USAGE D’INSTRUMENTS DANS L’ENSEIGNEMENT DES SCIENCES

INTRODUCTION:

En 1632, Galilée publie son "Dialogo supra i due massimi sistemi del mondo Tolemaico e Copernicano". Dans la troisième Journée de ce livre, il exprime en se référant à la Théorie Héliocentrique, son admiration pour le fait que chez Aristarque de Samos et chez Copernic, la Raison a lutter avec tant de violence contre les Sens jusqu’au point de devenir maître des croyances.

En effet, l’astronome grec Aristarque de Samos affirme dix-sept siècles avant Copernic (III^e siecle avant J.C.) que les planètes tournent autour du soleil. Pour réaliser une telle affirmation, il se basa sur ses observations astronomiques; spécialement sur le fait que dans les quartiers de lune, la Terre, la Lune et le Soleil forment un triangle rectangle (avec un angle droit sur la lune). Dans ces conditions, Aristarque mesura l’angle Lune-Terre-Soleil et obtint une valeur de 87º, d’où le fait qu’il en déduise en utilisant la resemblance des figures, que la distance Terre-Soleil est vingt fois plus grande que la distance Terre-Lune, et étant donné que leurs tailles apparentes sont similaires, il en conclut que le Soleil est plus grand que la Lune. D’autre part, Aristarque connaissait la relation entre les tailles de la Terre et de la Lune qu’il avait probablement déduites de l’observation de l’ombre de la Terre sur la Lune pendant une éclipse. En combinant les deux relations antérieures, il arriva à la conclusion que le Soleil est un peu plus grand que la Terre et donc, que celle-ci devait tourner autour du premier.

Finalement, nous pouvons distinguer premièrement un changement dans la conception cosmologique de l’Univers et d’autre que l’on a recours à des figures géométriques, aux proportions, ... mais qu’il y a-t-il au centre?.... Au centre se trouve la mesure d’un angle, un seul angle qui avec la géométrie, a permis de changer la cosmologie et évidemment, cet angle fut mesuré à l’aide d’un instrument.

Cela nous amène à penser qu’un des possibles formes de parcourir l’histoire de la Science, est de le faire à travers l’étude des instruments scientifiques.

En effet, nous pouvons considérer la Science comme un "organisme" vivant dont le fonctionnement laisse au fil des temps, une trace composé de deux produits fondamentaux: Les textes écrits et les instruments, c’est-à-dire: Une traînée de déchets exquis grâce auxquels nous pouvons suivre sa trajectoire vitale.

A continuation, nous nous centrerons sur un de ces produits et ses possibles applications didactiques: Les instruments.

En premier lieu, nous allons d’intruments dans un sens général, c’est-à-dire que nous considérons instrument n’importe quel artifice capable de générer un type de connaissance. de ce fait, un accélérateur de particules est un instrument, mais un simple poteau dans le sol (un gnomon), par exemple, l’est aussi. De toutes façons, en tenant compte nos propositions didactiques, un aspect que nous considérons important, est la simplicité, ou mieux encore, la relation entre simplicité et quantité de connaissances produites.

En second lieu, les instruments peuvent être considérés comme un raffinement de nos sens qui acquièrent à travers ceux-ci, une plus grande capacité de pénétration de la Nature en augmentant notre pouvoir d’observation et en nous pourvoyant de procesus d’induction, de l’établissement d’hypothèses, etc... Fondamentalement, l’obtention de mesures de magnitude qui peuvent être représentées dans un espace mathématique abstrait dans lequel on peut appliquer les méthodes axiomatique déductives propres aux mathématiques, ce qui mous permet dans de nombreux cas, de vérifier, refuser ou bien changer les affirmations établies auparavant. De cette manière, l’instrument devient une clef qui ferme (ouvre?) cet éternel cercle de faits et défaits, de faire et défaire (comme Pénélope) que nous appelons Science.

Bien, Comment matérialiser ces considérations dans le cadre de l’enseignement des Sceinces en secondaire?

Pour répondre à cette question, nous devons observer l’histoire de la même manière que, selon de nombreux auteurs, l’activité scientifique qui naît pendant la Renaissance, est lié à l’abandon des préjugés élitistes grecs à l’encontre des arts pratiques et avec l’augmentation de l’intérêt pour les problèmes mécaniques en relation avec la production artisanale, ce qui provoque l’apparition de théories scientifiques à partir des découvertes empiriques accumulées par la tradition des ateliers artisanaux. De la même manière, si nous voulons que nos élèves de secondaire acquièrent des connaissances d’Histoire des Sciences de façon significative, nous devons, nous aussi, abandonner nos "préjugés élitistes grecs" ( et académiques, nous pourrions ajouter) et essayer d’imiter les artisans en construisant, bien que ce soit plus simple, certains instruments desquels nous pourrions obtenir des connaissances empiriques.

Donc nous proposons d’essayer de construire la connaissance scientifique des élèves à partir de cette trace d’instruments laissés par la Science au fil de l’histoire, en nous arrêtant spécialement sur certains points choisis: C’est-à-dire, en nous arrêtant sur ces instruments dont la relation entre simplicité et quantité de connaissances produites, comme nous l’avons dit auparavant, soit satisfaisante. Chacun de ces instruments choisis sera la connexion épistémologique entre, d’une part, une question pratique et précise, insérée dans une époque précise et avec toutes les conditions politiques, économiques, religieuses, cosmologiques, .. qui sont inhérentes, et d’autre part , un certain type de connaissance comme le sont la Geómétrie, la Mécanique, la Chimie, etc... De cette façon, l’instrument devient un noyau autour duquel se concentre l’activité didactique, celle-ci pouvant être étudiée depuis plusieurs disciplines, c’est-à-dire dune façon interdisciplinaire et dirigée à la diversité d’élèves, étant donné qu’entre en jeu de différentes capacités intellectuelles: Utilisation, construction, dessin, explication du fonctionnement, bases théoriques, etc..

2. CERTAINES MANIÈRES DE COMPRENDRE L’UTILISATION DIDACTIQUE DES INSTRUMENTS:

Dans leur application didactique, les instruments peuvent être considérés depuis beaucoup de points de vue. Par la suite, nous exposerons quelques exemples sur les différentes manières de comprendre l’utilisation dans la classe que nous considérons spécialement intéressantes:

Un instrument peut être considéré comme:

1. Un générateur de nouvelles connaissances sur le comportement de la Nature avec lesquelles nous pouvons résoudre certains problèmes:

LA TAUTOCHRONIE DES CORDES

2. Une resource didactique, c’est-à-dire, un objet autour duquel on peut organiser des activités différentes qui sont orientées vers de divers types d’élèves. Aurour d’instrument, on peut dessiner des activités qui vont de l’artisanal (utilisation d’outils pour sa construction) jusqu’à la formalisation plus abstraite propre de la géométrie qui explique leur fonctionnement, en plus d’activités empiriques (utilisation d’outils pour réaliser des observations et obtenir des informations).

LA RÈGLE PARALLACTIQUE

3. Un dépôt de connaissances, ou ce qui revient au même, un livre dans lequel est écrite l’histoire dela Science. Étudier la Science signifie étudier son histoire, sa génèse; et pour cela, il faut lire dans ces livres, d’où le fait que l’on doive connaître leur langage, c’est-à-dire, LA GÉOMÉTRIE

LE NOCTURLABE - L’ASTROLABE

Il est très possible que l’astronomie soit apparue quand quelqu’un eut l’idée de combiner l’observation du ciel avec la mémoire. Si on observe le ciel une nuit dégagée, nous verrons une infinité d’étoiles. Si l’on continue à observer, au bout d’un moment, nous verrons que les astres ont changé de position, c’est-à-dire que nous nous rendons compte que dans le ciel, le mouvement existe. En répétant l’observation et en mémorisant les positions antérieures des différents astres, naît l’idée de trajectoire: Apparaît la géométrie du cosmos, qui plus tard se transformerait en Géométrie plus simplement.

Mais quelque chose qui bouge spontanément n’est pas parfait, étant donné que s’il bouge, cela signifie qu’il n’occupe pas sa place dans le cosmos ordonné. Cela veut-il dire que le cosmos n’est pas parfait? Pour répondre à cette question, observons et mémorisons; donc, faisons de la géométrie

De cette manière apparaît une trajectoire qui conditionnera pour toujours la géométrie du cosmos: la circonférence (la roue?). Dans n’importe quelle autre figure géométrique, si l’on fait tourner un certain angle, ses points abandonnent la figure initiale; cependant, si l’on fait tourner une circonférence autour de son centre, ses points resteront toujours dans celle-ci, c’est-à-dire qu’elle est immuable, ou bien, dit d’autre façon, elle est fermée par rapport au mouvement de rotation autour de son centre. En conséquence, le seul mouvement naturel possible dans un cosmos ordonné et immuable est celui qui suit une trajectoire circulaire, ce qui fit que le cercle et son extension à l’espace tridimensionnel, la sphère, s’instaure comme les figures géométriques de base pour la construction de modèles explicatifs du cosmos.

C’est ainsi qu’apparaissent les théories de l’antiquité que vont de Eudoxo de Cnido (IV^e avant J.C.), créateur du premier modèle connu qui utilisait des sphères concentriques pour l’explication du mouvement des astres, jusqu’à Ptolomée (II^e après J.C.) qui fut capable de projeter la sphère céleste sur un cercle, ce qui permit la construction d’instruments dont la géométrie circulaire reproduit le "fonctionnement" du cosmos: L’astrolabe, le nocturlabe, etc...

Ces théories développées dans un monde hélénique, avec les apportations des cultures orientales, ainsi que les techniques de construction d’instruments, furent assimilées et perfectionnées par les Arabes et diffusées en Europe occidentale pendant le Moyen-Âge.

Enfin, nous pouvons observer que les différents "signes" qui apparaissent sur les cercles qui constituent un astrolabe sont les "traces" laissées par les apportations faites à l’astronomie au fil des siècles, de façon que comprendre son sens (comprendre son fonctionnement) signifie comprendre l’histoire de l’astronomie, ou ce qui revient au même, comprendre la génèses de la connaissance astronomique. Et il est évident que ces signes sont écrits dans un langage géométrique sur des livres circulaires que nous appelons astrolabe, nocturlabe, ...

4. La connexion entre un problème pratique ou théorique posé dans la société à une époque precise sous des conditions économiques, politiques, culturelles, religieuses, etc.; et une théorie scientifique, mathématique, etc.. plus ou moins abstraite. L’étude de cet aspect des instruments nous permet de poser des problèmes de type interdisciplinaire dans lesquels entrent en jeu des matières qui sont en relation avec toutes les branches de la connaissance humaine

L’HORLOGE DE C. HUYGENS

Un des problèmes fondamentaux auxquels est confronté la navigation pendant l’Âge Moderne, a été celui de terminer exactement la position des navires dans la mer. Au XVI^e siècle, le problème de la détermination de la lattitude était déjà bien résolue par l’intermédiaire de l’observation de la hauteur apparente des astres à divers points du globe terrestre; il n’en était pas de même avec la longitude. L’importance de ce problème était tel, vues ces implications économiques, politiques, géographique, etc..., qu’il devint pendant plus de trois siècles, non seulement l’objet permanent de recherche, mais unvrai défi pour la science de l’epoque.

A partir du XVI^e siècle, les monarchies européennes s’intéressèrent à la solution de ce problème et convoquèrent des concours internationaux, dotés d’importants prix, pourune résolution définitive. En plus, on créa des groupes officiels pour discuter des méthodes disponibles.

Les premiers essais de solution sont apparus de l’Astronomie. En effet, l’observation de faits astronomiques quand elle se faisait de manière simultanée à de différents points, permettait d’établir facilement la position.C’est ainsi que sont nées les méthodes basées sur l’observation des éclipses de Soleil et de Lune, celle des satellites de Jupiter et spécialement, celle des distances lunaires.

Le peu de résultats de ces méthodes, joint aux difficultés de calcul pour l’elaboration des tables, fit que l’on dirigea son attention vers l’utilisation d’horloges qui permettraient de comparer l’heure du port d’origine avec celle du bateau, déduisant ainsi la différence de longitude.

Un des premiers essaisde solution est dû a Christian Huygens qui dans son livre "HOROLOGIUM OSCILLATORIUM", publié en 1673, décrit, entre autres choses, la construction d’une horloge de pendule basée sur les propriétés de la courbe cicloïde qui fonctionne sur un bateau, indépendemment du mouvement de celui-ci dû aux vagues. Cela s’avère être une proposition d’une grande "beauté géométrique" vues les surprenantes propriétés de cete courbe.

Les connaissances théoriques associées à ces instruments sont fondamentalement leurs propriété mécaniques, la BRAQUISTOCHRONIE et la TAUTOCHRONIE, ainsi que leurs propriétés géométrqiues, que nous pouvons trouver dans l’oeuvre de Huygens citée auparavant:2Horologium Oscillatorium". Les dites propriétés peuvent être vérfiées empiriquement à l’aide des instruments mentionnés dans l’aparté préc´dent et DÉMONTRÉES en utilisant la Géométrie "Euclídea" et les résultats sur le mouvement de chute de gravité obtenus par Galilée.

Traduction: Carlos Mederos

Fundación Canaria Orotava de Historia de la Ciencia