DidacBiol

On March 25, 2017, Swiss Science Education organizes a workshop (SwISE “Innovationstag”) titled: “Naturwissenschaftlich-technischer Unterricht”, at PH FHNW, Campus Brugg-Windisch (09:15 Uhr – 16:40 Uhr).

Enseigner la biologie

Concrètement, qu’est-ce que signifie l’enseignement de la biologie? La biologie est un domaine très vaste.  Elle inclut l’étude des phénomènes moléculaires jusqu’à l’étude des systèmes écologiques complexes, tout en passant par le monde microscopique. Le contenu d’enseignement peut devenir rapidement très complexe et quasi illimité. Pour se donner une idée des concepts enseignés dans les cours d’introduction à la biologie au niveau post-secondaire ou universitaire, il suffit de se référer aux manuels les plus populaires tels que le “Campbell – Biology” ou son équivalent germanique, le “Natura“. D’ailleurs, la rédaction des contenus d’enseignement est souvent grandement inspirée des tables des matières de ces manuels. Ceux-ci présentent une histoire linéaire et logique allant souvent du niveau moléculaire au niveau macroscopique (exemple, l’écologie et la biologie développementale).

Je compare cette approche à l’enseignement programmé linéaire, une théorie behavioriste suggérée par Burrhus Frederic Skinner dans les années 50. Elle consiste à découper le contenu à enseigner en segments fins, des associés à des activités d’apprentissage et à des évaluations régulières. Les étudiants doivent obligatoirement parcourir l’ensemble des éléments d’apprentissage pour atteindre les critères de réussite d’un cours (lire ici une note de synthèse, écrite par Pierre Oléron, sur l’enseignement programmé linéaire ou à embranchements). En décomposant le contenu à enseigner en fins segments, on tend à éviter le plus possible les erreurs.

Face au mur de la complexité de la biologie

Toutefois, cette linéarité ne correspond pas nécessaire à une accentuation du niveau de complexité des concepts enseignés, comme on le fait pour l’enseignement d’un sport ou d’un instrument de musique. En effet, les premiers chapitres de la plupart des manuels de biologie abordent les concepts de l’énergie, des processus thermodynamiques et biochimiques, qui dirigent les processus biologiques. Ces concepts requièrent des connaissances de base en physique ou en chimie. Malheureusement, ces connaissances sont souvent mal maitrisées (Boo 1998; Teichert & Stacy 2002; Wren & Barbera 2013; Haglund et al. 2015; Lancor 2012), ou tout simplement pas encore apprises. De plus, les étudiants ne font pas spontanément un transfert de connaissances d’une discipline à une autre (Nagel & Lindsey 2015). Megan Nagel et Beth Lindsey (2015) ont démontré qu’il était nécessaire de “forcer” les étudiants à transférer leurs connaissances. Parallèlement, les enseignants doivent être en mesure de reconnaître les besoins interdisciplinaires des étudiants pour amorcer de tels transferts. Les étudiants se confortent souvent à cloitrer les connaissances les unes des autres, et sont supportés par un enseignement en silo (Loertscher et al. 2014; Nagel & Lindsey 2015), qui réfère à enseigner sans explicitement lier les connaissances entre elles. Les conséquences dans l’apprentissage de la biologie sont, premièrement, que certains étudiants décrochent dès les premiers cours face à ce mur de complexité, car cela ne correspond tout simplement pas à leurs attentes. Deuxièmement, d’autres se mettent en “mode automatique”, en mémorisant par coeur ce qui doit être appris pour réussir les examens. Au final, ces étudiants ne démontrent pas une compréhension authentique des concepts enseignés et échouent souvent à communiquer de telles connaissances en dehors d’un contexte d’évaluation (Champagne Queloz 2016).

Enseigner la biologie autrement

Alors, comment enseigner la biologie autrement? L’enseignement linéaire en biologie, consistant à décrire le plus petit (ex. moléculaire) vers le plus grand (ex. écologie) en passant par le microscopique, est favorisé dans la majorité des cours de biologie à tous niveaux d’éducation. Les avantages sont les suivants: 1) c’est une suite à première vue logique, 2) simplifie la rédaction et l’édition des manuels scolaires, 3) simplifie l’enseignement et l’apprentissage, qui se résume à “suivre la ligne droite” pour éviter de s’égarer, et 4) permet l’enseignement d’un grand nombre de faits.

Toutefois, l’enseignement de la biologie pourrait, selon moi (et d’autres, lire Klymkowsky et al. 2016), se faire autrement. Au lieu d’un enseignement linéaire, je vois plutôt un enseignement englobant (j’imagine le tout en forme de boucles). La complexité peut augmenter en fonction du niveau d’éducation ou du temps d’enseignement disponible. L’idée générale est de toujours revenir à son point de départ pour repartir vers d’autres niveaux d’explications ou vers de nouveaux concepts. Ma réflexion s’inspire de la théorie de Norman Crowder, (enfin, selon mon interprétation). Contrairement à la théorie d’apprentissage linéaire suggéré par Skinner, Crowder suggère des programmes d’apprentissage à embranchements présentant des segments plus détaillés et plus longs. Les étudiants sont sensibilisés au fait que plus d’une réponse est possible (lire ici la note de synthèse, écrite par Pierre Oléron, sur l’enseignement programmé linéaire de Skinner ou à embranchements de Crowder).

Les manuels scolaires présentant le contenu respectant une perspective crowdienne sont appelés “livres brouillés”, qui est traduit de l’anglais “scrambled books” (Oléron 1964). Le manuel BioFundamentals – coreBIO (disponible ici gratuitement), écrit par Mike Klymkowsky et Melanie Cooper, a été rédigé pour intégrer cette perspective englobante et interdisciplinaire de l’enseignement de la biologie. Je crois qu’il se rapproche de près à ce qu’on appelle un “livre brouillé” (et non “brouillon”!!). Dans ce livre, on montre que les processus biologiques sont influencés par une multitude de phénomènes interdépendants des uns aux autres. Trop souvent, les étudiants ne réalisent pas l’existence de tous ces liens.

Selon Herrmann-Abell et collaborateurs (Herrmann-Abell et al. 2016), il est essentiel d’expliquer que les mêmes principes chimiques ou physiques sont impliqués dans divers phénomènes biologiques. Cette équipe de recherche a développé un curriculum de 6 semaines, le “Toward High School Biology“. Ce programme a été pensé pour aider les étudiants à mieux comprendre l’influence du réarrangement des atomes et du principe de conservation de l’énergie dans les processus biologiques. Le design du programme est basé sur quatre principes: 1- présenter un ensemble cohérent d’idées scientifiques et les connections qui existent entre elles, 2- tenir compte des connaissances antérieures et des idées reçues des étudiants, 3- présenter des expériences ou des phénomènes proches de la réalité de tous les jours, et 4- examiner l’interprétation et les explications des étudiants. Cette étude, malgré certaines limites citées par les auteurs, démontre que les étudiants impliqués dans cette approche avaient moins d’idées reçues que les étudiants qui suivaient un enseignement traditionnel.

Les difficultés

Il y a beaucoup de résistance face à cette approche d’enseignement plutôt libérale. Effectivement, pour l’enseignant, il faut un grand investissement de temps et une détermination convaincante de la nécessité de cette approche. Discuter avec les étudiants prend du temps et conséquemment, il peut y avoir moins de temps pour enseigner certains faits scientifiques. De plus, certains groupes d’étudiants sont plus réceptifs que d’autres à cette approche.

Enfin, la conclusion…

L’enseignement englobant prépare mieux les apprenants à la complexité des processus biologiques, chimiques ou physiques. Elle les amène à développer un raisonnement scientifique authentique et éclairé, qui se rapproche de celle de l’expert. En effet, un expert possède certes bien des savoirs, mais sait surtout reconnaître les limites de ses connaissances. Ceci le pousse alors à chercher et à comprendre les mécanismes étudiés (parfois en s’égarant, ou même en reculant!). Le chemin scientifique n’est pas linéaire; il est plutôt composé de boucles de longueurs variées et de diverses directions. Ainsi va la science et donc, son apprentissage.

Références

Boo, H.K., 1998. Students’ understandings of chemical bonds and the energetics of chemical reactions. Journal of Research in Science Teaching, 35(5), pp.569–581.

Champagne Queloz, A., 2016. Biological Thinking: Insights into the Misconceptions in Biology maintained by Gymnasium students and Undergraduates. Zurich.

Haglund, J., Andersson, S. & Elmgren, M., 2015. Chemical engineering students’ ideas of entropy. Chemistry Education Research and Practice, 16(3), pp.537–551.

Herrmann-Abell, C.F., Koppal, M. & Roseman, J.E., 2016. Toward High School Biology: Helping Middle School Students Understand Chemical Reactions and Conservation of Mass in Nonliving and Living Systems. CBE-Life Sciences Education, 15(4), pp.ar74–ar74.

Klymkowsky, M.W. et al., 2016. The Design and Transformation of Biofundamentals: A Nonsurvey Introductory Evolutionary and Molecular Biology Course. CBE-Life Sciences Education, 15(4), pp.ar70–ar70.

Lancor, R., 2012. Using Metaphor Theory to Examine Conceptions of Energy in Biology, Chemistry, and Physics. Science & Education, 23(6), pp.1245–1267.

Loertscher, J. et al., 2014. Identification of Threshold Concepts for Biochemistry. CBE-Life Sciences Education, 13(3), pp.516–528.

Nagel, M.L. & Lindsey, B.A., 2015. Student use of energy concepts from physics in chemistry courses. Chemistry Education Research and Practice, 16(1), pp.67–81.

Oléron, P., 1964. Introduction à l’enseignement programmé. Enfance, 17(1), pp.1-38.

Teichert, M.A. & Stacy, A.M., 2002. Promoting understanding of chemical bonding and spontaneity through student explanation and integration of ideas. Journal of Research in Science Teaching, 39(6), pp.464–496.

Le 19 janvier 2017 aura lieu le Colloque des didactiques disciplinaires organisé par SwissUniversities, à Brugg, dans le canton d’Argovie. Lors de cette journée, différents blocs thématiques, présentés en français ou en allemand, sont suggérés tels que l’interdisciplinarité ou les plus récentes innovations dans l’enseignement des disciplines. La date limite de l’inscription était le 14 décembre, mais il y a peut-être possibilité de faire une inscription tardive. Voici le lien vers l’évènement, Colloque des didactiques disciplinaires et les courriels pour communiquer avec les organisateurs.

On 19 January 2017, the “Tagung Fachdidaktiken” organized by SwissUniversities will take place in Brugg, in the Canton of Aargau. On this day, different thematic blocks, presented in French or German, are suggested such as the interdisciplinary or the latest innovations in the teaching of disciplines. The deadline for registration was December 14, but there may be a possibility of late registration. Here is the link to the event, “Tagung Fachdidaktiken” and the emails to communicate with the organizers.