DidacBiol

Le 24 avril 2017, pour une première francophone (!!), je présenterai quelques-uns de mes résultats obtenus lors de mon projet de doctorat. La présentation aura lieu à 12:15, à l’Université de Genève,  en salle 225 de  l’IUFE au Pavillon Mail. Soyez les bienvenus!

Aura lieu le mardi 2 mai, à 12:15, un séminaire qui a pour titre : “The need of refinement of the features of the Nature of Science sometimes stated to be the “consensus view” in science education discourse”. Ce séminaire sera présenté par le Professeur Igal Galili, de la Hebrew University of Jerusalem. Le rendez-vous a lieu à IUEF du Pavillon Mail, à Genève, dans la en salle PM10.

On Tuesday, May 2 at 12:15, the seminar titled: “The need of refinement of the features of the Nature of Science sometimes stated to be the “consensus view” in science education discourse”  is presented by Professor Igal Galili, of the Hebrew University of Jerusalem. The seminar takes place at IUEF of the Pavillon Mail, in Geneva, in the room PM10.

Voici le résumé de la présentation/here is the abstract of the presentation:

Abstract. Until recently, features of nature of science (NOS) were often not addressed in science curriculum at all or addressed superficially, drawing on an oversimplified perception of philosophy of science.  Within the attempt to improve the situation, a specific discourse has been developed by researchers in science education.  Since describing the nature of science involves the knowledge of history and philosophy of science, the discourse on NOS in education is not immune to confusion and speculative statements that require clarification to the wide population of students and practitioners. Such are, for instance, the popular claim of science to be “subjective” or rejecting the need of history of science for containing obsolete knowledge. We have performed several studies, and participated in HIPST European international project to provide a more comprehensive account for the subject.  Within this approach, we have developed so called discipline-culture framework to represent scientific knowledge seeking cultural content knowledge (CCK)* as well as addressing epistemological aspects of science.  The two require different accounts for presenting different types of culture – the culture of rules (the content knowledge) and the culture of texts (the scientific method) (**).  In my talk, I will describe our understanding of the NOS features as mentioned in literature (***) and their correspondent refinement.  We argue for addressing the features of science in the span of variation objective-subjective, tentative-certain, and so on depending on the context.

(*) Galili, I. (2012). Cultural Content Knowledge – The Case of Physics Education. International Journal of Innovation in Science and Mathematics Education, 20(2), 1-13.  Galili, I. (2014). Teaching Optics: A Historico-Philosophical Perspective. In M. R. Matthews (ed.).  International Handbook of Research in History and Philosophy for Science and Mathematics Education, pp. 97-128, Springer.

(**) Lotman, Yu. (2010). The problem of learning culture as a typological characteristic. In What people learn. Collection of papers and notes (pp. 18-32). Moscow: Rudomino.

(***) Lederman, N., Abd-el-Khalick, F., Bell, R.L. & Schwartz, R.S. (2002). Views of Nature of Science Questionnaire: Toward Valid and Meaningful Assessment of Learners’ Conceptions of Nature of Science.  Journal of Research in Science Teaching, 39(6), 497–521.

Pour plus d’information sur les projets du Professeur Galili, cliquer ici.

Nombre de fois où j’ai voulu sauter des étapes lors de ma carrière estudiantine, mais les cours préalables m’ont bien vite coupé mon élan ! Pour le mieux ou pas ? Ils sont souvent une source de frustration pour bien des étudiants. Les raisons sont diverses : l’obligation ne plait pas, trop généraux, pas de lien direct avec une profession, trop basiques, manque de cohésion entre les cours, etc.

La « découverte » scientifique…

Tout récemment, Brian K. Sato et son équipe (Sato et al. 2017) se sont intéressés à cette question des cours préalables dans un cursus scientifique (l’article original en anglais est disponible ici). Ils ont évalué les bénéfices des prérequis pour un cours théorique de microbiologie et de son pendant pratique, la période de laboratoire. Un questionnaire de « familiarité » des concepts a été développé pour mesurer l’état de connaissances des étudiants. Plus précisément, cette échelle de familiarité consiste à mesurer l’habilité de l’étudiant à répondre à une question théorique à partir de ses connaissances acquises lors d’un cours prérequis. De manière générale, ils ont constaté que les étudiants qui participaient au cours théorique de microbiologie ne performaient pas mieux que ceux qui ne le suivaient pas. De là, on peut donc remettre en question le bien-fondé des cours prérequis !

Préalable en fonction de quoi ?

La réussite d’un cours préalable obligatoire est une façon de s’assurer que l’étudiant/e a acquis/e un certain niveau de connaissances de base.  On peut comparer cela à la construction d’une fondation de savoirs (idéalement solide !) permettant d’accueillir des connaissances de plus en plus complexes. J’ai exploré le « comment » on définit les préalables, mais j’ai trouvé bien peu de littérature sur le sujet. De manière générale, les instructeurs semblent souvent déterminer les prérequis en fonction de leur expérience personnelle en enseignement, mais aussi en fonction leur propre expérience en tant qu’étudiants (Rovick et al. 1999).

Qui vient en premier ? La théorie ou la pratique ?

Revenons à Sato et ses collègues et à leur grille de « familiarité ». Simplement, des questions peuvent être « très familières », « familières » ou « non-familières » en fonction des connaissances acquises préalablement. Ainsi, en mesurant l’habilité des étudiants à répondre à certaines questions de connaissances, ils ont pu évaluer si le cours théorique de microbiologie était nécessaire pour réussir le cours de laboratoire. De manière générale, les étudiants qui avaient fait le cours théorique de microbiologie avaient significativement les mêmes résultats sur les examens théoriques et de laboratoire que les étudiants n’avaient pas complété ce cours théorique normalement prérequis pour le laboratoire. Ils ont aussi rencontré les étudiants pour connaître leurs perceptions de ces prérequis. Pour 89.3% des étudiants, les prérequis sont nécessaires pour acquérir des connaissances de base. Pour, respectivement, 35.7%, 25.0% et 21.4%, les connaissances préalables agissent comme un « filet de sécurité », déterminent leurs succès futurs et contribuent à l’intérêt de la discipline enseignée. Toutefois, pour 51.7% des étudiants rencontrés, le cours théorique représente aussi un casse-tête administratif, surtout au niveau de l’établissement de l’horaire des cours. Beaucoup considèrent ce cours comme une perte de temps et d’argent (37.9%) ou mal intégré dans le cursus (31.0%). Il est intéressant de constater que seulement 17% pensent que le cours théorique de microbiologie est inutile. Pour Sato et ses collègues, les résultats obtenus ont permis de créer une ligne directrice pour amorcer certains changements dans les cours de microbiologie.  Toutefois, ils ne suggèrent aucune avenue pour résoudre l’énigme de ce qui doit venir en premier ; la théorie ou le laboratoire ?!

Ce que l’on doit retenir

L’idée de ce type d’investigation n’est pas de démontrer que les prérequis ne sont pas nécessaires. En effet, multiples études montrent l’importance de ceux-ci et présentent des résultats qui contrastent avec l’étude menée par Sato et ses collègues (Soria & Mumpower 2012; Choudhury & Robinson 2007; McCoy 2004; Donovan & Wheland 2009). Il faut plutôt retenir l’importance de remettre en question certaines façons de faire, qui sont souvent solidement ancrées depuis de nombreuses années. L’acquisition de connaissances fondamentales est essentielle pour la construction d’un réseau de plus en plus complexe. Les cours prérequis sont une forme de standardisation du système éducatif assurant un niveau d’instruction minimum nécessaire à la réussite de l’étudiant (en théorie !). Toutefois, il serait important de réévaluer son efficacité car un tel système évolue aussi en fonction de contextes socio-économiques et technologiques donnés. Selon moi, des résultats présentés comme ceux de Sato et ses collèges démontrent uniquement la nécessité de remodeler un curriculum de façon à ce que les cours offerts deviennent totalement réciproques, c’est-à-dire en symbiose. Les prérequis sont donc un bien-fondé, si ceux-ci sont raisonnés !

Références

Choudhury, A. & Robinson, D., 2007. Effect of prerequisite on introductory statistics performance. Journal of Economics and Economics Education Research, 8(3), pp.19–32.

Donovan, W.J. & Wheland, E.R., 2009. Comparisons of Success and Retention in a General Chemistry Course Before and After the Adoption of a Mathematics Prerequisite. School Science and Mathematics, 109(7), pp.371–382.

McCoy, E.D.P.S.K., 2004. The Function of Course Prerequisites in Biology. American Institute of Biological Sciences.

Rovick, A.A. et al., 1999. How accurate are our assumptions about our students’ background knowledge? Advances in Physiology Education, 21(1), pp.S93–S101.

Sato, B.K. et al., 2017. What’s in a Prerequisite? A Mixed-Methods Approach to Identifying the Impact of a Prerequisite Course. D. Barnard, ed. CBE-Life Sciences Education, 16(1), pp.ar16–20.

Soria, K.M. & Mumpower, L., 2012. Critical building blocks: Mandatory prerequisite registration systems and student success. NACADA Journal, 32(1), pp.30–42.

“Energy is required to perform a work.”

In an university introductory biology course, I have investigated undergraduates’ thinking about the concept of energy. The question was simply: “Define energy”. This question was simple in construction in order to avoid influencing students’ answers (Schurmeier et al. 2010). In addition, I was curious to find out the discipline influence in the student’s reasoning. The most popular explanation was “energy is required to perform a work”, mainly inspired by knowledge learned in physical courses. In biological contexts, such reasoning doesn’t really help to understand the energy requirement in biological processes. For example, understanding molecular binding of medicaments or antibodies requires the recognition of energetic properties of molecules and understanding some thermodynamics principles (more details here). “Perform work” is quite meaningless in such microscopic scale. Cooper and Klymkowsky (Cooper & Klymkowsky 2013) consider that the focus on macroscopic events in physics courses (the most classic example is an object rolling down a hill) harms to develop an interdisciplinary understanding of this concept, mainly in biology introductory courses. This problem is referred as multimodalities in representing the concept of energy (Tang et al. 2011). Indeed, differences in discourse between disciplines make the concept energy confused for many students (Hartley et al. 2012).

Energy?

How can we define clearly energy that may help students to improve their biological understanding? Let’s check on Wikipedia.

“In physics, energy is the property that must be transferred to an object in order to perform work on – or to heat – the object, and can be converted in different forms, but not created or destroyed. […]. Common energy forms include the kinetic energy of a moving object, the potential energy stored by an object’s position in a force field (gravitational, electric or magnetic), the elastic energy stored by stretching solid objects, the chemical energy released when a fuel burns, the radiant energy carried by light, and the thermal energy due to an object’s temperature”. (Wikipedia)

“In biology, energy is an attribute of all biological systems from the biosphere to the smallest living organism”. (Wikipedia)

Hartley and al. (2012) have investigated energy definitions in popular chemistry, physics and biology textbooks (Figure 1).

Figure 1: Textbook definitions and index-term usage of energy and matter (from Hartley et al. 2012)

We can notice that the idea of capacity to do work, the form of energy (potential, kinetic, heat, thermal energy), conservation of energy are common terms among chemistry, physics and biology textbooks. However, we mainly retain that energy is an abstract concept, not observable and impossible to measure directly. To cite Richard Feynman (1963), “It is important to realize that in physics today, we have no knowledge of what energy is“. In 2017, the definition is not really more elaborated. Energy is still a hard concept to teach and to learn. If we cannot easily define it, maybe we can analyze the potential origin of the confusion.

Interdisciplinary Confusion

As we can see, energy is a core concept in education of sciences. Energy underlies all processes in physics, chemistry and biology. The main problem in biology courses is that many students do not consider energy as the main driver of molecular interactions. It includes movements, binding and detachments of molecules in cells. Such interactions directly influence, for example, expression of genes and consequently, the determination of morphological traits. Students often restrict their reasoning by having a macroscopic view of physical principles. For examples, a ball rolling down a hill (kinetic vs potential energy) or the energy requires to maintain muscles in action. In addition, many research demonstrated that students have many misconceptions on the concept of energy (entropy, potential/kinetic energy) (Neumann et al. 2012; Haglund et al. 2015; Geller et al. 2014). It might be possible that such misconceptions are transferred into biological contexts. Megan Nagel and Beth Lindsey (Nagel & Lindsey 2015) have shown that students who leaving an introductory general chemistry course do not recognize how distance between molecules are determinate by the energy of a system. We know that many students struggle to understand how molecules “find each other” or get apart again (Klymkowsky et al. 2010; Champagne Queloz et al. 2016).

In parallel, the misconceptions “energy is stored in chemical bonds” and “energy is released when bonds break” is well popular among the learners. It indicates that students often consider chemical bonds as a physical entity.

“This notion of a chemical bond as matter thus appeared to be linked to the everyday notion that building any structure requires energy input, and its converse, destruction, releases energy, to form the basis for the prevalent alternative conception that bond making requires input of energy and bond breaking releases energy”. (Boo 1998) p. 574

In biology contexts, there is this false idea that breaking chemical bonds of food by digestion (in other words, a catabolism reaction) releases energy. The focus should be on the chemical reactions. Precisely, the reaction between oxygen and the food through the cellular respiration transforms the potential energy into chemical (ATP) and thermal (heat) energy. This thermal energy is essential to govern all biological processes.

The thermodynamics factor, the thermal energy, is the “force” pushing the molecules in diverse directions, engendering collisions and then, causing random movements of its. Hartley et al. (2012) reported that in the majority of biology textbooks, the focus is on movement, i.e. the transfer through ecosystems and transformations of energy. In their investigation, they found that only few textbooks were referring to the conservation of energy or law of thermodynamics to describe biological processes.

There is another problem. In chemistry and physics courses, energetic models are most of the time presented in equilibrium closed-systems, or in controlled-environmental systems. In contrast, biological systems are open, i.e. there are exchanges between organisms and the exterior environment. The exchanges consist of continuous building up and breaking down of molecules (Bertalanffy 1950). Here you can find fancy explanations about this principle.  Again, such energetic exchanges take origin in thermodynamics processes.

Some solutions?

The concept of energy is difficult to teach because there is not explicite consensus among scientific disciplines. Hartley and al. (2012) paper gives some insights helping to be aware of the interdisciplinary confuse meaning of energy. According them, simply to increase the awareness of the differences in how biologist, chemists and physicists define energy might help to better teach it. It also improve understanding of students.

Moreover, students need help to make spontaneous connections between knowledge taught in physics, chemistry and biology classes (Nagel & Lindsey 2015; Tang et al. 2011). Megan Nagel and Beth Lindsey (Nagel & Lindsey 2015) showed that only few of them have the abilities to transfer their knowledge through different disciplines.

Figure 2: Some students can think that energy is a physical entity, such a liquid or a solid.

The last point is about the terminology used to describe energy. Everyday language can conduct through a wrong understanding of this concept. For example, we often read, “chemical reactions produce/create energy”. The energy is transferred or transformed, but it is never produce or create. This wrong idea is again the first law of thermodynamics, the conservation of energy. Another example is the use of the word “substance” to define energy. Some students can think that energy is a physical entity, such a liquid or a solid. Moreover, some consumable products, such energetic drinks or energetic bars increase the prevalence of this “substance” thinking. Such everyday expression should be used carefully when the concept of energy is taught.

Conclusions

As you can see, teaching and learning energy takes a lot of energy! Only awareness of such difficulties can make it easier, I think. The general idea of that post was that, to inform about some issues and unfortunately, not to give a precise definition of this interdisciplinary concept. I have the humility to recognize that it’s definitely over my scientific competencies!

References

Bertalanffy, von, L., 1950. The theory of open systems in physics and biology. Science, 111(2872), pp.23–29.

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. et al., 2016. Debunking Key and Lock Biology: Exploring the prevalence and persistence of students’ misconceptions on the nature and flexibility of molecular interactions. Matters Select, pp.1–7.

Cooper, M.M. & Klymkowsky, M.W., 2013. The Trouble with Chemical Energy: Why Understanding Bond Energies Requires an Interdisciplinary Systems Approach. CBE-Life Science Education, 12(2), pp.306–312.

Geller, B.D. et al., 2014. Entropy and spontaneity in an introductory physics course for life science students. American Journal of Physics, 82(5).

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

Hartley, L.M. et al., 2012. Energy and Matter: Differences in Discourse in Physical and Biological Sciences Can Be Confusing for Introductory Biology Students. BioScience, 62(5), pp.488–496.

Klymkowsky, M.W., Underwood, S.M. & Garvin-Doxas, K., 2010. Biological Concepts Instrument (BCI): A diagnostic tool for revealing student thinking. arXiv.org.

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.

Neumann, K. et al., 2012. Towards a learning progression of energy. Journal of Research in Science Teaching, 50(2), pp.162–188.

Schurmeier, K.D. et al., 2010. Using Item Response Theory To Assess Changes in Student Performance Based on Changes in Question Wording. Journal of Chemical Education, 87(11), pp.1268–1272.

Tang, K.S., Tan, S.C. & Yeo, J., 2011. Students’ Multimodal Construction of the Work–Energy Concept. International Journal of Science Education, 33(13), pp.1775–1804.

Ce printemps, l’Institut universitaire de formation des enseignants (IUFE) de l’Université de Genève propose des séminaires sur la recherche et la pratique en science de l’éducation (Research and Practice in Education Spring 2017). Le premier séminaire, qui aura lieu le lundi 6 mars, à 12:15, a pour titre : “Démarche d’investigation en classe de biologie: analyse de 25 séquences mises en oeuvre par les enseignants stagiaires”. Ce séminaire sera présenté par Mme Marie Merminod et M. Rémi Kopp. Le rendez-vous a lieu à IUEF, à Genève, dans la salle 225.

D’autres séminaires auront lieu durant tout le printemps. Voici l’horaire des présentations: Programme Printemps 2017

This spring, the Institute of Teacher Education (IUFE) at the University of Geneva offers the seminar “Research and Practice in Education”. The first seminar, on Monday, March 6 at 12:15, is titled: “Investigation approach in biology class: analysis of 25 sequences implemented by trainees- teacher”, by Mme Marie Merminod and M. Rémi Kopp. The seminar takes place at IUEF, in Geneva, in the room 225.

Here you can find the spring schedule 2017 of all presentations: Programme Printemps 2017

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.

Recently, the Department of Biology at ETH Zürich, in Switzerland, has introduced new forms of teaching such flipped classroom. It aims to encourage students to become more involved in their learning (see the article here).

“Deblocking” teaching in well-established universities!

Traditional educational practices 

It is often difficult to initiate educational reforms in prestigious or top-ranked universities (this idea of top-ranked universities is quite debatable… Article 1. Article 2. Article 3). It requires commitment and some humility to recognize the limits of a system and the need to change it. Usually, traditional educational practices are strongly anchored into well-establish universities. Traditional teaching refers to a lecturer who is the main actor involved into the transfer of knowledge. In this context, students have a passive role by absorbing knowledge. Common assessments are usually constructed to measure abilities of students to memorize large amount of knowledge and to distinguish/describe “the right” and the “false” statements. The principal exchange between the lecturer and the students is normally during informal oral questions sessions during or at the end of the lecture. Most of the time, only few students are willing to share their questioning or comments. In addition, the room to discuss in class is often restricted, dominated by the time requires to teach the content.

At ETH Zürich, some professors were unsatisfied with such traditional approach. They have realized that, even if students are learning something, they don’t demonstrate any ability to discuss or to develop critical thinking. Such competencies are fundamental to develop a better scientific literacy. In addition, many students interpret wrongly what we tend to teach them by demonstrating important misconceptions (read here our article about this subject). Those misconceptions are often immutable when not addressed and not revealed by common assessments.

Flipped Classroom

A flipped classroom consists for students to get acquainted with the subject of the lecture before to come in class through self-study using interactive learning exercises with texts and videos available via a learning platform. Then, students are coming in class and the lecturer introduces briefly the subject. After this short introduction, students are working in small teams to do some learning activities and discuss between them, with the lecturer and the teaching assistants. Developing such educational approach takes considerably a lot of time to prepare and update the material and a workforce to assist students in large-enrolled groups during discussion sessions.

A survey done at the end of every semester reveals that ETHZ students are highly happy with this approach. In addition, according to the lecturers, the teaching assistant and the students, the discussions immediately reveal some weak understanding, offering the possibility of the lecturer to readjust his teaching quickly. Consequently, students develop a better conceptual understanding.

Center for Active Learning (CAL)

The Department of Biology has founded the Center for Active Learning (CAL). The team is offering counselling and development services for the department’s lecturers. They collaborate with the department of Educational Development and Technology at ETH Zürich to improve the learning platform.

Educational Tasks of Universities

Prestigious or top-ranked universities should remain at the forefront of the key improvements in education, not only in research activities. The main role of universities is the formation of future professionals or researchers having knowledge, of course, but also demonstrating conceptual understanding and critical thinking. Traditional education doesn’t accord to measure such competencies. Obviously, this suggests that authorities must therefore show a certain open mind for changes. Challenging a well-establish system demands engagements, the conviction that changes are needed, but, principally, some humbleness to recognize that we can do better.

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.