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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.

Evitons l’enseignement de masse!

À première vue, cette question peut paraître anodine. Comme enseignant, notre première idée sera peut-être d’aller regarder dans les manuels scolaires qui correspondent au sujet et au niveau d’étude enseignés. En effet, on trouve souvent l’inspiration dans les manuels scolaires populaires pour aider à structurer notre enseignement. Il y a un certain sentiment de sécurité à suivre une trace pédagogique linéaire bien définie. De plus, un examen minutieux des objectifs d’apprentissage fixés par le département, par l’institution ou encore par l’état doit aussi être fait pour s’assurer que l’apprentissage des étudiants correspond aux attentes des autorités éducatives. Mais la question reste, comment le contenu d’apprentissage est-il défini? En fonction de quels besoins? Est-ce les politiques éducatives qui dirigent la rédaction de ceux-ci dans le but de répondre à des besoins de sociétés? Ou, à l’inverse, est-ce les autorités politiques et/ou économiques qui structurent les curricula? Comment les éditeurs de manuels scolaires influencent l’élaboration des objectifs d’apprentissage?

Le contenu: le parent pauvre des réformes

Roger-François Gauthier, auteur du livre “Les contenus de l’enseignement secondaire dans le monde : état des lieux et choix stratégiques” publié par l’UNESCO en 2006, souligne le fait que le contenu est le parent pauvre des réformes éducatives. On s’attarde volontiers à la révision des approches pédagogiques ou des moyens technologiques, mais on ne se préoccupe guère du contenu. Pourquoi le contenu mérite un tel désintérêt? Il y a souvent des enjeux politiques, économiques, sociaux ou scientifiques qui alourdissent et ralentissent le changement des contenus enseignés. Il y a des savoirs qui nous semblent évidents à enseigner. Par exemple, il ne nous viendrait pas à l’idée de remettre en question l’apprentissage de la lecture, de l’écriture et à compter au niveau de l’élémentaire. Toutefois, au niveau secondaire, postsecondaire et universitaire, cette définition se complexifie quelque peu. FR Gauthier présente comme exemples la question de l’initiation aux sciences ou aux langues secondes. Quel est le meilleur moment et quel niveau de complexité devons-nous atteindre avec les apprenants? Que signifie l’expression “connaissances de base” en biologie ou tout autre sujet?

Enseigner des faits ou des concepts?

Figure 1: Taxonomie de Bloom. Source: Par Blooms_rose.svg: K. Aainsqatsiderivative work: PatrickHetu — Ce fichier est dérivé de  Blooms rose.svg:, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=25219597

Depuis quelque temps, il y a un débat dans l’enseignement de la biologie qui tend à distinguer les connaissances factuelles et conceptuelles (Wood 2008) et à définir les connaissances de base à enseigner (Bauerle et al. 2011). Carl Wieman (sa bibliographie est disponible ici), qui s’implique ardemment dans la promotion de l’enseignement des sciences, définit le terme concept (ou connaissance conceptuelle) comme étant une idée qui peut être appliquée dans divers contextes pour expliquer et prédire un aboutissement (Wood 2008). Toutefois, la limite entre les faits et les concepts est souvent difficilement définissable. De cette dichotomie des connaissances, on s’étend vers la taxonomie des connaissances proposée par Bloom (Crowe et al. 2008). Cette taxonomie consiste à classifier les connaissances en fonction du niveau d’acquisition (Figure 1, extraite de Wikipédia). Selon ce classement (voir la description sur l’encyclopédie Wikipédia), l’idéal serait d’enseigner des savoirs qui amènent l’apprenant à développer des capacités d’analyse, de développement et de critique.

Le contenu est évolutif et faillible

Les institutions scolaires n’agissent pas seules. Leurs actions sont dépendantes des contextes sociaux, politiques, technologiques ou scientifiques donnés. Par exemple, on considère de plus en plus important d’intégrer les plus récents développements en sciences de la vie tels que la technologie CRISPR-Cas9 ou la médecine personnalisée par l’intermédiaire du séquençage génomique. Toutefois, des pressions sociales ou politiques dans certains milieux font que l’on retarde l’intégration de ces savoirs nouveaux dans les curricula, car ils ne correspondent tout simplement pas aux idéologies du moment. Encore aujourd’hui, l’enseignement de l’évolution est parfois contesté malgré l’accumulation de faits scientifiques démontrant son influence majeure sur les développements biologiques (article 1, article 2, article 3) (ici un article intéressant sur les sondages mesurant l’acceptation et la croyance des processus évolutifs). De plus, il y a toujours des questions de limite de temps pour enseigner toutes ces connaissances, de la capacité des apprenants à tout retenir et de la pertinence d’enseigner le plus de connaissances possible. Il y a nécessairement des savoirs qui devront sauter pour faire place aux nouvelles connaissances. Comment et qui désigne qu’une connaissance soit désuète ou non? En fonction de quel besoin? Parallèlement, il faut éviter d’instaurer cette tendance au “zapping” dans l’enseignement. En effet, les connaissances à enseigner doivent être les plus durables possible, mais tout en respectant le principe fondamental de la nature de la science, qu’elle est évolutive et faillible. Je reviens souvent à cette idée de besoin, dont l’évaluation et l’analyse sont souvent mises aux oubliettes, car elle demande du temps et un important niveau d’engagement pour diagnostiquer des problèmes authentiques. Elle est toutefois importante pour la définition d’un contenu d’enseignement.

Comme une histoire

Le contenu d’un cours ou d’un curriculum devrait s’écouler comme la lecture d’un bon polar, c’est-à-dire que tous les morceaux de l’histoire sont subtilement connectés les uns aux autres et à la fin de la lecture, on se dit, “eh bien, je ne m’attendais pas ça”. La tendance dans l’enseignement des sciences est de présenter et d’évaluer des connaissances de manières plutôt isolées, séparées par des chapitres qui font office de contenants hermétiques. Par exemple, le thème de l’évolution est souvent présenté dans un chapitre particulier, faisant peu référence à son influence sur les molécules ou sur les principes de thermodynamiques qui régissent les systèmes vivants, thèmes souvent abordés dans les premiers chapitres des manuels scolaires. Toutefois, dans l’apprentissage de la biologie, l’étudiant devrait comprendre que tous les processus biologiques ont été structurés par des mouvements évolutifs (“Nothing in biology makes sense except in the light of evolution“) (Dobzhansky 1973). Le “eh bien, je ne m’attendais pas à ça” devrait donc correspondre au développement d’une vision de l’ensemble des connaissances, rassemblant tous les morceaux entre eux.

Finalement, comment élabore-t-on le contenu?

Une étape importante pour structurer le contenu d’un cours est de définir les besoins en enseignement. Il est nécessaire de repérer les savoirs qui sont souhaitables d’enseigner permettant de construire un réseau de connaissances transférables dans divers contextes. Cela peut être fait via la distribution de sondages distribués auprès de différents acteurs impliqués de près ou de loin tels que les enseignants, les autorités éducatives, les étudiants, les acteurs, le secteur industriel et professionnel, etc. Cela prend du temps, ouvre bien des débats et demande un certain niveau de conciliation et de résignation. Ensuite, bien évidemment, la fiabilité et la validité des connaissances à enseigner doivent avoir été démontrées (cela peut prendre un certain temps, lire cet article sur le délai de la transposition didactique). Évaluer les contextes sociaux et politiques est aussi recommandé pour enseigner des savoirs qui ont du sens avec la conjoncture du moment. La relevance des savoirs scientifiques a souvent été montrée importante pour stimuler la motivation d’apprendre qui conduit à une compréhension authentique (Stuckey et al. 2013; McFarlane 2013). Concrètement pour l’enseignant, cela peut commencer en répondant à ces questions: quel est l’état de connaissances actuel des apprenants (les préconceptions), quelle est la situation souhaitée et quels sont les moyens possibles pour réduire la distance entre celles-ci (Watkins & Kaufman 1996)? L’approche pré/post-test en utilisant des questionnaires à choix multiples appelés “inventaire de concepts” permet de diagnostiquer rapidement les idées reçues ou les incompréhensions. Ainsi, on peut explicitement orienter notre enseignement pour résoudre les savoirs mal compris, tout en répondant aux besoins éducationnels préalablement diagnostiqués par une évaluation et une analyse de besoins.

Une question d’humilité

“Il est donc indispensable que la démarche d’évaluation des contenus enseignée telle qu’elle est proposée ici en début de processus crée en réalité une attitude générale d’humilité consistant à remettre non pas par exception, mais de façon banale son ouvrage sur le métier.” (p. 132)

Voici une citation de RF Gauthier, qui selon moi, fait une belle conclusion à mon billet (j’ai un léger manque d’inspiration!). Le contenu d’enseignement est avant tout le sujet de notre humilité; de notre capacité à reconnaitre les limites de nos connaissances et à agir pour sortir de notre zone de confort.

Références

Bauerle, C. et al., 2011. Vision and change in biology undergraduate education: A Call to Action. C. A. Brewer & D. Smith, eds., Washington, DC: American Association for the Advencement of Science.

Crowe, A., Dirks, C. & Wenderoth, M.P., 2008. Biology in bloom: implementing Bloom’s taxonomy to enhance student learning in biology. CBE—Life Sciences Education, 7, pp.368–381.

Dobzhansky, T., 1973. Nothing in biology makes sense except in the light of evolution. American Biology Teacher, 35(3), pp.125–129.

Stuckey, M. et al., 2013. The meaning of “relevance” in science education and its implications for the science curriculum. Studies in Science Education, 49(1), pp.1–34.

Watkins, R. & Kaufman, R., 1996. An Update on Relating Needs Assessment and Needs Analysis. Performance Improvement, pp.10–14.

Wood, W.B., 2008. Teaching concepts versus facts in developmental biology. CBE-Life Science Education, 7(1), pp.10–11.