Scie circulaire, cambouis et physique fondamentale
Comme enseignant en physique, j’ai depuis longtemps l’impression que mes étudiantes et étudiants «n’ont pas assez bricolé», ne sont pas assez sortis; qu’ils n’ont pas été suffi samment en contact avec le monde physique pour pouvoir vraiment saisir les concepts (force, pression, température, etc.) évoqués par le cours. Je suis convaincu que, pour faire de la physique, il faut avoir senti le feu, touché la glace, les liquides et les solides de toutes sortes, expérimenté avec son corps la résistance de l’eau, la densité d’une pierre, la solidité du métal, la souplesse du bois, la force à exercer sur une corde, etc. Toutes sortes d’expériences que l’on peut connaître pendant l’enfance et l’adolescence par diverses activités physiques (courir, nager, allumer un feu), artistiques (chanter, dessiner, sculpter), mais aussi par la plomberie, la menuiserie, la maçonnerie, etc. J’ai donc souvent rêvé d’un enseignement de la physique au départ d’une pratique du bricolage.
Le projet d’atelier
Sur proposition de la direction du Lycée Intégral Roger Lallemand, j’ai eu occasion de mettre ceci en pratique. Dans cette toute jeune école secondaire de Saint-Gilles (Région bruxelloise) qui compte parmi ses objectifs de «réconcilier travail intellectuel et travail manuel», où «la transdisciplinarité est privilégiée»[1] , l’idée a été proposée, pour la classe de cinquième, de faire de la physique au travers d’un atelier de menuiserie. Deux professeurs sur place, Maxime Geisen (techno) et Yannick De Henau (mathématiques), et moi-même (intervenant extérieur, physique), avons pris en charge la préparation et l’encadrement de cet atelier «techno et sciences», d’une durée de 24 périodes réparties sur neuf après-midis en trois semaines. Les objectifs de l’atelier étaient ambitieux: il s’agissait d’abord de construire une machine de levage fonctionnelle, solide et précise. Ensuite, d’effectuer sur cette machine des mesures les plus précises possibles, si possible en tenant compte des erreurs de mesure. Enfin, de formaliser les résultats en une relation numérique menant à une «loi» physique. Le tout en articulant travail individuel et travail de groupe. Toutes choses que nous n’avions, au fond, jamais faites de notre vie. Voici le récit (forcément subjectif) d’une très intéressante expérience pédagogique.
Déroulement de l’atelier
L’atelier s’est déroulé en deux phases principales: lors d’une première phase «menuiserie», les élèves ont eu une douzaine d’heures pour se constituer en petits groupes de trois à cinq et concevoir, construire et tester une machine simple devant permettre de soulever le plus facilement possible un objet de dix kilos. Du matériel était proposé, qui les aiguillait vers les trois machines: un palan (systèmes de cordes et poulies), un treuil (principe du puits: lever une charge en enroulant un fil sur une roue de grande taille) et un levier. Pour la deuxième phase plus «physique», les douze heures restantes ont été consacrées à des mesures soigneuses et quantitatives sur ces trois systèmes. Dans le cas du levier, il s’agissait de peser la masse nécessaire au levage de la charge de dix kilos, selon le point du levier où cette masse était placée. Dans le cas du palan et du treuil, ils ont mesuré la longueur de corde tirée et l’effort nécessaire au levage de la charge. Enfin, la présentation de ces mesures sous forme de graphes a permis de mettre en forme la loi physique sous-jacente.
Le petit lait que nous avions escompté
L’objectif principal, a, à mon avis, été atteint. Les étudiant·e·s ont construit les machines, dont la précision a permis d’excellentes mesures. Ils ont pu sentir une loi physique avant toute formulation. Moyennant quelques indications sur le difficile problème de la présentation des résultats sous forme de graphes, une loi fondamentale de la physique a été mise en évidence: cette «loi fondamentale des machines de levage», cas particulier du principe de conservation de l’énergie, peut s’exprimer ainsi: «Le gain obtenu en termes de forces est égal à la perte en termes de distances» (par exemple, si je veux soulever 10 kilos sur 1 mètre, je peux le faire avec un objet de 1 kilo, mais qui devra alors parcourir 10 mètres). Mais en chemin vers ce but ultime, plusieurs choses qui nous tenaient à cœur ont pu être transmises. Premièrement, les élèves ont découvert que dans la science, pour établir une loi, il faut passer par de nombreuses mesures chiffrées. La science est une mise en relation quantitative de diverses grandeurs. La constatation initiale «plus le bras de levier est long, plus la masse nécessaire à l’équilibrage est faible» est intéressante, mais ne suffit pas pour conclure une loi physique. En revanche, «la longueur du bras de levier est inversement proportionnelle à la masse nécessaire à l’équilibrage», résultats obtenus et démontrés par les mesures, désigne un comportement quantitatif beaucoup plus intéressant que la constatation initiale. Deuxièmement, nous avons pu introduire la notion d’estimation des erreurs de mesure. Plusieurs élèves ont ainsi expérimenté qu’une mesure est toujours entachée d’imprécision, ce qu’un exercice de physique traditionnel ne laisse jamais entrevoir. En effet, nous n’avons pas sous les yeux un énoncé du genre «Soit un sac de sable de 3,254 kg»: nous avons un vrai sac de sable dont la détermination de la masse devient un problème épineux! Une précision au gramme près ne sera tout bonnement pas possible; dix grammes près, presque inatteignables; finalement, une mesure à quarante grammes près sera plus réaliste. Ainsi passe l’idée fondamentale que l’erreur en sciences est inévitable. L’erreur est toujours là, elle n’est pas grave en soi, mais il faut savoir en tenir compte. Ce message, l’enseignement habituel de la science ne le transmet pas souvent, avec ses fameux sacs de 3,254 kg, dont personne ne nous dit comment on les a mesurés… Troisièmement, il n’y a pas eu de séparation nette entre «techno» et «physique». Les jeunes qui pensaient faire de la menuiserie faisaient aussi de la physique, et réciproquement. Un problème de verticalité d’un montant était un problème à la fois pratique et scientifique. Un sac de sable percé à réparer, c’était le bricolage au service de la science. Très concrètement, chaque amélioration technique servait la qualité de la conclusion physique, et chaque exigence scientifique se traduisait par une suggestion technique (cale, vissage, déplacer un crochet, etc.): une situation qui fait toucher du doigt le rôle essentiel et peu connu de l’habileté manuelle en sciences. Quatrièmement, ces ateliers se sont déroulés avec des scies, des visseuses, un niveau à bulle, une balance de cuisine, de la ficelle, du bois, une roue de vélo et ses pignons couverts de cambouis, etc. Un matériel simple et peu coûteux donc; pas d’ordinateur, pas de laser, pas de balance de précision à affichage numérique. Je n’ai rien contre ces trois objets: mais, en ajoutant une couche de complexité entre nos mains et le phénomène, ils risquent de donner l’idée absolument fausse qu’accéder à la science fondamentale nécessite de la technique de pointe. Mètre, fil à plomb et simple balance suffisent pour que l’étudiant·e comprenne le treuil. Le reste est question d’habileté et d’intelligence. Utiliser des objets dont on ne comprend pas le fonctionnement interne, comme les ordinateurs, fait écran entre l’humain et le phénomène qu’il cherche à comprendre. «L’écran fait écran», en somme, et il y a ici plus qu’un jeu de mots! Le message essentiel que j’espère faire passer ici est le suivant: de même que la qualité d’un roman vient de l’intelligence de l’écrivain et non de ce que sa plume est en or, la qualité des mesures et des conclusions déduites d’expériences scientifiques proviennent toujours de l’intelligence et rarement du degré de perfectionnement de l’appareillage utilisé. Beaucoup des plus grandes avancées physiques ont été obtenues avec des montages simples et astucieux (pensons aux plans inclinés de Galilée, ou aux mesures à l’œil nu (!) de positions stellaires par Tycho Brahé), dont l’aspect rudimentaire a été compensé par des aptitudes humaines: inventivité, rigueur, capacité à réagir devant l’imprévu, aptitude à faire des liens, capacité d’abstraction, sens du bricolage, débrouillardise, patience, méthode, habileté manuelle, exigence de précision; en bref, ce que j’appellerais intelligence au sens large. Ainsi, la plupart des élèves sont parvenus petit à petit à une démarche et une réflexion scientifiques, en partant du travail manuel et en aboutissant à la formalisation théorique. Et lorsqu’un élève dit en substance «j’ai enfin fait de la physique en comprenant ce que j’ai fait», «je n’avais pas envie de faire de la physique, mais j’y ai été amené sans m’en apercevoir, par le travail manuel», les professeurs boivent le petit lait qu’ils avaient envie de siroter en organisant cet atelier.
Surprises
Mais j’ai noté également d’autres aspects positifs auxquels je n’avais pas pensé a priori: - La très bonne précision des résultats, rendue possible par le soin apporté à la réalisation des machines. Je ne pensais tout simplement pas qu’elles fonctionneraient aussi bien, illustrant de façon éclatante notre «loi des machines de levage». Un des leviers, par exemple, bien que mesurant trois mètre de long, présentait une sensibilité suffisante pour basculer à l’ajout de quelques grammes! - Le plaisir de voir la jeune adolescente qui, pour la première fois de sa vie, visse, scie ou pèse, et ce, souvent plus soigneusement que la plupart des garçons, plus sûrs d’eux mais plus brouillons... Petite pierre apportée à l’encouragement de la science féminine. Car si la physique est une des sciences les plus à la traîne en termes de féminisation, je suis convaincu qu’une cause en est une éducation et une pression sociale qui privilégient généralement l’intérieur à l’extérieur, les liens interpersonnels à l’action sur la matière, le calme du foyer aux jeux physiques. Bref: vive le bricolage pour les filles! - Le soin apporté par certains pour rendre la machine belle. Symétrique, élégante, minimaliste dans la visserie utilisée, pas de taches sur le bois et jolie calligraphie des graduations. Je n’avais pas pensé à cet aspect des choses. On peut certes discuter longtemps sur ce qu’on entend par un «beau levier», mais quelle qu’en soit la définition, un bel objet donne plus envie de travailler qu’un objet laid. Et les physicien·ne·s et mathématicien·ne·s apprécient généralement des équations ou des lois qu’ils trouvent «belles»: symétriques, simples, faciles d’utilisation. Cette recherche ne peut-elle pas commencer par des graduations soigneusement calligraphiées? C’est, au fond, ce que suggérait cette étudiante.
Difficultés
Plusieurs difficultés n’ont été surmontées qu’en partie. L’une d’elles concerne le travail de groupe. Articuler épanouissement personnel et travail de groupe est une des clefs de la pédagogie du Lycée Intégral Roger Lallemand et il s’agit d’un apprentissage difficile, pour les étudiant·e·s comme pour moi enseignant. Le travail de groupe mène facilement à une spécialisation. Celui qui sait mesurer mesure, celui qui sait écrire écrit, et celui qui sait regarder par la fenêtre… regarde la fenêtre. Chacun donne au mieux de ce qu’il sait faire, au détriment parfois de l’apprentissage de choses nouvelles. D’autre part, la formalisation finale de la loi mathématique a été à mon avis insuffisante, une critique émise par plusieurs étudiants. Faute de temps et de préparation également, la digestion et la mise en commun de tout ce qui a été trouvé par les trois groupes n’a pas été assez efficace. La fixation et l’écriture soigneuse de la loi n’a pas été suffisante pour la majorité des étudiant·e·s. Ces quelques aspects seraient certainement à améliorer à l’avenir.
Finalement… Qu’est-il important de transmettre?
Rien de tel que ce genre d’atelier, un peu plus ambitieux que la moyenne de ma routine, pour se poser cette question centrale: qu’est-il important de transmettre en cours de sciences? L’apprentissage de la loi physique, la résolution d’exercices d’examen sont-ils le but ultime? Ou bien est-ce l’expérimentation de la démarche scientifique qui est le point vraiment fondamental? Ou alors le bagage le plus précieux à emporter d’un cours de sciences, n’est-ce pas le fait de parvenir à résoudre un problème pratique de la façon la plus autonome possible? Je ne fais que poser ces questions, sans prétendre avoir de réponse bien affirmée. Il se peut que dans trente ans, le lointain souvenir gardé par les étudiant.e.s de ces ateliers soit un premier contact avec la puissance de la scie plongeante, l’usage du niveau à bulle ou de la visseuse, l’étonnement de soulever dix kilos avec un effort très réduit, le tracé de points sur le papier millimétré, le plaisir de toucher une belle planche bien coupée, le contact humain avec des profs. Ou encore la vue du soleil couchant par la fenêtre, le cambouis tenace sur les doigts, les moments de tension et d’ennui, une blague échangée entre deux ados pendant que le troisième travaillait, le bruit pénible de la disqueuse. Ou peut-être simplement l’idée que la science aura été parfois plaisante. Et ce ne sera déjà pas mal. Un documentaire de la RTBF sur le Lycée Intégral Roger Lallemand (LIRL), comprenant des séquences de cet atelier, est en cours de réalisation. Il sera visible, en principe à la rentrée 2019. (Un tout grand merci à Max Geisen et Yannick de Henau, ainsi qu’à l’équipe du LIRL pour l’accueil).
François Chamaraux, enseignant en physique et mathématiques
