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Dossier

Comment une situation d’investigation policière fait évoluer les conceptions d’élèves de troisième sur l’ADN

How does a forensic science situation make 9th grade students’ conceptions about DNA evolve
Reinaldo Saavedra, Patricia Marzin-janvier et Isabelle Girault
p. 77-106

Résumés

Le travail présenté porte sur l’analyse d’une situation d’investigation policière implémentée dans l’environnement informatique SCY-Lab. Le premier objectif est de vérifier si la mise en place de la situation permet aux élèves de faire évoluer leurs conceptions concernant la molécule d’ADN d’une part et les représentations des élèves sur l’analyse biologique d’une scène de crime d’autre part, qui renvoie à des pratiques professionnelles du technicien en analyse scientifique. Le deuxième objectif consiste en l’analyse de processus de résolution des problèmes auxquels les élèves sont confrontés.
Les résultats d’un test auprès de quatre élèves volontaires de fin de troisième montrent qu’à l’issue de la situation, les élèves ont une meilleure connaissance des aspects structuraux de l’ADN (séquence de nucléotides et double hélice) et de son niveau biologique (dans la cellule, dans le noyau). Concernant la compréhension des techniques d’analyse biologique utilisées dans le cadre d’une enquête policière, les résultats montrent que, même s’ils ont compris le principe de l’obtention des profils génétiques, il semble que les élèves n’aient toujours pas une vision claire de ce que le terme « profil ADN » recouvre. Cette pré-expérimentation a permis de faire évoluer les ressources, les consignes et les activités implémentées sur la plateforme qui seront proposées à nouveau à un plus grand nombre d’élèves.

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Texte intégral

Les auteurs remercient Rachel Julien, qui a organisé l’expérimentation, et Yann Lhoste, pour son aide précieuse à la réécriture de l’article.

1La mise en place de l’enseignement d’exploration « méthodes et pratiques scientifiques » implémenté en classe de seconde prévoit une initiation des élèves à la démarche d’investigation dans le cadre de projets interdisciplinaires. L’objectif de cet enseignement, énoncé dans les programmes, est de permettre aux élèves de découvrir différents domaines des disciplines scientifiques, de montrer leurs synergies, de motiver les élèves pour les sciences en les présentant sous un angle plus concret et centré sur les méthodes et les approches. La séquence d’enseignement étudiée s’inscrit, en France, dans le thème « science et investigation policière ». C’est dans ce contexte que se place cette contribution qui porte sur l’analyse d’une situation d’investigation mise en œuvre grâce à l’environnement informatique d’apprentissage SCY-Lab, dont le but est de placer les élèves dans des projets scientifiques interdisciplinaires appelés « missions ». Les objectifs de la mission intitulée « laboratoire de police scientifique » sont de faire apprendre aux élèves des notions en mathématiques (traitement statistique des données), en chimie (solubilité, solvant) et en biologie (structure, caractéristiques et propriétés de l’ADN), mais aussi des méthodes et des techniques d’analyse en criminalistique (examen d’une scène de crime, recueil d’échantillons, analyse de matériel biologique, recherche d’empreintes génétiques). Les objectifs notionnels et méthodologiques sont liés par le fait que les élèves doivent expliciter les principes des techniques d’analyses effectuées, en justifier le choix et les mettre en œuvre. Nous montrons de façon détaillée pourquoi l’interprétation des données expérimentales (profils d’ADN) implique la construction de connaissances sur la structure de l’ADN, et que l’analyse de l’ADN permet de déterminer directement le coupable. Il s’agit de faire passer les élèves d’une représentation de l’ADN d’une échelle chromosomique (le chromosome est composé d’ADN), à une échelle moléculaire (l’ADN est une séquence de nucléotides).

2Le premier objectif de cette recherche est de vérifier si la mise en œuvre de cette situation permet de faire évoluer positivement les conceptions des élèves sur l’ADN et leurs représentations sur les techniques d’analyse scientifiques. Le deuxième objectif est de mettre en parallèle les productions finales des élèves avec une modélisation a priori portant sur la résolution de problèmes au cours de cette mission.

3Nous mobilisons dans cette étude le cadre théorique des conceptions et de la problématisation.

4Après avoir développé le contexte de la recherche et le cadre théorique du travail, nous exposons dans une première partie l’analyse épistémologique, qui nous a permis de modéliser les conceptions des élèves et la résolution de problèmes techniques à laquelle nous voulons conduire les élèves au cours de la situation.

5Notre corpus est composé des réponses individuelles aux questionnaires (pré-test, post-test) ainsi que des enregistrements des productions écrites des élèves réalisées sur la plateforme informatique SCY-Lab. Finalement, au vu de nos résultats, nous nous demandons quelles peuvent être les répercussions de ce dispositif sur l’apprentissage par les élèves des concepts et méthodes visés, dans le cadre du programme « méthodes et pratiques scientifiques ».

1. Contexte

6« Science Created by You »1 est un projet européen dont le but est de développer un environnement d’apprentissage informatique en sciences et technologie, flexible, ouvert, qui s’adresse à des élèves de 12 à 18 ans (De Jong et al., 2010). Dans cet environnement, appelé SCY-Lab, les élèves s’engagent individuellement et collectivement dans des projets scientifiques interdisciplinaires, guidés par les démarches d’investigation et appelés « missions », dont le but est la résolution d’une question socio scientifique. Dans SCY-Lab, les activités sont organisées dans des « Learning Activity Spaces » (espaces d’activités pour l’apprentissage) ou LAS. Chaque LAS est défini par rapport à un type d’activité donné dans lequel les élèves sont amenés à réaliser diverses productions que nous appelons « Emerging Learning Objects » (objets émergents d’apprentissage) ou ELO (voir des exemples de LAS et d’ELO dans le tableau 1). Au fur et à mesure que les élèves se déplacent dans les différents LAS, ils peuvent revenir sur les ELO construits auparavant, soit pour les utiliser dans la construction d’un nouvel ELO, soit pour les compléter. La mission « laboratoire de police scientifique » engage les élèves dans une enquête scientifique s’inspirant de faits réels relatés grâce à la narration d’une enquête policière dans un web journal. La fonction de l’enquête policière est de créer une mise en scène dans le but de motiver les élèves en les faisant vivre une situation « authentique » qu’ils puissent associer à un fait divers. Les élèves suivent une succession d’évènements reconstruits relatés dans un web journal et qu’ils peuvent associer ou non à la recherche scientifique qu’ils sont en train de réaliser. Trois ressorts différents sont utilisés :

  • un premier ressort motivationnel (enrôlement dans la démarche) par le biais d’un jeu de rôle (technicien de la police scientifique) qui vise la projection des élèves dans le rôle d’un professionnel qui mène une enquête scientifique dont le but est la recherche de preuves expérimentales ;

  • un second ressort motivationnel par le biais d’un web journal qui relate un fait divers et qui présente les rebondissements de l’enquête policière dont le but est la recherche des suspects d’un crime ;

  • un ressort didactique par le biais d’apprentissage et de mobilisation de notions, de méthodes et de techniques d’analyses biologiques.

7Les intentions motivationnelles constituent une mise en scène pédagogique au service des intentions didactiques. Nous n’avons pas étudié l’influence des effets motivationnels sur la réussite de la tâche, même si nous pensons que c’est un facteur favorisant. Nous avons focalisé notre étude sur les objectifs didactiques car l’objectif premier était que les élèves fassent et apprennent des sciences. Le caractère authentique de la situation (jeu de rôle, challenge) a été mis en avant par les concepteurs pour toutes les missions du projet SCY.

Tableau 1 : présentation des activités réalisées par les élèves dans les LAS et les ELO de la mission.

  • 2 Au vu de la complexité du protocole expérimental (enzymes de restriction et électrophorèse sur gel) (...)
LAS ELO Détail des activités dans chaque ELO
Information Examen de la scène de crime Les élèves recherchent des informations (guide du laboratoire, animations vidéo, pages web) pour :
– écrire sous forme d’un texte une définition de l’ADN ;
– établir une liste d’échantillons à collecter sur la scène de crime ;
– proposer sous forme d’un texte des précautions à prendre lors du recueil et du transport de ces échantillons.
Orientation But de l’analyse Les élèves rédigent dans un texte le but de l’analyse et ils anticipent les résultats.
Choix des techniques Les élèves identifient et sélectionnent les techniques d’analyse qui permettent de répondre au problème et ils les représentent sous forme d’une carte conceptuelle.
Conception Protocole expérimental2 Les élèves rédigent une hypothèse puis ils lisent le protocole expérimental dans le manuel de laboratoire.
Expérimentation Résultats de l’expérience Les élèves mettent en œuvre les techniques décrites dans le protocole (enzymes de restriction et électrophorèse sur gel).
Analyse Conclusion de l’expérience Les élèves interprètent leurs données et concluent à partir des résultats.
Rapport Rapport officiel Les élèves font la synthèse de leurs résultats et rédigent sous forme d’un texte une conclusion fiable et objective pour le ministère public.

8Au cours de cette mission les élèves ont donc un rôle de technicien de la police scientifique et leur travail consiste à faire une comparaison d’échantillons d’ADN (à partir d’extraits d’ADN qui ont été apportés directement aux élèves) pour rendre un rapport final au ministère public.

9Pour naviguer d’un LAS à l’autre, les élèves utilisent une carte de la mission. La figure 1 présente cette carte ainsi que l’exemple d’un LAS avec un ELO ouvert. Pour l’élaboration des ELO, les élèves ont à leur disposition une série de ressources telles que des animations vidéos, des textes et des schémas, qui sont rassemblés dans un « manuel de laboratoire » numérique. Les activités à réaliser sont définies par des consignes qui se trouvent à gauche de l’ELO quand il est ouvert.

Fig. 1 : présentation de la carte de la mission « laboratoire de police scientifique », présentant l’enchaînement des espaces et présentation du « LAS analyse »(copie d’écran de la partie biologie du SCY-Lab).

Fig. 1 : présentation de la carte de la mission « laboratoire de police scientifique », présentant l’enchaînement des espaces et présentation du « LAS analyse »(copie d’écran de la partie biologie du SCY-Lab).

10Les objectifs d’apprentissage de la mission englobent des compétences scientifiques générales (recherche d’information, organisation des données, mise en œuvre cohérente d’une démarche expérimentale) ; des concepts de biologie (structure, spécificité et universalité de la molécule d’ADN ; niveaux d’organisation biologique de l’information génétique) ; et des éléments concernant la recherche en criminalistique (techniques d’analyse d’ADN, recherche de correspondance entre les profils). Au cours de l’enquête scientifique, les élèves doivent effectuer une recherche de preuves. Pour cela ils doivent construire des profils ADN à partir d’extraits d’ADN qui leur sont fournis. Le profil de l’échantillon prélevé est comparé à des profils de personnes connues. S’il y a correspondance entre ce profil et le profil d’une personne dont l’identité est connue, il sera possible de conclure quant à la présence probable de cette personne sur la scène de crime (et non à sa culpabilité !). Pour mener ce raisonnement et pour comprendre ce qu’est un profil, avec une explication rationnelle, des éléments de connaissances sont apportés aux élèves au cours de la mission sur :

  • le principe des trois techniques utilisées : extraction de l’ADN à partir d’échantillons biologiques (non réalisée par les élèves), enzymes de restriction et électrophorèse sur gel ;

  • la structure moléculaire de l’ADN (séquence de nucléotides) et ses caractéristiques (universalité et spécificité).

11Il s’agit d’amener les élèves d’un modèle chromosomique de l’ADN (les chromosomes sont constitués d’ADN) à un modèle moléculaire (l’ADN est une séquence de nucléotides spécifique à chaque individu). Nous faisons l’hypothèse que ce changement de modèle se fera au cours de la mission grâce à l’interaction entre les connaissances préalables des élèves, les activités à réaliser, les consignes et les ressources et aussi par le fait que les élèves formalisent leurs réponses personnelles sous différentes formes (quatre textes, une carte conceptuelle, une photographie du gel et les annotations de la photo) dans les ELO. Les élèves ne se contentent pas de lire des textes ou de regarder des animations, ils doivent prélever des informations dans différents supports pour élaborer une production dont les attendus sont précisés dans les consignes. L’analyse a priori présentée, dans la section 4.2., en termes de résolution de problème, permet d’étayer notre hypothèse quant au rôle de la mission dans le changement de modèle relatif à l’ADN.

2. Cadre théorique de référence

2.1. Conceptions des apprenants sur l’ADN, les niveaux d’organisation de l’information génétique et la recherche en criminalistique

12Le premier aspect de notre cadre théorique comprend la notion de « conception ». Nous définissons les conceptions comme un ensemble organisé de connaissances permettant aux élèves de donner du sens à une ou plusieurs situations-problèmes qui leur sont proposées. Cet ensemble constitue un modèle qui peut être reconstruit par le chercheur à partir des représentations externes produites par l’élève. Les conceptions sont mobilisées dans une situation et dans un contexte donné et elles peuvent évoluer (ou être construites) quand les élèves sont confrontés à cette situation (Astolfi et al., 1997, p. 147).

13Pour modéliser les conceptions des élèves, et en faisant l’hypothèse que les élèves impliqués dans la situation peuvent rencontrer les mêmes difficultés que d’autres élèves si ces difficultés sont liées à la nature même du savoir, nous avons sélectionné dans la littérature des conceptions sur l’ADN et la génétique en lien avec notre étude. Au cours des deux dernières décennies, plusieurs recherches dans le champ de l’apprentissage en génétique ont montré, par exemple, que l’étude des structures et des fonctions en jeu dans la synthèse des protéines entraîne plusieurs types de difficultés chez les apprenants. Une difficulté concerne la compréhension des interactions existant entre les différents niveaux d’organisation impliqués dans l’expression des gènes, comme la localisation précise de la molécule d’ADN dans le noyau ou dans la cellule, elle-même insérée dans un tissu, composant d’un organisme (Horwitz, 1996 ; Lewis & Wood-Robinson, 2000 ; Marbach-Ad & Stavy, 2000 ; Stewart & Van Kirk, 1990). De même, les étudiants confondent souvent les rôles des structures et des fonctions en génétique. Des travaux ont identifié des difficultés à considérer les gènes à la fois comme une unité physique (séquence d’ADN) et comme une unité d’information génétique (notion de code) et des difficultés à construire un raisonnement permettant de comprendre le lien entre phénotype moléculaire, phénotype cellulaire et phénotype macroscopique (Bahar, Johnstone, & Sutcliffe, 1999 ; Fisher, 1985 ; Marbach-Ad, 2001 ; Venville & Treagust, 1998). Friedrichsen et Stone (2004) ont mené une étude aux États-Unis pour étudier les conceptions spontanées des élèves sur la structure en double hélice de l’ADN afin de faire des propositions pour améliorer la compréhension de ce modèle. Lorsqu’ils ont demandé à des étudiants (futurs enseignants non scientifiques) de dessiner la molécule d’ADN, huit étudiants sur douze n’ont dessiné qu’une seule échelle, et ont été incapables d’identifier les éléments composant cette structure. Ducan et Reiser (2007) ont exploré les difficultés des élèves dans la compréhension des phénomènes de génétique moléculaire. La première source des difficultés mentionnée par ces auteurs provient de l’invisibilité et l’inaccessibilité des phénomènes génétiques. Pour les étudiants, il est très difficile de comprendre des phénomènes qui s’appuient sur des petites entités (souvent cachées), c’est-à-dire, d’étudier des notions et des processus qui ne peuvent être directement manipulés expérimentalement (Gilbert, Osborne & Fensham, 1982 ; Kapteijn, 1990).

14La recherche en criminalistique utilise des techniques d’analyses issues de nombreux domaines (balistique, entomologie, toxicologie, cryptologie, chimie, biologie, etc.). Ces techniques sont portées à la connaissance du public par divers médias par le biais de documentaires ou de fictions. Du fait du succès de ces fictions, en particulier auprès des jeunes, une importante littérature analyse par exemple quelle image de la science les séries policières véhiculent et comment les techniques présentées sont comprises et interprétées par le public (Nguyen et al., 2011). Nous nous sommes appuyés sur certaines de ces études qui s’intéressent à la façon dont les élèves se représentent les analyses génétiques. Evett (1996) a exploré les conceptions existantes sur la criminalistique et la notion de profil ADN. Il postule que l’idée de considérer la science comme exacte et objective peut conduire à des idées fausses. Par exemple, une des conceptions communes est le fait de considérer qu’un profil ADN peut donner des informations sur l’apparence externe ou sur les hypothétiques maladies génétiques d’une personne. Souvent il est considéré aussi à tort qu’un profil ADN est capable de donner des informations précises et totalement fiables (avec une absence d’erreur). Une autre conception est le fait de considérer que toute la séquence d’ADN d’une personne est répertoriée dans une base de données.

15Nous faisons l’hypothèse que ces conceptions peuvent être une source de difficultés pour les élèves impliqués dans la situation, par exemple pour interpréter les données expérimentales qu’ils obtiennent. Nous faisons également l’hypothèse que, par l’activité dans laquelle ils vont être engagés au cours de la mission que nous avons analysée a priori en termes de résolution de problème, leurs conceptions initiales vont évoluer. De plus, nous faisons l’hypothèse que le fait de faire travailler les élèves en tant que technicien de la police scientifique en manipulant de vrais échantillons d’ADN et en utilisant des techniques d’analyse d’ADN, et d’analyser les résultats obtenus permettra aux élèves de mieux comprendre les phénomènes et les principes qu’impliquent cette expérience, et de surmonter les difficultés liées à l’invisibilité des phénomènes biologiques.

2.2. De la problématisation à la résolution de problèmes

16Le deuxième aspect de cette recherche s’ancre dans le cadre théorique de la problématisation. Celle-ci s’inscrit dans une approche rationaliste du savoir scientifique (Bachelard, 1949 ; Popper, 1998 ; Canguilhem, 1965) dans laquelle la construction de problème est un moyen d’accès à la connaissance scientifique. Les travaux relatifs à la problématisation se sont particulièrement intéressés aux moments d’apparition de controverses en classe (Orange, 2000, 2003 ; Orange-Ravachol, 2003 ; Lhoste, 2006) dans le cadre de problèmes explicatifs. La problématisation scientifique est caractérisée comme « une mise en tension explicite de deux registres, le registre empirique et celui des modèles » (Orange, 2000), où les élèves explicitent les raisons et les nécessités sur le modèle.

17Dans la situation que nous venons de présenter, nous pouvons décrire le milieu dans lequel les élèves vont travailler comme un milieu composé d’éléments du registre empirique et du registre des modèles (la situation vise à faire évoluer le modèle du support de l’information génétique par le biais de plusieurs activités). Néanmoins, les élèves ne sont pas impliqués dans un processus de problématisation au sens d’Orange (2000), car les raisons et les nécessités sur le modèle ne sont pas explicitées par les élèves.

18Par ailleurs nous ne pouvons pas dire qu’il y a construction de problèmes explicatifs mais plutôt résolution de problèmes techniques, c’est-à-dire des problèmes où ce qui importe c’est d’abord la solution. Dans le cadre de la problématisation, Fabre parle de problémation qu’il définit ainsi : « on dira que le processus fonctionne plutôt en problémation si la construction du problème s’effectue en prenant en compte les conditions du problème mais sans les expliciter » (Fabre, 2005, p. 9), ce qui semble correspondre à notre situation. Les problèmes auxquels sont confrontés les élèves portent sur les caractères d’universalité (indice de parenté entre tous les êtres vivants) et d’unicité (la séquence de nucléotides varie entre les individus) de l’ADN, sur la structure moléculaire de l’ADN (séquence de nucléotides) et sur les principes des techniques d’analyse utilisées. Pour modéliser la situation, nous identifions le registre empirique et le registre des modèles ainsi que les règles à utiliser par les élèves pour résoudre les problèmes. À partir de ce cadre, pour analyser les productions des élèves nous avons défini a priori comment les élèves peuvent résoudre les problèmes qui leurs sont proposés.

3. Analyse épistémologique

19L’analyse est centrée sur les LAS information et orientation, car des activités de résolution de problèmes sont proposées aux élèves uniquement dans ces deux espaces. Les résultats de ces deux activités sont formalisés dans les ELO de ces LAS. Dans les deux LAS suivants (« conception de l’expérience » et « expérimentation »), les élèves prennent connaissance du protocole et ils réalisent l’expérience. Dans les LAS « analyse » et « rapport » ils font une synthèse des activités précédentes.

20L’analyse comporte trois parties :

  • La définition des objectifs d’apprentissages visés pour deux LAS (« information » et « orientation »), ainsi que les notions repérées dans les programmes de 3e. Ces notions vont permettre aux élèves de s’engager dans le traitement des problèmes ;

  • Les activités réalisées par les élèves dans les deux LAS sélectionnés. Nous précisons les nouvelles notions rencontrées par les élèves au cours de ces activités et l’importance de ces notions pour la réussite des tâches demandées ;

  • Les conceptions des élèves en lien avec les notions impliquées dans chaque LAS.

Tableau 2 : objectifs d’apprentissage visés et pré acquis.

LAS Objectifs d’apprentissage visés Pré acquis(programme de 3e)
Information Les caractéristiques de la molécule d’ADN (universalité, unicité, support de l’information génétique) vont conditionner les précautions à prendre lors de la scène de crime. Les chromosomes sont le support de l’information génétique.
Les chromosomes sont constitués d’ADN (sous forme pelotonnée lors de la division cellulaire).
Chaque chromosome contient de nombreux gènes (unité d’information génétique).
Orientation Un technicien de police scientifique est un chercheur en criminalistique qui agit avec des échantillons et techniques spécifiques.À chaque individu correspond un profil ADN.Il est possible d’attribuer un profil ADN à un individu en le comparant à un profil de référence.
La mise en place des différentes techniques d’analyse d’ADN permet d’obtenir un profil d’ADN.

21Le tableau 2 présente les objectifs d’apprentissage visés pour les deux LAS et les acquis sur lesquels ils pourraient s’appuyer. Avant le travail dans la mission, les élèves ont rencontré le concept « d’information génétique », défini au niveau chromosomique. La molécule d’ADN est définie comme la composante des chromosomes, visibles pendant la division cellulaire (résultat du processus de pelotonnement de l’ADN). Dans cette partie du programme, l’accent est aussi mis sur les différents niveaux d’organisation de l’information génétique : ADN, gène et chromosomes. Les notions de structure de la molécule d’ADN, séquences des nucléotides et de profil d’ADN n’ont pas été rencontrées auparavant par les élèves.

3.1. Les activités réalisées par les élèves

22Dans cette partie, nous précisons les activités réalisées par les élèves dans les deux LAS étudiés et les éléments apportés par les ressources de la plateforme.

Tableau 3 : productions attendues, activités proposées aux élèves et nouvelles notions rencontrées.

LAS Productions demandées aux élèves Travail des élèves dans la plateforme Nouvelles notions rencontrées
Information ELO examen de la scène de crime
– Une définition de l’ADN
– Une liste comprenant : les types des échantillons à prendre, les précautions à prendre lors du prélèvement et lors du transport des échantillons.
Les élèves cherchent de l’information apportée par les ressources de la plateforme (vidéos, animations, guide de laboratoire). – La structure de l’ADN (double hélice, succession des nucléotides)
– Les caractéristiques de la molécule d’ADN (universalité, unicité, support, sa nature)
Orientation ELO but de l’analyse

– Un texte qui mentionne la spécialité criminalistique des élèves.
– Un texte qui précise le but de l’expérience, et dans lesquels les termes « profil ADN » et « profil de référence » doivent être utilisés.
Les élèves doivent s’informer, en lisant le manuel de laboratoire, sur le travail réalisé par chaque spécialiste en criminalistique. – Profil ADN
– Échantillon
– Profil de référence
ELO choix des techniques
– Un schéma qui explique le principe de chaque technique d’analyse d’ADN choisie (3 parmi plusieurs).
Observation des différentes techniques d’analyse d’ADN sous la forme d’animations ou vidéos. – Extraction de l’ADN
– Enzymes de restriction
– Electrophorèse

23Dans le LAS « information », le travail des élèves dans la plateforme leur permet d’approfondir le concept d’information génétique. Les connaissances apportées par les ressources leur permettent d’aborder l’ADN au niveau moléculaire, par l’étude de représentations du modèle de la double hélice de l’ADN composée de deux brins complémentaires constitués d’un enchaînement de nucléotides. Les caractéristiques d’universalité et d’unicité de l’ADN sont aussi abordées par les élèves dans cette partie.

24Dans le LAS « information », les élèves se posent aussi la question du prélèvement et du transport des échantillons prélevés sur la scène de crime. Nous attendons que les élèves résolvent le problème suivant « en quoi le caractère universel de la molécule d’ADN indique les précautions à prendre dans le prélèvement et le transport des échantillons ». Pour répondre au problème, les élèves doivent également mobiliser les concepts suivants :

  • le principe d’universalité et d’unicité au moment de réfléchir aux précautions à prendre lors du prélèvement et du transport des échantillons ;

  • le principe de support de l’information génétique en réfléchissant au niveau macroscopique et en établissant une relation entre les notions d’échantillon biologique et d’ADN.

25Dans le LAS « orientation », pour l’ELO « but de l’analyse », il est demandé aux élèves de préciser leur spécialité en criminalistique et le but de l’expérience. Les ressources de la plateforme présentent différents types de spécialités en criminalistique. Parmi toutes les spécialités, il est présenté celle du technicien de police scientifique qui effectue des profils d’ADN. Dans cette partie les élèves rencontrent la notion de « profil d’ADN », définie comme le résultat d’une analyse génétique, et rendant possible l’identification d’une personne à partir d’une petite quantité de ses tissus biologiques.

26Pour construire cet ELO les élèves doivent se questionner sur le fait qu’il est possible d’attribuer un profil ADN à un individu en le comparant à un profil de référence. Pour répondre à ce questionnement les élèves doivent mobiliser les concepts suivants (travaillés précédemment dans le LAS « information ») :

  • La structure de l’ADN et son rôle comme support d’information génétique : cet aspect est très important pour pouvoir comprendre le principe de profil ADN ; le fait qu’un profil ADN apporte de l’information nécessaire pour identifier une personne ainsi que la structure nucléotidique ;

  • Les principes d’universalité et d’unicité de l’ADN : ces principes sont fonda­mentaux pour comprendre que le profil ADN repose sur le fait que deux humains possèdent une large majorité de leur patrimoine génétique en commun, mais qu’un ensemble de séquences dans leur ADN reste spécifique à chaque individu.

27Concernant l’ELO « choix des techniques » il est demandé aux élèves de choisir trois techniques d’analyse ADN nécessaires pour obtenir des profils ADN. Les élèves doivent produire une trame conceptuelle qui représente l’enchaînement des techniques à utiliser lors de l’analyse. Pour cela ils s’appuient sur les ressources de la plateforme (vidéos, animations) qui présentent le principe de chaque technique. Il est attendu que les élèves choisissent la succession des techniques suivantes : extraction de l’ADN, enzymes de restriction et électrophorèse. Pour construire cet ELO les élèves doivent résoudre le problème suivant : « en quoi les caractéristiques de la structure de l’ADN déterminent les techniques nécessaires pour obtenir un profil ADN ». Pour pouvoir comprendre le principe de chaque technique, les élèves doivent mobiliser les concepts suivants rencontrés auparavant  :

  • l’organisation de l’information génétique. Pour pouvoir assimiler le principe de la technique d’extraction d’ADN, il est important que les élèves comprennent qu’il est possible d’isoler des molécules d’ADN qui se trouvent dans le noyau des cellules, elles-mêmes composantes des tissus biologiques et des sécrétions biologiques humaines (salive, sang, sperme, etc.) que l’on peut trouver sur une scène de crime ;

  • la structure et la nature de l’ADN. Pour comprendre les phénomènes en jeu lors de la technique d’enzymes de restriction, les élèves doivent se représenter la molécule d’ADN comme une séquence de nucléotides ;

  • la notion de profil ADN. Pour saisir le principe de la technique d’électrophorèse sur gel, ils est important que les élèves comprennent que les brins d’ADN « découpés » par les enzymes n’ont pas la même taille et donc migreront plus ou moins rapidement dans le gel placé dans un champ électrique (les brins les plus petits sont plus rapides et passent plus rapidement entre les mailles du gel).

28Notre analyse épistémologique montre que la construction de chaque ELO oblige les élèves à établir des relations entre les informations apportées progressivement par les ressources de la plateforme et les tâches demandées. Les élèves commencent le travail de la mission en s’appuyant sur des acquis au niveau 3e. Seulement, ces acquis ne sont pas suffisants pour pouvoir accomplir les tâches demandées au cours de la mission. Les activités réalisées vont permettre aux élèves de rencontrer de nouvelles notions et de les utiliser de manière progressive dans chaque tâche demandée.

29À partir de l’étude bibliographique, nous avons repéré les conceptions des élèves concernant les concepts et méthodes impliqués dans cette mission. D’une part des conceptions erronées concernant l’ADN :

  • l’ADN est composé d’une chaîne de chromosomes ;

  • l’ADN est composé d’une simple échelle ;

  • l’ADN a une localisation différente de celle des chromosomes ;

  • l’ADN se situe dans le sang ;

  • l’ADN se situe dans les parties extérieures du corps tels que les cheveux, les empreintes digitales, à partir desquelles il est possible d’identifier des personnes.

30D’autre part des conceptions erronées concernant la recherche en criminalistique :

  • un profil d’ADN fournit des informations sur les caractéristiques héréditaires, maladies génétiques et l’apparence extérieure d’un individu ;

  • une analyse génétique permet d’identifier directement les coupables et innocents d’un crime ;

  • une analyse génétique permet de stocker toute la séquence d’ADN de la personne qui a commis un crime.

3.2. Modélisation de la situation dans le cadre de la problématisation

31Nous avons réalisé une analyse a priori d’une stratégie experte de résolution du problème en la représentant sous la forme d’un espace de contraintes possible. Celui-ci mobilise la représentation des espaces de contraintes de Orange (2000, p. 60-82). Le premier concerne le LAS « information » et l’ELO « examen de la scène de crime » (figure 2) et le deuxième le LAS « orientation » avec les ELO « but de l’analyse » et « choix des techniques » (figure 3). Chacun de ces espaces a été construit en nous basant sur :

  • les différentes ressources dont disposent les élèves sur la plateforme SCY-Lab ;

  • les consignes que les élèves doivent suivre pour la construction de chaque ELO ;

  • les activités que les élèves vont effectuer dans chaque LAS ;

  • les objectifs d’apprentissages visés lors du travail effectué dans chaque LAS.

32Par exemple dans l’ELO « examen de la scène de crime », les élèves doivent faire une liste de précautions à prendre lors de l’examen de la scène de crime. La consigne est la suivante :

« Faites une liste pouvant être utilisée par les enquêteurs de terrain. Votre liste doit inclure les éléments suivants :

  • une définition de l’ADN (maximum 10 lignes), dans laquelle vous expliquez pourquoi l’ADN est universel (à tous les organismes vivants) et en même temps spécifique (pour chaque individu) ;

  • une liste de types d’échantillons qui peuvent être utilisés pour une analyse ADN ;

  • une liste des précautions qui devront être prises lors du recueil des échantillons afin d’éviter la contamination ;

  • des instructions sur le transport des échantillons jusqu’au laboratoire.

À la fin de cette activité, vous devriez être familiarisés avec les concepts suivants : ADN, paire de bases, double hélice, chromosome, allèle et génotype. »

33Pour faire ce travail les élèves disposent comme ressource d’un manuel de laboratoire (voir un extrait en annexe 1) proposant plusieurs définitions et représentations de la molécule d’ADN.

34Sur la base des composants explicités ci-dessus, nous avons représenté les éléments possibles du registre empirique et du registre du modèle à articuler pour réaliser la tâche assignée aux élèves. Les éléments du registre empirique devraient émerger à partir des objets concrets, des phénomènes et des expériences qui seront manipulés par les élèves lors du travail de la mission. Les éléments du registre du modèle devraient émerger à partir des pré-acquis des élèves et à partir des informations présentées lors de la consultation des ressources de la plateforme. Nous avons mis en relation les éléments du registre empirique avec ceux du registre du modèle, ce qui nous a permis de montrer les liens possibles pour les élèves entre les éléments empiriques de la situation qui sont mis à leur disposition et les modèles qu’ils peuvent mobiliser afin de résoudre le problème auquel ils sont confrontés (figures 2 et 3).

Fig. 2 : stratégie experte de résolution de problème du LAS « information » de la mission « laboratoire de police scientifique ».

Fig. 2 : stratégie experte de résolution de problème du LAS « information » de la mission « laboratoire de police scientifique ».

35Les éléments ronds situés en haut de la figure représentent les éléments du registre empirique, les éléments dans des formes rectangles situés en bas de la figure représentent les éléments du modèle à construire. Les éléments placés entre (rectangles avec des angles arrondis) représentent les réponses attendues par les élèves ; les flèches indiquent les relations que les élèves peuvent mettre en place pour résoudre le problème. L’identification préalable de ces différents éléments va nous permettre d’analyser les productions des élèves dans les ELO.

36Dans cette partie de la mission, nous attendons, qu’en résolvant le problème, les élèves puissent mobiliser, d’une part, le principe d’universalité et d’unicité au moment de réfléchir sur les précautions à prendre lors du prélèvement et du transport des échantillons et, d’autre part, le principe de support de l’information génétique en réfléchissant au niveau macroscopique et en établissant une relation entre les notions d’échantillon biologique et d’ADN.

37Nous avons également construit les analyses a priori des stratégies de résolution des problèmes pour l’ensemble des ELO « but de l’analyse » et « choix des techniques » du LAS orientation (figure 3).

Fig. 3 : stratégie experte de résolution de problème du LAS orientation de la mission « laboratoire de police scientifique ».

Fig. 3 : stratégie experte de résolution de problème du LAS orientation de la mission « laboratoire de police scientifique ».

38Dans cette partie de la mission, les élèves doivent réfléchir aux techniques les plus pertinentes à utiliser afin d’obtenir des profils ADN et d’établir des correspondances entre elles. Cela entraîne la mobilisation des connaissances par les élèves sur la structure de l’ADN. Pour comprendre les phénomènes en jeu lors de l’expérience qu’ils réalisent, les élèves doivent se représenter la molécule d’ADN comme une séquence de nucléotides.

39Nous attendons des élèves qu’ils comprennent le principe des manipulations et des techniques permettant d’obtenir un profil ADN ; et qu’ils construisent une définition plus précise d’un profil ADN et de l’usage qui peut en être fait en recherche criminalistique.

40À ce stade de cette analyse épistémologique, nous pouvons formuler davantage nos questions de recherche :

  • Quelles sont les conceptions des élèves sur l’ADN avant la mission et en quoi la mise en œuvre de la mission permet une évolution de ces conceptions après la situation ?

  • Est-ce que les productions d’élèves, à différents moments de la mission, vont leur permettre de construire le concept d’ADN à un niveau moléculaire et de construire les principes des techniques d’analyse d’ADN utilisées ?

41Nos hypothèses sont les suivantes :

  • Les élèves vont passer d’une représentation de l’ADN d’une échelle chromo­somique (le chromosome est composé d’ADN), à une échelle moléculaire (l’ADN est une séquence de nucléotides) ;

  • Les élèves vont construire une représentation de l’analyse ADN concrète et scientifique ;

  • Les élèves vont construire des connaissances concernant les informations révélées par un profil ADN.

42Ces évolutions et ces élaborations se feront de façon progressive et les analyses comparatives des questionnaires pré et post-test et des productions des élèves comparativement aux productions attendues seront de nature à mettre nos hypothèses à l’épreuve.

4. Méthodologie

4.1. Contexte expérimental

43Cette mission a été testée en juin 2011, dans des conditions expérimentales à l’université, hors contexte scolaire, avec quatre jeunes filles volontaires terminant leur classe de troisième. Ce test est préalable à d’autres expérimentations réalisées ultérieurement avec des classes en France, en Norvège et au Pays Bas.

44Lors d’une première intervention, nous avons rencontré les élèves dans leur établissement pour leur expliquer le fonctionnement de la plateforme SCY-Lab, les objectifs généraux de la mission et ensuite pour réaliser le pré-test. Une semaine après la mission, nous avons proposé le post-test aux élèves, dans les mêmes conditions. Les élèves ont mis une vingtaine de minutes pour répondre à chaque questionnaire. Elles ont répondu aux questionnaires de façon individuelle alors qu’elles ont travaillé en binôme avec SCY-Lab.

4.2. Recueil et traitement des données

4.2.1. Analyse de l’évolution des conceptions

45Les questionnaires pré et post-test proposés aux élèves ont été conçus à partir de la documentation bibliographique concernant les conceptions des élèves (décrite dans l’analyse épistémologique) et de l’analyse a priori des contenus de la mission (à partir des consignes et des objectifs d’apprentissage inclus dans chaque LAS, nous avons identifié les concepts clés sur lesquels les élèves travaillent dans chaque espace), sans oublier l’identification des notions pré-acquises par les élèves (programme de troisième).

46L’annexe 2 présente un extrait du questionnaire proposé aux élèves qui correspond aux questions analysées. La première partie est consacrée à la génétique (questions 1 à 4), et la deuxième à la criminalistique (questions 5 à 7).

47Pour chacune de ces parties, nous avons déterminé les notions clés en nous appuyant sur les objectifs d’apprentissage de la mission et les pré-acquis des élèves. Pour la thématique de la génétique, il s’agit de l’étude de caractéristiques de l’ADN (structure, composition, emplacement et fonction de l’ADN). En criminalistique, nous avons choisi d’étudier les notions d’analyse génétique et de profil ADN. Cette partie aborde les objectifs de la criminalistique (dans le cas d’échantillons d’ADN) et les types d’informations que la criminalistique peut apporter.

48Puis nous avons formulé des questions concernant les notions mentionnées ci-dessus. Les questions formulées sont, soit des questions ouvertes dans lesquelles les élèves peuvent exprimer leurs réponses sous la forme d’un texte ou d’un schéma explicatif (questions 1, 2, 3 et 5), soit des questions à choix multiples (QCM) dans lesquelles les élèves doivent choisir une ou plusieurs réponses (dans chaque question, il existe ou moins une réponse exacte et une qui correspond à une conception erronée) (questions 4, 6 et 7).

4.2.2. Analyse des productions des élèves (ELO)

Recueil des productions des élèves

49L’outil informatique permettant la récupération fidèle des productions réalisées, nous avons pu retranscrire aisément les productions des deux groupes d’élèves. Comme mentionné précédemment, nous nous sommes concentrés sur les LAS « information » et « orientation ».

Traitement des productions des élèves

50Dans le but de vérifier si les éléments à produire par les élèves au cours de leurs travaux sont présents, nous avons étudié les productions écrites des élèves dans les ELO. Nous avons ensuite comparé ces productions réalisées avec celles issues de l’analyse a priori sous forme d’espace de contraintes (cf. figures 2 et 3).

5. Résultats et discussion

5.1. Évolution des conceptions concernant les caractéristiques de la molécule d’ADN

51Dans un premier temps nous avons comparé les réponses des élèves entre le pré-test et le post-test. Nous avons analysé les réponses concernant la molécule d’ADN dans les questions 1, 2, 3 et 4 : structure, composition, emplacement, fonction (tableau 4).

Tableau 4 : réponses des élèves au pré-test et au post-test à propos des caractéristiques de la molécule d’ADN (questions 1 à 4 du questionnaire).

Réponses attendues a) Structure : deux brins complémentaires enroulés en hélice (double hélice)
b) Composition : molécule constituée de séquences de nucléotides
c) Emplacement : l’ADN est contenu dans le noyau des cellules eucaryotes
d) Fonction : support de l’information génétique et de sa transmission au cours des générations (hérédité)
PRÉ-TEST POST-TEST
Elève A a) Pas de réponse
b) L’ADN est composé d’une séquence de nucléotides, cellules et chromosomes
c) L’ADN est dans la peau
d) Il sert à identifier des personnes
a) Pas de réponse
b) L’ADN est composé d’acides aminés et d’une séquence de nucléotides
c) L’ADN est situé dans les chromosomes
d) L’ADN est à l’origine de reproduction et de nos caractéristiques
Elève B a) L’ADN a une forme de spirale
b) L’ADN est composé d’une séquence de nucléotides, protéines et cellules
c) L’ADN est dans les chromosomes
d) L’ADN est un message génétique qui se transmet
a) Pas de réponse
b) L’ADN est composé d’une séquence de nucléotides et de gènes
c) L’ADN est situé dans les chromosomes de la cellule
d) L’ADN transmet les caractères héréditaires génétiquement
Elève C a) Pas de réponse
b) L’ADN est composé d’acides aminés, séquences de nucléotides, cellules et chromosomes
c) Pas de réponse
d) Son rôle est la gestion de l’information génétique
a) Pas de réponse
b) L’ADN est composé d’une séquence de nucléotides
c) Dans les cellules
d) « La formation de nous »
Elève D a) Pas de réponse
b) L’ADN est composé de gènes et chromosomes
c) L’ADN est dans les cellules
d) L’ADN détermine nos caractéristiques physiques
a) L’ADN a une forme de double hélice
b) L’ADN est composé d’une séquence de nucléotides
c) L’ADN se situe dans les cellules (chromosomes)
d) L’ADN produit les protéines dont l’organisme a besoin

52Seulement un élève (élève D) a pu se représenter (dans le post-test) la structure de l’ADN comme une double hélice. L’élève B mentionne (uniquement dans le pré-test) que l’ADN possède une forme de spirale. Nous associons cette réponse à la conception « L’ADN à une forme de simple échelle ».

53À propos de la composition de l’ADN, la conception « l’ADN est composé d’une chaîne de chromosomes » a été présente uniquement dans les réponses au pré-test de trois élèves (A, C et D). D’autres idées fausses (non identifiées dans la littérature) sont présentes dans les réponses au pré-test, telles que : « L’ADN est composé de cellules », « L’ADN est composé de protéines (acides aminés) ». Seule la deuxième idée (acides aminés) persiste dans la réponse de l’élève A au post-test, tandis que le reste des réponses correspondent à celle de l’expert.

54En ce qui concerne l’emplacement de l’information génétique, les réponses au pré-test sont très hétérogènes (peau, chromosomes, cellules), ou absentes (élève C) alors que les réponses au post-test font référence soit à la cellule, soit au chromosome, soit aux deux, ce qui est correct.

55Concernant la fonction de l’ADN, des éléments plus précis apparaissent dans les réponses au post-test des élèves A et D (origine des reproductions, productions des protéines).

56Ces résultats indiquent qu’à la fin de la mission, tous les élèves ont été capables de représenter la molécule d’ADN comme une séquence de nucléotides, de situer l’ADN au niveau cellulaire et de mentionner que cette molécule forme les chromosomes. De même une vision plus élargie concernant les fonctions de l’ADN est constatée suite à la mission.

57On peut donc penser que le travail dans la mission et en particulier la consultation des ressources a permis aux élèves de clarifier et d’approfondir leurs idées concernant les caractéristiques de l’ADN.

5.2. Évolution des conceptions concernant la recherche en criminalistique

58Nous avons identifié la conception « une analyse génétique permet d’identifier directement les coupables et les innocents d’un crime » dans la littérature. Cette idée a été choisie par trois élèves au pré-test. Au post-test les quatre élèves ont choisi la réponse attendue.

59« Une analyse ADN permet d’identifier les caractéristiques physiques d’une personne » correspond à une idée fausse présente uniquement au niveau du pré-test (élève B et C).

60Les réponses des élèves B et D au pré-test révèlent la présence d’une des conceptions identifiées dans la littérature : « l’analyse génétique permet d’identifier toute la séquence d’ADN d’une personne coupable ». Cependant, seule l’élève D conserve cette idée dans sa réponse finale. Les réponses concernant l’information apportée par un profil ADN ne révèlent pas d’évolution significative. Nous avons identifié dans la littérature la conception suivante : « un profil d’ADN fournit des informations sur les caractéristiques héréditaires, les maladies génétiques et l’apparence extérieure d’un individu ». On peut voir que des éléments de cette conception sont présents dans les réponses des quatre élèves aux deux questionnaires.

61Nous faisons l’hypothèse que les élèves n’ont toujours pas une vision claire du terme profil ADN, alors qu’elles semblent avoir bien compris les enjeux de l’analyse, car leurs réponses sont hétérogènes et ne correspondent toujours pas aux réponses attendues dans le post-test. Tous ces résultats coïncident avec les conceptions relevées dans la littérature (Evett, 1996), excepté le fait que le profil ADN permet de connaître le sexe d’une personne.

Tableau 5 : réponses des élèves aux pré-test et au post-test (questions 5, 6 et 7) sur les fonctions d’une analyse génétique et sur la notion de profil ADN.

Réponses attendues a) Une analyse génétique permet de comparer un échantillon d’ADN inconnu avec l’ADN d’un suspect (questions 5 et 6, réponse D)
b) Un profil ADN donne des informations sur la ressemblance entre deux échantillons d’ADN (question 7, réponse E : autre)
PRÉ-TEST POST-TEST
Elève A a) – identifier directement les coupables d’un crime
– comparer un échantillon d’ADN inconnu avec l’ADN d’un suspect
b) – le sexe d’une personne
– les gènes d’une personne
a) comparer un échantillon d’ADN inconnu avec l’ADN d’un suspect
b) les gènes d’une personne
Elève B a) – identifier les coupables d’un crime
– identifier toute la séquence d’ADN et identifier les caractéristiques physiques d’un assassin
– comparer un échantillon d’ADN inconnu avec l’ADN d’un suspect.
b) – l’apparence extérieure de l’auteur d’un crime
– le sexe d’une personne
– les gènes d’une personne
a) comparer un échantillon d’ADN inconnu avec l’ADN d’un suspect
b) – les caractéristiques héréditaires et les maladies génétiques d’une personne.
– le sexe d’une personne
– les gènes d’une personne
Elève C a) – identifier directement les coupables d’un crime
– identifier les caractéristiques physiques d’un assassin
b) – l’apparence extérieure de l’auteur d’un crime
– les caractères héréditaires et les maladies génétiques d’une personne
– les gènes d’une personne
a) comparer un échantillon d’ADN inconnu avec l’ADN d’un suspect
b) les gènes d’une personne
Elève D a) – identifier directement les coupables d’un crime
– identifier toute la séquence d’ADN d’une personne coupable
– comparer un échantillon d’ADN inconnu avec l’ADN d’un suspect
b) – le sexe d’une personne
– les gènes d’une personne
a) – identifier toute la séquence d’ADN d’une personne coupable
– comparer un échantillon d’ADN inconnu avec l’ADN d’un suspect
b) – l’apparence extérieure de l’auteur d’un crime
– les caractères héréditaires et les maladies génétiques d’une personne
– le sexe d’une personne
– les gènes d’une personne

5.3. Analyse des ELO construits par les élèves

62Les tableaux 6 et 7 ont été construits à partir des productions écrites des élèves dans les LAS « information » (tableau 6) et « orientation » (tableau 7). Les élèves ont travaillé sur la plateforme SCU-Lab par groupe de deux. Nous avons mis en relation ces productions avec les réponses prévues.

  • 3 Les textes en italique représentent les éléments de la consigne présents dans la plateforme, tandis (...)

Tableau 6 : mise en relation des productions des élèves dans le « LAS information » (ELO « examen de la scène de crime »), avec les productions attendues3.

Réponses attendues Productions du groupe 1 Productions du groupe 2 ELO
Un échantillon biologique est du matériel vivant tels que la salive, les cheveux, le sang, le sperme, etc. Liste de preuves pouvant servir à une analyse : sang, salive, cheveux,etc. Liste de preuves pouvant servir à une analyse d’ADN :cheveux, dents, empreintes, traces de sang Examen de la scène de crime
Deux ADN de deux personnes différentes peuvent être mélangés et confondus.Le technicien peut contaminer la scène de crime, il doit donc mettre des gants, protéger ses cheveux, mettre un masque, mettre une combinaison, des sur-chaussures, etc. Liste de précautions pour effectuer les prélèvementséviter la contamination lors de la collecte et éviter les enzymes de restriction Liste de précautions pour effectuer les prélèvements : stérilisation, gants (pour ne pas mettre d’empreintes), cheveux, uniforme de la police scientifique
Les échantillons prélevés sont placés dans des conditions de conservation du vivant (placés au frais, dans des tubes fermés) et doivent être étiquetés. Instructions pour le transport des preuves :
– tubes à essai,

– micropipette
– frigo
Instructions pour le transport des preuves :
– 
tubes fermés (pour tout ce qui est liquide/sang)
– sacs plastiques hermétiques fermés (tout ce qui est cheveux)

– gros sacs fermés (tout ce qui est plus gros)

– « tout doit être répertorié, numéroté en
cas de pertes ».

63Les deux groupes ont mentionné que les types d’échantillons à prélever sur une scène de crime doivent correspondre à des traces de matériel biologique (sang, cheveux, salive, etc.). Nous faisons l’hypothèse que les élèves ont su établir une relation entre les notions d’échantillon biologique et d’ADN. Ces réponses correspondent à la réponse attendue. Concernant les précautions à prendre pour éviter la contamination d’échantillons et de la scène de crime, nous pouvons observer que le groupe 2 a décrit des éléments en vue d’éviter la contamination mais ne mentionne pas le mot « contamination », qui reste donc implicite. Le groupe 1 note l’importance d’éviter la contamination, sans expliciter les éléments qui permettraient de l’éviter. De même, la réponse « éviter les enzymes de restriction », est fausse car les enzymes de restriction ne seront utilisées que dans un deuxième temps, au moment d’analyser les traces en laboratoire. Nous pouvons faire l’hypothèse que le concept d’enzymes de restriction n’a pas été clairement compris par les élèves. Ils avaient rencontré le terme enzyme en classe de cinquième. On peut donc penser qu’ils ont intégré le fait que les enzymes possèdent la fonction de couper. Cela pourrait expliquer pourquoi ils font allusion au besoin d’« éviter les enzymes » pendant le prélèvement des preuves. Peut-être se réfèrent-ils à d’autres enzymes (telle que l’amylase) au moment de donner les recommandations pour cette partie. Nous constatons que les éléments présents sont en relation avec ceux décrits au préalable. Il nous semble que les productions des élèves font appel à un raisonnement sur la nature de l’ADN (principe d’universalité et d’unicité), raisonnement attendu. Nous constatons également des différences entre les deux groupes en ce qui concerne la conservation du vivant. Le groupe 1 mentionne le frigo qui peut faire penser à la conservation par le froid. Le groupe 2 a cité les éléments les mieux adaptés selon la nature de la trace prélevée. Cependant ces éléments font allusion à un besoin de ne pas mélanger les échantillons plutôt qu’à celui de la conservation du vivant.

64En considérant notre deuxième problématique et au regard de la modélisation de la mission, nos analyses montrent que la plupart des éléments attendus sont présents dans les productions des élèves. Si on considère les éléments attendus dans le LAS « information », nous avons pu lier directement ces productions avec celles modélisées au préalable, même si certains éléments demeurent implicites et peuvent donc être sujet à interprétation. Nous faisons l’hypothèse, qu’au travers de leurs productions, les élèves mettent en œuvre un raisonnement sur la nature de l’ADN (principe d’universalité et d’unicité qui permet d’expliquer pourquoi les échantillons d’ADN peuvent être pollués par les personnes présentes sur la scène de crime), ce qui était attendu.

65Le tableau 7 regroupe les réponses des élèves pour les ELO « but de l’analyse » et « choix des techniques ».

66Le tableau 7 met en relation les productions des élèves avec celles attendues. Il est organisé selon deux axes  :

67D’une part, « l’utilisation des enzymes de restriction ». Les deux groupes font référence à cet aspect dans l’ELO « choix de la technique ». Selon eux, les enzymes agissent sur des « séquences de nucléotides », ce qui a été mentionné comme le raisonnement attendu dans la modélisation (représentation de la molécule d’ADN comme une séquence de nucléotides).

68D’autre part « l’utilisation d’une technique qui permet d’obtenir des profils ADN et de les comparer ». Nous soulignons que dans l’ELO « choix de la technique », les deux groupes ont fait référence à l’électrophorèse sans la relier à la notion de profil et sans donner l’information qu’elle peut apporter. Ce lien apparaît dans l’ELO « but de l’analyse ». Bien qu’apparemment conscients des enjeux et possibilités de la technique d’électrophorèse, les élèves n’ont pas indiqué la comparaison entre les profils d’ADN. Il semble que pour les élèves la comparaison résulte de la manipulation même et c’est comme si le profil était immédiatement issu de la scène de crime. La notion de profil est uniquement présente dans les productions du groupe 2 mais elle est utilisée de manière incorrecte.

69Concernant le LAS « orientation », les productions des élèves sont en relation directe avec celles attendues au préalable. Nous pensons que les résultats pour cette partie correspondent à un raisonnement sur la nature de l’ADN et sur la représentation de cette molécule en tant que séquences de nucléotides. Cela correspond également au raisonnement attendu.

  • 4 Les textes en « italique » représentent les éléments de la consigne présents dans la plateforme, ta (...)

Tableau 7 : mise en relation des productions des élèves dans le LAS « orientation » avec les productions attendues4.

Réponses attendues Productions du groupe 1 Productions du groupe 2 ELO
Différentes techniques d’analyse biologiques (extraction de l’ADN, enzyme de restriction, électrophorèse sur gel) sont utilisées pour comparer l’ADN de plusieurs personnes. Nom de la technique :enzymes de restriction
Fonction :
lorsqu’elles sont ajoutées à un ADN, elles peuvent en couper un fragment au niveau d’une séquence de nucléotides.
Nom de la technique : enzymes de restriction
Fonction :
sert à couper un fragment d’ADN au niveau d’une séquence de nucléotides, entre le sucre et le phosphate.
Choix de la technique
Le traitement de l’ADN par des enzymes de restriction permet d’obtenir des fragments d’ADN de différentes tailles. Nom de la technique : électrophorèse sur gel
Fonction :
permet de rendre visibles des fragments d’ADN.
Nom de la technique : électrophorèse sur gel.
Fonction :
rendre visible des fragments d’ADN qui ont été séparés.
La comparaison des profils ADN obtenus (succession de bandes), permet de les comparer afin d’établir des correspondances entre des profils d’ADN de personnes connues avec le profil de l’ADN prélevé sur la scène de crime. But de l’analyse à faire : « Le ministère public demande si le sang a le même profil ADN que celui de la victime ou d’un suspect. Si l’ADN correspond à quelqu’un, c’est que le sang relevé lui appartient ». But de l’analyse à faire : « Le ministère public veut savoir si le profil ADN trouvé sur la scène de crime a une correspondance avec l’ADN des suspects ou de la victime ». But de l’analyse

6. Conclusion et perspectives

70L’objectif de cette pré-expérimentation était double : d’une part observer le déroulement de la situation avec un petit groupe d’élèves pour identifier les éventuels dysfonctionnements techniques et pédagogiques et, d’autre part, étudier les effets des activités proposées sur les connaissances des élèves impliqués dans le test. La finalité étant de produire des recommandations pour faire évoluer la forme et le contenu de la plateforme qui a été ensuite testée en classe dans les pays impliqués dans le projet. Le premier objectif a permis de conclure positivement par rapport à l’implication des élèves dans la mission et dans la réalisation des activités proposées, adaptées au niveau des élèves. Néanmoins cette pré-expérimentation nous a permis de faire évoluer la situation à plusieurs niveaux : certaines consignes ont été reformulées, les web news ont été intégrées aux ELO de façon à être connues des élèves au fur et à mesure du déroulement des activités, et une animation présentant la structure de l’ADN, les enzymes de restriction et l’électrophorèse sur gel a été développée à la suite de cette pré-expérimentation et ajoutée comme ressource. Tous ces changements ont été réalisés afin de rendre plus concrets et plus visibles les différents niveaux d’organisations biologiques et les techniques utilisées.

71Concernant les connaissances et les conceptions des élèves, le pré-test a montré que trois élèves sur quatre définissent l’ADN comme une séquence de nucléotides alors que nous pensions qu’ils proposeraient une définition de l’ADN au niveau chromosomique. Les résultats du post-test montrent une stabilité du modèle moléculaire pour tous les élèves et une organisation correcte entre les niveaux biologiques. Nous en concluons que la mission a contribué à construire une représentation de l’ADN à un niveau moléculaire et a précisé la place de l’ADN dans les différents niveaux d’échelle biologiques, mais nous ne pouvons pas généraliser ces conclusions à partir de l’analyse des productions de quatre élèves qui ont travaillé dans un contexte non scolaire.

72Les résultats du pré-test montrent que les élèves ont des représentations conformes à la littérature concernant l’analyse ADN et la notion de profil. Si la notion de profil semble claire pour les élèves à la suite de la mission, la fonction de l’analyse ADN reste incorrecte après la mission. En effet, les élèves continuent d’écrire qu’une analyse ADN permet d’obtenir des informations précises sur les personnes (apparence extérieure, sexe, gènes, identification de la totalité de la séquence, etc.). Ce résultat peut, d’une part, s’expliquer par le fait que les quatre élèves n’associent peut-être pas profil ADN et analyse ADN, cela reste peut-être deux éléments distincts pour les élèves. D’autre part, nous faisons l’hypothèse que les élèves ne parviennent pas à mettre en place un raisonnement qui fait le lien entre l’action des enzymes de restriction, la structure de l’ADN et le principe de migration par électrophorèse. Enfin, les élèves n’ont pas les outils cognitifs qui leur permettent de faire le lien entre l’information génétique et son expression phénotypique.

73À la suite de ces observations, deux nouveautés ont été apportées à la mission dans les LAS suivants pour que les élèves aient de nouvelles occasions de travailler sur les connaissances visées. D’abord des demandes de justification et des questions ont été ajoutées dans certaines parties du protocole expérimental. Ensuite les photos des gels d’électrophorèse obtenus à la suite des expériences sont insérés dans l’ELO « analyse » et il est demandé aux élèves d’annoter les éléments du gel (puits, signification des bandes, etc.) afin de vérifier que les élèves comprennent le principe de l’expérience. Ces modifications ont été intégrées dans SCY-Lab, dans le but d’être testées dans des classes des pays impliqués dans le projet.

74Notre méthodologie est basée sur une analyse des productions des élèves qui sont des « traces » proposées à un moment donné par les élèves dans les ELO. Cette analyse ne permet pas de montrer le « processus » par lequel des connaissances, voire des concepts, sont élaborés par les élèves à la suite d’un questionnement nourri par les différentes ressources et activités réalisées par eux. C’est la limite de cette étude. L’analyse des processus d’intégration des ressources de SCY-Lab dans des dialogues entre élèves a été réalisée par ailleurs dans une autre mission (Marzin & Julien, 2011).

75Dans cette mission, les élèves sont en autonomie totale pour construire les ELO à partir des éléments apportés par les ressources. Cependant nous nous demandons : quel rôle pourrait jouer l’enseignant dans ce type de dispositif ? Quels types d’étayages pourrait-il apporter pour impliquer davantage les élèves dans la tâche ?

76Nous pensons que ce travail de recherche apporte des éléments et des outils qui répondent à la mise en place du programme « méthodes et pratiques scientifiques » pour la classe de seconde générale et technologique. D’une part, les contenus de cette mission sont en relation directe avec une des thématiques proposées par le programme « science et investigation policière ». D’autre part, la mise en place de cette mission permet aux élèves de mettre en œuvre une démarche scientifique, de mobiliser des compétences expérimentales et d’exécuter un travail de recherche. Tous ces points sont des attentes explicitées par le programme. L’ensemble de la mission aborde des contenus en biologie, en chimie (analyse d’encres par chromatographie) et en mathématiques (calculs statistiques à partir des résultats obtenus). Dans cet article nous avons présenté la partie concernant la biologie. Cependant une perspective de ce travail est de comparer l’impact de ce dispositif dans les deux autres domaines abordés, ainsi que d’avoir un regard croisé entre les différentes disciplines.

77En conclusion, nous pensons que la mise en évidence des difficultés des élèves quant aux contenus (l’ADN, niveau de l’organisation de l’information génétique et la criminalistique) est une contribution qui devrait être prise en compte dans les pratiques d’un enseignement qui implique l’initiation des élèves à ce type de démarche.

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Annexe

Annexe 1. Extrait du manuel de laboratoire concernant la molécule d’ADN

Annexe 2. Extrait du questionnaire sur l’ADN et sur la recherche en criminalistique

Prénom et Nom :

Ce questionnaire sera utilisé par des chercheurs. Tes réponses ne seront pas notées, aucun retour ne sera fait à tes enseignants donc ne sois pas inquiet tu as le droit de te tromper. Sois juste honnête. Il est important pour nous que tu répondes à toutes les questions aussi précisément que tu peux le faire.

  1. Qu’est ce que l’ADN et où se situe-t-il ?

  2. De quoi est composé l’ADN et quelle est sa structure ?

  3. Quel est le rôle de l’ADN dans le corps ?

  4. L’ADN est composé de (entoure la ou les réponses qui te semblent correcte(s)) :
    a) Acides aminés
    b) Enzymes
    c) D’une séquence de Nucléotides
    d) Protéines
    e) Cellules
    f) Chromosomes

  5. À quoi sert une analyse génétique effectuée par un technicien de laboratoire de police scientifique ?

  6. Une analyse génétique permet de : (Entoure la ou les réponses
    qui te semblent correctes)
    a) Reconnaître et identifier directement les coupables et les innocents d’un crime
    b) Identifier toute la séquence d’ADN de la personne qui a commis un crime
    c) Savoir quelles sont les caractéristiques physiques d’un assassin
    d) Faire une comparaison entre échantillon de l’ADN d’un inconnu et l’ADN du suspect, qui est déjà connu.
    e) Autre :

  7. Un profil ADN peut fournir de l’information sur : (Entoure la ou les réponses qui te semblent correcte(s))
    a) L’apparence extérieure de l’auteur d’un crime
    b) Les caractéristiques héréditaires et les maladies génétiques d’une personne
    c) Le sexe d’une personne
    d) Les gènes d’une personne
    e) Autre :

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Notes

1 SCY : <http://www.scy-net.eu>.

2 Au vu de la complexité du protocole expérimental (enzymes de restriction et électrophorèse sur gel), nous avons décidé de le présenter directement aux élèves sans demander son élaboration (ELO protocole expérimental).

3 Les textes en italique représentent les éléments de la consigne présents dans la plateforme, tandis que les textes en gras correspondent aux productions des élèves.

4 Les textes en « italique » représentent les éléments de la consigne présents dans la plateforme, tandis que les textes en « gras » correspondent aux productions des élèves.

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Table des illustrations

Titre Fig. 1 : présentation de la carte de la mission « laboratoire de police scientifique », présentant l’enchaînement des espaces et présentation du « LAS analyse »(copie d’écran de la partie biologie du SCY-Lab).
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/698/img-1.png
Fichier image/png, 307k
Titre Fig. 2 : stratégie experte de résolution de problème du LAS « information » de la mission « laboratoire de police scientifique ».
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/698/img-2.png
Fichier image/png, 216k
Titre Fig. 3 : stratégie experte de résolution de problème du LAS orientation de la mission « laboratoire de police scientifique ».
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/698/img-3.png
Fichier image/png, 203k
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/698/img-4.png
Fichier image/png, 467k
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Pour citer cet article

Référence papier

Reinaldo Saavedra, Patricia Marzin-janvier et Isabelle Girault, « Comment une situation d’investigation policière fait évoluer les conceptions d’élèves de troisième sur l’ADN », RDST, 7 | 2013, 77-106.

Référence électronique

Reinaldo Saavedra, Patricia Marzin-janvier et Isabelle Girault, « Comment une situation d’investigation policière fait évoluer les conceptions d’élèves de troisième sur l’ADN », RDST [En ligne], 7 | 2013, mis en ligne le 18 novembre 2015, consulté le 04 août 2020. URL : http://journals.openedition.org/rdst/698 ; DOI : https://doi.org/10.4000/rdst.698

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Auteurs

Reinaldo Saavedra

Université Joseph-Fourier, laboratoire d’Informatique de Grenoble, équipe MeTAH

Patricia Marzin-janvier

Université Joseph-Fourier, laboratoire d’Informatique de Grenoble, équipe MeTAH

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Isabelle Girault

Université Joseph-Fourier, laboratoire d’Informatique de Grenoble, équipe MeTAH

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Droits d’auteur

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