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N°443 - Dossier "La culture scientifique"

Que devient la pluie qui tombe dans la forêt ?

Par Anne-Marie Lanoizelé et Patrick Avel


Cette séquence a été menée début décembre 2006, dans une classe de CE1 à l’école Jean Jaurès de Stains en Seine-Saint-Denis.
Elle a fait suite à un travail consistant à résoudre le problème : « Depuis des années et des années que des feuilles tombent chaque automne, comment se fait-il qu’on ne « nage » pas dans de grosses épaisseurs de feuilles mortes, quand se promène dans une forêt ? ». Cette séquence avait été l’occasion d’aller en forêt, d’observer de la terre in situ, puis à la loupe binoculaire en classe ainsi que des roches et, petit à petit, de construire des connaissances autour de la formation du sol.

Verbaliser une question et poser le cadre

Nous avons choisi de commencer la séquence en demandant aux élèves de rédiger un texte à partir d’une des deux consignes suivantes : « Tu es une goutte de pluie et tu tombes du ciel dans la rue Jean Jaurès à côté de l’école. Raconte par écrit ce qui va t’arriver. » ou « Tu es une goutte de pluie et tu tombes du ciel dans la forêt ou nous sommes allés avec la classe. Raconte par écrit ce qui va t’arriver. ».
C’est un travail écrit individuel, chaque élève ne connaît que sa propre consigne.
Les élèves sont engagés dans un travail de production de texte ; aucune contextualisation scientifique ne leur est suggérée. Cette séance s’arrête quand on récupère les productions des élèves.
Avant la deuxième séance, les textes récupérés sont analysés et découpés. Une partie des phrases est présentée sous forme de quatre pavés de textes (voir annexe 1).

Au début de la deuxième séance les élèves sont confrontés à ces quatre blocs de textes. Après un travail de lecture, il est demandé aux élèves :
- Que pensez-vous de ces textes ?
- Est-ce qu’ils se ressemblent ?
- Est-ce qu’ils parlent de la même chose ?
- Est-ce qu’ils disent la même chose ?

Les élèves repèrent et verbalisent facilement que deux pavés concernent la forêt (1 et 2) et que les deux autres évoquent la pluie dans la rue. Avec plus de difficultés et grâce à un questionnement rigoureux des enseignants, ils s’aperçoivent que si les pavés 1 et 2 parlent de la pluie dans la forêt, le 2 dit des choses vraies, mais le 1 c’est « comme une histoire, cela ne dit pas ce qui se passe vraiment ». La même distinction, fiction/réalité, est abordée en comparant les textes des pavés 4 et 3.

Les enseignants fixent le contrat didactique : « Nous allons travailler sur ce qui a été écrit dans les phrases du bloc 2. Mais de quoi parlent ces phases ? ». Les élèves formulent après un court moment de dialogue la question : « Que devient la pluie qui tombe dans la forêt ? ». Ils notent dans leur cahier de sciences cette phrase qui est le titre du travail qu’ils vont avoir à faire.

Cette question, ainsi formulée, n’est pas un problème scientifique : elle renvoie d’abord à un trajet et pas directement à une explication. Toutefois, le trajet supposé renvoie indirectement à des explications qui concerneraient un problème du type : comment se fait-il que depuis des années et des années qu’il pleut, le sol de la forêt ne soit pas recouvert d’un lac ?

Le pavé de textes 2 a été reproduit sur une grande affiche car il y sera souvent fait référence. En effet, les enseignants précisent que ce qui est écrit est peut-être vrai, mais que des affirmations différentes sont écrites et qu’il va falloir vérifier si tout est vrai.
Ces textes 2, peuvent être considérés comme des « hypothèses » émises par les élèves ; en effet, même s’il s’agit d’évoquer un trajet, ce trajet est en relation avec des mécanismes explicatifs encore mal maîtrisés. En outre, les élèves ne sont pas dans la restitution d’un trajet connu, ni en train de proposer un trajet au hasard comme s’il s’agissait de répondre à une devinette.

Cette partie de la séquence peut paraître longue et peu en rapport avec les sciences. Cependant, elle nous semble très importante car :
- les élèves sont sollicités dans des tâches d’écritures et de lecture, activités essentielles en CE1,
- un des enjeux du travail en sciences en cycle 2 est d’aider les élèves à discriminer la réalité de la fiction,
- la culture scientifique ne se résume pas à une accumulation de connaissances, mais nécessite un repérage de ce type de savoirs, de ce type de productions de l’esprit humain, parmi d’autres. Au-delà du repérage, il faudra progressivement en identifier les spécificités.

Rendre nécessaire un dispositif de modélisation

Le contrat est maintenant clair pour les élèves et à tout moment, il pourra être rappelé lorsqu’un élève sortira de la réalité pour s’engager sur le terrain de la fiction, ce qui n’est pas rare à ce niveau de classe.
Chaque élève reçoit un polycopié qui ne comporte pour l’instant qu’une phrase en haut de la page : « La pluie tombe », avec, dix centimètres en dessous, la mention : « Surface du sol de la forêt » suivie d’un trait horizontal.

La pluie tombe

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Surface du sol de la forêt -----------------------------

Les élèves repèrent la surface du sol et donc la zone de l’air et la zone dans la terre. L’appropriation d’un schéma d’une coupe de la limite atmosphère/sol n’est pas simple. Elle s’appuie sur l’observation d’un aquarium plein de terre présent dans la classe.
Sur leur polycopié, les élèves dessinent une large flèche verticale pour signifier que la pluie tombe du haut (zone de l’air) jusqu’à la surface de la terre de la forêt. Cette feuille polycopiée aura le statut de « document mémoire ». Une fois achevée, elle constituera un schéma fonctionnel de synthèse dont l’élaboration se sera faite au fur et à mesure de la validation des propos des élèves pendant les séances.

Parmi les hypothèses des élèves (pavé de textes 2) on reprend celle qui fait état de la pénétration de l’eau dans le sol (voir l’hypothèse notée H1 dans le pavé de textes 2 de l’annexe 1). Puis on engage un dialogue collectif sur : « Comment pourrait-on savoir ce que devient l’eau qui rentre dans la terre ? ». L’aquarium plein de terre étant à disposition, les élèves y font référence. A leur demande, on verse de l’eau sur la terre de l’aquarium. Même si on voit l’eau qui rentre dans la terre, il est difficile de répondre à des questions comme :
- Où est l’eau qui est rentrée dans la terre ?
- Toute l’eau est-elle en bas de l’aquarium ?
- Reste-t-il de l’eau dans la terre du haut ?

Les élèves restent donc confrontés à la difficulté de répondre à la question de départ. Ils conviennent de l’insuffisance du dispositif choisi. Pour achever cette phase de dialogue collectif, l’enseignant apporte une indication : « Les scientifiques ont inventé une « expérience » qui permet de savoir si toute l’eau traverse la terre. »

En fait, même si ce n’est pas présenté avec ce vocabulaire-là, il s’agit de faire émerger la différence entre une étude qualitative du déplacement de l’eau dans la terre et une étude quantitative entre l’eau qui stagne et celle qui traverse. Il y a donc des prés requis sur le concept de volume et la mesure de cette grandeur. En particulier, il faut que « mesurer un volume » ait du sens pour les élèves.

Quand une question résiste...

Les élèves sont répartis par groupes de trois. Chaque groupe reçoit de la terre en vrac et le dispositif ci-contre (le tuyau flexible étant obturé par la pince). Ils découvrent qu’il y a en bas de chaque colonne une sorte de robinet (la pince) susceptible d’être ouvert.
Ils remplissent de terre le tuyau rigide jusqu’au repère. Quand tous les groupes ont terminé, on commence un dialogue collectif sur : « Comment faire pour mesurer si toute l’eau traverse la terre ? ».
On élabore collectivement un protocole qui devra être respecté par tous les groupes :
- mesurer la quantité d’eau versée dans la terre jusqu’à ce que l’eau ne puisse plus y rentrer,
- ouvrir le robinet (la pince), récupérer l’eau qui sort et mesurer cette quantité d’eau,
- calculer si toute l’eau a traversé la terre et, le cas échéant, calculer l’eau qui restée.

Chaque groupe reçoit un petit bécher gradué de 10 en 10 jusqu’à 50 ml et une feuille intitulée : « La quantité d’eau qui rentre dans la terre : » permettant de prendre des notes quant à la quantité d’eau versée. Sur cette feuille sont dessinés de nombreux petits béchers. On se met d’accord sur la façon de transcrire les quantités d’eau mesurées :
- pour verser l’eau, ils rempliront un bécher jusqu’à 50, ils verseront l’eau sur la terre de la colonne, ils s’arrêteront dès que l’eau ne pourra plus pénétrer dans la terre, mais avant qu’il y ait une épaisseur d’eau au-dessus de la terre,
- ils continueront à verser quand l’eau aura pénétré dans la terre.

Pour chaque bécher totalement versé (préalablement rempli jusqu’à 50), ils traceront un trait au crayon à la graduation 50 d’un des béchers dessinés sur la feuille qu’ils ont reçue et ils colorieront l’intérieur du bécher jusqu’à la graduation 50. A la fin, ils garderont sur leur table le dernier bécher utilisé, sans doute celui-ci ne sera-t-il pas complètement vidé.

Cette activité est assez longue et demande de la rigueur car sinon on ne pourra rien calculer. Les élèves comprennent bien l’importance de cette précision. Cette représentation du travail scientifique nous semble importante à mettre en scène et donc à développer chez de jeunes élèves.

Le temps que l’eau s’infiltre dans la colonne de terre, les élèves ont une autre tâche à exécuter : décrire par écrit ce qu’ils voient, ce qui se passe quand ils versent de l’eau sur la terre. On prend un moment pour évoquer ensemble ce qu’ils ont constaté. En particulier que l’eau rentre lentement, que si on verse trop vite il reste de l’eau au-dessus de la terre, qu’à cet endroit cela fait comme de la boue. Cela permet de valider certaines affirmations du pavé 2 (H2 etH3), traitées alors comme des hypothèses vérifiées.
Il nous paraît important de saisir les opportunités - et donc d’anticiper pour en créer - permettant ainsi d’amener les élèves à confronter leurs hypothèses (ici réunies dans le pavé de textes 2) avec ce qu’ils constatent.
La dernière étape de cette mesure est délicate. En effet il reste à intégrer dans les mesures le dernier bécher partiellement vidé dans la colonne. Une discussion collective est nécessaire pour comprendre que l’eau rentrée dans la terre n’est pas l’eau qui reste dans le bécher, mais ce qui manque entre ce qui reste et la graduation 50. Chaque groupe procède au calcul de et colorie sur un dessin de bécher la dernière quantité d’eau versée dans la terre. Chaque groupe dispose maintenant de sa feuille avec les informations concernant la quantité d’eau versée dans la terre. Par exemple, sur la feuille intitulée : « La quantité d’eau qui rentre dans la terre : », l’élève a colorié quatre béchers jusqu’à la graduation 50 et un bécher jusqu’à la graduation 30.

Pour mutualiser les résultats, un représentant de chaque groupe doit venir chercher des étiquettes de béchers beaucoup plus grandes car elles devront être visibles par toute la classe. Il demande le nombre exact d’étiquettes dont il a besoin pour afficher ses résultats. Il trace les traits sur les graduations conformément à ceux-ci. Pour rendre les choses plus visibles, il colorie la zone du bécher sous le trait. Cela pour chaque étiquette nécessaire.

La classe dispose donc d’une grande affiche portant les résultats des mesures de chaque groupe sous forme d’étiquettes de béchers complétés des repères adéquats. Chaque groupe calcule la quantité d’eau qu’il a versée (dans l’exemple précédent, 50, 50, 50, 50 et 30). Les résultats sont vérifiés et inscrits sur l’affiche.

Nous programmons une alternance de travail par petits groupes, de moments où chaque groupe rend compte de ses données, de dialogues collectifs pour comparer ces données, mais aussi de travail collectif pour traiter les données de chaque groupe. Il y a mise en situation de la responsabilité de chaque groupe dans le travail de la classe et coopération de chaque élève de la classe pour « aider » les groupes à faire avancer leur travail.

Puis chaque groupe ouvre la pince de sa colonne et laisse couler l’eau dans un gros récipient toute la nuit. Le lendemain on verbalise ce que l’on constate. En particulier les élèves observent que le haut de la colonne de terre est sec, mais pas le reste. De nouveau, cela valide une hypothèse des élèves (pavé 2, H4). On procède ensuite à la mesure de la quantité d’eau sortie. Chaque groupe rend compte de ses résultats et calcule la quantité d’eau récupérée. Pour ce faire, on utilise les mêmes dispositifs que pour l’eau rentrée. En particulier, on continue de remplir la grande affiche qui visualise les données de chacun des groupes. Chaque groupe calcule ce qui manque entre l’eau sortie et l’eau entrée dans la terre, les résultats sont vérifiés collectivement. Ce qui donne pour l’exemple précédent :
- eau sortie : 110 ;
- eau rentrée : 230.
Il s’agit donc d’aller de 110 à 230. Les élèves procèdent par bonds successifs : de 110 à 150, il faut 40, de 150 à 200, il faut 50, de 200 à 230, il faut 30. Il faut donc calculer : 40 plus 50 plus 30.
En observant l’affiche, on constate que la comparaison des résultats montre des petites différences d’un groupe à l’autre, mais pas de grosses variations.
Si ce travail de mathématiques nous semble porteur d’apprentissages en soi, il n’est pas anodin de lui donner une place si importante dans une séquence de « sciences de la nature ».
Il s’agit de travailler sur le rôle des mathématiques dans le processus d’objectivation des observations qualitatives, de prendre en compte des données quantitatives plus rigoureusement exploitables si l’on veut procéder à des comparaisons. Mais, pour autant, on ne peut négliger le risque de voir les élèves perdre le fil conducteur de la séquence, la signification de ces calculs. Pour éviter cela, les nombreux repères visuels sont importants afin de donner aux élèves les moyens de mettre en regard, à chaque moment ce que l’on est en train de faire et la question de recherche initiale : « Que devient la pluie qui tombe dans la forêt ? ».

On peut donc continuer le schéma de synthèse et y fait apparaître l’eau qui reste dans la terre et l’eau qui la traverse. On réutilise les dessins que les élèves avaient faits lors de l’observation de la terre à la loupe (séquence précédente sur la formation du sol) pour comprendre que la plus grande partie de l’eau rentrée dans la terre passe entre les grains - l’eau qui traverse - mais qu’un peu d’eau reste collée sur chaque grain. On complète le schéma de synthèse avec ces nouvelles conclusions.

Replacer un phénomène dans un contexte plus large

Pour continuer, on demande aux élèves : « Où va l’eau qui traverse la terre ? ». Afin d’alimenter la discussion collective, on leur présente des photographies de puits et on leur donne à lire un court texte évoquant la circulation de l’eau sous la terre qui peut ressortir dans des sources ou des rivières.
On peut alors compléter le document de synthèse avec la circulation de l’eau souterraine. On rappelle l’observation faite précédemment : la terre du haut de la colonne a séché. On introduit le mot « s’évaporer ». Enfin, on demande aux élèves ce que peut devenir l’eau qui est restée dans la terre ; est-ce qu’elle peut servir à quelque chose ? Certains élèves indiquent que l’eau qui est dans la terre sert aux plantes. On évoque alors le fait que les scientifiques ont essayé de voir si cette eau était « coincée » ou si les plantes pouvaient la récupérer et que, pour cela, ils ont fait une expérience, expérience que l’on va faire en classe. L’enseignant branche alors une seringue. En aspirant, il récupère une partie de l’eau qui stagnait dans la terre. On convient avec les élèves que l’eau n’était pas complètement coincée et que les racines des plantes travaillent un peu comme la seringue pour récupérer l’eau. On peut donc achever le schéma de synthèse en évoquant le fait qu’une partie de l’eau de la terre peut être aspirée par les racines des plantes. L’annexe 2 (voir doc annexe 2) présente le schéma de synthèse achevé qui représente aussi l’institutionnalisation des connaissances construites. Celles-ci sont très simplifiées, en particulier la notion de nappe phréatique n’apparaît pas, mais il est prévu qu’elle soit travaillée au cours du séjour en classe verte durant le mois d’avril. Néanmoins, elles cherchent à donner une représentation cohérente des phénomènes dans leurs relations.
Ce schéma de synthèse qui se construit progressivement est aussi un document mémoire : il permet de relier les différentes activités entre elles. Il est aussi un élément essentiel pour aider les élèves à comprendre que ce n’est pas la manipulation de l’eau et de la colonne de terre qui est importante. Il ne faut pas qu’il y ait ambiguïté sur l’enjeu de cette séquence. Or plus les élèves manipulent et sont dans le concret, plus ils risquent de passer à côté du travail scientifique : mettre en relation des phénomènes du monde naturel en mettant au grand jour des mécanismes non directement accessibles à nos sens. Le dispositif technique permet de modéliser les phénomènes étudiés et de les rendre lisibles. Son utilisation génère aussi une réflexion aboutissant à la construction d’un savoir cohérent, donc de modéliser des mécanismes.
Les élèves sont actifs et engagés dans de nombreuses activités permettant de solliciter et donc de développer de multiples compétences. Mais les élèves sont surtout actifs intellectuellement car ils sont amenés à faire des propositions circonstanciées, s’appuyant sur un contexte riche, à émettre des hypothèses et non à restituer des connaissances. Ils sont également incités à faire par eux-mêmes des liens entre différentes informations provenant de différentes sources. Enfin, ils sont sollicités afin d’élaborer des procédures de travail, puis de les mettre en œuvre.

La situation est structurée par les enseignants, elle se veut structurante pour les élèves. Le parti pris est de leur faire vivre une démarche scientifique avec certaines de ses contraintes et de ses caractéristiques, certes au détriment d’une démarche d’investigation plus autonome et sans doute plus buissonnante. Cette démarche se différencie également d’une pédagogie de projet où il s’agirait d’arriver à un résultat concret. Mais, comme l’a dit Albert Jacquard, « L’objet de la science n’est pas l’efficacité dans l’action sur l’univers qui nous entoure, mais la cohérence dans notre représentation de cet univers : c’est avant tout une recherche de lucidité ». Alors, la culture scientifique serait, avant tout, tant l’appropriation des résultats de cette recherche - les connaissances - que la compréhension des tenants et des aboutissants de cette lucidité ainsi que la prise en compte de ses exigences comme de sa nécessité. Il s’agit donc entre autres d’entraîner les élèves à replacer toute nouvelle connaissance dans un réseau de connaissances antérieures. Pour cela, il convient de commencer le plus tôt possible à outiller les élèves en connaissances et en procédures.

Anne-Marie Lanoizelé, professeur des écoles dans cette classe et maître formatrice.
Patrick Avel, (professeur de biologie, IUFM de l’Académie de Créteil.


Annexe 1 : première production écrite des élèves

1
Je suis une goutte de pluie, je tombe du ciel. Je suis dans la forêt. Je vois des fourmis. Je joue avec elles. J’étais une goutte de pluie. Je vais me promener, mais des personnes m’écrasent. Elles m’écrasent si fort que j’ai mal. Je m’enfonce dans la terre pour me cacher.

2
J’étais transparente.
Je vais faire une flaque d’eau. (H2)
Avec le temps et le soleil, je vais fondre et disparaître. (H4)
Je vais faire de la boue. (H3)
Je suis une goutte de pluie, il pleut et je suis tombée. Je suis arrivée sur des feuilles. Il a arrêté de pleuvoir et je sèche au soleil.
Je tombe au pied des arbres de la forêt et je rentre dans la terre. (H1)

3
Je vais tomber sur la tête des gens.
Je vais tomber sur les toits des maisons.
Je disparais parce que ça sèche.
Je suis arrivée dans la rue Jean Jaurès à côté de l’école.
Je vais aller dans une flaque d’eau.
Je vais mouiller par terre.

4
Je serai morte dès que je tomberai du ciel.
On m’écraserait sans faire attention, on me ferait très mal.
Je tomberai dans l’œil d’un enfant qui va à l’école pour m’amuser.
Si je tombe par terre, je meurs et je m’en vais quelque part et je vous le dis, dans le soleil avec des autres gouttes de pluie.


Annexe 2


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