsi étudié des dimensions cachées de toute civilisation. Il a analysé l’espace nécessaire à l’équilibre de tout humain, et ses dimensions culturelles (Hall, 1966, trad. 1971). Il a poursuivi en examinant la façon dont le temps est vécu dans différentes cultures : il y compare un temps linéaire, unidimensionnel avec une succession d’activités, des civilisations des pays du Nord, et un temps pluridimensionnel des cultures du Sud (Hall, 1983, trad. 1984). Pour Hall, l’erreur la plus grave concernant le temps est de le considérer comme une réalité simple. « Loin d’être une constante immuable, comme le supposait Newton, le temps est un agrégat de concepts, de phénomènes et de rythmes recouvrant une très large réalité. Au niveau d’une micro-analyse, on peut dire qu’il existe autant de temps différents que d’être humains sur cette terre. Mais nous, Occidentaux, considérons le temps comme une entité unique, conception fausse, qui ne correspond à aucune réalité » (1984, p. 23). Il distingue nettement temps physique et temps subjectif et reprend une citation d’Einstein, pour qui « le temps est simplement ce que lit une horloge. L’horloge peut être la rotation de la Terre, un sablier, le rythme d’un pouls, l’épaisseur de dépôts géologiques, les vibrations mesurées d’un atome de Césium » (1984, p. 232).

9La façon dont Hall reprend le travail de Piaget, en l’envisageant comme un processus d’acculturation occidentale, peut aussi interpeller le didacticien. Il considère que Piaget identifie justement le temps à l’espace mais, qu’en omettant de distinguer le temps physique du temps culturel et profane, il ne donne pas une image claire de la perception et de la structuration du temps aux différentes étapes du développement de l’enfant. Pour cet anthropologue, quand Piaget étudie comment les enfants apprennent les règles fondamentales de fonctionnement de temps et d’espace, il étudie comment ils apprennent en même temps notre propre système de logique occidentale. Il considère, par là, la méthodologie de Piaget comme satisfaisante pour le mode de pensée linéaire occidental, limitée cependant à notre culture (Hall, 1984, p. 168 et suiv.).

10Les différentes contributions du livre dirigé par Étienne Klein et Michel Spiro (1994) montrent, dans leur complémentarité, que le mot « temps » n’a pas la même signification pour un physicien, un historien, un psychologue ou un biologiste. Les différents rapports au temps évoqués auparavant nous conduisent en outre à considérer des temps hétérogènes : la durée vécue intersubjective et le temps sidéral. La forte relation entre langage et culture amène aussi à considérer les façons de parler de l’espace et du temps. Les linguistes et les anthropologues analysent en effet toujours finement les comportements et les représentations culturelles liés aux aspects spatio-temporels (Naim, 2006).

1.2. Les langues, l’espace et le temps

11Les langues que nous parlons modifient notre façon de percevoir le monde et nos capacités cognitives. Des langues différentes transmettant des capacités cognitives différentes, les représentations spatiales et temporelles vont dépendre de la langue que l’on parle. Dans un article récent de la revue Pour la science (2011), la psychologue Léra Borodistky présente plusieurs études examinant comment les représentations du temps et la description des événements peuvent varier avec les langues. Par exemple, si on demande à un individu de ranger, par ordre chronologique, les images représentant les différentes étapes de croissance d’une fraise, un Français les place de gauche à droite, tandis qu’une personne parlant hébreu les classe de droite à gauche, selon le sens de l’écriture de sa langue. Une personne australienne parlant le kuuk thaayorre les dispose, elle, toujours d’est en ouest (si elle fait face au nord, les cartes sont rangées de droite à gauche, si elle regarde le sud, les cartes sont placées de gauche à droite et si elle est face à l’est, elle le classe vers son corps).

12Avec une approche linguistique, Alain Pastor examine les facteurs énonciatifs et pragmatiques de l’appréhension de l’espace et du temps dans différentes langues (Pastor, 2010). Il compare les représentations du passé et du futur, les localisations spatiales, et les relations spatio-temporelles concernant en particulier la désignation des déplacements. Loin de désigner des référents du monde réel, il apparaît que les langues contribuent, elles-mêmes, à l’origine des catégories d’espace et de temps par une opération de désignation.

13Les termes désignant des aspects spatiaux ou temporels peuvent, par ailleurs, se révéler polysémiques ou ambigus. Par exemple, la signification de termes, tels « un moment » ou « plus tard », dépend largement du contexte dans lequel on les emploie. Jacques Ardoino a ainsi analysé les subtilités linguistiques de l’usage « du temps » et « des moments » (Ardoino, 2001). « Moment » correspond essentiellement à un « intervalle » de temps, c’est-à-dire un court espace par rapport à une durée totale, insistant sur la brièveté du vécu de cette durée. Il rappelle que moment provient du latin momentum, lui-même contraction de movimentum (mouvement). Nous retrouvons, ici encore, un ancrage spatial de désignation du temps que nous avons déjà évoqué. « Moment » recouvre des acceptions vagues plus indéfinies (je vais travailler un moment ; d’un moment à l’autre, etc.) et des usages précis et définis, notamment à travers de nombreux emplois scientifiques (les moments : cinétique, dipolaire, d’inertie, statistique, etc.) (Ardoino, 2001).

1.3. Approche des concepts scientifiques d’espace et temps

14La conceptualisation de l’espace et du temps a évolué au cours de l’histoire des sciences. Ils ont même été fondamentalement redéfinis dans le cadre de la théorie de la relativité et de la mécanique quantique. Le principe d’intermination d’Heisenberg stipule qu’on ne peut connaître simultanément la position dans l’espace et la vitesse d’une particule.

15La manifestation première du temps étant le mouvement, les techniques de mesure de durée ont été d’appréhender un mouvement dans un espace. Tout phénomène régulier qui se répète au cours du temps peut, en effet, constituer une horloge : des gouttes d’eau qui tombent, le déplacement mécanique d’une aiguille, les oscillations d’une pendule, la rotation de la Terre, le mouvement des astres, etc. Historiquement, le repérage et la mesure du temps et de l’espace se sont transformés. Jacques Attali (1982) rapporte comment des modifications de perceptions du temps et de manières de le vivre se sont conjuguées aux évolutions des instruments de mesure, nous rapprochant ainsi des aspects socio-culturels, abordés au début de ce paragraphe.

16Pour permettre un repérage temporel des phénomènes, les différents instruments de mesure ont favorisé des approches chronologiques ou chronométriques, avec un décompte quantitatif en unités de mesure du temps (nanosecondes, secondes, minutes, heures, jours, mois, ans, siècles, millénaires, millions ou milliards d’années-lumière) qui sont évidemment référées à un idéal d’homogénéité. Pour le géologue, comme pour l’archéologue, l’espace et le temps sont cependant constitués d’une même « matière » : le terrain, observé suivant la surface et la profondeur. Historiquement, l’approche verticale stratigraphique, nécessaire à l’établissement de chronologies, a précédé l’approche horizontale, à finalité davantage paléo-géographique ou paléo-ethnologique. Ces deux approches sont maintenant complémentaires et nécessitent, elles aussi, des normes, des repères, des références spatiales et temporelles.

  • 1 Nous n’abordons pas ici l’opposition entre temps réversible de la mécanique et temps irréversible d (...)

17Depuis l’élaboration de la théorie de la relativité, pour le temps considéré comme réversible1, c’est-à-dire celui de la mécanique, la physique contemporaine propose une compartimentation : un monde pour la physique quantique, un autre pour la gravitation relativiste. Pour les objets infiniment petits ayant une vitesse faible par rapport à celle de la lumière, s’applique la physique quantique non relativiste, avec une conception d’espace et temps newtoniens, absolus et universels. Pour les objets dont les vitesses sont proches de celle de la lumière, la physique quantique relativiste est mobilisée, dans l’espace-temps de la relativité restreinte qui considère que les longueurs et les durées ne sont pas absolues mais relatives au mouvement de l’observateur. Pour faire face à cette compartimentation entre deux mondes, entre mécanique quantique et relativité, plusieurs physiciens aspirent à une unification (Rovelli, 2008).

2. Espace, temps et acculturation scolaire

18Des objectifs d’acculturation scolaire à l’espace et au temps sont clairement affirmés à l’école primaire, et dès l’école maternelle en France. L’espace et le temps sont ensuite mobilisés dans l’ensemble des domaines disciplinaires du secondaire, et particulièrement dans l’enseignement scientifique au sens large (sciences expérimentales, mathématiques et technologie). Plusieurs évaluations internationales, dont Pisa, et des standards, tels ceux proposés par le consortium Harmos en Suisse, mobilisent l’espace et le temps dans les évaluations des apprentissages.

2.1. Espace et temps dès l’école maternelle en France

19Dans le domaine de découverte du monde de l’école maternelle, les instructions officielles présentent des contenus explicites pour la structuration de l’espace et pour la structuration du temps. En relation avec la structuration de ces domaines, l’importance de développer un langage adéquat est soulignée.

20Dans le domaine de la structuration de l’espace, les élèves de l’école maternelle doivent ainsi être capable de :

  • repérer des objets ou des déplacements dans l’espace par rapport à soi ;

  • décrire des positions relatives ou des déplacements à l’aide d’indicateurs spatiaux et en se référant à des repères stables variés ;

  • décrire et représenter simplement l’environnement proche ;

  • décrire des espaces moins familiers ;

  • suivre un parcours décrit oralement ;

  • décrire ou représenter un parcours simple ;

  • savoir reproduire l’organisation dans l’espace d’un ensemble limité d’objets ;

  • et aussi s’intéresser à des espaces inconnus découverts par des documentaires.

  • Dans le domaine de la structuration du temps, ils doivent être capable de :

  • reconnaître le caractère cyclique de certains phénomènes ;

  • utiliser des repères relatifs aux rythmes de la journée, de la semaine et de l’année ;

  • situer des événements les uns par rapport aux autres ;

  • distinguer succession et simultanéité ;

  • pouvoir exprimer et comprendre les oppositions entre présent et passé, présent et futur, en utilisant correctement les marques temporelles et chronologiques ;

  • comparer des événements en fonction de leur durée ;

  • exprimer et comprendre, dans le rappel d’un événement ou dans un récit, la situation temporelle de chaque événement par rapport à l’origine posée, leurs situations relatives (simultanéité, antériorité, postériorité) en utilisant correctement les indicateurs temporels et chronologiques.

2.2. Espace et temps dans tous les domaines disciplinaires

21Espace et temps sont en relation avec tous les domaines d’apprentissage, en particulier ceux relevant de la motricité et de la sensibilité. Quoi de plus simple a priori que de parler du temps et de l’espace dans les sports collectifs, commente ainsi Jean-Francis Grehaine (2011) ! Cependant, avant un apprentissage plus scolaire, notre expérience de l’espace et du temps est tout d’abord la résultante d’un apprentissage subjectif. C’est à partir de cette expérience subjective que nous sommes amenés à imaginer un espace et un temps, qui nous est propre et que nous devons aussi partager avec autrui. Mais la maîtrise de notions spatiales et temporelles relève aussi d’apprentissages, en particulier scolaires. Patricia Marchand (2009) a ainsi comparé l’enseignement des connaissances spatiales dans une classe de troisième année du secondaire au Québec, en milieu scolaire (enseignement de géométrie en classe de mathématiques) et en contexte sportif (enseignement de patinage artistique). Elle constate et décrit ainsi des différences selon les contextes : différence de tâches, de connaissances visées (spatiales versus géométriques), de rôle joué par les actions.

22Au niveau secondaire, c’est aussi à travers la contribution de diverses disciplines d’enseignement que les notions d’espace de temps peuvent être structurées et/ou mobilisées. Un séminaire d’étude, élaboré dans la cadre de l’INRP en 2009, avait proposé d’analyser les différents modèles d’espace et de temps qui sont mobilisés dans les apprentissages disciplinaires (Coquidé & Prieur, 2010). Entre l’espace terrestre ou l’espace socialement construit en géographie, l’espace topographique ou le « terrain » en géologie, l’espace géométrique ou topologique en mathématiques, ce sont en effet des réalités bien différentes qui sont décrites et appréhendées. Gilles Aldon, Sylvain Genevois et Éric Sanchez (2010) ont décrit en quoi les technologies numériques ont contribué à renouveler les modes de représentation de l’espace et nécessitent de conduire une réflexion conjointe sur la façon d’acquérir des compétences spatiales, de manière à la fois spécifique et transversale à plusieurs disciplines. L’appréhension de l’espace et du temps peut, par ailleurs, se heurter à des difficultés similaires dans différents domaines disciplinaires. Nicole Allieu-Mary (2010), pour l’histoire-géographie et Denise Orange-Ravachol (2010 a), pour les sciences de la vie et de la Terre, ont souligné ainsi des contraintes analogues, dans les deux domaines d’enseignement, liées à une nécessité d’articuler différentes échelles de temps et d’espace.

2.3. Espace et temps dans des évaluations internationales et dans des standards nationaux

23La place accordée à la maîtrise des concepts spatiaux et temporels, dans des évaluations internationales et dans des standards, peut aussi nous informer sur l’importance attribuée à leur structuration dans les apprentissages scolaires.

2.3.1. Espace, temps et culture scientifique, domaine majeur de l’évaluation internationale PISA 2006

  • 2 Compétences en sciences, lecture et mathématiques, le cadre d’évaluation de PISA, 2006, p. 97. En l (...)

24PISA a pour objet l’évaluation de la capacité des jeunes à utiliser leurs connaissances et compétences dans des contextes de la vie quotidienne. En 2006, cette évaluation a porté sur trois domaines : la compréhension de l’écrit, la culture mathématique et la culture scientifique, cette dernière constituant le domaine majeure pour le cycle 20062.

25Dans le domaine d’évaluation « Culture mathématique » pour le cycle PISA 2006, l’espace était explicitement mobilisé dans l’une des quatre idées majeures retenues. Il s’agissait de l’idée majeure Espace et forme, considérée comme une idée permettant de mobiliser des concepts clés de la description des mathématiques. C’est au sein de ce domaine d’évaluation que différentes compétences relatives à l’espace étaient évaluées :

  • Reconnaissance des formes et des récurrences ;

  • Description, encodage et décodage d’informations visuelles ;

  • Compréhension des changements dynamiques des formes ;

  • Similitudes et différences ;

  • Positions relatives ;

  • Représentations en deux et trois dimensions et relations qui existent entre elles ;

  • Orientation dans l’espace.

26Dans le cycle d’évaluation PISA 2006 de la culture scientifique, trois grandes compétences ont été évaluées : « Identifier les questions d’ordre scientifique », « Expliquer des phénomènes de manière scientifique » et « Utiliser des faits scientifiques ». Ces compétences étaient mises en œuvre dans des contextes choisis de la vie courante, elles étaient dépendantes des connaissances et des attitudes des élèves. L’évaluation ne portait pas sur les contextes, ce sont les connaissances, les compétences et les attitudes en rapport avec ces contextes qui étaient estimées. Parmi les connaissances en sciences évaluées, l’espace et le temps n’étaient donc pas évalués en tant que telles. Ces connaissances contribuaient à quatre grands systèmes : « systèmes physiques », « systèmes vivants », « système de la Terre et de l’Univers », « système technologique ». Or tous ces systèmes étudient des objets qui s’inscrivent dans le temps et l’espace. Les explications scientifiques qui mobilisent ces systèmes peuvent avoir recours à des raisonnements mettant en œuvre des notions spatiales et temporelles (par exemple, l’explication scientifique relative au transit de Vénus, p. 181). On peut donc souligner que pour la plupart des contextes de culture scientifique de PISA 2006, la maîtrise conceptuelle de notions spatiales et temporelles apparaissait fondamentale. À titre d’exemple, le contexte « Ressources naturelles, énergies renouvelables et non renouvelables » nécessitait d’appréhender le temps géologique long et de manipuler des échelles de temps différentes (durée des phénomènes géologiques et durée des générations humaines). Autre exemple, le contexte « santé, gestion des épidémies et propagation de maladies infectieuses » requérait, de son côté, une maîtrise du temps cyclique pour comprendre les cycles de vie des organismes, et d’avoir des repères spatiaux pour comprendre la propagation d’une maladie à l’échelle d’un pays, d’un continent, de la planète.

2.3.2. Espace, temps dans des standards nationaux : le cas du plan Harmos en Suisse3

  • 3 HARMOS, Comparaison de plans d’études – sciences expérimentales, Octobre 2005.

27Le système d’éducation en Suisse est laissé à la responsabilité de chaque canton. Ainsi, la Suisse se retrouve avec 26 systèmes différents. Même si une instance politique, la Conférence suisse des directeurs cantonaux de l’Instruction publique (CDIP), permet une collaboration inter cantonale, notamment sur les questions d’éducation, différents types de plan d’étude coexistent. C’est à l’issue des résultats médiocres de l’enquête PISA 2000 que le système suisse de formation a été remis en cause. La CDIP a alors été sollicitée par le parlement fédéral pour présenter un projet d’harmonisation de l’enseignement, incitateur pour les cantons. Il s’agit de fixer un accord inter cantonal sur l’harmonisation de la scolarité obligatoire Harmos. Cet accord a pour visée de définir les performances minimales que les élèves doivent atteindre à différents niveaux de la scolarité par la construction de standards minimum (Magneron, dell’Angelo & Coquidé, 2010). Les plans d’études cantonaux et régionaux de Suisse dans le domaine des sciences expérimentales ont été comparés, tant sur le plan des caractéristiques structurelles que celui des contenus, afin de définir des standards nationaux. Les contenus ont été regroupés en 171 catégories, appartenant à 6 domaines et 28 sous-domaines thématiques. Dans ce plan d’harmonisation et d’élaboration de standards nationaux minimum, le sous-domaine de la catégorie « Physique » est totalement consacré à l’espace et au temps et il est décliné en 3 catégories :

  • Percevoir l’espace et se familiariser avec des représentations spatiales simples ;

  • Connaître et utiliser différentes formes de représentation spatiale (par exemples cartes, plans, modèles, diagramme climatique) ;

  • Percevoir le temps ainsi que l’écoulement du temps et mesurer des unités temporelles avec une montre.

3. Contributions des articles au dossier

28Ce dossier est constitué de cinq articles très différents, dans leurs approches, dans les niveaux scolaires et dans les questions travaillées.

29L’article de Corinne Marlot et Florence Ligozat explore comment le choix et l’usage de systèmes sémiotiques par le professeur influent sur l’accès des jeunes élèves au processus de développement d’un être vivant. Avec une posture comparatiste, elles comparent les projets d’enseignement dans une école maternelle française et dans une école enfantine genevoise.

30L’article de Yann Lhoste, Véronique Boiron, Martine Jaubert, Christian Orange et Maryse Rebière étudie les productions linguistiques d’élèves d’école primaire (cycle 3) et de collège (classe de 3e), en réponse à une demande d’explication de la nutrition humaine. Il analyse la façon dont les élèves prennent en compte l’espace et le temps dans les explications biologiques.

31L’article de Louis Trudel et Abdeljalil Métoui examine l’effet d’une investigation assistée par ordinateur sur la compréhension de la vitesse constante chez des élèves du secondaire au Québec.

32L’article de Philippe Colin et Noëmie Tran Tat présente et analyse un parcours d’enseignement-apprentissage de l’effet de serre naturel en classe de seconde.

33Enfin, l’article de Maryline Coquidé, Michèle dell’Angelo, Stanislas Dorey, Corinne Fortin, Magali Gallezot, Sandrine Hénocq, Faouzia Kalali, Jean-Marc Lange et Guy Rumelhard propose une contribution collective du groupe d’étude « Évolutions des sciences de la vie et enjeux de formation ». Il vise à analyser les implications didactiques, au niveau secondaire et supérieur, des changements de l’approche de l’espace et du temps issus de la biologie intégrative.

34Pour inviter les lecteurs à lire ces différentes contributions, nous avons choisi de présenter comment celles-ci pouvaient interpeller l’espace et le temps à travers trois problèmes didactiques importants de didactique des sciences et des technologies : la représentation iconique ou graphique du temps, le rapport du temps à la causalité et le raisonnement linéaire causal, les différentes approches et conceptualisations d‘espace et de temps.

3.1. La représentation iconique ou graphique du temps

35La réification (ou chosification) semble représenter un risque et une tentation permanente de la pédagogie. De nombreux dispositifs pédagogiques, notamment au primaire, peuvent avoir recours à la mesure ou à la représentation du temps (par des graphiques, par des successions d’images, etc.), comme s’il pouvait être un « objet enseignable ». Mais le temps est un concept, qui n’a d’existence que celle que nous lui donnons, en particulier par une approche de mesure ou par des inscriptions issues d’instruments. Le temps mesuré ou représenté est le plus souvent la transformation d’un espace : par exemple le déplacement des aiguilles sur le cadran d’une montre, la modélisation de périodes historiques et de leurs durées par les segments d’une frise. On peut cependant très vite oublier que ces mesures varient, selon les cultures et les langues, comme nous l’évoquions au début de ce texte et comme le montrent, par exemple, différents calendriers.

36Par ailleurs, l’instrumentation et les méthodes graphiques scientifiques ont pu fortement influencer l’enseignement des sciences, notamment dans le secondaire, depuis la fin du xixe siècle. Par exemple, les travaux du physiologiste Étienne-Jules Marey ont établi une base pour une analyse quantitative de mouvements complexes, tel le mouvement humain. Dans les années 1870, Marey a, dans un premier temps, enregistré des mouvements par la méthode graphique qui traduit le mouvement en lignes, courbes ou graphes à l’intérieur de coordonnées cartésiennes. Dans les années 1880, il a intégré la photographie dans son analyse de mouvement, ce qui a abouti aux célèbres chronophotographies partielles. Par l’extraction, la décomposition et la discrimination des données, la méthode permet une visualisation schématique de mouvements complexes. L’instrumentation et les méthodes graphiques, qui « donnent à voir » des mouvements, ont fortement influencé l’enseignement de la physiologie tout au long du xxe siècle (Coquidé, 2005).

37Dans ce dossier, l’article de Marlot et Ligozat compare les différents systèmes sémiotiques mobilisés par deux enseignants, pour faire découvrir le développement d’un être vivant à des jeunes élèves. Les auteurs examinent comment le temps est représenté par l’intermédiaire de schémas de développement d’un être vivant (cas de la poule et du poussin dans la classe de maternelle observée ; cas de la reine, des œufs et des fourmis dans la classe de section enfantine genevoise). Ces schémas, qui relèvent du registre des modèles, sont articulés avec plusieurs références de registre empirique dans un cas (poule en classe, projection d’un avenir avec l’éclosion du poussin), mais sont mélangés avec les images du même album et qui pourraient relever d’un registre empirique dans un autre cas (fourmi). Dans ce deuxième cas, les élèves ne peuvent alors pas vivre et développer l’expérience de la durée du processus de développement.

38L’article de Trudel et Métoui, de son côté, montre que les élèves font des erreurs, lorsqu’ils représentent sur un graphique la position d’un objet en fonction du temps puis, sur un autre graphique, la vitesse en fonction du temps. Les deux représentations sont en effet contradictoires.

3.2. Temps et rapport à la causalité : la question du temps dans le raisonnement linéaire causal

39Plusieurs travaux didactiques ont ouvert la voie d’une réflexion sur les types de raisonnement spontané des élèves mêlant de façon syncrétique le temps et la causalité (en sciences physiques, Closset, 1983 ; Viennot, 1993 ; en sciences de la vie et de la Terre, Orange & Orange, 1995 ; Orange D., 2003). Le raisonnement linéaire causal est une forme de raisonnement spontané que les élèves mobilisent pour expliquer un grand nombre de phénomènes, en physique, en chimie, en biologie, en géologie. Il conduit les élèves à avancer une mise en récit dans les explications scientifiques (Orange-Ravachol & Triquet, 2007). Laurence Viennot (1993, p. 21) a caractérisé le raisonnement linéaire causal de la manière suivante :

« Ce raisonnement enchaîne linéairement des phénomènes () spécifiés chacun avec une seule variable : φ1 → φ2 → φ3 → … φ N ».

La relation conduisant de chaque phénomène au suivant a un statut ambigu, intermédiaire entre une indication logique et une succession chronologique.

Cet aspect temporel donne à l’argumentation un statut proche de celui d’une histoire enchaînant des phénomènes simples. »

40C’est donc sans surprise que nous retrouvons, dans ce numéro sur l’espace et le temps, des articles, en physique-chimie (Philippe Colin et Noëmie Tran Tat ; Louis Trudel et Abdeljalil Métoui) et en sciences de la vie et de la Terre (Yann L’hoste et al. ; Maryline Coquidé et al.), portant, au moins en partie, sur cette forme de raisonnement qui mobilise une représentation chronologique du temps, au cours duquel des événements se succèdent.

41L’article de P. Colin et N. Tran Tat propose une progression sur le thème de l’effet de serre, afin d’évaluer les difficultés que les élèves rencontrent dans ce dispositif d’enseignement-apprentissage. Cet article complète des travaux plus anciens de Viennot (2007) sur la nécessité, dans l’explication de l’effet de serre, de distinguer régime transitoire et régime permanent du système. Nous nous contenterons de souligner ici les difficultés liées à la différence de représentation du temps mobilisé dans le raisonnement spontané et dans le raisonnement scientifique.

42Pour expliquer l’effet de serre, certains élèves suivent spontanément le parcours d’un rayon (ou d’un faisceau de rayons) qui rentre dans l’atmosphère et rebondit sur la Terre puis sur l’atmosphère contenant le gaz à effet de serre et ainsi de suite, les rayons étant alors « emprisonnés ». Ils se placent ainsi, sans en avoir véritablement conscience, dans l’explication d’un régime transitoire. Il leur devient donc extrêmement difficile, dans ce cas, de comprendre qu’en régime permanent, le flux énergétique du soleil vers la Terre est égal à celui de la Terre vers l’atmosphère. Pour les élèves, il est donc nécessaire de passer d’un raisonnement dans lequel le temps évolue et les événements s’enchaînent (raisonnement linéaire causal) à un raisonnement sous forme de bilan dans lequel le temps n’évolue pas (bilan à un instant donné ou bilan pour une durée donnée). Une première difficulté réside dans la mobilisation nécessaire d’une autre représentation du temps pour expliquer l’effet de serre. Cette difficulté est encore plus grande si on considère que le raisonnement scientifique est un bilan (dans lequel le temps n’évolue pas) de flux énergétiques d’un système vers un autre (phénomène qui s’inscrit dans la durée). Cette combinaison de différentes représentations du temps est donc redoutable. Les régimes permanents et transitoires d’échanges mobilisent donc différentes représentations emboîtées du temps.

43L’article de Y. Lhoste et al. examine l’enseignement et l’apprentissage de la nutrition au primaire (cycle 3) et au collège. Lorsque les élèves abordent ce sujet, certains mobilisent spontanément une forme de récit chronologique, une mise en histoire qui décrit le trajet des aliments, depuis l’absorption de ceux-ci jusqu’à leur rejet ou à leur utilisation par le muscle. À ce propos, les auteurs montrent en quoi les productions spontanées des élèves relèvent plutôt d’une chronique que d’un récit, travaillant ainsi le lien étroit entre les formes de raisonnement et les outils de communication nécessaires à leur expression. Pour pouvoir expliquer la nutrition, le raisonnement attendu de la part des élèves mobilise une logique de fonctionnement cyclique, pouvant nécessiter une convocation de la simultanéité. Là encore les deux formes de raisonnement, spontané et « scientifique », mobilisent des représentations du temps différentes.

44L’article de L. Trudel et A. Métoui aborde le raisonnement linéaire causal en mécanique. En effet, à une demande de prévisions des positions à intervalles de temps réguliers d’une bille qui roule sur un rail horizontal, certains élèves répondent que la bille va nettement ralentir. Ce type d’erreur a déjà été repéré chez les élèves et interprété en terme d’impétus, défini comme une force intérieure à l’objet en mouvement (Robardet & Guillaud, 1997). Or, l’impétus peut être considéré comme l’expression d’un raisonnement linéaire causal. Du point de vue de certains élèves, la force ( = événement 1) est la cause du mouvement ( = événement 2). Ainsi, pour expliquer le mouvement de la bille sur le rail après le lancer, l’élève doit introduire une nouvelle force, l’impétus, qui suit le mouvement et s’use au fil du temps. L. Trudel et A. Métoui montrent, qu’une investigation scientifique assistée par ordinateur menée au cours d’un TP de mécanique, n’a qu’un faible effet sur l’évolution conceptuelle des élèves.

45L’article de M. Coquidé et al. analyse une vision, quasi architecturale et persistante dans l’enseignement de la biologie, des interactions moléculaires (par exemple dans le cas des interactions enzymes-substrat ou bien anticorps-antigène). Si le modèle « clef-serrure » est aujourd’hui scientifiquement dépassé, il n’en demeure pas moins qu’il reste un objet pédagogique, pour montrer aux élèves une complémentarité spatiale entre molécules. Une logique pédagogique de « mise en histoire » semble alors prévaloir sur une explication de la rencontre entre les molécules.

46L’effet de serre, la nutrition, la mécanique, la biologie moléculaire : quatre domaines très différents mais dans lesquels les élèves peuvent mobiliser spontanément une forme de raisonnement consistant à se représenter une succession d’événements. Cette forme de raisonnement, qui peut représenter un obstacle aux apprentissages en sciences expérimentales, permet aussi d’interpréter certaines erreurs des élèves. La connaissance de ce mode de raisonnement peut par exemple permettre d’interpréter certaines erreurs d’élèves repérées en didactique des mathématiques, notamment sur le thème de l’addition. Ce détour par la didactique des mathématiques illustre que, même lorsque les notions manipulées sont extrêmement simples (des gains et pertes de billes dans le cas des travaux de Vergnaud, 1976, 1986), les erreurs augmentent quand les raisonnements mobilisés s’éloignent du raisonnement linéaire causal. Elles sont les plus importantes dans le cas des bilans de transformations, forme de raisonnement qu’il est nécessaire de mobiliser à propos de l’effet de serre. Vergnaud et Durand (1976), et Vergnaud, (1986) ont montré que, derrière une même opération (par exemple, une addition ou une soustraction), se cache une très grande variété de structures additives : « de nombreux problèmes de type additif font intervenir un déroulement temporel et les différents nombres ne sauraient être mis sur le même plan : certains représentent des états, d’autres représentent des transformations. » (Vergnaud, 1976, p. 29). Là encore, des problèmes mathématiques mobilisent la notion de temps. Vergnaud distingue tout d’abord les structures additives de type État-Transformation-État (ETE), qui peuvent être symbolisées de la manière suivante selon un axe temporel horizontal.

47Le type de questions auxquelles les élèves répondent le mieux est du type : « Pierre a 6 billes. Il joue une partie et il perd 4 billes. Combien de billes a-t-il après la partie ? ». Il s’agit, pour les élèves, de déterminer l’état final de l’histoire comme l’indique le schéma ci-dessous.

48Selon Vergnaud (1986, p. 22), il s‘agit là de la première conception de la soustraction pour un enfant. Cette première conception « consiste dans la diminution d’une quantité initiale, par consommation, perte ou vente par exemple ». Or, il se trouve que cette structure (ETE) avec recherche de l’état final est la structure la plus proche du raisonnement linéaire causal. En effet, on a ici une histoire qui se déroule de manière chronologique, dont on connait le point de départ et la transformation et dont il s’agit de déterminer l’état final. Ainsi, la première conception de la soustraction correspond à la conception qui correspond au mieux à un raisonnement linéaire causal.

49Il existe d’autres types de problèmes, pour lesquels les élèves doivent trouver l’état initial. Cette structure de problème additif peut être représentée par le schéma suivant :

50Il s’illustre par un problème du type : « Bertrand joue une partie de billes, il perd 7 billes. Après la partie il a 3 billes. Combien de billes avait-il avant la partie ? ». Par rapport au type de problème précédent, celui-ci apparait moins « naturel », puisque le déroulement temporel est opposé à celui qui est naturellement mis en œuvre par les élèves. D’ailleurs, les résultats de Vergnaud (1986) montrent un taux d’échec plus élevé pour ce type de situation que pour le précédent.

51Enfin, le taux d’erreurs chez les élèves augmente davantage quand les élèves doivent mobiliser des raisonnements nécessitant la réalisation de bilans de transformation, comme l’illustre l’énoncé suivant. « Bruno joue deux parties de billes. Il joue une partie puis une deuxième. À la deuxième partie il perd 7 billes. Après ces deux parties il a gagné en tout 3 billes. Que s’est-il passé à la première partie ? ». Sur ce problème, le taux d’échec atteint 88 %, alors qu’il est de 15 % dans le premier type de problème ETE avec recherche de l’état final. Le raisonnement à mettre en œuvre dans la résolution de ce type de problème se rapproche de celui qui est nécessaire à la compréhension de l’effet de serre puisqu’il s’agit d’un bilan de transformations.

52Ces travaux de didactique des mathématiques montrent donc un taux d’échec plus important dans les problèmes qui nécessitent la mise en œuvre de relations qui emboîtent différentes représentations du temps et qui s’éloignent du raisonnement linéaire causal. Rappelons que dans ce cas des situations mathématiques, les élèves manipulent des objets simples qu’ils connaissent (les billes). Ceci semble indiquer qu’au-delà des difficultés liées à la manipulation des concepts scientifiques (énergie, digestion, etc.), se cache aussi une difficulté liée aux différents raisonnements mobilisant différentes représentations du temps.

3.3. Différentes approches et conceptualisations d‘espace et de temps

53Nous pouvons aussi questionner les approches et les conceptualisations d’espace et/ou de temps qui sont envisagées dans les différentes contributions. Quelle forme de complexité ? Quelle mise en relation ? Quelle perspective ? Quelle spécificité ?

54Une première interrogation peut relever d’une forme de tension continuité/discontinuité. Denise Orange-Ravachol a montré qu’en géologie les lycéens « substituent le temps séquentiel de “mises en histoire” vues comme des enchaînements d’épisodes à la continuité et à la simultanéité de la dérive/accrétion et de la sédimentation ». Elle analyse (2010b) ainsi la tension épistémologique entre une continuité phénoménale et une discontinuité événementielle et la nécessité d’une distinction didactique. Cette distinction importante est à mobiliser dès que se pose une articulation de problèmes fonctionnaliste et historique : notamment en géologie, en paléontologie et pour les sciences de la vie.

55La question de l’apprentissage et de l’expérience vécue de la « durée » est abordée dans l’article de C. Marlot et F. Ligozat. Dans cet article, la « durée » est rapprochée par les auteurs de « l’événement ». Mais, dans la pensée d’Henri Bergson, la durée est envisagée comme caractéristique d’un élan vital, partiellement biologique et évolutionniste, et dans une philosophie de la continuité. La durée du développement ne serait-elle pas alors à rapprocher de la continuité phénoménale envisagée par Orange-Ravachol ? L’éclosion des œufs serait alors un « événement », à rapprocher de la discontinuité événementielle.

56Cet article permet aussi de questionner les sens du mot « vie » et du mot « temps ». On y croise, en effet, la vie au sens organique (le vivant biologique des poussins et des fourmis), et la vie au sens psychologique (le vécu personnel des élèves). De même, on y croise et on peut distinguer deux temps : le temps matériel physique (l’instant) et le temps humain (l’expérience de la durée du temps vécu).

57En s’appuyant sur des travaux antérieurs examinant les relations entre sciences et récits (Viennot, 1993 ; Orange & Orange, 1995 ; Orange-Ravachol & Triquet, 2007), l’article de Y. Lhoste et al. (consacré à la nutrition humaine) inscrit les chroniques produites par les élèves dans un chronotrope du trajet. La chronique semble être une étape nécessaire à la problématisation, mais elle constitue un obstacle pour élaborer des explications scientifiques. Les auteurs montrent que le débat scientifique dans la classe, relevant d’une activité de problématisation d’un point de vue épistémique et d’une secondarisation des énoncés produits par les élèves sur le plan langagier, incite à un processus de « mise en intrigue ». La mise en récit serait alors plus favorable à des mises en relation plus complexes de l’espace et du temps. L’identification de moyens langagiers permettant d’évoquer la simultanéité apparaît également favorable au dépassement d’un raisonnement linéaire causal.

58Comme le rappellent P. Colin et N. Tran Tat, il est nécessaire de mobiliser la notion de bilan pour appréhender l’effet de serre. Un bilan ne décrit pas l’évolution dans le temps d’une grandeur, mais le temps s’invite selon que cette grandeur, dont on fait le bilan, représente un état, une grandeur fixe dans le temps (par exemple bilan portant sur un nombre de billes, bilan portant sur des forces à un instant donné) ou un échange, une transformation (bilan portant sur un nombre de billes perdues ou gagnées, bilan portant sur des transferts d’énergie). Ensuite, le temps vient à nouveau s’inviter, selon que le bilan est équilibré ou non. Si le bilan est équilibré, il n’évolue pas (cas du régime permanent). Si le bilan est déséquilibré, alors il évolue dans le temps (cas du régime transitoire). Modéliser l’effet de serre dans sa dimension énergétique nécessite donc d’établir un bilan d’échanges, qui peut évoluer ou rester stable dans le temps. La conceptualisation temporelle dans l’approche énergétique de l’effet de serre semble donc difficile à appréhender puisqu’elle mobilise des formes emboîtées et mixtes de temps. Quand ces formes emboîtées et mixtes du temps viennent, en plus, se heurter à un raisonnement linéaire causal, on comprend mieux l’absolue nécessité d’expliciter ces différentes formes de temps mises en jeu dans l’effet de serre.

59L’obstacle du raisonnement linéaire causal, est aussi étudié dans l’article de L. Trudel et A. Métioui. Cette étude montre que l’introduction d’un logiciel facilitant la prise des données et leur organisation sous forme de tableaux et de graphiques ne favorise pas significativement l’apprentissage des élèves et l’évolution de leur raisonnement spontané. Ainsi, les auteurs confirment à nouveau la résistance de ce type de raisonnement face à diverses formes d’enseignement.

60L’article de M. Coquidé et al. questionne la façon dont la spécificité des différents domaines scientifiques, et leurs représentations spatiales et temporelles, peut être prise en compte dans les apprentissages scolaires. Il se centre sur la biologie et examine l’anticipation, considérée ici comme rapport spécifiquement biologique au temps.

61Un domaine qui fait intervenir une dimension temporelle, comme c’est le cas en sciences de la vie, peut aussi envisager une dimension historique, avec une distinction à effectuer entre hasard et contingence (qui dépend des événements qui se sont produits avant). Les nouvelles relations spatio-temporelles étudiées par la biologie intégrative conduisent, par ailleurs, à envisager, à côté du déterminisme strict des phénomènes, de plus en plus un déterminisme stochastique ou probabiliste.

Conclusion

62Les concepts de temps et d’espace sont omniprésents, de manière plus ou moins directe, dans les apprentissages scientifiques. Ils sont si familiers, qu’on pourrait en oublier qu’ils sont le résultat de différentes constructions et dépendent de facteurs psychologiques, sociaux et culturels. En sciences, le temps et l’espace sont mobilisés sous des formes différentes. Le temps est mobilisé pour décrire une évolution ou non, un phénomène cyclique ou simultané, une interaction à un instant donné ou pendant une durée, une rétroaction. Différentes formes de temps peuvent être mobilisées pour l’étude d’un même phénomène. De la maternelle à l’université, le temps et l’espace sont donc nécessairement mobilisés pour construire de nombreux concepts scientifiques dans tous les domaines (géologie, biologie, chimie, mécanique newtonienne, relativiste, quantique, etc.). Chacun de ces domaines mobilisant des formes de temps et d’espaces spécifiques, leurs différences ou leurs ressemblances ne peuvent apparaître que si elles sont explicitement comparées. Les passages de frontières disciplinaires, les comparaisons entre domaines, pourraient contribuer à l’explicitation des différentes facettes des concepts d’espace et de temps.

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Notes

1 Nous n’abordons pas ici l’opposition entre temps réversible de la mécanique et temps irréversible de la thermodynamique.

2 Compétences en sciences, lecture et mathématiques, le cadre d’évaluation de PISA, 2006, p. 97. En ligne : <http://www.oecd.org/dataoecd/60/59/38378898.pdf>.

3 HARMOS, Comparaison de plans d’études – sciences expérimentales, Octobre 2005.

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Pour citer cet article

Référence papier

Maryline Coquidé et Ludovic Morge, « Espace et temps dans l’enseignement des sciences et des technologies »RDST, 4 | 2011, 9-26.

Référence électronique

Maryline Coquidé et Ludovic Morge, « Espace et temps dans l’enseignement des sciences et des technologies »RDST [En ligne], 4 | 2011, mis en ligne le 15 février 2012, consulté le 04 décembre 2021. URL : http://journals.openedition.org/rdst/457 ; DOI : https://doi.org/10.4000/rdst.457

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Auteurs

Maryline Coquidé

maryline.coquide@ens-lyon.fr
ENS Lyon, Institut français de l’Éducation, ENS Cachan, laboratoire STEF

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Ludovic Morge

Ludovic.morge@univ-bpclermont.fr
Clermont-Université, université Blaise Pascal, IUFM d’Auvergne, laboratoire ACTé

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