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Dossier : Le temps et l'espace

Difficile compréhension de l’effet de serre : comment concevoir un parcours d’enseignement-apprentissage au lycée ?

The challenges of understanding the greenhouse effect: how is it possible to design teaching and learning sequences in upper secondary education?
Schwierige Verständigung des Treibhauseffekts : wie kann man am Gymnasium eine Unterrichtseinheit konzipieren ?
Difícil comprensión del efecto invernadero ¿cómo concebir un proyecto de enseñanza aprendizaje en el instituto ?
Philippe Colin et Noëmie Tran Tat
p. 109-138

Résumés

Cet article présente une étude exploratoire des conditions d’enseignement-apprentissage de l’effet de serre naturel en seconde. La construction d’un parcours d’enseignement-apprentissage repose sur une prise en compte imbriquée d’une analyse de contenu de la physique mise en jeu et du repérage des difficultés des élèves. Ce repérage est effectué à partir d’entretiens prenant appui sur un modèle matériel de l’effet de serre et sur des schémas de vulgarisation. Les principaux obstacles à la compréhension de l’effet de serre naturel chez les élèves interrogés résident dans l’absence de prise en compte du phénomène d’absorption-émission infrarouge et dans la fréquente mise en œuvre de raisonnements à caractère séquentiel. La mise en exergue du phénomène d’absorption-émission infrarouge tout au long du parcours s’avère donc nécessaire. Le couplage entre température de surface, types de rayonnements émis et absorbés et échanges énergétiques, ainsi que la distinction entre régimes transitoire et permanent, constituent les points cruciaux d’une première étape qui s’appuie sur l’exemple d’une planète sans atmosphère. Ce n’est qu’après cette étape que seront introduits successivement effet de serre naturel avec élaboration de bilans équilibrés et réchauffement climatique à l’aide d’un modèle matériel.

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Texte intégral

  • 1 Cette étude s’appuie sur un travail mené dans le cadre d’un mémoire de tutorat (Tran Tat, 2009) du (...)

1Cet article étudie les conditions d’enseignement-apprentissage de l’effet de serre en classe de seconde1. Les difficultés des élèves autour de la compréhension de l’effet de serre naturel et du réchauffement climatique ont déjà fait l’objet de nombreuses études (voir par exemple Purdue University, 2008 pour un état des lieux). Les résultats concernent essentiellement le réchauffement climatique. Notre étude est, quant à elle, centrée sur l’effet de serre naturel, plus précisément sur les difficultés rencontrées par les élèves à distinguer régime transitoire et régime permanent, lors de l’établissement d’un équilibre thermique, et à construire des bilans énergétiques. Ces difficultés ont été pointées à plusieurs reprises (Viennot, 1996, 2007). Elles peuvent être attribuées, pour une part importante, au type séquentiel du raisonnement le plus souvent mené par les élèves pour interpréter les phénomènes (Rozier, 1988 ; Rozier & Viennot, 1991). Nous nous attachons à analyser les réactions d’élèves face à différents supports, modèle matériel et schémas de vulgarisation, dont nous évaluons ainsi l’efficience en vue de leur intégration dans un parcours d’enseignement-apprentissage.

1. Contexte et cadre

  • 2 Nous distinguons effet de serre naturel et anthropogénique selon la prise en compte ou non du carac (...)

2L’effet de serre est un sujet très médiatisé du fait de l’importance prise par le problème du réchauffement climatique, pour lequel un consensus parmi les autorités scientifiques n’a pas encore été trouvé à ce jour. Beaucoup d’études se sont essentiellement centrées sur les difficultés relatives à la compréhension de ce phénomène (pour un état des lieux voir par exemple Ekborg & Areskoug, 2006). Au niveau de l’enseignement, l’importance du caractère anthropogénique de l’effet de serre entre dans le cadre des questions dites socialement vives pour lesquelles se pose la question de leur introduction dans les programmes scolaires et universitaires (Cavet 2007 ; Levinson 2006 ; Millar, 2006 ; Urgelli 2005, 2009). Même si des questions d’ordre sociétal vont inévitablement faire irruption lors des échanges, elles ne serviront pas dans notre étude à la mise en place de débats (voir à ce sujet le courant éducatif Sciences-Technologies-Société, Legardez & Simonneaux, 2006) et le caractère anthropique2 du réchauffement climatique ne sera pas discuté. Notre démarche se situe sur un autre versant et vise une compréhension relativement fine de l’effet de serre naturel par les élèves. Elle s’inscrit dans le prolongement d’études portant sur l’analyse critique de documents de vulgarisation par les élèves et sur la satisfaction intellectuelle manifestée par des publics qui ne se destinent pas exclusivement à une carrière scientifique (Feller, 2008 ; Feller, Colin & Viennot, 2007, 2009 ; Mathé & Viennot, 2009).

3Nous nous situons dans une démarche de type ingénierie didactique (Artigue, 1988) où cette étude constitue une toute première étape permettant une analyse à visée double (Komoreck & Duit, 2004) : d’une part, la mise en évidence des difficultés des élèves relativement aux différents supports utilisés et, d’autre part, une première évaluation de leur efficience pour l’élaboration d’un parcours d’enseignement-apprentissage. La construction de ce parcours repose sur une prise en compte imbriquée d’une analyse de contenu de la physique mise en jeu et des difficultés des élèves (Kattmann et al., 1995). Cette première étape devrait conduire à faciliter une analyse a priori du parcours. Nous avons à cette fin construit un protocole d’entretien qui s’appuie sur un modèle matériel de l’effet de serre et sur des schématisations issues de la vulgarisation. Une attention particulière a été accordée à l’évolution de la pensée des élèves au fil de l’entretien.

2. Analyse de contenu et difficultés des élèves

2.1. Analyse de contenu

  • 3 Pour un exposé détaillé sur les structures thermiques verticale et horizontale des différentes couc (...)
  • 4 En toute rigueur, il faudrait considérer la surface terrestre comme une surface d’échange entre la (...)

4L’effet de serre naturel est un phénomène très complexe3 mettant en jeu différents concepts – rayonnement, température et chaleur – et ce au sein d’un ensemble composite associant une source, le Soleil, et différents systèmes, l’espace, l’atmosphère comprenant les gaz à effet de serre (GES par la suite) et la surface terrestre4.

  • 5 Pour être plus précis, il faudrait parler de régime stationnaire de non-équilibre puisque le mainti (...)

5Il ne s’agit évidemment pas de donner un exposé complet sur un sujet aussi dense mais, comme souligné précédemment, de centrer notre analyse sur les savoirs nécessaires à l’explication du phénomène pour des élèves de 2de et 1re S, en insistant d’une part sur la distinction entre régimes transitoire et permanent, et d’autre part, sur l’élaboration de bilans énergétiques cohérents pour chacun des systèmes impliqués une fois atteint l’équilibre thermique5. Nous présentons donc un cadre de référence pour une transposition en classe.

  • 6 Il s’agit bien d’une température moyenne car les flux énergétiques dépendent de nombreux facteurs d (...)

6Si la Terre ne possédait pas d’atmosphère, la température moyenne6 à l’équilibre thermique serait de -18 °C alors qu’elle est de +15 °C. Ce « réchauffement naturel » est donc dû à la présence de l’atmosphère : c’est l’effet de serre naturel. L’atteinte de ce régime permanent où les bilans énergétiques entre les différents systèmes sont équilibrés, suppose un régime transitoire où flux énergétiques et températures évoluent.

  • 7 En toute rigueur, les bilans s’effectuent sur des densités de flux énergétique exprimées en W/m2, s (...)

7Pour comprendre cette évolution, une première association entre rayonnement et température est indispensable : un corps donné émet un rayonnement dont la distribution spectrale de puissance dépend uniquement de sa température. La surface du Soleil, vu sa température élevée (6 000 °C environ), émet préférentiellement dans le visible ; la Terre, comme les GES, émet essentiellement dans l’infrarouge. La température régule les échanges énergétiques et réciproquement : le calcul analytique conduit à une équation différentielle dont l’interprétation reste difficile (Malonga Moungabio & Beaufils, 2010 ; Viennot, 1996 ; Artigue et al., 1990). Les schémas de l’encadré 1 illustrent de façon très simplifiée la dépendance entre température et flux radiatifs7 dans le cas d’une planète dépourvue d’atmosphère.

Encadré 1 : régime transitoire et régime permanent pour une planète sans atmosphère (l’épaisseur des flèches symbolise l’importance respective des flux énergétiques).

Encadré 1 : régime transitoire et régime permanent pour une planète sans atmosphère (l’épaisseur des flèches symbolise l’importance respective des flux énergétiques).

8Lorsqu’une planète comme la Terre est pourvue d’une atmosphère comportant des GES, la situation se complexifie puisque ces derniers interviennent dans les échanges énergétiques, en absorbant une grande partie du rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre et en les réémettant dans toutes les directions et notamment vers la Terre. Ce flux énergétique supplémentaire en direction de la Terre conduit à une température d’équilibre de celle-ci plus élevée (voir encadré 2). L’atmosphère, GES compris, est supposée ici être totalement transparente aux radiations visibles et les GES absorber intégralement le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre.

9Suivant le schéma de l’encadré 2, les bilans pour les différents systèmes s’écrivent :

  • Pour le système (surface terrestre + atmosphère et GES) : Φsolaire = ΦIR GES→espace

  • Pour le système GES : ΦIR sol = ΦIR GES→espace + ΦIR GES→sol

  • Pour la surface terrestre : ΦIR sol = Φsolaire + ΦIR GES→sol

Encadré 2 : bilan radiatif très simplifié de l’effet de serre naturel

Encadré 2 : bilan radiatif très simplifié de l’effet de serre naturel
  • 8 L’albédo est le rapport entre les flux réfléchi et diffusé par la surface et le flux solaire incide (...)

10Le schéma très simplifié de l’encadré 2, qui pourrait être celui attendu d’élèves de 1re S (voire de 2de), ne permet aucunement de donner une interprétation du réchauffement climatique. En effet, la Terre, disons pour simplifier sa surface, et les GES étant supposés, tels des corps noirs, absorber totalement le rayonnement reçu, la concentration en GES de l’atmosphère et l’albédo8 ne peuvent être pris en compte. Un schéma plus complet du bilan radiatif de la Terre s’avère donc nécessaire (voir par exemple : Bard, 2004) pour aborder la question du réchauffement climatique.

11L’analyse de contenu présentée souligne la place centrale jouée par l’interaction lumière-matière. Il s’avère donc indispensable, pour parvenir à une interprétation satisfaisante du phénomène, qu’une distinction soit opérée entre les différents types de rayonnement ainsi qu’entre les phénomènes leur donnant naissance. Cette interprétation nécessite également le repérage des différents systèmes mis en jeu ainsi que la distinction entre les régimes transitoire et permanent, pour permettre une élaboration des bilans énergétiques en cohérence avec l’évolution des températures et flux énergétiques. Ce sont ces points qui constituent nos directions d’analyse.

12Avant de présenter les principales difficultés fréquemment repérées chez les élèves, commençons par les illustrer au travers d’exemples issus de la forte médiatisation dont l’effet de serre est l’objet.

2.2. Une illustration des difficultés

13Pour souligner la difficile mise en relation entre « explication » de l’effet de serre et écriture de bilan, nous prendrons deux exemples issus de la vulgarisation : le premier extrait d’un site pour la jeunesse sur le Web et le second tiré d’un article paru dans une revue de vulgarisation scientifique.

2.2.1. Un site pour la jeunesse

14La première illustration est extraite du site junior belge du WWF (World Wide Fund for Nature) (dont nous présentons un extrait dans l’encadré 3).

Encadré 3 : Un exemple d’illustration médiatique du réchauffement climatique

Les rayons du Soleil arrivent sur la Terre et nous donnent la chaleur et la lumière.
La chaleur rebondit sur la surface de notre planète et est renvoyée vers l'espace. Les gaz présents dans l'atmosphère retiennent une partie de la chaleur qui est renvoyée vers la Terre.
Quand il y a plus de CO2, la chaleur n'arrive plus à s'échapper. Le CO2 agit comme les vitres d'une serre. C'est ce qu'on appelle l'effet de serre.

15Ce discours, qui pourrait très bien être celui tenu par un élève pour expliquer effet de serre et réchauffement climatique, est emblématique des difficultés rencontrées : équilibre thermique non envisagé, confusion entre » chaleur » et rayonnement, absorption-émission infrarouge remplacée par un « rebond de la chaleur ».

2.2.2. Un article dans une revue de vulgarisation scientifique

16Voici un second exemple moins caricatural mais qui témoigne des mêmes difficultés. Il s’agit d’un extrait du court paragraphe intitulé « Qu’est-ce que l’effet de serre ? » (cf. Bard, 2004) : « La surface terrestre réémet un rayonnement infrarouge vers l’atmosphère. Or, plusieurs composants chimiques de celle-ci absorbent les infrarouges, puis les réémettent dans toutes les directions. Une partie retourne vers la surface terrestre, laquelle s’échauffe encore un peu plus [c’est nous qui soulignons] : c’est l’effet de serre. Celui-ci assure actuellement à la surface de la Terre une température moyenne de 15 °C ».

17Ce qui retient notre attention dans cette explication de l’effet de serre, c’est le fait que rien n’est dit à ce niveau du discours sur la raison pour laquelle la surface terrestre pourrait arrêter de s’échauffer : pour le lecteur, difficile de s’y retrouver entre régime transitoire et régime permanent, si tant est qu’il ait conscience du problème. Soulignons que l’équilibre thermique du système Terre-atmosphère est bien annoncé mais plus tard. Un encadré, dans lequel est présenté un schéma illustrant les échanges énergétiques, est lui plus précis, puisqu’il indique que « Le système Terre-atmosphère ayant atteint un équilibre thermique, le bilan radiatif net est nul ». Le terme « atteint » laisse supposer que cet état fait suite à un régime transitoire durant lequel les échanges énergétiques et la température de la surface terrestre ont évolué, mais ce décodage est laissé à l’initiative du lecteur.

18Vu la médiatisation importante du phénomène, les exemples de ce type ne manquent pas (voir également : Viennot, 2007).

2.3. Des difficultés de diverses natures

  • 9 Pour un état des lieux plus large, voir par exemple, Purdue University, 2008 ; Ekborg & Areskoug, 2 (...)

19Les difficultés liées à la compréhension de l’effet de serre naturel et du réchauffement climatique ont fait l’objet de nombreuses recherches. Par souci de concision, nous ne présentons que celles qui concernent directement notre problématique9.

  • 10 Signalons que, même pour de futurs enseignants ayant suivi une formation universitaire conséquente (...)

20De nombreuses études ont été publiées sur les concepts de température et de chaleur, en particulier sur leur assimilation souvent faite par les élèves (Pour un état des lieux, voir : Viennot 1997). En lien avec ces recherches, les caractéristiques du raisonnement des élèves dans différents champs de la physique, électricité (Closset, 1989) et thermodynamique classique élémentaire (Rozier, 1988 ; Rozier & Viennot, 1991) en particulier, ont été identifiées : l’effet de serre avec l’élaboration d’un bilan équilibré est un terrain de prédilection pour la mise en évidence, chez les élèves, des raisonnements de type séquentiel. L’explication des élèves repose le plus souvent sur l’« histoire d’un capital », histoire définie comme une succession d’événements affectant le capital en des lieux et à des instants différents. Cette séquentialisation conduit au caractère local du raisonnement. Elle se révèle par conséquent comme un « obstacle à une différenciation entre système physique et milieu extérieur associé, et semble donc interdire toute analyse en termes de bilan énergétique » (Rozier, 1988)10. En effet, l’écriture d’un bilan suppose, qu’après avoir défini le système sur lequel il va être effectué, l’on se place à un instant t donné et que, par conséquent, les différents flux énergétiques soient considérés à ce même instant t. Cette écriture de bilan, même correctement interprétée, apporte peu de choses aux élèves en termes d’« explication » du phénomène. Outre le fait de venir à l’encontre du caractère instantané d’un bilan, cette chronologie des événements peut venir masquer le caractère permanent du phénomène, à savoir ici la constance de la température lorsque les différents bilans sont équilibrés.

21Ce sont ces difficultés autour de la mise en relation entre instantanéité des bilans, simultanéité des échanges et évolution temporelle des grandeurs physiques, qui nous ont orientés dans l’élaboration de la méthodologie de recueil de données, notamment pour le choix des supports mis en œuvre.

3. Méthodologie de recueil des données

  • 11 Ces élèves ont donc suivi en seconde l’enseignement de SVT consacré à l’effet de serre. Le choix de (...)
  • 12 À noter que l’équipe éducative n’a pas participé à l’étude.

22Notre recueil de données s’appuie sur l’analyse des réactions d’élèves lors d’un parcours proposé autour de l’effet de serre naturel, parcours pouvant les conduire à prendre conscience de l’existence d’un régime permanent quasi-stationnaire et à construire un bilan équilibré. Ce recueil s’est effectué lors d’entretiens individuels pour trois élèves de la même classe de première scientifique11. Le cours sur l’énergie et le principe de sa conservation, pour lequel une première approche peut être menée à partir du phénomène de l’effet de serre, n’a pas encore été donné au moment où se déroulent les entretiens12. Le déroulement de l’entretien s’appuie fortement sur l’utilisation d’un modèle expérimental (Komorek & Duit, 2004) ainsi que sur la production et la lecture de schémas, supports fréquemment utilisés pour présenter l’effet de serre. Nous soulignons qu’il s’agit plus ici d’un repérage de difficultés des élèves que d’une simulation de situation d’enseignement, même si la frontière reste difficile à placer, car le questionnement a été adapté aux réponses fournies par chaque élève au fil de la chronologie des différentes phases de l’entretien.

3.1. Déroulement des entretiens

23Ces entretiens (voir protocole tableau 1) d’une durée de 30 minutes environ sont de type semi-directif et ont pris appui sur un certain nombre d’outils et de techniques : questionnement ouvert avec production d’un schéma explicatif (phase 1), questionnement avec appui sur un modèle expérimental et sur des courbes représentant l’évolution temporelle des températures (phase 2) conduisant à une nouvelle demande de production de schémas (phase 3), et enfin discussion autour de schématisations issues de la vulgarisation (phase 4).

3.2. Mise en œuvre des supports

24Nous détaillons dans cette partie la mise en œuvre des différents supports lors des entretiens.

3.2.1. e modèle expérimental

  • 13 Modèle très simplifié car, d’une part, il ne simule pas la production anthropique de CO2 et, d’autr (...)

25Ce modèle expérimental est très simple : un récipient en verre retourné sur une chaise et éclairé par une lampe. Deux prises de température sont effectuées, l’une à l’intérieur du récipient, l’autre à l’extérieur.13

26La modélisation de l’effet de serre par une serre horticole est très classique. Même si elle fait l’objet de critiques (Pour une discussion de la modélisation, voir par exemple : Delaygue & Urgelli, 2003) car l’explication du réchauffement à l’intérieur de la serre tient bien moins au phénomène d’absorption-émission infrarouge des parois de la serre qu’à l’absence de phénomènes convectifs ; son utilisation reste propice à la construction d’une première interprétation satisfaisante du phénomène par des élèves à ce niveau d’enseignement.

Tableau 1 : les différentes phases du protocole d’entretien

Phases de l’entretien

Outils

Quelques questions posées

Objectifs visés

Phase 1

Questionnement ouvert

avec production d’un schéma explicatif

Qu’est-ce que l’effet de serre selon toi ?

Peux-tu me faire un schéma explicatif en le commentant ?

Accéder à une première représentation par l’élève de l’effet de serre (ES)

Phase 2

Modèle matériel

avec prévision argumentée,

comparaison aux résultats expérimentaux et interprétation

En quoi cette expérience est-elle un modèle de l’effet de serre ?

À quoi correspond chaque élément de l’expérience ? Quel rôle chacun joue-t-il ?

Analyser l’apport du modèle matériel dans la représentation de l’ES

Courbes d’évolution temporelle de température

Que peux-tu dire au sujet de cette courbe ?

Est-elle en accord avec ce que tu as prévu concernant l’évolution de température ?

Comment expliques-tu cette évolution ?

Repérer la prise de conscience de l’atteinte d’une température d’équilibre et de l’existence des régimes transitoire et permanent pouvant donner lieu à un bilan

Modèle matériel, courbes, schéma explicatif

Est-ce que ce modèle correspond bien à l’effet de serre sur Terre ?

Faire discuter les valeurs des températures mesurées à l’équilibre thermique et les limites du modèle

Phase 3

Deuxième production d’un schéma explicatif

Si tu devais expliquer l’effet de serre à quelqu’un, que ferais-tu et que lui dirais-tu ?

Analyser l’évolution éventuelle de la représentation de l’ES, ainsi que celle du raisonnement mené

Les deux schémas produits

Y a-t-il des différences entre tes deux schémas ?

Repérer chez les élèves leur prise de conscience d’éventuelles évolutions

Phase 4

Deux schémas de vulgarisation

Selon toi, lequel de ces deux schémas explique le mieux l’effet de serre ? Pourquoi ?

Évaluer la capacité des élèves à analyser les schémas présentés relativement à l’établissement d’un bilan radiatif

27Les éléments de l’analogie entre l’effet de serre naturel et le modèle expérimental dont l’identification est attendue des élèves, sont donnés dans le tableau 2.

Tableau 2 : les différents éléments de l’analogie

Modèle
expérimental

Surface
de la chaise

Paroi supérieure
du récipient

Air
dans le récipient

Air
dans la pièce

Lampe

Effet de serre

Surface terrestre

GES

atmosphère

espace

Soleil

28Pour des raisons pratiques (durée du phénomène), l’évolution complète des températures à l’intérieur et à l’extérieur du récipient modélisant la serre n’a pas été observée à partir du modèle matériel mais a été présentée à partir de courbes (figure 1) extraites d’un manuel scolaire (Beaujard et al., 2000). Cette phase est pensée comme un moment clé de l’entretien, visant à conduire les élèves à distinguer les régimes transitoire et permanent et à associer la constance de la température à l’établissement d’un régime permanent.

Figure 1. L’évolution des températures à l’intérieur et à l’extérieur de la serre.

Figure 1. L’évolution des températures à l’intérieur et à l’extérieur de la serre.

29Le questionnement lors de la phase 2 de l’entretien repose sur un cycle prévision argumentée-observation-interprétation (White & Gunstone, 1992) avec une confrontation aux explications et schéma fournis lors de la phase 1 (voir tableau 1).

30Lors de la phase 3, une deuxième production de schéma est demandée aux élèves pour permettre une évaluation de l’évolution de la pensée des élèves à la suite du questionnement autour du modèle matériel et de leur prise de conscience de cette évolution.

3.2.2. Les schémas de vulgarisation

31L’image, quelle que soit sa forme, est de plus en plus présente dans a communication scientifique et en particulier dans le secteur éducatif. Une vigilance soutenue doit lui être accordée afin qu’elle constitue une aide et non pas un obstacle à la compréhension des élèves (voir par exemple : Colin, Chauvet & Viennot, 2002). Concernant l’explication de l’effet de serre et la présentation des bilans associés, des schématisations sont d’utilisation courante. La lecture des schémas relatifs à l’écriture des bilans (voir par exemple : encadré 2), peut, sans précaution, s’avérer difficile puisque l’élève peut tenter d’allier, à partir d’un même schéma, compréhension d’un bilan et celle du phénomène dans son évolution. C’est pourquoi nous avons choisi de présenter aux élèves, en fin d’entretien, deux documents (document 1 et document 2 dans la suite) figurant un ou plusieurs schémas. Leurs réactions face à ces schémas contribuent à évaluer le chemin parcouru et l’impact des images présentées sur le raisonnement des élèves.

32Le document 1 (schéma de l’encadré 3) concerne le réchauffement climatique. C’est le schéma déjà présenté lors de notre analyse de contenu pour illustrer certaines difficultés : il pourrait donc venir renforcer celles des élèves ou, au contraire, les amener à une analyse critique de la schématisation.

33Le document 2 (voir encadré 4) (Dufresne, 2001), est celui dont nous nous sommes inspirés pour réaliser l’encadré 2 figurant dans notre analyse de contenu. Trois schémas pour une compréhension du rôle des GES y sont associés intégrant en particulier le fait qu’avec ou sans GES, rien ne change dans le bilan énergétique « vu » de l’espace.

Encadré 4 : document 2 montré aux élèves

Encadré 4 : document 2 montré aux élèves

© Dufresne J.-L., L’effet de serre, 2001

34Notons dans les schémas du document 2, concernant l’élaboration de bilans, la présence d’éléments facilitateurs, ou du moins déclencheurs (les indications chiffrées) mais également d’obstacles potentiels, telles les symbolisations différentes des rayonnements solaires et infrarouges, non propices à une prise en compte d’une grandeur commune sur laquelle effectuer un bilan, ou celles des différents systèmes (surface terrestre, atmosphère, GES).

3.3. Méthode d’analyse des données

  • 14 Une intervention d’élève est repérée par un codage du type A(X/269) : Xe intervention lors de l’ent (...)

35Le corpus de données est constitué des transcriptions intégrales des trois entretiens ainsi que des schémas réalisés par les élèves questionnés, dénommés A, B et C dans la suite.14

36Il s’agit essentiellement d’une analyse thématique selon deux axes principaux, la distinction entre régimes transitoire et permanent et l’élaboration de bilans. Les points de convergence entre les différentes idées des élèves questionnés sont soulignés, en lien avec les obstacles et blocages concernant l’établissement d’un bilan radiatif. Les aspects spécifiques à chacun des élèves sont également dégagés. L’analyse fine des termes employés est ici indispensable. Comme souligné plus haut, une attention particulière est accordée à la production et à la lecture des schémas par les élèves. Enfin, le rôle des supports mis en œuvre, aide ou obstacle à la compréhension, et le niveau de guidage requis durant les entretiens, sont discutés pour indiquer un premier balisage d’une séquence d’enseignement apprentissage.

4. Analyse des entretiens et principaux résultats

37Avant d’examiner en détail comment les élèves parviennent à concevoir l’existence de régimes transitoire et permanent et à établir des bilans énergétiques, commençons par un premier constat lourd de conséquences pour l’interprétation du phénomène.

4.1. Une absence remarquable

38Le rayonnement infrarouge, ainsi que le phénomène d’absorption-émission correspondant, ne sont à aucun moment évoqués par les élèves interrogés.

39Un seul type de rayonnement est le plus souvent envisagé, « rayonnement du Soleil » pour les élèves A et B, « des rayons UV, UVA et UVB » pour l’élève C.

40Les seules interactions entre rayonnement et matière sont qualifiées par les élèves de « réflexion » dans la plupart des cas, plus rarement de « réfraction ».

41Voici par exemple le schéma fourni par l’élève B (figure 2) où les GES semblent être assimilés à la surface de séparation entre deux milieux, ici sans doute, l’atmosphère et l’espace, situation classique d’optique géométrique où prennent place les phénomènes de réflexion et réfraction. Notons que, outre les légendes rajoutées par l’élève B lors de la deuxième demande de production de schéma (« rayon réfracté » et deuxième demande de production de schéma rayon « conservé » »), l’élève B n’a pas fait évoluer son schéma, ce qui constitue un indicateur de la prégnance forte de son raisonnement.

Figure 2 : schéma produit par l’élève B pour expliquer l’effet de serre

Figure 2 : schéma produit par l’élève B pour expliquer l’effet de serre

42L’absorption-émission infrarouge étant occultée, il est très difficile pour l’élève de saisir la réciprocité de la relation entre température d’un corps et échanges énergétiques avec les autres systèmes. Le lien entre transfert radiatif et variation de température d’un corps est par conséquent très peu, voire aucunement, explicité par les élèves.

43C’est à partir de ce premier constat que nous présentons la façon dont les élèves sont amenés à s’interroger sur le caractère transitoire de l’augmentation des températures et sur l’atteinte d’un régime permanent.

4.2. Existence d’un régime permanent et distinction avec un régime transitoire

44Nous prenons successivement le cas des trois élèves interrogés en précisant les conditions dans lesquelles cette distinction entre régimes transitoire et permanent apparaît.

45Pour l’élève A, l’idée d’un équilibre « naturel » non respecté par l’intervention humaine est présente dès le début de l’entretien, mais sans élément permettant de repérer la prise en compte d’un régime transitoire. Ce n’est que beaucoup plus tard dans l’entretien, lors de la présentation des courbes d’évolution de température (phase 3, voir protocole tableau 1) que l’établissement du régime permanent après un régime transitoire apparaît dans le discours, même si ce n’est que de manière allusive : l’air n’est pas totalement chauffé à l’intérieur [de la serre] (A(108/269)).

46La prévision de l’évolution de la température dans la serre par l’élève B s’avère correcte : Elle [la température dans la serre] va évoluer mais à un moment ça va atteindre une température max (B(30/184)). Une interprétation du régime transitoire est fournie lors de la présentation des courbes d’évolution de la température : La lumière est emprisonnée et comme ça produit de la chaleur, plus [longtemps] on met la lumière et plus la chaleur est conservée (B(78/184)). Rien ne permet ici d’envisager l’atteinte d’un état d’équilibre et lorsque la question est posée, la réponse est un aveu d’échec : Je sais pas (B(86/184)).

47On voit ici toute l’importance qu’il y a à souligner le caractère transitoire du phénomène pour que l’histoire déroulée par l’élève ne vienne pas masquer la permanence du phénomène, lors de l’atteinte du régime stationnaire. Cette phase de l’entretien conduira alors à la production d’hypothèses par l’élève B pour permettre une première construction d’un bilan que nous examinons par la suite.

48C’est également lors de la prévision de l’évolution des températures (phase 3, voir protocole tableau 1), que l’élève C précise l’existence des régimes transitoire et permanent : Elle [le récipient] va contenir la chaleur, donc ça [la température] va augmenter au fur et à mesure […] À un moment, elle [la température] va atteindre sa température maximum (C(48/307)).

49Nous retenons tout d’abord que le caractère transitoire, voire divergent, du phénomène ou de son interprétation n’est à aucun moment énoncé de façon spontanée par les élèves lors des entretiens. Par contre, une fois présenté un élément déclencheur, ici une demande de prévision ou une présentation de l’évolution de la température, l’idée qu’un système évolue vers une situation d’équilibre est facilement acceptée. Il semble que l’idée d’une divergence des phénomènes physiques soit exclue par ces élèves.

50Une fois l’idée de régimes transitoire et permanent acceptée, le plus difficile réside dans la justification du passage d’un régime à l’autre et, par conséquent dans la construction de l’idée de bilan.

4.3. La construction de l’idée de bilan

51Nous examinons ici à quel moment l’idée de bilan apparaît de façon relativement explicite dans le discours des élèves.

4.3.1. Quand l’idée de bilan se manifeste-t-elle ?

52L’élève A précise, dès le début de l’entretien, que la chaleur reste donc emprisonnée ce qui fait que la balance thermique de la Terre n’est pas respectée, ce qui fait qu’il fait plus chaud que ce qu’il devrait faire (A(20/269)). Mais cette notion de « balance thermique » très tôt évoquée ne sera que très peu reprise par l’élève A.

53Ce n’est que lors de l’interprétation de la constance de la température à l’intérieur et à l’extérieur du récipient (phase 3, voir protocole tableau 1) qu’un bilan est clairement exprimé par l’élève B : Quand il [le récipient] en reçoit trop [de chaleur], […] il rejette plus de chaleur donc ça permet d’équilibrer (B(88/184)).

  • 15 Confusion très fréquemment repérée entre trou dans la couche d’ozone et réchauffement climatique.

54L’idée de bilan apparaît encore plus tardivement pour l’élève C, au moment de la production du deuxième schéma (phase 4 voir protocole tableau 1) : après une discussion sur le rôle joué par le trou dans la couche d’ozone pour expliquer le réchauffement climatique15, l’élève C conclut : S’il n’y avait pas de trou, ça maintiendrait une sorte d’équilibre entre les rayons qui rentrent et ceux qui sortent […] [on en déduit] donc que la température est constante (C(156/307)).

55L’idée de bilan, pour deux des trois élèves interrogés, ne se manifeste que relativement tardivement dans les entretiens, en tout cas pas avant la présentation des courbes d’évolution de température qui semble constituer un élément déclencheur. Cette production de bilan équilibré ne signifie pas pour autant que celui-ci soit correctement effectué. C’est ce que nous allons à présent examiner.

4.3.2. Des idées s’opposant à la construction de bilan

Un découplage complet entre effets de serre naturel et anthropogénique

56Le premier schéma (voir figure 3) produit par l’élève A en début d’entretien illustre le caractère purement anthropique attribué à l’effet de serre, confirmé par le commentaire suivant :

La chaleur, elle vient de la production, de l’activité humaine mais elle reste coincée à cause de cette serre (A(20/269)).

57Le modèle construit par l’élève A, très éloigné du modèle de référence, laisse très peu de place aux échanges énergétiques. Très peu d’indices sont donc laissés concernant l’élaboration d’un bilan même si, après questionnement, le rôle « stabilisateur » des rayonnements solaires sur la température est évoqué en arguant du fait que la chaleur émise par le Soleil, c’est la même (A(144/269)).

58Le caractère équilibré des phénomènes naturels est opposé à celui plus destructeur de l’intervention humaine comme souligné en fin d’entretien : [l’effet de serre est dû] à la double activité en fait : le rayonnement du Soleil qui est naturel, plus l’activité d’émission de CO2 qui est excessive sur Terre (A(237/269)).

Figure 3. Une origine purement anthropique de l’effet de serre

Figure 3. Une origine purement anthropique de l’effet de serre

Une idée d’« emprisonnement »

59Autre idée forte exprimée dès le début de l’entretien et s’opposant à celle d’échanges énergétiques, c’est celle d’« emprisonnement ». Cette idée très fréquemment repérée chez les élèves (Andersson & Wallin, 2000 ; Koulaidis & Christidou, 1999) mais également dans la vulgarisation scientifique (voir encadré 3), voire dans les manuels scolaires (Martinez, 2010), autorise une interprétation simple de l’effet de serre : la « chaleur est piégée » par une « couche » qui la « renvoie vers la Terre ». Le rôle des GES se limite alors à celui d’une barrière matérielle empêchant le départ de la « chaleur » vers l’espace.

60Voici des extraits illustrant cette tendance très présente en début d’entretien.

61On a des émissions de CO2 (voir figure 3) qui restent coincées dans cette espèce de serre […] la chaleur reste stockée enfin reste emprisonnée dans notre serre (A(12/269)).

Certains gaz comme le CO2emprisonnent les rayons du soleil. Quand ils arrivent sur la Terre, ils sont réfléchis et ces gaz les empêchent de repartir en dehors de l’atmosphère (B(2/184)). La lumière est emprisonnée et comme ça produit de la chaleur, plus on met la lumière et plus la chaleur est conservée (B(78/184)).

Certains rayons sont emprisonnés et se réfléchissent sur Terre, enfin ils restent dans l’atmosphère au lieu de partir (C (2/307)).

Une difficulté renforcée par le modèle matériel : une centration sur l’air contenu dans le récipient

62Le repérage des différents systèmes intervenant dans l’effet de serre, condition nécessaire à l’établissement de bilans énergétiques cohérents, constitue une réelle difficulté. Pour preuve, le repérage des différents éléments de l’analogie (voir tableau 3) n’a été que très partiellement effectué par les élèves et n’est en tout cas pas intervenu de façon spontanée lors de la présentation de l’expérience. À noter que l’air dans la pièce n’a jamais été explicitement désigné comme l’analogue de l’espace, ce qui n’est que peu surprenant vu le fort centrage des élèves sur le récipient, dont la paroi est le plus souvent assimilée à un obstacle aux échanges. Relevons enfin que seul l’élève B dont, sans nul doute, l’interprétation est la plus proche de celle du physicien, a mis en relation paroi du récipient et GES.

Tableau 3 : repérage des éléments de l’analogie entre modèle matériel et système (Terre-GES-atmosphère-Soleil)

Surface
de la chaise

Paroi
du récipient

Air dans le récipient

Air
dans la pièce

lampe

Terre

GES

atmosphère

espace

Soleil

Élève A

X

X

Élève B

X

X

Élève C

X

X

63Il semble donc que, pour ces élèves, l’identification des différents éléments du système soit difficile à mener ou, tout simplement, ne leur soit pas nécessaire pour donner une interprétation de l’effet de serre, puisque celle-ci reste principalement centrée sur l’air contenu dans le récipient. Des précautions doivent donc être prises en particulier concernant la mesure des températures et la compréhension du rôle de la paroi du récipient pour que le modèle matériel se révèle comme une aide et non un obstacle.

64Les obstacles à l’établissement de bilan sont donc très forts. Au fil de l’entretien, la prise de conscience par les élèves interrogés des contradictions auxquelles conduisent leurs interprétations, les amène à formuler des hypothèses pour maintenir la cohérence de leurs discours. Nous en donnons quelques exemples.

4.3.3. Des hypothèses ad hoc pour un bilan équilibré

Une idée de « remplissage » du récipient

65L’élève B se trouve face à deux éléments contradictoires, d’une part la « conservation de la chaleur » dans le récipient et d’autre part, le constat de l’atteinte d’un équilibre thermique à partir du modèle expérimental. Pour assurer la cohérence de son discours, l’élève B propose successivement deux hypothèses. La première justification est la suivante : Le récipient ne reçoit plus les rayons comme avant (88/184). L’élève B pourrait penser à une réflexion des rayons solaires à l’entrée de l’atmosphère due peut-être à un « trop plein » du récipient. Nous retrouvons cette idée de « trop plein » dans la deuxième hypothèse formulée aussitôt après : Quand il [le récipient] en reçoit trop [de chaleur], […] il rejette plus de chaleur donc ça permet d’équilibrer (90/184).

66L’élève B ne semble donner aux échanges, avant l’atteinte de l’équilibre thermique, qu’une seule direction, de l’extérieur vers le système considéré, la Terre ou la serre : la réciprocité des échanges nécessaire à la construction de bilan semble donc très peu présente dans le raisonnement de l’élève à propos de cette phase transitoire.

Des hypothèses uniquement centrées sur les propriétés du récipient et de son contenu

67L’élève C reprend, pour justifier l’état d’équilibre atteint, une hypothèse ad hoc déjà formulée : Chaque volume a sa température maximum (C(74/307)). L’interprétation apportée confirme cette centration : des particules [issues de la pollution] restent dans l’atmosphère […] et captent des rayons lumineux […] jusqu’à ce qu’elles soient toutes occupées par un rayon lumineux (C(137/307)). Le raisonnement repose uniquement sur une propriété intrinsèque du récipient, son volume, et sur celles de son contenu, avec une idée originale de saturation pour expliquer l’atteinte d’une température maximale : par conséquent il éloigne l’élève de considérations en termes d’échanges énergétiques entre systèmes.

68Nous retenons que les trois élèves ont choisi, de manière non explicite il est vrai, le récipient comme système sur lequel appliquer un bilan.

69Ce choix conduit à des obstacles dans l’interprétation du phénomène. D’une part, le fort centrage sur les propriétés du récipient s’effectue au détriment d’une analyse en termes d’échanges énergétiques : le raisonnement s’appuie sur les caractéristiques spatiales du récipient en les opposant à celles de la pièce, espace réduit/grand espace ou espace clos/espace ouvert. D’autre part, quand les élèves parlent du récipient, ils pensent essentiellement à l’air qu’il contient et c’est la « chaleur » reçue ou perdue par ce volume d’air qui est discutée, avec comme témoin le thermomètre placé à l’intérieur. Or, c’est justement l’élément qui est supposé, dans notre modélisation simplifiée, ne pas participer aux échanges.

70Les réactions des élèves lors de la production ou de la lecture de schémas apportent d’autres éléments concernant leurs difficultés relatives à l’élaboration de bilan.

4.4. Lecture des schémas et établissement de bilan

71Nous avons indiqué la difficulté à allier, à partir d’un même schéma, déroulement d’une histoire pour expliquer un phénomène et conception du caractère instantané et simultané des échanges pour élaborer un bilan. Cette difficulté est illustrée en s’appuyant sur la lecture des schémas produits par les élèves B et C, et de ceux présentés lors des entretiens (schémas des encadrés 3 et 4).

4.4.1. Résonance entre lecture des schémas et raisonnement séquentiel

72Commençons par un exemple typique.

73Voici le discours de l’élève B à propos d’un de ses schémas (voir figure 2) : On a le Soleil qui envoie des UVA et des UVB […] ensuite, ils sont réfractés sur la Terre et il se trouve qu’il y en a certains qui arrivent à s’échapper de cette couche [de GES] et d’autres qui sont par cette couche emprisonnés […] donc du coup ils sont renvoyés vers la Terre et ils sont conservés dans cette couche (B(120/269)).

74Ce déroulement très classique qui permet à l’élève de fournir une interprétation du phénomène n’est, comme nous l’avons déjà souligné, nullement propice à l’établissement d’un bilan, par nature instantané.

75Cette résonance entre lecture des schémas et raisonnement séquentiel est confirmée dans les exemples qui suivent où nous nous attachons à mettre en évidence la séquentialisation temporelle introduite par ce type de raisonnement.

4.4.2. Séquentialisation temporelle et lecture des schémas

76Pour chacun des schémas présentés (document 1, encadré 3) et document 2, encadré 4), nous soulignons comment les interprétations du phénomène par les élèves interrogés s’appuient sur une succession temporelle d’événements localisés.

Document 1 : un schéma rassurant pour les élèves

77Notons, tout d’abord que le document 1 engage, comme prévu, les élèves B et C à assimiler rayonnement et « chaleur » jusqu’à employer les expressions de « chaleur réfléchie » et de « chaleur réfractée », ces mêmes élèves ayant tenu jusqu’alors, surtout pour l’élève C, un discours centré sur la notion de « rayon ».

78L’élève B se montre capable de produire, à partir du document 1, un bilan cohérent avec l’idée de réchauffement climatique : Il y a plus de chaleur conservée dans la couche avec beaucoup de CO2 qu’à l’extérieur parce qu’on voit que le rayon, enfin la chaleur réfractée par la Terre, elle est divisée en deux flèches et on voit que celle qui est partie dans l’atmosphère [en fait dans l’espace], elle est plus petite (B(164/184)). Ce bilan « local » ne prend pas en compte le flux énergétique entrant du rayonnement solaire. Remarquons que l’élève prend appui sur l’épaisseur différente des flèches à la limite de l’atmosphère et que cet indicateur n’est pas appliqué au sujet de la flèche représentant les rayons du Soleil, marquant ainsi le caractère très sélectif de sa mise en œuvre par l’élève.

79L’élève C s’appuie elle aussi sur un raisonnement à caractère local : Il y a plus de chaleur qui reste dans les environs de la Terre que celle qui ressort (C(200/307)). Elle indique que c’est un bon schéma si ça [la température] augmente (C(206/307)) et précise qu’il faudrait des flèches de même taille dans le cas où la température est constante pour signifier qu’il y a égalité entre la chaleur qui reste et celle qui ressort (C(214/307)).

80Ce caractère temporellement localisé du raisonnement appliqué à la limite de l’atmosphère où les épisodes précédents de l’histoire, pourtant déjà énoncés, ne sont plus pris en compte, éloigne les élèves de la construction de bilans énergétiques sur les différents systèmes. La présentation du schéma a, en accord avec l’interprétation des élèves, ne les a donc en aucune manière déstabilisés, ce qui ne sera pas le cas pour le document 2.

Le document 2 : un schéma déstabilisant

  • 16 Nous ne présentons pas ici les difficultés occasionnées par la non reconnaissance de la symbolisati (...)

81Le schéma b3 de l’encadré 4, comme nous l’avons déjà indiqué, est difficile à déchiffrer par les élèves.16 Nous nous intéresserons plus spécifiquement aux obstacles qui peuvent se manifester lors de sa lecture par les élèves, relativement à l’élaboration d’un bilan équilibré.

82L’attention de l’élève A s’est peu portée sur ce schéma dont l’abord est jugé difficile : Je ne vois pas trop en fait ce que ça représente (A(227/269)). Après une explicitation de la symbolisation, l’élève A conclut que ce serait un schéma pour la création de la serre (A(257/269)), conclusion ne faisant aucunement allusion aux échanges énergétiques lors du régime permanent.

83Les réactions des élèves B et C pour lesquelles le questionnement a été plus poussé, sont révélatrices des difficultés liées à la lecture des schémas et à la mise en résonance d’un raisonnement séquentiel.

84Voici le discours de l’élève B accompagnant la lecture du schéma b3 (figure 4) : Là, il y a les rayons du Soleil qui arrivent, donc la chaleur dégagée par ces rayons, c’est la grosse flèche et les deux petites flèches […] soit les rayons, euh la chaleur est lâchée en dehors de cette couche, soit elle est répercutée encore sur la planète (B(150/184)).

Figure 4. Un exemple d’une séquentialisation temporelle du raisonnement (commentaire d’élève à propos du schéma b3)

Figure 4. Un exemple d’une séquentialisation temporelle du raisonnement (commentaire d’élève à propos du schéma b3)

85Relevons à nouveau la séquentialisation temporelle du raisonnement puisque la chaleur « répercutée encore sur la planète » est occultée lors de cette phase de l’analyse. Cette lecture qui suit successivement les différents trajets comme les épisodes d’une histoire conduit l’élève B à attribuer la « chaleur » issue de la surface terrestre uniquement aux rayons solaires incidents ; ceci mène l’élève B à une impasse lorsqu’une prise en compte des indications chiffrées est effectuée : Je ne comprends pas pourquoi des UV 100, on est passé directement à 200 (B(160/184)).

86Nous retrouvons chez l’élève C le même type de raisonnement séquentiel prenant appui sur le schéma b3 (encadré 4) : Il y en a 100 [rayons] qui arrivent, après il y en a 200, à la fin 100 qui restent et 100 qui repartent (C(280/307)). Tous les indicateurs de temporalité sont présents. Confrontée à ce « doublement » des rayons incidents, l’élève C est contrainte de proposer une hypothèse ad hoc : l’existence de « particules » dont l’action serait de « capter » les rayons pour ensuite les « doubler » (C(252/307)).

87Notons que les élèves ont fait très peu de lien entre les schémas b1, b2 et b3, liens qui auraient pu les aider dans la compréhension du schéma b3. Un fort guidage se révèle donc nécessaire si de telles schématisations sont mises en œuvre dans un parcours d’enseignement-apprentissage.

88La lecture du schéma b3 par les élèves a fortement mis en évidence leur difficulté à comprendre que le rayonnement, ou la « chaleur » pour les élèves, émise par la surface terrestre résulte du cumul du flux énergétique des rayons solaires incidents et de la « chaleur » renvoyée par les GES. Cette difficulté n’était pas apparue avec le schéma a. Ce sont les indications chiffrées figurant sur le schéma b qui se sont révélées déstabilisantes pour les élèves car elles ne peuvent s’interpréter selon le déroulement d’une histoire sans émettre des hypothèses ad hoc.

Des tentatives de raisonnement plus global lors de la lecture des schémas

89Le caractère très localisé des raisonnements des élèves a rarement laissé place à un raisonnement prenant en compte plus globalement le système Terre-atmosphère. Ces prises en compte restent encore empreintes d’une temporalité comme en témoignent les exemples qui suivent.

Introduction d’une temporalité dans un bilan

90L’élève C présente le deuxième schéma (figure 5) qu’elle a produit, de la manière suivante : Comme ça, je fais rentrer ça [les trois rayons entrant dans l’atmosphère] et ce qui sort c’est les trois [les trois rayons sortant de l’atmosphère]. Comme ça, quand les trois, ils arrivent, ben les trois ils sont déjà [c’est nous qui soulignons] sortis (C(170/307)).

91Le raisonnement de l’élève C s’appuie essentiellement sur le contenu de la « serre » qui ne doit pas varier si l’équilibre est atteint. Mais il semble que, pour ce faire, la lecture du schéma et le caractère séquentiel de son raisonnement ne lui permettent pas de penser la simultanéité des événements et la contraignent à décaler dans le temps l’entrée et la sortie des rayons.

92Malgré ce décalage temporel, le résultat du bilan pour le système (Terre + atmosphère dont GES) peut s’avérer correct avec, notons-le, un appui sur un comptage des flèches entrantes et sortantes de l’atmosphère. Mais qu’en est-il lorsque l’on pénètre dans la « serre » ?

Figure 5. Une tentative de bilan mais s’appuyant sur une temporalité

Figure 5. Une tentative de bilan mais s’appuyant sur une temporalité

93Notons que l’élève C semble avoir progressé au fil de l’entretien puisque concernant le schéma b2 (encadré 2) relatif au système (Terre + atmosphère) un bilan est clairement formulé en en précisant le caractère instantané : Au total, ça équilibre les choses puisqu’il y en a 100 qui arrivent et 100 qui repartent en même temps […] ça montrerait plutôt que la température, elle reste constante (C(288/307)).

94Mais il demeure que les nombreuses tentatives pour construire des bilans à l’aide du schéma b3 sont restées vaines, venant à nouveau souligner la nécessité d’un fort guidage des élèves pour parvenir à une lecture correcte. Les difficultés pour construire un bilan pour la surface terrestre ou l’atmosphère, plus précisément les GES, sont de taille puisqu’en toute fin d’entretien, l’élève C analyse ainsi le deuxième schéma (figure 5) qu’elle a produit : Avec mon schéma, on ne voit pas qu’il y en a [des rayons] qui sont doublés mais qu’à la fin ça s’équilibre (C(304/307)).

Une analyse plus globale des échanges

95Nous avons déjà relevé précédemment le raisonnement à caractère local mené par l’élève B à propos du document 1.

96Il se trouve que cette élève a effectué, plus tard dans l’entretien, une approche prenant en compte de manière plus globale le système (Terre–atmosphère). Pour construire son bilan, l’élève B s’est appuyée sur un comptage de flèches (voir figure 6) sur l’ensemble du système : Quand il y a les rayons du Soleil qui arrivent, il y a la chaleur qui est en cours pour, ou se reporter dans l’atmosphère, ou […] pour se libérer de cette couche. Donc, ça conserve deux fois plus que ça en rejette (B(154/184)).

Figure 6. Une tentative de bilan global mais avec appui sur une séquentialisation « ça conserve deux fois plus que ça en rejette. »

Figure 6. Une tentative de bilan global mais avec appui sur une séquentialisation « ça conserve deux fois plus que ça en rejette. »

97Remarquons que l’élève B n’a pas pris en compte dans son bilan la « chaleur en cours », puisque cette élève considère, sans doute, celle-ci comme en « transit » vers son partage entre « chaleur libérée » vers l’espace et « chaleur reportée » dans l’atmosphère : il pourrait s’agir à nouveau d’une manifestation de la séquentialisation temporelle introduite par l’élève pour assurer la cohérence de son raisonnement.

98Nos résultats confirment les difficultés anticipées liées à la lecture des schémas : renforcement des obstacles, lorsque schématisation et raisonnement des élèves entrent en résonance, et lecture des schémas conduisant à un raisonnement séquentiel à caractère temporellement localisé.

5. Conclusion et perspectives

99Sur ces études de cas nous avons relevé une absence remarquable, celle du phénomène d’émission-absorption infrarouge, qui a fortement contraint les élèves dans leur explication de l’effet de serre : l’émission infrarouge des gaz à effet de serre en direction de la surface terrestre est assimilée à la « chaleur bloquée » à la limite de l’atmosphère.

100L’essentiel de nos résultats est centré sur la mise en évidence des difficultés liées au caractère temporellement localisé du raisonnement séquentiel très souvent mis en jeu par les élèves. Cette localisation du raisonnement s’est particulièrement manifestée lors de l’utilisation de schémas. Nous avons pu constater que les trois élèves interrogés se sont montrés très à même de repérer sur des schémas des indicateurs (couleur, forme, taille des éléments fléchés, nombre de ces éléments, légende, indications chiffrées) et de s’en servir pour construire leur raisonnement. Ils font preuve d’une grande inventivité pour tenter de contourner les difficultés en prenant appui soit sur des hypothèses ad hoc, soit sur le caractère local de leur raisonnement associé à un repérage très approximatif des différents systèmes. Ainsi, le rayonnement infrarouge réémis par les gaz à effet de serre n’est pas pris en compte dans celui émis par la surface terrestre ou, lors de l’inventaire des rayonnements entrant et sortant de l’atmosphère, le rayonnement solaire est parfois oublié. Dans ces conditions, la construction de bilan par ces élèves est apparue très difficile. Seule une élève s’est montrée capable de produire un bilan cohérent pour le système surface terrestre-atmosphère en fin d’entretien.

101Une première évaluation des différents supports utilisés lors des entretiens a été menée. Certains se sont révélés être de réels éléments facilitateurs, telles les courbes d’évolution de température pour la mise en évidence des régimes transitoire et permanent, ou des éléments déclencheurs, ou tout au moins déstabilisateurs, telles les indications chiffrées présentes sur un schéma pour la construction d’un bilan. D’autres, au contraire, telle la mesure de la température au centre de la serre, ont fait obstacle à la compréhension des élèves. Les schémas ont en particulier retenu notre attention puisqu’ils servent fréquemment d’appui aux raisonnements des élèves. Certains d’entre eux, notamment issus de la médiatisation, viennent renforcer les difficultés des élèves. Nous avons enfin montré toute la difficulté à allier explication du phénomène et construction de bilan à partir d’un même schéma.

102Un premier balisage pour une séquence d’enseignement-apprentissage a pu être dressé dont nous présentons quelques éléments.

103L’analyse des entretiens souligne la nécessité d’un net découplage entre effet de serre naturel et réchauffement climatique pour assurer la distinction entre les caractères naturel et anthropogénique de l’effet de serre.

104Dans une première étape, il est important d’insister sur le couplage entre température de surface, type de rayonnements émis et absorbés et échanges énergétiques, et, à cette occasion, sur la distinction entre régimes transitoire et permanent. Le cas simple d’une planète sans atmosphère peut servir de point de départ (voir encadré 1). Dans une deuxième étape, un modèle très simplifié de l’effet de serre (voir encadré 2) avec une modélisation expérimentale pourrait servir d’appui pour une première explication du phénomène en insistant sur le repérage des systèmes, les types de rayonnements mis en jeu et les échanges énergétiques. Ce n’est qu’ensuite qu’une construction de bilans à l’équilibre thermique pourrait être abordée pour chacun des systèmes en précisant la nature commune des quantités échangées, à savoir des flux énergétiques, et en insistant sur leur caractère instantané et simultané. Une discussion sur les limites du modèle matériel et de l’analogie associée, concernant notamment l’échauffement de l’atmosphère, pourrait être menée et conduire à un modèle plus sophistiqué et à une première approche du réchauffement climatique.

105Nous avons montré tout l’intérêt des échanges avec les élèves autour de la production et de la lecture de schémas pour la mise en évidence de leur raisonnement. Ces schémas pourraient également servir de supports à la conduite de débat en classe sur les critères concernant leur efficience pour construire une explication de l’effet de serre.

106Ces résultats ne concernent qu’un effectif très réduit d’élèves et nécessitent une confirmation auprès d’un échantillon plus important.

107Deux points font l’objet de recherche en cours avant la construction d’un parcours d’enseignement-apprentissage détaillé : l’analyse de manuels scolaires et de la vulgarisation scientifique d’une part, une enquête auprès d’enseignants d’autre part.

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Notes

1 Cette étude s’appuie sur un travail mené dans le cadre d’un mémoire de tutorat (Tran Tat, 2009) du master recherche Didactique des disciplines de l’université Paris-Diderot.

2 Nous distinguons effet de serre naturel et anthropogénique selon la prise en compte ou non du caractère anthropique de la production des gaz à effet de serre.

3 Pour un exposé détaillé sur les structures thermiques verticale et horizontale des différentes couches atmosphériques et sur la dynamique des mouvements atmosphériques, voir par exemple :<http://media4.obspm.fr/public/DEA/supports/Cours3.pdf.>.

4 En toute rigueur, il faudrait considérer la surface terrestre comme une surface d’échange entre la Terre et l’atmosphère. Par souci de concision, nous conserverons cette dénomination dans la suite du texte.

5 Pour être plus précis, il faudrait parler de régime stationnaire de non-équilibre puisque le maintien des températures des systèmes n’est dû qu’à la permanence d’échanges énergétiques équilibrés.

6 Il s’agit bien d’une température moyenne car les flux énergétiques dépendent de nombreux facteurs dont l’insolation suivant la position géographique, les conditions météorologiques, en particulier la nébulosité, ou encore suivant l’échelle de temps considérée (alternance jour/nuit, saison, période climatique).

7 En toute rigueur, les bilans s’effectuent sur des densités de flux énergétique exprimées en W/m2, soit sur la quantité d’énergie échangée en une seconde par une surface de 1 m2.

8 L’albédo est le rapport entre les flux réfléchi et diffusé par la surface et le flux solaire incident reçu.

9 Pour un état des lieux plus large, voir par exemple, Purdue University, 2008 ; Ekborg & Areskoug, 2006.

10 Signalons que, même pour de futurs enseignants ayant suivi une formation universitaire conséquente sur l’effet de serre, aucun d’entre eux n’indique, en réponse à une question où il leur est demandé d’en donner une explication, que température sur Terre et bilan des échanges énergétiques sont étroitement associés (Ekborg & Areskoug, 2006).

11 Ces élèves ont donc suivi en seconde l’enseignement de SVT consacré à l’effet de serre. Le choix de ces élèves s’est effectué en tenant des contraintes fortes liées à la production du mémoire de recherche.

12 À noter que l’équipe éducative n’a pas participé à l’étude.

13 Modèle très simplifié car, d’une part, il ne simule pas la production anthropique de CO2 et, d’autre part, la mesure de la température du siège de la chaise, analogue de la surface terrestre, n’est pas effectuée.

14 Une intervention d’élève est repérée par un codage du type A(X/269) : Xe intervention lors de l’entretien avec l’élève A sur 269 interventions, ce qui peut constituer un indicateur de temps.

15 Confusion très fréquemment repérée entre trou dans la couche d’ozone et réchauffement climatique.

16 Nous ne présentons pas ici les difficultés occasionnées par la non reconnaissance de la symbolisation des différents systèmes (surface terrestre, atmosphère, GES), les flèches verticales ayant été assimilées à des maisons par deux élèves, car elles ont été surmontées par un guidage approprié lors des entretiens.

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Table des illustrations

Titre Encadré 1 : régime transitoire et régime permanent pour une planète sans atmosphère (l’épaisseur des flèches symbolise l’importance respective des flux énergétiques).
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/504/img-1.png
Fichier image/png, 76k
Titre Encadré 2 : bilan radiatif très simplifié de l’effet de serre naturel
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/504/img-2.png
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URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/504/img-3.png
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Titre Figure 1. L’évolution des températures à l’intérieur et à l’extérieur de la serre.
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/504/img-4.png
Fichier image/png, 142k
Titre Encadré 4 : document 2 montré aux élèves
Crédits © Dufresne J.-L., L’effet de serre, 2001
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/504/img-5.png
Fichier image/png, 57k
Titre Figure 2 : schéma produit par l’élève B pour expliquer l’effet de serre
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/504/img-6.png
Fichier image/png, 47k
Titre Figure 3. Une origine purement anthropique de l’effet de serre
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/504/img-7.png
Fichier image/png, 37k
Titre Figure 4. Un exemple d’une séquentialisation temporelle du raisonnement (commentaire d’élève à propos du schéma b3)
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/504/img-8.png
Fichier image/png, 55k
Titre Figure 5. Une tentative de bilan mais s’appuyant sur une temporalité
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/504/img-9.png
Fichier image/png, 67k
Titre Figure 6. Une tentative de bilan global mais avec appui sur une séquentialisation « ça conserve deux fois plus que ça en rejette. »
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/504/img-10.png
Fichier image/png, 256k
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Pour citer cet article

Référence papier

Philippe Colin et Noëmie Tran Tat, « Difficile compréhension de l’effet de serre : comment concevoir un parcours d’enseignement-apprentissage au lycée ? »RDST, 4 | 2011, 109-138.

Référence électronique

Philippe Colin et Noëmie Tran Tat, « Difficile compréhension de l’effet de serre : comment concevoir un parcours d’enseignement-apprentissage au lycée ? »RDST [En ligne], 4 | 2011, mis en ligne le 15 février 2014, consulté le 29 novembre 2021. URL : http://journals.openedition.org/rdst/504 ; DOI : https://doi.org/10.4000/rdst.504

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Auteurs

Philippe Colin

colin.didac@wanadoo.fr
Université d’Artois, IUFM Nord-Pas de Calais ; université Paris-Diderot, laboratoire de didactique André Revuz

Articles du même auteur

Noëmie Tran Tat

noemietrantat@yahoo.fr
Université Paris-Diderot, master recherche didactique des disciplines

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Droits d’auteur

© Éditions de l’École normale supérieure de Lyon

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