(Photographie : ask--you)
Toutefois, elles doivent être relativisées avec les biais éventuels associés aux données de départ puisqu’il s’agit de déclaration d’élèves et non d’observations en situation. De plus, il s’agit de corrélations et la causalité ne peut être assurée.
L’importance de la culture scientifique
La culture scientifique est le premier objectif clé de l’enseignement des sciences. Un citoyen possédant une culture scientifique est plus à même de prendre des décisions concernant sa santé et son bien-être aux niveaux personnel, social et écologique.
La culture scientifique est définie dans le cadre des enquêtes PISA comme suit (OCDE 2016b) : … la capacité à s’engager dans des questions liées à la science et aux idées de la science, en tant que citoyen réfléchi. Une personne possédant une culture scientifique est prête à s’engager dans un discours raisonné sur la science et la technologie. Cela nécessite des compétences pour expliquer des phénomènes de manière scientifique, évaluer et concevoir des enquêtes scientifiques, et interpréter des données et des preuves de manière scientifique.
La conception de la culture scientifique de l’enquête PISA est étroitement liée à trois compétences fondamentales pour les élèves :
- Expliquer les phénomènes de manière scientifique
- Évaluer et concevoir une enquête scientifique
- Interpréter les données et les preuves de manière scientifique.
La recherche fait partie intégrante de la conceptualisation et de l’opérationnalisation de la culture scientifique dans le cadre de l’enquête PISA (OCDE 2018 ; Sjøberg 2018).
Le renforcement de l’intérêt, de la motivation et de l’engagement des élèves dans les sciences est le deuxième objectif de leur enseignement.
Pour les enseignants en sciences, une question importante est toujours de savoir comment atteindre au mieux, d’un point de vue pédagogique, ces objectifs avec leurs élèves dans leur école. En particulier, il est essentiel que les enseignants connaissent et utilisent efficacement des approches pédagogiques de l’enseignement des sciences fondées sur des preuves scientifiques solides, plutôt que sur l’idéologie.
De même, les formateurs de professeurs de sciences ont la responsabilité d’enseigner aux futurs enseignants une pédagogie fondée sur des preuves pour l’enseignement et l’apprentissage des sciences.
Par conséquent, il est nécessaire d’identifier, d’évaluer, de choisir et d’utiliser efficacement des approches pédagogiques fondées sur des données probantes.
L’enseignement des sciences fondé sur l’investigation
Dans les classes de sciences du monde occidental, il est évident que l’enseignement et l’apprentissage fondés sur la démarche d’investigation sont bien ancrés.
La littérature de recherche sur l’enseignement des sciences qui soutient l’enseignement et l’apprentissage fondé sur la recherche est importante et durable (Lee & Songer 2003). Yip (2001) a décrit la pédagogie fondée sur l’investigation comme « une stratégie d’enseignement qui favorise la créativité, l’autonomie, le scepticisme intellectuel, la participation active et l’interaction des étudiants ».
L’enseignement fondé sur l’investigation en tant que méthode de choix est régulièrement promu comme meilleure pratique pour stimuler l’intérêt et la compréhension des élèves pour les sciences.
L’enseignement et l’apprentissage fondés sur l’investigation couvrent un large éventail de significations et de stratégies différentes. Celles-ci vont du travail collaboratif en petits groupes à l’apprentissage par la découverte, aux travaux pratiques et à la nature de la science.
Dans l’enseignement des sciences, la recherche a souvent été considérée comme incluant « des interactions centrées sur l’élève, des investigations et des activités pratiques, et une attention particulière aux modèles ou aux applications scientifiques » (Areepattamannil 2012).
D’après Oliver et ses collaborateurs (2021), l’apprentissage des sciences fondé sur l’investigation reflète des pédagogies spécifiques. Pour celles-ci, les élèves peuvent être responsables de la formulation de la question scientifique faisant l’objet de l’investigation, de la conception des investigations pour rechercher leurs questions et de l’interprétation des résultats des investigations.
Malgré son omniprésence dans la pratique et les politiques à travers le monde occidental, l’efficacité des approches fondées sur l’investigation pour favoriser la culture scientifique a été de plus en plus examinée.
Nombre de ces études ont été rendues possibles en partie grâce à l’avènement d’évaluations internationales à grande échelle telles que PISA et Trends in Mathematics and Science Study (TIMSS).
Résultats de l’analyse des données de PISA 2006 pour l’enseignement des sciences
Des recherches antérieures (Cairns et Areepattamannil 2017 ; McConney et coll. 2014) prenant en compte les données du PISA 2006 pour l’Australie, le Canada et la Nouvelle-Zélande :
- Les résultats se sont répétés de manière cohérente dans les trois pays. Les élèves qui ont déclaré avoir bénéficié de niveaux élevés de démarche d’investigation en sciences ont également fait preuve d’une culture scientifique inférieure, en moyenne, à la moyenne de leur pays respectif.
- Les élèves qui ont déclaré avoir bénéficié d’un enseignement et d’un apprentissage fondés sur la recherche à un faible niveau dans leur classe de sciences ont systématiquement fait preuve d’une culture scientifique en moyenne supérieure à la moyenne de leur pays respectif.
- De même, des niveaux plus élevés que la moyenne d’enseignement et d’apprentissage basés sur la recherche dans les classes de sciences des élèves étaient systématiquement et positivement associés à un intérêt et un engagement des élèves pour les sciences, plus élevés que la moyenne.
Jiang et McComas (2015) ont constaté que les élèves obtenaient les meilleurs résultats en sciences lorsqu’ils participaient à des activités et tiraient des conclusions à partir de données. Les résultats étaient moins bons pour ce qui est considéré comme des activités de recherche de « niveau supérieur », telles que la conception de l’enquête ou la formulation de leurs propres questions.
Dans une vaste étude portant sur les dix pays les plus performants dans le cadre de l’enquête PISA, l’investigation s’est avérée être « négativement associée à la performance » (Lau & Lam 2017).
Ces résultats vont à l’encontre des conseils actuels des enseignants en sciences ainsi que des « idées reçues » des décideurs politiques et des spécialistes des programmes scolaires sur ce qui constitue un bon enseignement (Sjøberg, 2016).
L’enseignement explicite en sciences
Selon Kirschner et ses collaborateurs, l’enseignement guidé de façon minimale est moins efficace et moins efficient que les approches pédagogiques qui mettent fortement l’accent sur l’orientation du processus d’apprentissage de l’élève.
Ce point de vue a été confirmé par une méta-analyse de l’apprentissage fondé sur l’investigation. Elle a révélé que « des tailles d’effet plus importantes étaient associées à des types d’orientation plus spécifiques » (Lazonder et Harmsen 2016).
Selon Furtak et ses collaborateurs (2012), les études impliquant des activités dirigées par l’enseignant avaient des tailles d’effet moyennes supérieures d’environ 0,40 à celles des activités dirigées par les élèves.
Trois approches pédagogiques de l’enseignement des sciences dans PISA 2015
Trois approches pédagogiques de l’enseignement des sciences et de la culture scientifique des élèves sont conceptualisées et évaluées dans l’enquête PISA 2015 (OCDE 2018) :
- L’enseignement des sciences fondé sur l’investigation
- L’enseignement adaptatif
- L’enseignement dirigé par l’enseignant
Dans l’enquête PISA, il est demandé aux élèves à quelle fréquence plusieurs activités d’apprentissage/d’enseignement ont eu lieu dans leur classe de sciences. Ces questions ont été utilisées pour créer plusieurs variables composites, notamment des indices de l’enseignement fondé sur l’investigation (IBTEACH), de l’enseignement adaptatif (ADINST) et de l’enseignement dirigé par l’enseignant (TDTEACH).
L’indice d’enseignement fondé sur la recherche (IBTEACH) est fonction des caractéristiques suivantes (OCDE 2016a, b) :
- Les élèves ont la possibilité d’expliquer leurs idées.
- Les élèves passent du temps en laboratoire à faire des expériences pratiques.
- Les élèves doivent argumenter sur des questions scientifiques.
- Les élèves sont invités à tirer des conclusions d’une expérience qu’ils ont menée.
- L’enseignant explique comment une idée scientifique peut être appliquée à différents phénomènes.
- Les élèves sont autorisés à concevoir leurs propres expériences.
- Il y a un débat en classe sur les enquêtes.
- L’enseignant explique clairement la pertinence des concepts scientifiques.
- Les élèves sont invités à faire une enquête pour tester des idées.
L’indice d’enseignement adaptatif (ADINST) est fonction des caractéristiques suivantes (OCDE 2016a, b) :
- L’enseignant adapte la leçon aux besoins et aux connaissances de la classe.
- L’enseignant fournit une aide individuelle lorsqu’un élève a des difficultés à comprendre un sujet ou une tâche.
- L’enseignant modifie la structure de la leçon sur un sujet que la plupart des élèves ont du mal à comprendre.
L’indice d’enseignement dirigé par l’enseignant (TDTEACH) est fonction des caractéristiques suivantes (OCDE 2016a, b) :
- L’enseignant explique des idées scientifiques.
- Une discussion en classe entière a lieu avec l’enseignant.
- L’enseignant discute des questions des élèves.
- L’enseignant fait la démonstration d’une idée.
Résultats de l’analyse des données de PISA 2015 pour l’enseignement des sciences
Oliver et ses collègues (2021) ont réalisé une analyse comparative de la culture scientifique des élèves de 15 ans et de son association avec les stratégies d’enseignement auxquelles ils sont confrontés, dans six pays anglophones de l’OCDE. Ces six pays, qui ont participé à l’enquête PISA 2015, sont l’Australie, le Canada, l’Irlande, la Nouvelle-Zélande, le Royaume-Uni et les États-Unis.
L’étude examine l’efficacité de l’enseignement des sciences fondé sur l’investigation par rapport à deux autres approches pédagogiques de l’enseignement des sciences dans le secondaire : l’enseignement adaptatif et l’enseignement dirigé par l’enseignant.
Les chercheurs ont également analysé comment les composantes de la démarche d’investigation contribuaient à ces résultats.
La figure ci-dessus le montre. Pour les six pays anglophones de cette étude, les élèves des niveaux inférieurs de culture scientifique sont systématiquement ceux qui ont tendance à déclarer les fréquences les plus élevées d’activités basées sur la recherche dans leurs pays respectifs.
Le corollaire est aussi généralement vrai. Dans tous les pays (à l’exception de l’Australie), les groupes d’élèves ayant les niveaux de culture scientifique les plus élevés sont ceux qui déclarent également de faibles niveaux de recherche dans leurs classes de sciences.
En général, pour ces six pays, les tendances qui se dégagent de l’analyse de référence indiquent une association négative entre la fréquence des activités basées sur la recherche (dans leur ensemble) et la culture scientifique des élèves.
La figure ci-dessus le montre, pour les six pays étudiés, les élèves dont le niveau de culture scientifique est le plus faible sont systématiquement ceux qui déclarent la plus faible fréquence d’activités dirigées par l’enseignant en sciences.
En outre, dans les six pays, les groupes d’élèves présentant les niveaux les plus élevés de culture scientifique sont ceux qui déclarent également des niveaux élevés d’enseignement et d’apprentissage dirigés par l’enseignant en sciences.
De manière cohérente, pour ces six pays, se dessine une forte association positive entre la fréquence des activités dirigées par l’enseignant et la culture scientifique des élèves.
Comme le montre la figure ci-dessus, les élèves qui ont obtenu les résultats les plus faibles en matière de culture scientifique sont systématiquement ceux qui déclarent les fréquences les plus faibles d’enseignement adaptatif en classe de sciences. La seule exception est la Nouvelle-Zélande.
En outre, dans les six pays, les groupes d’élèves présentant les niveaux les plus élevés de culture scientifique sont ceux qui déclarent également les niveaux les plus élevés d’enseignement adapté dans leur classe de sciences.
De manière cohérente, pour ces six pays, le modèle mis en évidence par l’analyse de référence suggère également une association positive relativement forte entre la fréquence de l’enseignement adaptatif et la culture scientifique des élèves.
En contrôlant la variance de la culture scientifique des élèves associée à leur statut socio-économique, l’enseignement dirigé par l’enseignant et l’enseignement adaptatif sont positivement et modestement associés à la culture scientifique dans les six pays. D’autre part, l’enseignement fondé sur l’investigation, pris dans son ensemble, est fortement et négativement associé à la culture scientifique des élèves à des niveaux de magnitude similaires dans les six pays.
Sur la base de ces résultats, la nature de l’association entre l’enseignement fondé sur l’investigation (représenté par un indice composite) et la culture scientifique des élèves du secondaire semble claire pour ces six pays. Elle est négative et son ampleur varie entre deux cinquièmes (Irlande) et quatre cinquièmes (Nouvelle-Zélande) de l’apprentissage d’une année scolaire en sciences.
Influences des caractéristiques de l’enseignement fondé sur la recherche
Dans PISA 2015, l’enseignement fondé sur l’investigation comprend neuf éléments. Oliver et ses collègues (2021) ont cherché à savoir l’influence de chacun des éléments. Leur analyse montre que tous les éléments n’ont pas le même type d’association avec la culture scientifique des élèves, du moins pour les six pays inclus dans cette analyse.
Trois types d’association semblent évidents entre la culture scientifique des élèves et la fréquence à laquelle ils font l’expérience de diverses activités d’enseignement fondées sur la recherche :
- Il existe quelques éléments pour lesquels la fréquence à laquelle les élèves expérimentent la stratégie pédagogique ne semble pas liée à la culture scientifique des élèves. Un exemple de ce type de relation est l’item qui demande aux élèves la fréquence à laquelle ils ont l’occasion d’expliquer leurs idées. La fréquence à laquelle les élèves ont l’occasion d’expliquer leurs idées en sciences ne semble pas avoir de lien avec la culture scientifique des élèves.
- Il existe quelques éléments pour lesquels il existe une relation linéaire négative entre la fréquence à laquelle les élèves font l’expérience de l’activité pédagogique et leur culture scientifique. On trouve des exemples de ce type d’association dans les questions posées aux élèves sur la fréquence des débats scientifiques en classe ou sur la fréquence à laquelle on leur demande d’argumenter sur des questions scientifiques. Pour ces deux stratégies pédagogiques, une fréquence élevée de la stratégie est apparemment associée à des niveaux plus faibles de culture scientifique.
- Il existe un troisième type d’association, qui peut être qualifié de non linéaire (curviligne). Un premier exemple est celui des questions posées aux élèves sur la fréquence à laquelle ils passent du temps en laboratoire à faire des expériences pratiques. Un deuxième exemple est la question demandant à quelle fréquence les élèves tirent des conclusions d’une expérience qu’ils ont menée. Cette dernière est un aspect critique largement reconnu de l’apprentissage et de l’enseignement des sciences orientés vers l’investigation. Dans le premier cas, pour chaque pays, le niveau le plus élevé de culture scientifique des élèves est associé au fait de passer du temps à faire des expériences pratiques dans certaines leçons. Le niveau de culture scientifique est plus faible lorsque les expériences pratiques ont lieu dans la plupart, dans aucune ou dans toutes les leçons. De même, lorsqu’ils tirent des conclusions d’une expérience qu’ils ont menée, des niveaux plus élevés de culture scientifique sont associés au fait que les élèves se livrent à cette activité. Cela se vérifie dans certaines leçons (Canada, Nouvelle-Zélande, Royaume-Uni) ou dans la plupart des leçons (Australie, Irlande, États-Unis), plutôt que dans toutes les leçons ou jamais.
Il apparait que certains aspects de ce qui est généralement considéré comme un enseignement « basé sur la recherche » sont plus efficaces que d’autres en ce qui concerne l’association avec la culture scientifique. De plus, cette association parait non linéaire. Pour certains éléments, comme la réalisation d’expériences pratiques, plus n’est pas nécessairement, ou toujours, mieux en termes de culture scientifique des élèves.
La piste de la découverte guidée pour les activités de recherche
Dans l’enquête PISA 2015, un aspect particulier de l’enseignement fondé sur l’investigation était la fréquence à laquelle les élèves étaient invités à mener une enquête pour tester leurs idées.
En moyenne, la meilleure performance en matière de culture scientifique est associée aux élèves qui ont déclaré avoir expérimenté cette activité dans certaines leçons.
Les élèves qui ont déclaré avoir pratiqué cette activité dans la plupart ou la totalité des cours ont obtenu en moyenne des résultats nettement inférieurs en matière de culture scientifique.
Cela remet en question l’idée seront laquelle le travail pratique et d’investigation en sciences aide les élèves à apprendre les processus ainsi que les concepts scientifiques. L’action physique pendant le travail d’investigation peut très bien augmenter la charge cognitive des élèves et empêcher les apprenants de réfléchir au problème (Zhang 2018a).
Ce problème est particulièrement manifeste lorsqu’une investigation est une enquête ouverte dans laquelle les élèves manipulent du matériel expérimental, mais ne reçoivent pas de réponses (Zhang 2018b), une approche qui reproduit plus authentiquement le travail des scientifiques.
Les élèves d’un groupe d’enseignement direct qui ont assisté à une démonstration de la même expérience ont obtenu les meilleurs résultats dans l’acquisition des connaissances et dans le raisonnement sur le contenu « (Zhang 2018a). On se trouve ainsi proche du modèle de la découverte guidée.
Des recherches antérieures ont montré que les aspects de la recherche qui soutiennent l’apprentissage des sciences par les élèves ont tendance à être cognitifs plutôt que comportementaux ou procéduraux (Furtak et al. 2012).
Les stratégies cognitives exigent des élèves qu’ils établissent un lien entre les résultats de leurs investigations pratiques et les concepts scientifiques. Ils privilégient ainsi les conclusions fondées sur des preuves plutôt que de se concentrer principalement sur les compétences de planification des investigations et de collecte des données (Osborne 2015).
Le principe de Boucles d’or et l’enseignement des sciences
Les données des enquêtes PISA 2006 et 2015 mettent en évidence l’importance d’un enseignement explicite en sciences. Celui-ci combine les apports d’un enseignement dirigé par l’enseignant et d’un enseignement adaptatif selon les modélisations utilisées dans ces enquêtes.
Toutefois, la démarche d’investigation peut soutenir l’engagement des élèves dans les sciences (McConney, et coll. 2014 ; Sjøberg 2018).
Plus particulièrement quand ils prennent la forme d’une découverte guidée, la réalisation et le développement de travaux expérimentaux sont importants. Ils peuvent favoriser l’acquisition de compétences, l’apprentissage et l’intérêt des élèves pour les sciences (Sjøberg 2018). De plus avec les conseils appropriés de la part de l’enseignant, comme le prône la découverte guidée, il a été démontré que l’enseignement fondé sur l’investigation favorise la réussite des élèves en sciences (Minner et al. 2010).
Si l’apprentissage par la démarche d’investigation a fait l’objet de critiques (Kirschner et col. 2006), son inclusion sous forme d’une découverte guidée au terme d’un enseignement explicite est une réponse à ces critiques.
Il n’est pas pertinent que de se demander s’il faut mettre en œuvre une pédagogie basée sur l’investigation ou non. Il serait plus judicieux de se demander à quelle fréquence un enseignant peut l’utiliser, et à quelles fins la privilégier par rapport à un enseignement explicite. C’est le principe de Boucles d’or, il peut y avoir un niveau d’utilisation qui n’est ni trop élevé, ni trop peu, mais juste ce qu’il faut. la mise en œuvre de recherches sur certaines composantes de la démarche
Mis à jour le 05/05/2024
Bibliographie
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