Modéliser, simuler, manipuler pour comprendre les conséquences des rejets anthropiques de carbone sur l’effet de serre

M. Prieur- E. Sanchez- J. Barrère

Contexte de recherche

Analyse des pratiques de modélisation en géosciences

• ACCES

– Équipe de didactique des sciences de la terre

modèles, modélisation, simulation et écoles de terrain

– Modélisation climatique- Banques de données SIG

modélisation du cycle du carbone et ses impacts climatiques

• EducTice

TICE, didactique des disciplines, démarche d’investigation

Modéliser, simuler : quels rôles pour le chercheur ?

Réel

Modèle conceptuel

Environnement de simulation

Simulation

Simuler…• pour éprouver

un modèle • pour définir son

domaine de validité

• pour établir des prévisions

Programmation

(Buty 2000, Vince 2000, Beaufils 2000)

Questions de recherche

• Quel(s) type(s) de situations doit-on mettre en place pour que les activités de modélisation et de simulation s’inscrivent dans un travail d’investigation scientifique et que le modèle scientifique puisse jouer son rôle d’instrument pour cette investigation ?

• Quels apprentissages les activités de modélisation et de simulation permettent-elles ?

• Quelles difficultés les élèves rencontrent-ils lors de la conduite de telles activités ?

Hypothèses de recherche

Réel

Modèle théorique

Environnement de simulation

Modèle conceptuel

• Expliciter le modèle en jeu

• Instrumenter le travail d’investigation

• Donner une place au réel

• Faire évoluer un modèle initial

Modélisation

… la modélisation et la simulation comme des étapes de l’investigation scientifique (van Joolingen 2007)

Méthodologie de la recherche : une ingénierie didactique

• Analyse à priori de la place de la modélisation et simulation dans l’enseignement du cycle du carbone

• Identification des activités-élèves de modélisation et de simulation

• Relevé et analyse des traces de l’activité des élèves (productions, enregistrement audio, vidéo…)

Dévolution du problème

L’homme est-il responsable de l’augmentation des GES et donc du réchauffement climatique ?

Construire un modèle numérique à compartiment du cycle du carbone

Identifier caractéristiques et propriétés d’un modèle à compartiments

Décrire un modèle à compartiments :

-Formalisme de description :variable, compartiment et flux,

- formalisme de représentation,

- formalisme mathématique

« Les activités humaines produisent du CO2 responsable d’une augmentation de la concentration de ce gaz dans

l’atmosphère. »

AtmosphèreQ CO2 instant t

Apports anthropiques  q / an

q CO2 par an

Bois, pétrole, gaz, calcaire…Q’ CO2 instant t

Difficultés liées au vocabulaire et aux concepts sous-jacents

Pas de difficulté majeure

Maîtrise insuffisante des notions mathématiques

Paramétrer et construire un modèle numériqueInterroger des banques de

données pour déterminer :

- la concentration initiale de CO2 dans l’atmosphère (unité ppmv),

- La valeur moyenne du flux anthropique (unité Gt de C)

Atmosphère355,7 ppmv778 Gt de C

Apports anthropiques  q / an

6,4 Gt de C/an

Bois, pétrole, gaz, calcaire…Q’ CO2 instant t

Difficultés : concepts de chimie (masse molaire, concentration…)

Construire un modèle numérique à l’aide de Vensim (logiciel de modélisation à compartiment)

Certaines difficultés à utiliser l’interface

Simuler et identifier de nouvelles nécessités du modèle

Simuler et comparer les valeurs calculées par le modèle aux valeurs mesurées sur le terrain

calculée

mesurée

Identifier de nouvelles nécessités et modifier le modèle

La mise en cause du modèle construit n’est pas spontanée

Modifier le modèle numérique

- Créer et paramétrer un ou plusieurs nouveaux flux

- Modifier le paramétrage du compartiment atmosphère (bilan des flux)

Simuler pour paramétrer le modèle

Évaluer la valeur du flux de CO2 qui est piégé hors de l’atmosphère

calculée

mesurée

calculée

mesurée

calculée

mesurée

Suites envisageables…

Déterminer le rôle du puit océan et biosphère …

Suites envisageables…

Simuler avec le modèle du chercheur pour comprendre le rôle des GES

Premiers résultats…

• Des difficultés d’ordre conceptuel– La modélisation compartimentale– la prise en compte de concepts de différents champs disciplinaires

• Des difficultés d’ordre pédagogique– la prise en main de l’outil informatique– La durée des activités– la mise en place d’un travail pluridisciplinaire

• Un changement de statut du modèle dans la classe est possible. Le modèle, un outil pour : – comprendre, raisonner, expliquer, prédire– conduire une démarche d’investigation de manière autonome

Perspectives …

• Projet CORISE : Conception de Ressources pour l’Investigation Scientifique dans l’Enseignement

INRP (ACCES, EducTice), LIG de Grenoble PPF Apprentice

• option de pratiques expérimentales en classe de seconde (expérimentation de la DGESCO)