Construction d’une notion scientifique et invariant : le cas d'élèves de l'enseignement primaire, Construction of a scientific notion and invariant factors : the case of primary school children

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Sous la direction de Jean-Claude Sallaberry
Thèse soutenue le 18 décembre 2009: Bordeaux 2
Cette thèse centre son objet dans le champ de la construction de conceptions scientifiques au cours d’activités expérimentales en sciences physiques menées en milieu scolaire par des élèves. Elle s’appuie sur trois hypothèses majeures. La formation des concepts et des notions se structure autour d’éléments invariants. L’élaboration de la pensée résulte de la conjonction de réflexions propres, d’actions et d’échanges ancrés dans une dynamique sociale. Les représentations dévoilent et organisent des modalités de pensée et de son actualisation. Dans une premier temps la thèse se concentre sur la formation de la notion de concept : du repérage d’invariants vers une architecture conceptuelle stable. Ensuite elle expose les questions que posent la notion d’apprentissage et la perspective de l’autonomie de l’apprenant. Enfin elle présente la théorie de la représentation et pose la question de la constitution et de la mise en évidence de la connaissance. Dans un second temps, la thèse inscrit ses expérimentations dans l’observation de situations scolaires basant sur l’hypothèse phénoménologique dans une épistémologie constructiviste la condition de la transformation des situations vécues en données exploitables. L’une sur le thème de l’ombre, l’autre sur celui de l’électricité, elles attestent d’une élaboration cognitive complexe d’où naissent des conceptions sur la base d’invariants, les représentations permettent de dévoiler et de structurer des cheminements de pensée. Si les items “enfantins” (R1) sont nombreux, des items “rationalisants” (de R2) se dégagent souvent portés par une représentation “imagée” (R1?R2), ou sur une dynamique interne (R2?R2). Enfin, la thèse montre, de manière encore empirique, comment certaines combinaisons d’items manifestent, pour ainsi dire “sous nos yeux”, la pensée de l’élève qui s’élabore : une “enaction” au sens de Varela.
-Apprentissage
-Cognition
-Concept
-Conceptualisation
-Connaissance
-Constructivisme
-Enaction
-Pensée
-Phénoménologie
-Représentation
The purpose of this dissertation is to study how scientific conceptions are constructed in the course of experimental activities in physical sciences by young children at school. The study is based on three principal hypotheses: a) The formation of concepts and notions depends on invariant elements. b) The elaboration of thought results from personal reflections, actions and exchanges all anchored in a social dynamic process. c) Representations reveal and organise modes of thinking and their actualisation. In the first stage, the dissertation focuses on the formation of the notion of concept: from the evidencing of invariants to a stable conceptual architecture. Next, it presents the questions raised by the notion of learning and the expected achievement of the learner’s autonomy. Then, it develops a theory of representation, considering the question of the constitution and realisation of knowledge. In a second stage, the dissertation conducts its experimentations within the framework of an observation of classroom situations, the conversion of concrete situations into interpretable data being based on the phenomenological hypothesis from the point of view of constructivist epistemology. One situation refers to the theme of shade, the other to that of electricity: both evidence a complex process of cognitive elaboration, giving rise to conceptions based on a set of invariants. The representations thus reveal and structure the processes of thought. While « childish » items (R1) prove to be numerous, there also often emerge « rationalising » items (R2), either image-based or resting on internal dynamics. Finally, the dissertation demonstrates, in a still empirical way, how certain item combinations evince, so to speak before our very eyes, the child’s process of thinking in action — i.e. « enaction » in the Varela sense of the word.
-Learning
-Cognition
-Concept
-Conceptualisation
-Knowledge
-Constructivism
-Enaction
-Thought
-Phenomenology
-Representation
Source: http://www.theses.fr/2009BOR21652/document
Publié le : lundi 19 mars 2012
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UNIVERSITÉ DE BORDEAUX
Université Victor-Ségalen-Bordeaux-II

Construction d’une notion scientifique et invariant
Le cas d'élèves de l'enseignement primaire
THÈSE
pour le
DOCTORAT EN SCIENCES COGNITIVES

Présentée et soutenue publiquement le 18 décembre 2009.
Eric Dupuy – Université Victor-Segalen-Bordeaux II
Né le 18 janvier 1963 à Talence (France)
Membres du jury :
Bernard Claverie, Professeur à l’Ecole Nationale Supérieure de Cognitique, Institut Polytechnique de Bordeaux
Johann-Günther Egginger, Maître de Conférence à l’Université d’Artois
Gérard Sensevy, Professeur à l’Université de Bretagne occidentale
Franck Vialle, Maître de Conférence HDR à l’Université de Pau et des Pays de l’Adour
Jean-Claude Sallaberry, Professeur à l’Université Montesquieu-Bordeaux IV

- Décembre 2009 -
Un jour il m’a proposé d’aller grimper avec lui. Un petit train nous mène à proximité d’un groupe de rochers où il y a
plusieurs voies à faire. Il sort de son sac une corde tressée en anneaux et la met autour de son cou. Nous
marchons jusqu’au pied des rochers et avec son collier de cordes il paraît à la fois modeste et glorieux. Pour grimper
il faut une pratique, un apprentissage et tout de suite j’aime le faire avec lui. Je me rappelle cette voie, la première qu’il
m’a fait faire. Je suis impressionné car j’ai toujours eu le vertige. Il ne m’explique pas grand-chose sinon le maniement
de la corde et comment il faut la faire coulisser dans les mousquetons qu’il attache à quelques pitons. Pour le reste, il
me dit : « Fais comme moi ». Je le regarde m’étonnant du peu de surface qui lui est nécessaire pour une prise de
pied ou une prise de main. Cela me semble irréalisable pour moi, je vais lâcher, glisser, pourtant j’arrive à peu près à
tenir où il a tenu, à me soulever là où il a pris de la hauteur. A un passage délicat il faut contourner le rocher en ne se
tenant en équilibre que sur un pied tandis que l’autre, à tâtons, cherche une vire sur laquelle s’élever. On est forcé de
poser le regard vers le bas. Nous ne sommes pas très haut, assez pourtant pour que la sensation de vide me
trouble. Tout se met à tournoyer légèrement et mon pied tremble sur la prise qu’il faut quitter sans que j’arrive à
trouver l’autre. Je pense : Je vais dévisser. A ce moment je vois son regard, tourné vers moi, pendant qu’il tend la
corde pour m’assurer mieux, et j’entends sa voix très calme dire : « Lève un peu la jambe gauche, tu vas trouver la
prise. Ensuite n’hésite pas, lance le bras droit vers le haut, il y a une petite vire pour te hausser. » Je sens que ce
moment est décisif, j’oserai ou n’oserai pas être ce grimpeur et de toutes mes forces je veux le devenir. Je passe, je
le rejoins. Par la suite, j’ai souvent refait ce passage et je me suis demandé pourquoi il m’avait paru si difficile. Chaque
fois que j’y ai amené un débutant, j’ai constaté qu’il avait les mêmes problèmes que moi la première fois et je me suis
efforcé de lui inspirer confiance à la manière de Stéphane.
Henri Bauchau, (2008), “Boulevard périphérique”, Paris, Acte Sud, p. 8 et 9.


Je pose la tasse et me tourne vers mon esprit. C’est à lui de trouver la vérité. Grave incertitude, toutes les fois que
l’esprit se sent dépassé par lui-même ; quand lui, le chercheur, est tout ensemble le pays obscur où il doit chercher
et où tout son bagage ne lui sera de rien. Chercher ? pas seulement : créer. Il est en face de quelque chose qui
n’est pas encore et que seul il peut réaliser, puis faire entrer dans sa lumière.
Marcel Proust, (1919), “Du côté de chez Swann”, Paris (1999), Gallimard, p.45. REMERCIEMENTS REMERCIEMENTS
A Corinne,
Alice et ses frères : Camille son aîné, Vincent son cadet, Martin son benjamin,

A mes parents pour leurs : « Alors ta thèse, t’en es où ? faut que tu la termines ! »,



A Jean-Claude Sallaberry pour l’accueil qu’il me fit, pour la “considération positive
inconditionnelle” qu’il porta et porte à mon travail quels que furent les aléas,

A Florence Larquey, Emmanuel Ducros et leurs élèves,
A Jean-Louis Camin, d’un précieux soutien pour les enregistrements en classe,

A Barbara, à Lesley et Michel, à Roger pour leurs traductions,
A Véronique pour ses relectures minutieuses,

A Abdou, Brigitte, Dominique, Jean, Florent, Françoise, Laurence, Marielle, Michel, Päivi,
Philippe, Raija, Sylvie, Yann et tous ceux que j’oublie, qui, sans qu’ils le sachent souvent,
ont permis la continuation de cette aventure intellectuelle et humaine… et ce n’est pas fini !
3 RESUME, ABSTRACT, ZUSAMMENFASSUNG, RESUMEN RESUME, ABSTRACT, ZUSAMMENFASSUNG, RESUMEN
I Résumé
« Construction d’une notion scientifique et invariant »
Le cas d’élèves de l’enseignement primaire
Cette thèse centre son objet dans le champ de la construction de conceptions scientifiques
au cours d’activités expérimentales en sciences physiques menées en milieu scolaire par
des élèves.
Elle s’appuie sur trois hypothèses majeures. La formation des concepts et des notions se
structure autour d’éléments invariants. L’élaboration de la pensée résulte de la conjonction
de réflexions propres, d’actions et d’échanges ancrés dans une dynamique sociale. Les
représentations dévoilent et organisent des modalités de pensée et de son actualisation.
Dans un premier temps, la thèse se concentre sur la formation de la notion de concept :
depuis le repérage d’invariants à l’élaboration d’une architecture conceptuelle stable.
Ensuite elle expose les questions que posent la notion d’apprentissage et la perspective de
l’autonomie de l’apprenant. Enfin elle présente la théorie de la représentation et pose la
question de la constitution et de la mise en évidence de la connaissance.
Dans un second temps, la thèse inscrit ses expérimentations dans l’observation de
situations scolaires basant sur l’hypothèse phénoménologique dans une épistémologie
constructiviste la condition de la transformation des situations vécues en données
exploitables. L’une sur le thème de l’ombre, l’autre sur celui de l’électricité, elles attestent
d’une élaboration cognitive complexe d’où naissent des conceptions sur la base
d’invariants, les représentations permettent de dévoiler et de structurer des cheminements
de pensée. Si les items “enfantins” (R1) sont nombreux, des items “rationalisants” (de R2)
se dégagent souvent portés par une représentation “imagée” (R1R2), ou sur une
dynamique interne (R2R2).
Enfin, la thèse montre, de manière encore empirique, comment certaines combinaisons
d’items manifestent, pour ainsi dire “sous nos yeux”, la pensée de l’élève qui s’élabore : une
“enaction” au sens de Varela.
Mots clés : apprentissage, cognition, concept, conceptualisation, connaissance,
constructivisme, enaction, pensée, phénoménologie, représentation
4 II Abstract
“Construction of a scientific notion and invariant factors”
The case of primary school children
The purpose of this dissertation is to study how scientific conceptions are constructed in
the course of experimental activities in physical sciences by young children at school.
The study is based on three principal hypotheses:
a) The formation of concepts and notions depends on invariant elements.
b) The elaboration of thought results from personal reflections, actions and exchanges
all anchored in a social dynamic process.
c) Representations reveal and organise modes of thinking and their actualisation.
In the first stage, the dissertation focuses on the formation of the notion of concept: from
the evidencing of invariants to a stable conceptual architecture. Next, it presents the
questions raised by the notion of learning and the expected achievement of the learner’s
autonomy. Then, it develops a theory of representation, considering the question of the
constitution and realisation of knowledge.
In a second stage, the dissertation conducts its experimentations within the framework of
an observation of classroom situations, the conversion of concrete situations into
interpretable data being based on the phenomenological hypothesis from the point of view
of constructivist epistemology. One situation refers to the theme of shade, the other to that
of electricity: both evidence a complex process of cognitive elaboration, giving rise to
conceptions based on a set of invariants. The representations thus reveal and structure the
processes of thought. While « childish » items (R1) prove to be numerous, there also often
emerge « rationalising » items (R2), either image-based or resting on internal dynamics.
Finally, the dissertation demonstrates, in a still empirical way, how certain item
combinations evidence, so to speak before our very eyes, the child’s process of thinking in
action — i.e. « enaction » in the Varela sense of the word.
Key Words: learning, cognition, concept, conceptualisation, knowledge, constructivism,
enaction, thought, phenomenology, representation.
5 III Zusammenfassung
„Konstruktion eines wissenschaftlichen Begriffs und Invarianten“
Untersuchungen bei Grundschülern
Diese Arbeit befasst sich mit der Konstruktion von wissenschaftlichen Konzepten im Verlauf
von physikalischen Experimenten die Schüler im Unterricht durchführen.
Sie stützt sich dabei auf drei Hypothesen. Die Bildung von Konzepten und Begriffen
strukturiert sich um Invarianten. Die Erarbeitung eines Gedankens ergibt sich aus der
Verbindung von eigenständigen Überlegungen, von Handlungen und von in sozialer
Dynamik verankertem Austausch. Repräsentationen zeigen Modalitäten des Denkens und
ihre Aktualisierung auf und organisieren sie.
Diese Arbeit fokalisiert sich zunächst auf die Ausbildung des Konzeptbegriffs: vom Erfassen
von Invarianten hin zu einer stabilen Konzeptarchitektur. Dann geht sie auf die
Fragestellungen des Lernbegriffs ein und auf die Perspektive der Autonomie des Lernenden.
Schließlich, stellt sie die Repräsentationstheorie dar und fragt nach der Ausformung und der
Offenkundigkeit der Erkenntnis.
Im zweiten Teil dieser Arbeit werden die Experimente in Form von Beobachtungen in der
Schule ausgewertet. Dabei beruht die Umwandlung von erlebten Situationen in verwertbare
Daten auf der phänomenologischen Hypothese einer konstruktivistischen Epistemologie.
Ein Experiment beschäftigt sich mit dem Schatten, das andere mit dem Thema Elektrizität.
Sie belegen eine komplexe kognitive Erarbeitung, die zu Konzepten auf der Grundlage von
Invarianten führen. Durch Repräsentationen werden die Gedankengänge offensichtlicht und
strukturiert. Auch wenn es zahlreich „kindliche“ Item (R1) gibt, werden „rationalisierende“
Item (von R2) oft mit Hilfe einer „bildgebenden“ Repräsentation (R1R2) oder einer internen
Dynamik (R2R2) freigesetzt.
Auf noch empirische Weise zeigt diese Arbeit schließlich, wie gewisse Kombinationen von
Item sozusagen unter unseren Augen die Entstehung des Gedanken beim Schüler
aufzeigen: eine Enaction im Sinne von Varela.
Schlüsselwörter: Lernen, Kognition, Konzept, Konzeptualisierung, Erkenntnis,
Konstruktivismus, Enaction, Gedanke, Phänomenologie, Repräsentation
6 IV Resumen
“Construcción de una noción científica e invariante”
El caso de alumnos de la enseñanza primaria
Esta tesis centra su objeto en el campo de la construcción de concepciones científicas en
el curso de actividades experimentales en ciencias físicas conducidas en medio escolar
por alumnos.
Se apoya sobre tres hipótesis mayores. La formación de los conceptos y de nociones se
estructura alrededor de elementos invariantes. La elaboración del pensamiento resulta de la
conjunción de reflexiones, acciones propias e intercambios anclados en una dinámica
social. Las representaciones descubren y organizan las modalidades de pensamiento y su
actualización.
En un primer tiempo la tesis se concentra en la formación de la noción de concepto: del
reconocimiento de invariantes hacia una arquitectura conceptual estable. Luego expone
las preguntas que plantea la noción de aprendizaje y la perspectiva de autonomía del
alumno. Luego presenta la teoría de la representación y plantea la cuestión de la
constitución y la puesta en evidencia del conocimiento.
En un segundo tiempo, la tesis inscribe sus experimentaciones en la observación de
situaciones escolares basada en la hipótesis fenomenológica en una epistemológica
constructivista, la condición de la transformación de situaciones vividas en datos
explotables. Una sesión sobre el tema de la sombra, otra en lo de la electricidad, dan
testimonio de una elaboración cognitiva compleja de donde nacen concepciones sobre la
base de invariantes, las representaciones permiten descubrir y estructurar aproches
(enfoques) de pensamiento. Si los “ítem” infantiles (R1) son numerosos, unos “ítem”
“racionalizantes (de R2) se desprenden a menudo llevados por una representación llena de
imágenes (R1R2), o en una dinámica interne (R2R2).
Por fin, la tesis muestra, de manera aun empírica, cómo ciertas combinaciones de ítem
manifiestan, dicho sea así “bajo nuestros ojos”, el pensamiento del alumno elaborándose:
una “enacción” en el sentido de Varela.
Palabras llaves: Aprendizaje, cognición, concepto, conceptualización, conocimiento,
constructivismo, enacción, pensamiento, fenomenología , representación.
7 SOMMAIRE
Remerciements.......................................................................................................... 3

Résumé, abstract, zusammenfassung, resumen................... 4

I
 Résumé............... 4

II
 Abstract .............................................................................................................. 5

III
 Zusammenfassung............................ 6

IV
 Resumen........... 7

Introduction générale.............................................................................................. 10

chapitre 1 : Autour de la notion de concept.......................... 17

I
 De l’invariant au concept................................................................................... 17

II
 Notion de concept scientifique........ 40

III
 La critique des concepts................. 55

chapitre 2 : Autour de la notion d’apprentissage ................................ 58

I
 L’apprentissage en questions ........................................... 58

II
 Les figures de l’apprentissage......... 61

III
 Le contexte des sciences cognitives .............................................................. 82

IV
 Autonomie et apprentissage........................................... 89

chapitre 3 : Représentation et connaissance....................... 98

I
 Les représentations........................................................................................... 99

II
 Au sujet de la connaissance........... 116

chapitre 4 : Questions de méthode...................................................................... 135

I
 Une méthode toujours en construction........................... 135

II
 Penser l’observation....................................................................................... 140

III
 De la question de départ au projet de recherche.......... 152

chapitre 5 : Les ombres........................ 159

I
 De la situation scolaire à la situation expérimentale ....................................... 160

II
 Constitution du corpus et analyse des données............ 167

III
 Une pensée qui s’élabore.............................................. 178

chapitre 6 : Montages électriques....................................... 182

I
....... 182

II
 Le montage simple : le groupe test................................ 192

III
 Les circuits : groupe test............................................................................... 200

8 IV
 Retour sur les circuits : tous ......................................................................... 205

V
 Le circuit série : groupe test........... 210

VI
 Montage série : tous ..................................................................................... 218

VII
 La LED, l’hélice : phase de découverte........................ 221

VIII
 : le groupe test................................................................... 227

IX
 La LED, l’hélice : synthèse collective............................ 236

X
 Le testeur de niveau d’eau : le groupe test.................................................... 242

XI
 : synthèse collective.......... 258

chapitre 7 : Discussion.......................................................... 265

I
 Hypothèse 1.................................................................... 266

II
 Hypothèse 2... 272

III
 Hypothèse 3 .................................. 275

IV
 Repérage de l’émergence d’une dynamique réflexive.................................. 280

Conclusion générale............................................................. 290

Table des auteurs .................................. 302

Références bibliographiques ............................................................................... 304

Table des matières................................................................ 317


9 INTRODUCTION GENERALE INTRODUCTION GENERALE
1“Longtemps je me suis posé des questions...” et comme le fait dire Marcel Proust à son
peintre Elstir « il n’y a pas d’homme si sage qu’il soit (...) [qui] ne peut-être assuré d’être
devenu sage, dans la mesure où cela est possible, que s’il a passé par toutes les
2incarnations ridicules ou odieuses qui doivent précéder ces incarnations-là. » Loin de nous
la suffisance de nous prétendre sage ou de se prendre pour Proust, mais nous voyons dans
cet extrait la possibilité de présenter le travail qui suit non pas comme une abstraction hors
de tout contexte, qui serait sur le mode analytique ou complètement ceci ou tout à fait cela,
englobant dans le même élan le document et son auteur, mais comme la manifestation
d’une pensée qui aspire à une certaine scientificité en étant résolument humaine. Alors il a
fallu un long temps pour que nous tentions aujourd’hui, où nous donnons à lire ce mémoire,
de mettre en exergue l’élément central de cette recherche que nous formulons comme une
affirmation :
Il est possible de “voir”, en train de s’élaborer, la pensée de l’élève qui apprend
Comme nous avons choisi, du point de vue de la méthode, de nous plonger dans les
tensions de l’observation des situations humaines telles que les décrivent Khon et Nègre
(1991), il ne pourrait s’agir de s’en exonérer pour nous-même. Avant de détailler notre
questionnement, nous allons décrire notre cheminement.
Situons, peut-être arbitrairement, l’origine de notre recherche dans ce qui fut notre première
3activité professionnelle. Enseignant des écoles à partir du milieu des années 80, nous
avons, avant même toute démarche de distanciation, été un praticien de la relation
4éducative. La façon singulière dont nous avons “élaboré” notre méthode de travail avec

1 Proust M., (1919), “A l’ombre des jeunes filles en fleurs”, Paris, Quarto 1999, Gallimard, pp 679-680
2 Par convention, nous choisissons, compte tenu du cadre dans lequel se place cet écrit, de ne pas
utiliser le “je” et de le remplacer pour un “nous”.
3 Traitant dans ce travail de conceptualisation il y a suffisamment de différences de tous ordres pour
que nous ne voulions pas confondre, par l’usage du même terme, l’instituteur “historique” et le
professeur des écoles de la fin du XX° siècle
4 Le mot “singulier” ou “singulière” se retrouve souvent. Il est employé dans une acception spécifique
que nous détaillons au chapitre 3. Nous ne préférons pas utiliser de synonymes qui modifieraient la
nuance de sens qui nous y apportons.
10

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