vendredi 26 février 2016

Les accélérations du guépard mesurées précisément : données disponibles


Le guépard est très rapide ... oui mais combien ?

Le guépard (Acinonyx jubatus) est considéré comme l'animal terrestre le plus rapide, mais en fait on sait assez peu de ses performances réelles lors de la chasse. Wilson, A. M., et al. (2013) ont mesuré avec un collier GPS et un accéléromètre la dynamique locomotrice et le succès de la prédation de 367 sprint de chasse Guépards au Botswana. Une vitesse maximale de 25.9 m s−1 (93 km h−1)  a été enregistrée mais la plupart des chasses se font à des vitesses plus modérées. Par contre ces chercheurs ont enregistré des accélérations positives et négatives en avant et latérales, ainsi que des puissances par rapport la masse corporelle parmi les plus élevées pour un animal terrestre. C'est peut-être la première série de données aussi précises de la dynamique de chasse d'un grand prédateur dans son environnement naturel.



Fig 1:  a) Le guépard avec le collier GPS-accéléromètre et les adaptations anatomiques qui contribuent à sa performance.Notez les griffes non-rétractiles c) et la décélération intense en d)  b) g: gravitation v2 r−1  V2r = accélération centripète, a =est l'accélération  résultante [img] source Wilson, A. M., et al. (2013)



Le déplacement du Guépard n'est pas rectiligne ni uniformément accéléré...

Wilson, A. M., et al. (2013) (Les membres Expériment@l peuvent obtenir ces articles…) ont mesuré avec un collier radio pesant 340 g alimenté par des panneaux solaires,comportant un GPS, trois accéléromètres (X, Y, Z) et trois gyroscopes (trois angles de rotation) 367 sprints de chasse chez  trois femelles et de deux mâles.
Les données (fig 2.)  montrent des périodes de déplacement tranquille et des accélérations très rapides lors des sprints finaux, notamment des accélérations latérales très fortes (fig 2b) où le guépard doit exercer une force centripète (les modèles naifs des élèves leur feront peut-être dire qu'il lutte contre la force centrifuge ?)


Figure 2 : Trace GPS d'un guépard durant 11h (les données GPS sont disponibles en tant qu fichier Google Earth dans la Supplementary File 1) Chaque marque circulaire indique une  position établie par GPS. Les couleur indiquent le type de mouvement du Guépard : détails dans Supplementary info) [img] source Wilson, A. M., et al. (2013)


Des données authentiques disponibles à chacun

Wilson, A. M., et al. (2013) nous proposent un exemple de leurs données GPS en tant qu fichier Google Earth dans la Supplementary File 1 ( j'ai du renommer en .KML le fichier pour qu'il soit reconnu)

  • Supplementary Data (8.1 KB)
    This KML (Google Earth) file contains the GPS positions of the cheetah over an 11 hour period. To view, Google Earth must first be installed from www.google.com/earth/index.html, then double click on the file to open it. To see the cheetah's movement through time you can slide the bar in the top left. The markers are colour coded by collar state such that Alert:blue, Mooch:green, Ready:yellow, Chase:red.


Figure 3 : Trace GPS d'un guépard durant 11h affichées dans Google Earth à partir de  la Supplementary File 1)  source Wilson, A. M., et al. (2013)
 
Ainsi on peut extraire des données réelles de position et d'accélération, situer le guépard à différents moments, identifier des fragments de tracé qui sont (presque) rectilignes ou de vitesse constante voir dériver des vitesses, et des accélérations qu'on peut comparer aux accélérations enregistrées par les accéléromètres.

Le MRUA c'est bien, mais ça reste assez artificiel pour les élèves …

Evidemment on ne peut pas confronter les élèves à  des modèles de mouvement  complexes construits par des chercheurs qui mêlent accélérations variables, linéaires et/ou centripètes à partir de  données issues de mesures discrètes.

Est-ce pour autant impossible de partir de ces données ou de conduire les élèves à sélectionner un sous-ensemble de données authentiques bien choisies ... pour les rendre capables d'utiliser le modèle MRUA et voir comment il les aide à mieux comprendre le monde qui les entoure ?  Le PER nous y incite en effet  " problématiser des situations, de mobiliser des outils et des démarches, de tirer des conclusions fondées sur des faits, notamment en vue de comprendre le monde naturel " et le plan d'études du secondaire II aussi  "aperçu des concepts fondamentaux de la Physique et de leur application aux phénomènes naturels"

Peut-être que selon les programmes et les options certains enseignant voudront p. ex extraire un segment de droite de la trace GPS / son temps et en mesurer la vitesse ?  ou confronter une mesure sur l'ensemble d'un long tronçon selon le modèle MRU aux vitesses que les chercheurs donnent ? ou mesurer l'accélération latérale en dérivant la position dans une partie du trajet où il poursuit sa proie  ? 
Ou au contraire montrer que les lois de Newton permettent d'expliquer pourquoi l'animal ne peut pas freiner instantanément ?  D'expliquer pourquoi c'est un problème de tourner si on est plus lourd ...
Y aurait-il d'autres usages ?
Eventuellement exploiter ces données pour vérifier / mettre en défaut cette conception naïve classique répertoriée la l'AAAS Force and Motion
FMM107 If an object is slowing down, a force that was moving it forward must be decreasing (Clement, 1982; Watts & Zylbersztajn, 1981).

Des statistiques de chasse: c'est pas la vitesse, c'est la décélération et l'accélération latérale …

Les chercheurs ont établi des statistiques montrant que le guépard n'a réussi à atteindre sa proie que dans 25% des cas. Sur la figure 4, on voit que le terrain joue un certain rôle : les auteurs indiquent que le félin ne doit pas tellement son succès à ses pointes de vitesse, mais plutôt à sa capacité de décélération puisqu'il ralentit à l'approche de sa proie plus légère qui fuit en zig-zag (la proie faut  typiquement moins de 50Kg contre 70 pour le guépard) c'est alors l'accélération latérale qui est décisive : réussir à tourner assez vite alors qu'un prédateur plus rapide serait emporté par son élan lors d'un écart de la proie.
Successful hunts involved greater deceleration on average (−7.5 m s−2 versus −5.5 m s−2; P < 0.05; Fig. 4d), but there was no significant difference in peak acceleration (Fig. 4d), distance travelled (Fig. 4b) number of turns (6.7 versus 6.5) or total turn angle (347° versus 260°) (generalized linear mixed model (GLMM); Methods). This indicates that outcome was determined in the final stages of a hunt rather than hunts being abandoned early to save energy or reduce risk of injury, and the higher deceleration values may reflect actual prey capture. Wilson, A. M., et al. (2013)

Figure 4 : a) vitesse maximale atteinte lors d'un sprint, moyennée sur une foulée, codée en couleur selon le succès , b) distance parcourue à chaque sprint final , c) vitesse maximale codée en coouleur selon le type de terrain d) pointes d'accélération et décélération atteinte à chaque sprint.  e) nombre de sprint enregistrées en fonction de l'heure du jour f) exemple d'enregistrement d'un sprint codé pour la vitesse ( rouge vif le plus rapide) avec les vecteurs d'accélération horizontale indiqués dans la partie de G.    [img] source  Wilson, A. M., et al. (2013)

Et en français ? 

On peut trouver de très bonnes ressources :
C'est intéressant de voir qu'elles cherchent à simplifier - et le font bien. Mais elles ne vous proposent pas l'accès aux données d'origine. Expériment@l-Tremplins s'adresse à des physiciens, chimistes biologistes et vous considère comme très capables de le faire de manière adaptée à vos publics et vous met en contact avec la recherche originale...  

Sources

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Les ondes gravitationnelles, des vagues dans les médias, mais des infos assez vagues !



Les ondes gravitationnelles :

Alors que la découverte des ondes gravitationnelles à presque fini de faire des vagues dans les médias, en se gargarisent d'Einstein par ci et par là mais en donnant des infos assez vagues ( désolé c'était trop tentant j'ai pas pu résister) pour satisfaire l'appétit de scientifiques comme vous le 20minutes ne suffit peut-être  pas


Vous préférez Nature ou Science  ?

Expériment@l-tremplins vous propose : Gravitational waves: a three-minute guide


  Nature Video explains how scientists are searching for ripples in space-time.
11 February 2016


How to find gravitational waves


Fig 1: une vidéo de 3 minutes explique comment on a mesuré les ondes gravitationnelles  [img] source : Gravitational waves: a three-minute guide. (2016). Nature. 10.1038/nature.2016.19366

Almost exactly a century after Einstein first predicted the existence of gravitational waves, physicists at the recently upgraded Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatoryare widely expected to announce that they have detected these cosmic ripples in spacetime.


 

In this Nature Video, reporter Davide Castelvecchi explains what gravitational waves are, and how scientists are searching for them in an attempt to prove Einstein right.
Follow the announcement live with Nature's reporters at our "LIGO live" page.

ça ne vous suffit pas ?

  • Castelvecchi, D. (2016). Gravitational waves: How LIGO forged the path to victory. Nature, 530(7590), 261‑262. http://doi.org/10.1038/530261
  • Cho, A. (2016). Gravitational waves serve up a mystery. Science, 351(6275), 796‑797. http://doi.org/10.1126/science.351.6275.796
  • Et bien plus à partir de ces articles ... pour les membres de Expériment@l-Tremplins
Journal title:Nature News
Date published
-

samedi 6 février 2016

Fermi des bois

FERMI DES BOIS


Auteurs: Andreas Müller, Cedric Loretan et François Lombard

La contribution suivante entre dans le cadre du raisonnement par ordre de grandeur, ou des « problèmes de Fermi » (des calculs simples d'ordre de grandeur), dont l'importance pour la démarche scientifique en général, et pour la maîtrise des disciplines scientifiques  individuelles a été évoquée plusieurs fois dans Expériment@l [1 et 2 pour des exemples en biologie].
Le sujet traité est un facteur crucial pour la biosphère terrestre, et il s'avère que la valeur publiée dans « Nature » peut être comprise dans son ordre de grandeur par un raisonnement mathématique simple.

1 Question de Fermi

Récemment, Nature a publié un article [3] proposant la première carte à l'échelle mondiale de l'étendue des arbres forestiers. Cette dernière révèle que le nombre total d'arbres (Na) sur Terre est d'environ  3*1012.
Pouvons-nous estimer ce nombre à partir de simples outils arithmétiques et de données facilement disponibles ?

2 Réponse

Afin de répondre à cette question essayons tout d'abord d'estimer la surface de terre émergée sur Terre. Pour ce faire calculons la surface de notre planète. En la considérant comme une sphère sa surface sera d'environ (en prenant la valeur de 3 pour π) :4*3*60002 = 12*36*106 ≈ 4*108km2. Et si environ 75 % de notre planète sont recouverte par les eaux, alors la quantité de terre émergée serait d'environ 108 km2.
Quelle fraction de ces terres est maintenant recouverte par des forets? „United Nations Environment Programme" (UNEP [4]), qui établit et propose de nombreuses informations de nature environnementales permettant aux nations d'améliorer leur qualité de vie sans compromettre celle des générations futures, met à disposition une carte (image 1) qui présente la couverture par les forêts des différents continents.
Image 1 : couverture forestière en pourcentage de la superficie totale du pays (source : http://www.unep.org/vitalforest/)
En tenant compte que certaines régions sur Terre ont une couverture forestière quasiment inexistante (Sahara, les pôles) et d'autres au contraire une couverture qui avoisine les 100% (forêts tropicales d'Asie du Sud-Est ou encore la forêt Amazonienne) une bonne approximation alors de la couverture moyenne serait d'environ 30%.
Pour résumer nous avons une surface de terre émergée d'environ: 108 km2 = 100*106km2 et une couverture forestière d'environ 30%. Cela nous donne une surface couverte de forêt (AF) d'environ:
AF ≈ 30*106 km2
Une dernière valeur qu'il nous reste à estimer est la densité de ces forêts. Ou plutôt quelle surface est utilisée par les arbres (espace vital). Cela peut facilement être estimé à partir de données directement observables. Pour une forêt dense la distance moyennedaa entre les arbres est de l'ordre du mètre, alors que pour une forêt clairsemée la valeur serait plutôt d'une dizaine de mètres. Face à une limite inférieure et supérieure, exprimées en ordre de grandeur, une estimation raisonnable pour calculer cette distance moyenne serait la moyenne géométrique [5] :
daa =  (1m * 10m)1/2 ≈ 3m
Et selon le petit schéma ci-dessous, l'arbre occupe ainsi une surface d'environ 10m2.
Il nous reste plus qu'à comparer l'espace vital moyen de nos arbres (10 m2) avec AF pour obtenir Na :
Na = (3 * 1013 m2/10 m2)= 3 * 1012
Ainsi avec de simple outils arithmétiques accompagnés de données directement observables nous obtenons le même résultat que celui proposé par l'article publié dans Nature, à savoir  3*1012 arbres.

3 A quoi peut servir ce calcul ?

Les médias bombardent les élèves de chiffres souvent présentés comme des vérités.
Développer l'esprit critique chez les élèves est un des objectifs du PER. Les rendre capables de trouver des données puis de vérifier l'ordre de grandeur  pour confirmer ces chiffres c'est leur donner une force. Etre capable de se poser la question « est-ce vraiment possible ? » ou « sur la base de quoi ils disent cela ? »  ou encore « je veux bien vous croire, mais permettez que je vérifie un peu… »  c'est donner à nos futurs citoyens une force (empowerment) qui les aide à dépasser le simple rôle de consommateur passif dans une société de l'information.

4 Références

1. Müller, A. (2013). Que sont les problèmes de Fermi ?
https://experimental.unige.ch/category/problemes-de-fermi-des-calculs-simples-pour-comprendre-le-monde/
2. Lombard, F. (2015). Qui a dé-chiffré la biologie?
https://experimental.unige.ch/2015/04/04/qui-a-de-chiffre-la-biologie/
3. Crowther, T.W & al. Mapping tree density at a global scale. Nature. 2015 Sep 10;525(7568):201-5. doi: 10.1038/nature14967. Epub 2015 Sep 2
4. http://www.unep.org/vitalforest/
5. L. Weinstein and J. A. Adam, Guesstimation: Solving the World's Problems on the Back of a Cocktail Napkin, Princeton University Press (2008), ch. 1.



Permettre aux aux élèves de faire de la physique des particules


De magnifiques opportunités pour faire participer les élèves à la physique des particules


Master Class en physique des particules – 2016


En Mars 2016 le «International Master Class en physique des particules», organisé par le «International Particle Physics Outreach Group» (IPPOG), se déroulera pour la douzième fois. Chaque année, environ 10'000 étudiants de plus de 40 pays se rendent à une des 180 universités et centres de recherche afin d'explorer le monde des particules élémentaires. En Suisse, sous le patronage de l'Institut Suisse de Physique des Particules (CHIPP), les universités de Berne, Genève et Zurich (avec l'ETHZ) invitent pour cette occasion les étudiants intéressés de participer le 3 Mars à Berne ou à Genève, ou le 18 Mars à Zurich. Le sujet du jour: «Découvrez le monde des quarks et des leptons avec des données réelles». Vous trouverez des informations générales sur le «International Master Class» sous http://www.physicsmasterclasses.org. Ainsi que d'autres ressources qui pourront vous servir comme renseignement. Nous vous recommandons également le matériel informatif dans les cites du CERN pour l'éducation et pour la formation continue des enseignants: http://education.web.cern.ch et http://www.physiquedesparticules.ch

Inscription: Les étudiant(e)s intéressé(e)s s'inscrivent par leurs enseignants dans une des trois établissement:
Berne: Mme Marcella Esposito <marcella.esposito@lhep.unibe.ch>, avant le 26 février
Genève: Mme Catherine Blanchard <catherine.blanchard@unige.ch>, avant le 26 février
Zurich: Mme Carmelina Genovese <carmelina.genovese@physik.uzh.ch>, avant le 11 mars

[1] Hands on Particle Physics Masterclasses,
http://www.physicsmasterclasses.org/index.php?cat=physics
CERN, Beamline for Schools Competition 2016 (français en bas)

Le CERN offre à des élèves du secondaire du monde entier la possibilité de concevoir et de réaliser leur expérience sur une ligne de faisceau de l'un de ses accélérateurs. Découvrez la ligne de faisceau et ses infrastructures sur le site internet http://cern.ch/bl4s. Puis imaginez-vous une expérience simple et innovante et envoyez nous une description écrite de votre projet ainsi qu'une courte vidéo avant la fin mars 2016.
Inscription:
http://cern.ch/bl4s Contact: beam-line-4-schools@cern.ch

[2] Beam and detector,
http://beamline-for-schools.web.cern.ch/sites/beamline-for-schools.web.cern.ch/files/BL4S-Beam-and-detector_0.pdf


vendredi 8 janvier 2016

S'agit-il de croire en l'évolution ou savoir utiliser des modèles de l'évolution?

Croire en l'évolution ou se référer à des modèles de l'évolution éprouvés par l'expérience ?  

Dans une conférence récente sur l'enseignement des sciences (ESERA), j'ai eu l'occasion d'assister à une présentation d'une psychologue qui a interrogé un large échantillon d'étudiants à propos de leurs croyances et attitudes par rapport l'évolution. Il est intéressant de voir qu'elle a situé son étude dans l e plan des croyances, alors que nous considérons que ce qui distingue et fait la force des savoirs scientifiques n'est pas dans ce plan.  En science on valide les connaissances par les données, les mesures, les hypothèses qui les fondent et les modèles dans lesquels ces données s'inscrivent pour choisir le modèle qui explique le mieux les données qu'on a et ces modèles sont pertinents pour certains problèmes dans un certain cadre …  Il ne alors s'agit pas de croire en l'évolution mais de recourir à sa puissance explicative, prédictive.
Parce que cette recherche étudie les croyances, elle n'étudie pas la compétence à utiliser des modèles de l'évolution pour expliquer / prédire / décider qui fonde selon le Plan d'études Romand (PER) l'enseignement de la biologie.
L'évolution est un sujet délicat (Mauron, A., 2009)  et nous discutons dans ce texte en quoi cette distinction entre croire et savoir utiliser des modèles peut aider à concilier respect des valeurs et religions tout en atteignant les objectifs du plan d'étude. On ne peut pas obliger un élève à croire, mais on peut attendre qu'il sache expliquer, prédire en utilisant un modèle des mécanismes de l'évolution.
  • Mauron, A. (2009) Enseigner l'évolution: pourquoi, et pourquoi c'est difficile. Formation continue sur l'Évolution DIP Genève Janvier 2009 intranet.pdf

Une étude sur les croyances passe à côté des compétences scientifiques ?

Dans une conférence récente sur l'enseignement des sciences (ESERA), j'ai eu l'occasion d'assister à une présentation d'une psychologue Konnemann, C. et al. (2015) (ici)qui a interrogé les  d'un large échantillon d'étudiants à propos de leurs croyances, attitudes et représentations sur l'évolution. Elle a étudié :
  • A) les profils d'attitudes envers l'évolution, les explications bibliques de l'évolution, les croyances créationnistes, les croyances scientifiques,
  • B) comment ces profils d'attitudes diffèrent en rapport avec la perception du conflit entre science et religion, les attitudes envers la science et les attitudes envers la religion, la compréhension de la nature de la science et de la religion
Elle présente des données très sérieusement analysées. Cf figure 1. Et je ne me permettrais pas de juger la qualité de cette étude qui parait très rigoureuse. Comme d'autres études, elle apporte des éclairages intéressants. P. ex. Ha, M., et al. (2012) (Les membres Expériment@l peuvent obtenir ces articles…) montrent que ce serait la crainte qui fonde les attitudes créationnistes, plus exactement qui fait le lien entre degré de connaissance et attitudes favorables à l'évolution.
Mais les recommandations de Konnemann, C. et al. (2015) incluent discuter les limite de la science et des connaissances scientifiques, et enseigner les fonctionnements de la science (cf figure 1 droite) .
Cependant - du point de vue de l'enseignement de la biologie, le cadre théorique qui fonde l'étude passe à côté de ce qui est à mon sens l'essentiel dans l'enseignement des sciences.  Parce que l'étude analyse les croyances, attitudes et représentations, elle n'étudie pas la compétence à utiliser des modèles de l'évolution pour expliquer / prédire qui fonde la biologie.  Et constitue la vraie justification d'enseigner l'évolution à nos élèves.  

  
Fig 1: Les profils de croyances des jeunes enseignants étudiés en Allemagne [img]. On distingue le profil des "croyants" en la science et l'évolution (1) et le profil des favorables à l'évolution mais peu croyants (3) Les implications proposées [img] source Konnemann, C. et al. (2015)images disponibles en intranet unige : cliquer pour agrandir.

En discutant les croyances attitudes et représentations des jeunes enseignants,  Konnemann, C. et al. (2015) mettent les théories scientifiques de l'évolution sur le même plan (des croyances) que le créationnisme (C'est ce qu'on appelle relativisme épistémologique).
Prof Alex Mauron de iEH2 (Institut Éthique Histoire Humanités) à l'UniGe  commente :
Appliquer une démarche de psychologie sociale aux croyances ayant trait à l'évolution me paraît légitime. C'est potentiellement intéressant pour connaître les obstacles cognitifs qui compliquent l'accès des élèves à une compréhension de l'évolution biologique. Par contre, ce genre d'enquête bute sur une limite théorique, comme vous le relevez d'ailleurs. Par définition, elles passent à côté d'une des motivations les plus intéressantes d'avoir une croyance : le fait d'avoir des raisons objectives de penser que cette croyance est vraie. Cette restriction méthodologique de la démarche psycho-sociale est logique et, à mes yeux, défendable.
C'est d'ailleurs intéressant de voir que cette étude révèle qu'il y a des gens qui sont favorables à l'évolution  ET peu croyants de la science  (profil 3 dans la fig. 1) et  des gens qui sont croyants en science mais aussi pro-evolution (profil 1 dans la fig. 1), elle stigmatise Dawkins qui est un militant scientifique représentatif de cette position qu'elle nomme "scientistic".
Prof André Langaney  Généticien à l'UNIGE commente :
Mais là, cette psychologue pousse le bouchon vraiment trop loin en tombant dans un relativisme total digne de Feyerabend vieillissant (il a écrit des choses remarquables avant son dernier bouquin) et qui réjouissent les militants religieux anti-science.
Non, la science bien pratiquée, n'est pas constituée de croyances, mais d'hypothèses confirmées provisoirement et de théories consensuelles provisoires confirmées par l'état de l'observation et de l'expérience.
Sa nature est donc totalement différente des croyances, religieuses ou autres, qui se prétendent définitives et refusent toute confrontation à la réalité matérielle ou raisonnée. Mais qui ont tellement changé au cours de l'histoire selon leurs porte-paroles et propagateurs.
Le point crucial est que l'analyse se place dans le plan des croyances. C'est sans doute défendable, et le propos ici n'est pas de juger cette recherche qui semble très rigoureuse sur le plan des statistiques et des méthodes.
Comme l'enseignement des sciences est le thème des conférence ESERA, nous avons voulu aller plus loin et  rechercher ce que l'enseignement des sciences  (et de l'évolution ici)  apporte de spécialement important pour les futurs citoyens.  C'est aussi une question délicate pour les enseignants de l'évolution un peu incités par respect de la différence à glisser dans une position prudente un peu molle qui présente l'évolution comme une croyance parmi d'autres.  C'est oublier ce qui fait la force des savoirs scientifiques et priver les élèves d'outils citoyens pour comprendre leur monde.

Amener les élèves à adhérer à nos croyances ou leur apprendre un outil pour comprendre le monde ?

Mikhail Chakparonian souligne la distinction entre l'évolution (=changement) et les théories qui l'expliquent (=darwinisme, entre autre). Il lui semble qu'il y a beaucoup de confusion entre ces deux concepts même dans la tête des scientifiques. Prof. Milinkovitch de l'UniGe parle d'ailleurs de théorie des mécanismes de l'évolution. 
On peut argumenter que ce qu'on tente de faire en classe de biologie n'est pas de faire croire à l'évolution (dans le sens adhérer à...) mais de leur donner un outil de compréhension du monde : Les rendre capables d'utiliser les théories des mécanismes de l'évolution pour expliquer.  Expliquer la longueur du cou de la girafe, les résistances aux antibiotiques, la similitude et les différences entre les protéines chez divers organismes, la queue du Paon, l'efficacité des trithérapies contre le VIH,…) ou prédire (l'apparition d'antibiorésistances selon si on prend une dose faible et irrégulière ou la dose complète (Malfertheiner, P.,1993).; l'évolution de la virulence de maladies selon les conditions d'hygiène (Ewald, P. W., 1993), etc.

Qu'est-ce qui distingue un savoir scientifique ?

Il me semble qu'il y a bien des chances que les enseignants de biologie croient en l'évolution,  mais dans leur activité professionnelle il ne s'agit pas de leurs croyances. Il s'agit des compétences qu'on développe chez l'élève.
Qu'est-ce qui distingue un savoir scientifique ?  C'est une vaste question sur laquelle les philosophe, sociologues et les épistémologues débattent …
Nous considérons ici que les savoirs scientifiques diffèrent par la manière dont ils sont validés : par l'expérimentation, la discussion des résultats à la lumière des méthodes et des hypothèses qui fondent les modèles permettant ces expériences, la confrontation ouverte et la discussion des limites de ces modèles… ce modèle s'inspire de  Toulmin, S. (1958) cf. fig 1. que Osborne, J. (2010) propose dans Science (10.1126/science.1183944)  (Les membres Expériment@l peuvent obtenir ces articles…).
Toulmin in osborne
Fig 2: Une représentation possible de la manière dont les savoirs sont validés en science  (idéalisée) d'après Toulmin  [img] source  Osborne, J. (2010) trad Personnelle

Mais la science ne se passe pas de cette manière idéalisée !

Il faudrait être naïf pour penser que la science produit toujours les savoirs ainsi, qu'elle serait à l'abri de toute interférence de la société et de l'économie. De nombreuses recherches ont montré que ce n'est pas le cas et analysé la manière dont la recherche scientifique fonctionne vraiment,  p. ex  Latour, B., & Gille, D. (2001). 
Cependant l'insistance sur cet éclairage peut finir par donner l'impression que la science n'est qu'une opinion parmi d'autres et conduire les élèves à rejeter l'apprentissage des sciences. Il y a une montée du déni des sciences qui a pour conséquence de priver le public de moyens d'agir vraiment sur la réalité, comme l'a bien montré le professeur A. Mauron iEH2 à l'UniGedans sa conférence à l'UNIGE  Les idéologies antisciences aujourd'hui: un défi bioéthique et biopolitique...

denialism
Figure 3 Le déni de science alimente un paradoxe politique: souvent inspiré par un populisme anti-élites, il contribue en fait à priver le citoyen et le politique de moyens d'agir vraiment sur la réalité.  Cette image illustrait l'exposé du Prof Mauron  conférence ici    [img] Cartoon by Joe Heller, www.hellertoon.com

Prof Alex Mauron  commente :
Là où le bât blesse, c'est lorsque les spécialistes en sciences sociales prétendent que tout est croyance : c'est alors couper l'herbe sous le pied de toute entreprise pédagogique, avec en prime un effet pervers : d'un côté, les croyances reposant sur une conviction ou une tradition (religieuse ou autre) seraient intouchables et au-dessus de toute examen critique; par contre les savoirs scientifiques devraient être abordés avec un luxe de précautions critiques pour ne pas avoir l'air d'imposer un dogme « scientiste ». 
Il est sans aucun doute utile d'aider les élèves à comprendre comment les savoirs sont construits par le processus hésitant et imparfait de la science, mais cela ne devrait pas priver les futurs citoyens des outils qui leur donnent la puissance que la compréhension scientifique du monde offre. 

Histoire, sociologie, philosophie, épistémologie des sciences ou pédagogie  ?

La question que le PER  pose aux enseignants est différente : il s'agit de rendre les élèves capables de comprendre leur monde, de prédire les effets de phénomènes naturels et d'utiliser ces savoirs pour décider.  Il s'agit donc de développer chez ces futurs citoyens la capacité de valider scientifiquement, d'utiliser des modèles pour comprendre, expliquer et décider.
Il s'agit de les aider à développer cette compétence d'utiliser des outils de pensée qui fondent la science (idéalisée) - même si les scientifiques y dérogent largement : on apprend bien la rigueur de la grammaire et de la syntaxe alors que Baudelaire y déroge largement, on apprend bien la rigueur de l'algèbre alors que les génies mathématiques comme Stanislav Smirnov (professeur à la Section de mathématiques de l'UNIGE et lauréat 2010 de la Médaille Fields), la transcendent .
Dans une perspective pédagogique, l'enseignement des sciences vise à développer des compétences qui donneront aux citoyens des clés pour comprendre le monde.
En somme, leur apprendre à utiliser des modèles qui expliquent les phénomènes : les modèles de l'évolution en l'occurrence.
Il ne s'agit alors pas d'adhésion à une croyance, mais de déterminer quel modèle est pertinent pour le problème étudié, et l'utiliser si il explique mieux les données dont on dispose. Notez que la question de la vérité n'a pas sa place dans cette approche scientifique.

Le modèle de l'évolution est vrai, non ?

En science (idéalisée) on choisit un modèle si sa puissance explicative est meilleure et s'il est pertinent. Les biologistes utilisent continuellement ce modèle qui fonde la compréhension de toute la biologie.
"Nothing in biology makes sense except in the light of evolution". Dobzhansky, T. (1973).
Evidemment, à force on finit souvent par considérer que ce modèle est vrai et oublier par quelles validations on a fini par l'accepter.   C'est humain. 
"Les « faits» sont des interprétations qu'on ne remet plus en question, souvent parce qu'on a oublié (individuellement et collectivement) par quel découpage du monde ils ont été construits." (Astolfi  2008, en référence à Latour)
Mais imposer sa croyance de l'évolution à des élèves est éthiquement discutable, et sans doute peu efficace pédagogiquement. Plusieurs études (p.ex. Nehm, R. H.,et al. (2009).) montrent que l'enseignement de l'évolution ne change pas beaucoup les croyances des élèves.
Développer l'esprit critique tout en prenant en compte les visions du monde et les valeurs morales est important.

"To be sure, we realise that merely addressing students' misconceptions will not suffice to teach evolutionary theory properly. Correcting their mistakes will not make students suddenly change their mind. Therefore, this approach should be embedded in a comprehensive programme in which students not only learn to think critically, but in which their worldview and moral concerns are also taken into account. " Blancke, S., et al. (2011) (Les membres Expériment@l peuvent obtenir ces articles…).
Mais comment réaliser cet exercice qui parait être celui d'un équilibriste ?

Exiger des élèves de savoir utiliser un modèle n'est pas les faire adhérer à une croyance. 

Dans un cours de sciences on ne peut certainement pas exiger que les élèves partagent nos opinions et croyances ( qui n'ont d'ailleurs pas leur place dans un cours de biologie), mais on peut exiger qu'ils sachent utiliser les modèles qui fondent cette science pour expliquer des phénomènes.  La cour suprême des USA avait établi en 1987 que le créationnisme n'est pas du domaine de la science ... et n'a donc pas à être enseigné en classe de sciences. Cf par exemple Norman, Colin. (1987).
Fig 3 : La cour suprême des USA décide que le créationnisme est religion et non science. [img] Norman, Colin. (1987). Supreme Court Strikes Down "Creation Science"              Law as Promotion of Religion
 

Cette distinction entre ce qui a sa place dans les enseignements de biologie et ce qui est du ressort des croyances pose le fondement de la réflexion que nous présentons ici. La vraie distinction est la manière dont on valide et accepte les connaissances :  en sciences on accepter un modèle pour sa puissance explicative et sa pertinence au problème considéré.

Ainsi l'objectif que les élèves sachent utiliser un modèle de l'évolution pour expliquer / prédire ou décider dans les cours de biologie n'est pas en contradiction avec le respect des autres formes de savoirs - tout aussi valables - qui sont validées d'autres manières comme la foi par exemple. Il ne s'agit pas de les opposer ( faut-il savoir calculer OU lire ?) mais de reconnaitre que la manière scientifique de valider les connaissances est importante pour tous les élèves.  Il y en a d'autres qui sont parfois meilleures selon les problèmes mais c'est un outil intellectuel important pour nos élèves futurs citoyens.
Peut-être qu'aborder l'évolution en termes de modèle explicatif solidement étayé par des données empiriques et capable d'aider à prédire - expliquer - décider permet de respecter les sensibilités religieuses et autres sans renoncer aux objectifs qui sont imposés à la biologie par le PER
Et donner aux futurs citoyens "un regard qui va au-delà du sens commun".  Astolfi, J.-P. (2008)

je ne vous demande pas de croire ...

…mais je veux que vous puissiez "comprendre le monde naturel et [...] prendre des décisions à son propos, ainsi que de comprendre les changements qui sont apportés par l'activité humaine "  PER (CIIP, 2011)  en utilisant ces modèles scientifiques.

Références

Les membres Expériment@l peuvent obtenir la plupart de ces articles…
  • Astolfi, J.-P. (2008). La saveur des savoirs. Disciplines et plaisir d'apprendre. Paris: ESF.
  • Blancke, S., Boudry, M., Braeckman, J., De Smedt, J., & De Cruz, H. (2011). Dealing with creationist challenges. What European biology teachers might expect in the classroom. Journal of Biological Education, 45(4), 176-182. doi: 10.1080/00219266.2010.546677
  • CIIP. (2011). Plan d'études Romand Mathématiques et sciences de la nature. Romandie, Suisse: Conférence intercantonale de l'instruction publique de la Suisse Romande et du Tessin,.PER 
  • Dobzhansky, T. (1973). Nothing in biology makes sense except in the light of evolution. American Biology Teacher, 35(3), 125-129.
  • Ewald, P. W. (1993). The Evolution of Virulence. Scientific American, 268(4), 86‑93. http://doi.org/10.1038/scientificamerican0493-86
  • Großschedl, J., Konnemann, C., & Basel, N. (2014). Pre-service biology teachers' acceptance of evolutionary theory and their preference for its teaching. Evolution: Education and Outreach, 7(1). http://doi.org/10.1186/s12052-014-0018-z
  • Konnemann, C., Asshoff, Roman Hammann, Marcus. (2015). Attitudes towards evolutionary theory: A multidimensional approach, paper presented at ESERA conference Helsinki. (ici)
  • Ha, M., Haury, D. L., & Nehm, R. H. (2012). Feeling of certainty: Uncovering a missing link between knowledge and acceptance of evolution. Journal of Research in Science Teaching, 49(1), 95‑121. http://doi.org/10.1002/tea.20449
  • Latour, B., & Gille, D. (2001). L'espoir de Pandore: pour une version réaliste de l'activité scientifique: La Découverte, Paris.
  • Malfertheiner, P. (1993). Compliance, Adverse Events and Antibiotic Resistance in Helicobacter pylori Treatment. Scandinavian Journal of Gastroenterology, 28(s196), 34‑37. http://doi.org/10.3109/00365529309098341
  • Mauron, A. (2009) Enseigner l'évolution: pourquoi, et pourquoi c'est difficile. Formation continue sur l'Évolution DIP Genève Janvier 2009 intranet.pdf
  • Nehm, R. H., Kim, S. Y., & Sheppard, K. (2009). Academic preparation in biology and advocacy for teaching evolution: Biology versus non-biology teachers. Science Education, 93(6), 1122‑1146. http://doi.org/10.1002/sce.20340
  • Toulmin, S. (1958). The uses of argument: Cambridge Univ Press.
  • Osborne, J. (2010). Arguing to Learn in Science: The Role of Collaborative, Critical Discourse. Science, 328(5977), 463-466. doi: 10.1126/science.1183944