Enseignement de sciences physiques et chimiques en laboratoire de la série sciences et technologies de laboratoire

Pratiquer une démarche scientifique et développer la culture scientifique

L’enseignement de spécialité de sciences physiques et chimiques en laboratoire de la classe terminale de la série STL prolonge celui de la classe de première. La démarche scientifique, à laquelle les élèves sont progressivement initiés depuis le collège, organise la pratique et les modalités de cet enseignement. Elle naît d’un questionnement qui, dans la série STL, s’appuie sur des « objets » scientifiques et technologiques construits par l’Homme. Ce questionnement engendre une démarche réflexive et active mobilisant les connaissances acquises ou les représentations initiales pour formuler des hypothèses, explorer les possibles et les confronter au réel à travers l’expérience. Dans cette démarche, la construction de modèles, la découverte ou la nécessaire introduction de nouveaux concepts et de nouvelles lois accroissent progressivement les savoirs et les capacités scientifiques expérimentales et théoriques des élèves. L’expérience, qui joue un rôle capital, acquiert ainsi un statut qui la distingue fondamentalement de celui d’un protocole fourni à un exécutant qui doit le respecter sans percevoir l’objectif et les finalités de ses actions. La pratique expérimentale dans sa plus large acception – c’est-à-dire n’excluant pas la simulation – permet à l’élève de la série technologique d’aborder très concrètement les différentes notions scientifiques du programme. L’exercice de l’esprit critique est inhérent à la pratique de la démarche scientifique.

La confrontation d’un résultat d’expérience aux hypothèses formulées ou celle d’un modèle construit au rendu du réel, impose le choix de critères de validation et, très souvent, la délimitation d’un champ ou d’un domaine de validité et d’application. Ce sont les allers-retours entre l’activité expérimentale, ses résultats, et l’activité réflexive sur les concepts et les modèles qui précisent, affinent, stabilisent la connaissance ou la font évoluer. Dans l’accomplissement de la démarche scientifique, l’élève doit ainsi être capable de prélever des informations pertinentes, de les mettre en relation entre elles et avec son propre savoir et de les exploiter. Il doit aussi être en mesure de communiquer les résultats d’une recherche dans un langage rigoureux et adapté au public auquel il s’adresse. Dans cet enseignement de spécialité, l’exercice de l’activité scientifique sur des objets technologiques ne donne pas lieu cependant à une analyse complète et détaillée du fonctionnement des supports d’étude. L’objectif est bien ici de se saisir de ces objets pour dégager ou appliquer des principes, des lois ou des méthodes fondamentales des sciences physiques et chimiques, ce qui n’exclut pas, bien au contraire, de montrer l’évolution historique des solutions adoptées pour effectuer telle observation, telle action ou réaliser telle analyse ou telle synthèse.

Ce qui n’exclut pas non plus d’interroger la pérennité des solutions actuelles notamment au regard du développement de certaines technologies : la science et la technologie sont évolutives dans le temps. « La grande différence entre le mythe et la théorie scientifique, c’est que le mythe se fige. » (François Jacob) Cette démarche permet d’identifier des phénomènes et propriétés relevant du champ des sciences physiques et chimiques dans des réalisations technologiques, de préciser les problèmes qu’elles ont permis de résoudre, de mettre en évidence le rôle qu’elles ont joué dans l’élaboration des objets ou des systèmes simples, complexes ou innovants actuels, de souligner la place qu’elles peuvent et doivent tenir pour faire face aux grands défis de société. Poursuivre l’initiation à la conduite de projet Le projet est défini comme un ensemble planifié d’activités d’investigation scientifique menées par un groupe de 2 à 4 élèves et se rapportant à un même objet. Il vise à répondre à une ou plusieurs questions issues d’une éventuelle thématique générale proposée à toute ou partie de la classe. Les élèves devront réinvestir leurs connaissances et capacités dans une démarche scientifique menée en autonomie dans son intégralité, avec l’appui du professeur mais aussi de ressources extérieures à la classe ou à l’établissement.

La thématique du projet peut déborder du champ de l’enseignement de spécialité de sciences physiques et chimiques en laboratoire vers, par exemple, le domaine des sciences du vivant, sans toutefois exiger de la part des élèves l’acquisition de compléments scientifiques hors des programmes de la série STL suivie. On peut, dans ce cadre, envisager toute ouverture sur le monde de la recherche et de l’activité de laboratoire, qu’elle soit ou non liée à l’industrie. Le projet peut ainsi être l’occasion de rencontres avec des chercheurs des domaines public ou privé. On attend des élèves qu’ils soient capables : – de s’approprier une problématique ; – d’effectuer une recherche bibliographique sur le sujet traité ; – de proposer une procédure de résolution pour y apporter une réponse ; – de proposer une ou des pistes de recherche visant à valider une ou des hypothèses formulées ; – de mettre en œuvre des activités expérimentales qualitatives et quantitatives incluant éventuellement la simulation, une recherche ou une activité hors de l’établissement pour valider les possibles proposés ; – de produire un document de communication sur leur démarche et sur les résultats obtenus, ce document pouvant faire appel à différents formats ; – de préparer et de soutenir une présentation orale sur le sujet traité.

Les élèves ont été initiés en classe de première STL aux différentes phases de conduite d’un projet. En terminale, une plus large autonomie leur sera accordée mais aussi une plus grande responsabilité leur sera demandée. Les professeurs encadrent les activités liées au projet sur les horaires habituels de physique-chimie en laboratoire. Le projet sera conduit sur une durée de trente-six heures et sera l’occasion de promouvoir chez les élèves des compétences liées à : – La conduite d’un projet Un projet répond à une problématique par une démarche bien spécifique dont les étapes sont planifiées dans le temps. De la découverte de la problématique – sujet du projet – à la communication des propositions de réponses, l’élève accomplit un cheminement à travers une recherche d’information sur le sujet via une bibliographie ou une sitographie, la formulation d’hypothèses ensuite vérifiées – ou infirmées – par des activités expérimentales et d’éventuelles visites de laboratoires ou d’entreprises. Le projet se conclut par une réponse argumentée, non dépourvue d’un regard critique, liant à la fois la problématique initiale, les choix effectués et les éléments de réponse apportés. Il offre aussi aux élèves la possibilité de réinvestir concrètement, dans une étude s’inscrivant sur une durée raisonnable, des connaissances et des capacités de physique et de chimie. – La rédaction d’un rapport de projet Les élèves développeront la capacité à rédiger de façon claire et concise la démarche adoptée en faisant apparaître les différentes phases du projet, les choix effectués, les recherches conduites et les activités (bibliographiques, interviews, visites, expériences, etc.), les résultats des activités expérimentales réalisées, leur analyse et une synthèse en réponse à la problématique posée par le projet. – Une présentation orale du projet Le développement des capacités langagières orales des élèves est une composante essentielle de formation des élèves de STL. Liées à la maîtrise de la langue et à celle des technologies de l’information et de la communication, ces compétences placent l’élève dans la position de celui qui informe, explique et doit convaincre. Les capacités langagières de production orale sont une composante essentielle de la réussite tout au long de la vie et, entre autres, dans l’enseignement supérieur.