Résumé : j’explore le lien entre la manière dont on modélise en tant qu’expert ou chercheur et la manière dont on apprend à modéliser en tant qu’étudiant, et j’admets que ce lien repose sur le rapport expérience/modèle.








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4. Une base théorique pour une typologie des fonctions des modèles


Si la trialectique sujet-objet-projet est prépondérante dans la modélisation, il semble difficile que le scientifique puisse être neutre, ni dans le système qu'il choisit d'étudier, ni dans sa vision de la science. Le type d'outils mathématiques qu'il utilise et le type d'expérience qu'il fait peuvent être révélateurs de cette vision. Toute la difficulté est de rester conscient de ce lien et de ne pas croire unique l’image que l’on se fait de la situation. C’est la multiplicité des points de vue sur la science, véritables positions épistémologiques, et leur lien avec la modélisation, son usage en recherche et dans l'enseignement, que nous tenterons d'examiner dans la section 5, dans un cadre théorique que je vais à présent introduire.

Dans cette étude, nous prendrons le parti de la primauté de l’expérience humaine : la réalité n’est pas donnée mais est toujours construction humaine. En effet, nous ne connaissons des phénomènes que nous choisissons d’isoler que ce que nos expériences nous en donnent à vivre, qu’elles soit triviales, pédagogiques ou scientifiques. C’est du rapport complexe entre expérience et modèle que nous allons discuter. Bien que ces deux termes puissent être pris au sens large dans cette section, nous rappelons ci-dessous le sens plus précis dans lequel nous les utiliserons pour notre analyse.

Modèle : Il s’agit des modèles formels construits dans un cadre non pédagogique, par l’expert ou le chercheur, et réinvestis pour l’enseignement de la biologie.

Expérience : Dans une démarche de modélisation, une personne est confrontée au phénomène biologique ; elle en fait l’expérience, c’est-à-dire qu’elle va l’éprouver ou bien le mettre à l’épreuve.

Une approche permettant de comprendre le rapport modèle-expérience a été développé par la théorie du Sens et des cohérences humaines (Nifle, 1986). Cet essai philosophique a donné lieu à de nombreuses applications théoriques, méthodologiques et pratiques, principalement dans des contextes non académiques. Dans le contexte académique, ces travaux ont été utilisés dans différents domaines : par exemple, les sciences de la gestion (Bessire et Baker, 2005), les sciences de l’éducation (Condete, 1984), la sociologie (Nifle, 1995), la didactique des langues (Forestal, 1991). En didactique des sciences expérimentales, C. Maisch a effectué un stage de master recherche sous ma direction et utilisé cette approche (Maisch, 2006) afin d’analyser des pratiques enseignantes, dans les Travaux Pratiques de physique et de biologie à l’université.

Dans le cadre de la théorie du Sens et des cohérences humaines, théories et modèles sont qualifiés de « re-présentations » d'une situation qui sont liées par « homologie » : modèle et situation sont homologues s'ils ont même « Sens ». Le Sens est une disposition d'être de la personne humaine ou d'une communauté, sa vision du monde, sa logique, sa cohérence, voire même sa théorie. Le Sens est toujours lié à un système de valeurs, par exemple c'est une position épistémologique ou une position (une théorie) sur l'apprentissage. Nous reviendrons sur cette notion de Sens au chapitre 3.

Dans le processus de modélisation, le modélisateur va chercher à re-présenter son expérience et utiliser (implicitement ou explicitement) un cadre théorique. Il faut entendre l’expérience au sens ci-dessus, c’est-à-dire l’expérience qu’a le modélisateur du phénomène, que celui-ci se soit déroulé sur la paillasse, sur un ordinateur, etc. Qu’est-ce qu’il y a de commun entre le modèle, l’expérience et la théorie ? Quel est le lien et quel est le lieu de ce lien ? La réponse donnée ici et dont nous allons explorer les conséquences est que c’est le Sens. Et ce Sens est porté par un sujet, une personne ou une communauté de personnes, qui établit ce lien, qui y consent. Le Sens du modèle est à la fois un signifiant et un signifié. Signifiant parce qu’il se présente sous une forme significative pour la communauté (des biologistes) et signifié parce qu’il véhicule l’expérience du sujet.

Les modèles sont ainsi des re-présentations de l’expérience et, de ce fait, deviennent à leur tour expérience, n’échappant pas au champ de l’expérience humaine. Ces modèles-expériences peuvent conduire à la réalisation d’expériences nouvelles, re-présentations des modèles. Prenons un exemple : une simulation (on parle aussi d'expérimentation virtuelle) est une re-présentation d'un modèle, tout comme peut l'être une expérience de laboratoire. En outre, les modèles peuvent donner lieu à d’autres modèles, par exemple un modèle verbal peut être re-présenté par un modèle mathématique. Ainsi, il y a souvent plusieurs étages de re-présentations et le point clé est que ces re-présentations partagent un Sens commun (par homologie). Par exemple, une expérience de laboratoire est re-présentée par un modèle qui est ensuite re-présenté par une autre expérience de laboratoire, ou bien par une simulation, pouvant à son tour être re-présentée successivement par un modèle verbal puis un modèle formel.

Selon R. Nifle (2004b), si le Sens est conservé d'un modèle à l'autre, ou de la situation au modèle alors on pourra essayer de discerner ce Sens au travers de ces différentes re-présentations. “Re-présenter” une situation, c'est réaliser, re-mobiliser, une expérience (humaine) dans un même Sens mais sous une autre forme. Toute expérience humaine (y compris scientifique) est une réalité réalisée.

Le terme « situation » désigne ici un ensemble de phénomènes (disons biologiques), on pourrait dire une « réalité », telle qu'elle se présente à celui qui suit une démarche de modélisation et qui a pris la décision de délimiter cet ensemble. Une situation est un exemple de réalité réalisée qui peut être le point de départ de la modélisation (méthode ascendante, J-M. Legay, 1997 et section 3). Tout comme les termes « expérience » et « modèle » peuvent être employés dans un cadre plus large que celui de notre analyse (de l'enseignement de la modélisation en biologie),  le terme « situation »  désigne plus largement « un environ­nement, physique ou culturel, mis au foyer de l'expérience d’un sujet, c’est-à-dire un environnement privilégié et expériencié » (Dewey 1938/1993).

Dans une optique qui me semble proche de celle du cadre théorique utilisé ici, S. Bachelard (1979) propose la définition suivante : « le modèle ... sépare le pertinent du non pertinent par rapport à la problématique considérée. En ce sens le modèle est un fictif réalisé. Il est un instrument d'intelligibilité d'un réel. »2 Pour F. Bousquet (2001), « l'objet modèle étant réalisé, il va être utilisé à des fins de représentation (re-présentation) de situations /.../ Je représente (formalise) une représentation (un point de vue) à des fins de représentation (médiation) »2.

Dans la théorie du Sens et des cohérences humaines (R. Nifle, 1986), toute re-présentation possède trois composantes exprimées comme des relations entre trois dimensions :

(1) une dimension intentionnelle (sujet),
(2) une dimension objective (objet) et
(3) une dimension projective (projet).


Bien que la dialectique sujet-objet soit prépondérante, d'autres philosophes ont introduit l'idée d'une réalité à trois dimensions. G. Bachelard, par exemple, note en 1934 que « la méditation de l'objet par le sujet prend toujours la forme du projet » (1934/1995, p. 15)2.

Les trois composantes (Nifle, 2004b) sont (voir aussi la figure) :
(i) La composante sensible ou affective (relation sujet-objet). Ce sont les perceptions sensibles, le vécu et les appréciations.
(ii) La composante factuelle ou matérielle (relation objet-projet). Ce sont les faits et le produit d’opérations, d’actions.
(iii) La composante conceptuelle ou mentale (relation sujet-projet). Ce sont les concepts, les représentations mentales et les projections structurées.




Figure 1

Toute expérience humaine possède trois dimensions et trois plans.



Essayons d’abord d’examiner cette trialectique, le « cohérenciel sujet objet projet » (voir Nifle, 1996 et figure), sous l’angle de l’enseignement des sciences afin de mieux la cerner et aussi d’apercevoir son potentiel heuristique. Une série de remarques suivent à ce propos.

- D. Gooding (1992), en étudiant la manière dont les scientifiques (en particulier Faraday) construisent leurs productions, un modèle par exemple, souligne différents aspects de ce processus. Un des aspects est pour lui l’interaction entre « concepts », « percepts » et « objects » (ce dernier désignant à la fois les objets matériels et les événements perçus).

- On peut noter que ces « concepts » et « percepts » ne sont pas les mêmes d’un sujet à l’autre. Par exemple, ils sont certainement différents pour l’étudiant et pour le professeur (Tibergien et al, 2001). Pour apercevoir cette différence, la dimension sujet est primordiale. Même si la démarche scientifique, à transposer dans la classe, fait appel largement à la pensée rationnelle, dite convergente (Darley 1996), il ne faut pas éliminer la pensée dite divergente (Darley 1996), composante plus personnelle à chaque chercheur (capacité à se positionner dans un Sens en imaginant les termes du problème, le choix de l’approche, son intégration dans un ensemble de situations, etc).

- Il est souvent constaté que les élèves ne font pas le lien entre la question de départ et le résultat d’une expérience de laboratoire (Hofstein et Lunetta 2003) ou d’une simulation (de Jong et van Joolingen 1998). L’élève retire essentiellement de son expérience un « savoir faire marcher une procédure, un programme », un « savoir comment ça marche ». Analysé avec la trialectique, il s’agit d’une réduction de l’expérience à sa composante factuelle. Cette réduction est caractérisée par une absence d’appropriation (voir la figure : l’axe sujet se trouve à l’opposé du plan factuel), de questionnement sur le « pourquoi » (la motivation du projet, l’intention, source de choix, de prise de position).

- Des études en didactique des sciences montrent qu’il n’est pas suffisant pour les élèves de toucher, voir ou entendre quelque chose, même en contradiction avec leur prédiction, pour faire évoluer leur compréhension de l’événement perçu (Tiberghien et al 2001 et références). Ceci peut aboutir à un échec dont on peut interpréter l’origine au regard de la trialectique : c’est une réduction de l’expérience vécue par l’élève à sa composante sensible. Cette réduction est caractérisée par une absence de projection (voir la figure : l’axe projet se trouve à l’opposé du plan sensible), de questionnement sur le « comment » (la planification, le contrôle, les objectifs de réalisation).

- Certains TP consistent à énoncer une relation, par exemple une loi de la mécanique, et demandent aux élèves de la vérifier dans un exemple, comme si cela suffisait pour déduire que la loi générale est vraie (Nott 1996, parle de « verificationisme »). L’élève aura du mal à évaluer le réalisme de ses résultats, leur validité ou leur représentativité expérimentale. Il va développer une vision abstraite du phénomène, un « savoir comment mettre en œuvre une analyse, un raisonnement ». Il s’agit d’une réduction de l’expérience vécue par l’étudiant à sa composante mentale. Cette réduction est caractérisée par une absence d’objectivation (voir la figure : l’axe objet se trouve à l’opposé du plan mental), de questionnement sur le « quoi » (les objets matériels, le contexte, les conditions, les contraintes).

La figure 2 montre les deux trialectiques, de l’expérience et du modèle. Le rapport d'homologie entre l’expérience d’un phénomène faîte par un sujet et son modèle se définit par une combinaison entre une ou plusieurs composantes de la trialectique du modèle et une ou plusieurs composantes de la trialectique de l'expérience. Prenons un exemple pour illustrer ceci : une composante factuelle du phénomène biologique expérimenté (mise en évidence des faits) peut être re-présentée par une composante conceptuelle du modèle (mise en équations). Toute autre combinaison est possible. Le rapport expérience-modèle peut donc prendre de très nombreuses formes multipliées par la variété, d’une part des expériences possibles et, d'autre part, des modèles possibles (figure 2). Ainsi, croiser successivement une des trois composantes de l'expérience avec une des trois composantes du modèle donne neuf combinaisons. A cela s'ajoutent des combinaisons multiples : si l’on combine plusieurs composantes de l'expérience avec plusieurs composantes du modèle.



Figure 2
Le modèle est une re-présentation de l’expérience (humaine). Modèle et expérience comportent trois composantes et trois dimensions. Seule la composante conceptuelle du modèle est envisagée dans cet article.


Un modèle formel tel qu’il est définis dans ce chapitre se caractérise principalement par sa composante conceptuelle, même si les autres composantes sont aussi présentes. Plus généralement, la composante conceptuelle du modèle peut être non seulement de nature formelle (e.g. une équation) mais aussi structurelle (e.g. un schéma) ou analogique (e.g. une métaphore).

Par ailleurs, un modèle qui se caractériserait principalement par sa composante factuelle serait, par exemple, un modèle réduit ou un prototype. Enfin, un exemple de modèle principalement défini par sa composante sensible est le modèle situationnel (mise en situation).

Dans ce chapitre, nous n’envisageons que la composante conceptuelle des modèles en biologie, c’est pourquoi seule cette composante a été indiquée sur la figure 2. Nous allons d’abord croiser la composante conceptuelle du modèle avec les trois composantes de l’expérience, une à une. Chacun de ses trois croisements donnera un type de modélisation (section 4). Cela signifie que nous chercherons à déterminer la fonction du modèle lorsque celui qui modélise a une expérience du phénomène biologique d’ordre sensible ou factuelle, ou conceptuelle. Enfin, en intégrant les trois composantes de l’expérience, nous obtiendrons un quatrième type de modélisation.
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