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La démarche expérimentale

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Objectif

La démarche expérimentale est une démarche pédagogique qui oblige le professeur à enseigner par problème scientifique. Elle constitue un raisonnement rigoureux par lequel on soumet des hypothèses à l'épreuve des faits.

La démarche expérimentale se déroule en plusieurs étapes, que résume le sigle OPHERIC :

1. Définition du problème scientifique

Le problème scientifique est une question scientifique soulevée par l'observation des faits scientifiques.

Pour le définir, il faut :

• observer l'environnement biologique et géologique dans le but de le comprendre ;

• élaborer des relations entre les données d'observation et les connaissances déjà acquises ;

• formuler les questions soulevées par ces observations.

2. Formulation de l'hypothèse conceptuelle

L'hypothèse représente une proposition de réponse à un problème scientifique.

Exemples
Les végétaux ont besoin de sels minéraux.

Les échanges gazeux entre le sang et l'air entrant se font au niveau des poumons.

Cette réponse possible ou solution provisoire doit être éprouvée par une expérience, c'est-à-dire par des observations provoquées.

3. Épreuve de l'hypothèse

Pour éprouver l'hypothèse conceptuelle, il faut :

• formuler une hypothèse opératoire ;

• concevoir un protocole expérimental ;

• réaliser les expériences ;

• constater les résultats de l'expérience.

a. Hypothèse opératoire

Pour formuler une hypothèse opératoire, il faut respecter trois règles :
• lister les paramètres intervenant (H1) ;
• isoler les paramètres car une hypothèse ne porte que sur un seul paramètre (H2) ;
• prévoir un effet observable, mesurable ou lisible du paramètre (H3).

Une hypothèse opératoire peut être formulée sur le modèle Si..., Alors.... Le Si introduit l'hypothèse conceptuelle, Alors annonce la vérification de l'hypothèse.

Exemple
Si les échanges gazeux entre le sang et l'air entrant se font au niveau des poumons, alors on peut mesurer les variations de concentration d'O₂/CO₂ dans le sang et l'air entrant et sortant, des alvéoles pulmonaires.

b. Conception du protocole expérimental

Pour éprouver une hypothèse par l'expérience, il faut respecter quatre règles :
• tester l'effet d'un paramètre, en le supprimant ou en le faisant varier (E1) ;
• ne tester l'effet que d'un paramètre, en rendant constants les autres paramètres pendant la durée de l'expérience (E2) ;
• créer une expérience témoin pour comparer les résultats. Sans témoin, il ne s'agit pas d'expérience mais d'une manipulation. L'expérience comprend donc une phase mentale et une phase manuelle (E3) ;
• répéter plusieurs fois l'expérience pour s'assurer qu'elle conduit toujours aux mêmes résultats (E4).

4. Analyse des résultats

L'analyse des résultats d'une expérience nécessite trois phases.

a. Constat des résultats

Les résultats sont présentés systématiquement sous forme de tableau, ce qui en facilite la lecture.
La lecture verticale du tableau permet de constater les changements entre le début et la fin de l'expérience.

b. Interprétation des résultats de l'expérience

La lecture horizontale du tableau en fin d'expérience permet d'interpréter et d'expliquer les différences entre le test et le témoin.
L'interprétation correspond à une critique des résultats.

c. Conclusion

La conclusion rend compte des liens établis par les résultats, entre l'expérience et le problème scientifique posé.
La vérification de l'hypothèse constitue la réponse au problème.
Un seul système d'expériences a été matérialisé, la généralisation des résultats obtenus ne peut donc se faire sans que quelques précautions aient été prises au préalable.

5. Application de la démarche expérimentale : les besoins alimentaires des végétaux

a. Observation

Les tomates hors sol sont cultivées dans de l'eau contenant des sels minéraux.

b. Problème

L'eau et les sels minéraux sont-ils des aliments pour les végétaux ?

c. Hypothèse

H1 : l'eau et les sels minéraux sont des aliments pour les végétaux.
H2 : les sels minéraux sont des aliments pour les végétaux.
H3 : si les sels minéraux sont des aliments pour les végétaux, alors :
- un végétal auquel on fournit des sels minéraux va croître ;
- un végétal auquel on ne fournit pas de sels minéraux ne va pas croître.

d. Expérience

E1 : on supprime les sels minéraux du milieu de culture des plantes.
E2 : on supprime les sels minéraux tout en conservant l'eau du milieu de culture.
E3 : on réalise une autre expérience (qui servira d'expérience témoin) avec une plante de la même espèce et de la même taille qu'on place dans un milieu de culture constitué d'eau et de sels minéraux.
E4 : on reprendra plusieurs fois l'expérience.

e. Résultats

f. Interprétation

L'absence de sels minéraux freine puis stoppe la croissance de l'orge.

g. Conclusion

L'hypothèse est confirmée : les sels minéraux sont des aliments pour les végétaux.

Remarque
Les résultats auraient été identiques si le matériel utilisé avait été du blé.

L'essentiel

La démarche expérimentale repose sur l'élaboration d'une hypothèse. Un problème scientifique est mis à l'épreuve par l'expérience.
C'est l'interprétation des résultats qui vient valider (ou invalider) l'hypothèse énoncée.
Il s'agit d'une démarche dont la logique consiste à argumenter une idée à l'aide de faits concrets, mesurables et observables.

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