393 - Les conceptions des végétaux chez des étudiants de master 2, futurs professeurs de sciences de la vie et de la Terre

 

Robin BOSDEVEIX

Université Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité, LDAR, EA 1547, France

 

Leslie REGAD

INSERM, UMRS 973, MTi, Paris, France

Université Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité, UMRS 973, MTi, Paris, France

 

Yann LHOSTE

Université de Bordeaux, E3D/LACES, EA 4140, France

 

Mots clés :

Didactique de la biologie, formation des enseignants, conceptions, problème, végétaux

 

Résumé :

Les végétaux ont longtemps constitué un groupe systématique défini par opposition aux animaux. Cette conception continue d’alimenter largement le sens commun. Le concept de végétal a été profondément rectifié au cours de l’histoire de la biologie. Dans l’actuelle classification phylogénétique, les végétaux ne constituent plus un groupe systématique valide. Cependant ils constituent un ensemble fonctionnel réunissant les organismes se nourrissant par photosynthèse. Selon le problème scientifique étudié, le concept de végétal n’est pas toujours utilisé avec la même signification. Comprendre les différents sens utilisés pour un même concept implique de percevoir la nature des différents problèmes biologiques. En effet, il n’y a pas de savoirs en dehors des problèmes avec lesquels ils entretiennent une relation dynamique.

Nous cherchons à caractériser les conceptions des végétaux que mobilisent des étudiants en fin de formation universitaire (M2) et qui auront à enseigner ces différents aspects de biologie végétale du collège et au lycée. À quels types de problèmes se réfèrent la classification biologique (fonctionnelle ou phylogénétique), construite par les étudiants lorsqu’ils classent plusieurs espèces au sein des végétaux ? Quelles relations peuvent exister entre la construction de ces problèmes et certains obstacles ?

Nous avons réalisé une étude didactique préliminaire sur un échantillon de 29 étudiants. Cette recherche concerne 333 questionnaires issus de 26 masters français et permet de conduire une double analyse statistique via le logiciel R. Nous croisons une analyse supervisée utilisant des catégories définies a priori et une analyse non supervisée basées sur deux méthodes statistiques complémentaires (classification hiérarchique et analyse des correspondances multiples). Le questionnaire élaboré sur la base des résultats d’une recherche exploratoire comprend une première question ouverte de définition des végétaux. Une deuxième question demande aux étudiants de se positionner par rapport à l’appartenance aux végétaux de 13 espèces, en raisonnant notamment à partir de caractères fournis. Deux dernières questions concernent le rôle des végétaux dans les écosystèmes et la validité des végétaux dans la classification phylogénétique.

La conception fonctionnelle et cellulaire (avec 36% des étudiants) est largement dominante devant quatre autres conceptions des végétaux. Les résultats montrent un chiffre élevé (40%) pour les deux catégories « Autre » et « Indécis » confirmant à lui seul la complexité du concept de végétal justifiant l’intérêt d’une étude didactique approfondie sur ce thème.

 

1. Introduction

1.1. Les multiples visages du concept de végétal

Historiquement les végétaux ont été définis comme un règne de la nature regroupant des organismes immobiles et insensibles par opposition aux animaux (Linnaeus, 1735). Cette conception historique duale opposant les végétaux aux animaux continue d’alimenter largement le sens commun. Le développement de la biologie moderne qui cherche à comprendre le fonctionnement des êtres vivants mais également leur histoire (Mayr, 1998) a entraîné d’importantes rectifications du concept de végétal. L’immobilité et l’insensibilité se sont révélées ne pas constituer des caractères distinctifs valides entre animaux et végétaux.

D’un point de vue fonctionnaliste, l’étude de la nutrition des êtres vivants permet de constituer un groupe réunissant les êtres vivants se nourrissant par photosynthèse, capables de produire leur propre matière organique à partir de matière minérale et d’énergie lumineuse. Cette définition fonctionnelle exclut alors les champignons des végétaux, pourtant traditionnellement étudiés en botanique. Ce mode de nutrition leur confère un rôle essentiel dans les écosystèmes, celui de producteurs primaires à la base des réseaux trophiques.

D’un point de vue évolutif, les recherches récentes ont révélé que la photosynthèse est apparue à plusieurs reprises au cours de l’évolution par de multiples évènements d’endosymbiose. Ainsi dans l’actuelle classification phylogénétique, les végétaux ne constituent plus un groupe systématique valide (Selosse, 2008). L’arbre du vivant (Fig. 1) comporte donc plusieurs groupes non étroitement apparentés réalisant la photosynthèse oxygénique : les cyanobactéries et plusieurs lignées eucaryotiques possédant des plastes à 2 membranes ou plus, acquis par endosymbiose.

 

 

Figure 1 : arbre phylogénétique des Eucaryotes montrant les multiples acquisitions de plastes photosynthétiques (topologie de l’arbre d’après Keeling et al, 2009). Seuls certains groupes ont été indiqués.

Selon le problème scientifique étudié, le concept de végétal n’est pas toujours utilisé avec la même signification par les scientifiques. Pour un écologue étudiant le cycle du carbone, les végétaux possèdent une acception large incluant tous les organismes photosynthétiques quelque soit leur morphologie et leur structure cellulaire. Un biologiste cellulaire cherchant à comprendre le fonctionnement de la cellule utilise quant à lui une acception plus restreinte des végétaux limités aux seuls eucaryotes photosynthétiques.

Comprendre les différents sens utilisés pour un même concept scientifique implique de percevoir la nature des problèmes biologiques que cherche à résoudre chaque champ disciplinaire de la biologie. En effet, il n’y a pas de savoirs en dehors des problèmes avec lesquels ils entretiennent une relation dynamique (Bachelard, 1938/1993).

Cette multiplicité de sens du concept de végétal nous a conduit à nous y intéresser d’un point de vue didactique. Il s’agit de comprendre quelles sont les significations qu’attribuent des étudiants parmi celles que nous avons identifiées a priori : une conception quotidienne marquée par le sens commun et ancrée historiquement et de multiples conceptions scientifiques différant selon les problèmes étudiés et restant généralement implicites.

 

1.2. Le public étudié

Nous nous intéressons aux étudiants en fin de formation universitaire (master 2) préparant le concours de recrutement de professeurs de sciences de la vie et de la Terre. L’étude des végétaux représente un aspect important du cursus universitaire et fait partie du curriculum de SVT au collège et au lycée. À l’université, les végétaux sont étudiés dans de multiples unités d’enseignement de manière souvent morcelée et cloisonnée. L’intégration des différents champs disciplinaires reste souvent en grande part à la charge des étudiants.

 

2. Questions de recherche et positions théoriques

Sans en avoir forcément conscience, les étudiants ont été confrontés dans leur cursus universitaire à des usages scientifiques différents du terme végétal selon les problèmes étudiés. Notre enquête par questionnaire doit permettre d’inférer la conception des végétaux que mobilisent des étudiants de M2, futurs professeurs de SVT.

Nous utilisons le terme de conception pour désigner un ensemble de connaissances ou de formes de raisonnement mobilisées par des élèves ou des étudiants dans une situation scolaire ou universitaire donnée. La notion de conception répond à deux nécessités distinctes, distinguées par Artigue (1990) dans le champ de la didactique des mathématiques et transposées ici en biologie :

- mettre en évidence la pluralité des points de vue possibles sur un même concept

- aider le didacticien à différencier le savoir que l'enseignement veut transmettre et les connaissances effectivement mobilisées par l'élève.

Le premier point a été davantage travaillé en mathématiques, où nombre d’objets mathématiques peuvent être définis de différentes manières, chacune étant mathématiquement valable et adaptée à un type de problèmes spécifiques. Citons par exemple le cas des différentes conceptions du cercle chez les enfants de l’école élémentaire (Artigue & Robinet, 1982). Le second point correspond à l’utilisation usuelle de la notion de conception en didactique des sciences expérimentales où les conceptions sont inférées par le chercheur comme écart au savoir de référence. Notre sujet correspond à cette dualité puisqu’il existe une pluralité de conceptions scientifiques des végétaux ainsi qu’une conception « naïve » des végétaux.

Nous plaçons les étudiants dans le cadre d’une situation de classification biologique : ils doivent définir ce que sont les végétaux en tant que groupe biologique, sachant qu’il existe plusieurs types de classifications en biologie, fonctionnelle ou phylogénétique. Leurs réponses au questionnaire doivent nous permettre d’analyser les connaissances qu’ils considèrent importantes pour définir les végétaux ainsi que des formes de raisonnement, qui peuvent être de nature scientifique ou de nature commune. Concrètement, la première question ouverte appelle une définition des végétaux. Elle nécessite l’utilisation de connaissances prédicatives, définies par Vergnaud (2001) comme le type de connaissances « qui prend la forme de textes, d’énoncés, de traités et de manuels » et qui énoncent les propriétés et les relations entre les objets de pensée. La seconde question demande aux étudiants de se positionner par rapport à l’appartenance aux végétaux de treize espèces. Pour chaque espèce illustrée par une photographie, il est indiqué le nom ainsi que plusieurs caractères cellulaires ou physiologiques non visibles, permettant aux étudiants de raisonner en utilisant notamment les informations fournies. Cette question est centrale dans notre recherche car elle mobilise la forme procédurale des connaissances (ibid.), où la définition initiale des végétaux est mise à l’épreuve des faits correspondant aux caractères des treize espèces différentes. Le passage entre la première et la seconde question peut révéler des tensions entre la forme prédicative et procédurale des connaissances. Elles peuvent être liées à l’écart entre les problèmes biologiques mobilisés spontanément en première question et ceux liés aux caractères indiqués pour chaque espèce. Par exemple, les caractères indiqués concernent notamment le champ de la biologie cellulaire qu’ils peuvent ne pas avoir envisagés initialement.

Nous mettrons en relation les conceptions des étudiants inférées à partir des dimensions prédicatives et procédurales des connaissances des étudiants (et des tensions entre les deux) avec un contexte problématique « qui détermine pour partie les inférences qui peuvent être faites et les raisonnements produits » (Lhoste & Peterfalvi, 2009, p. 85). À la suite de Popper et Bachelard, nous sommes donc fortement attachés à l’importance des problèmes dans la construction des savoirs scientifiques. « Pour un esprit scientifique, toute connaissance est une réponse à une question » (Bachelard, 1938). Selon Popper (cité par Orange, 2005), « la science commence par des problèmes (1991, p. 287 ; 1985 pp. 230, 329) ». Ainsi pour Fabre & Orange (1997, p. 42), les réponses des étudiants « ne sont intelligibles que par rapport aux problèmes qu'elles solutionnent tout en les refoulant (Meyer M., 1986). Comprendre une proposition ou une série de propositions, c'est donc retrouver les questions oubliées auxquelles ces propositions répondent. »

Nous rejoignons totalement Orange-Ravachol (2007, p. 52) qui affirme que « dans le cadre théorique qui est le nôtre (Bachelard, 1938 ; Popper, 1985), considérer les classifications comme des savoirs scientifiques revient d’abord à chercher à quels problèmes elles répondent. » Elle explique également que « construire une classification scientifique, c’est donc s’installer dans une explication du monde vivant » (Orange-Ravachol, 2007, p. 53).

Nous nous attacherons donc à comprendre à travers cette recherche quels types de problèmes construisent les étudiants concernant les végétaux, en tant que groupe biologique ? Leur conception des végétaux vise-t-elle à répondre à un problème fonctionnel de nutrition, qui peut être associé à un problème écologique de flux de matière et d’énergie ou bien un problème d’organisation et de fonctionnement cellulaire ou encore un problème historique et évolutif ? La conception des végétaux des étudiants correspond-elle à un seul problème ou bien à plusieurs problèmes de manière combinée ou en tension ?

Outre les connaissances mobilisées, les réponses des étudiants peuvent également faire recours à certains modes de raisonnement communs qui se constituent alors en obstacles. Pour Bachelard, l’obstacle est « d’abord cause de stagnation, cause d’inertie de l’esprit ». L’analyse des réponses des étudiants devra également nous permettre d’identifier les obstacles entravant le processus de construction du concept de végétal.

Pour conclure cette partie, nous pensons que les réponses des étudiants, les associations de caractères utilisées pour argumenter l’appartenance ou non aux végétaux ne sont pas le produit du hasard mais reflètent une logique sous-jacente, nommée conception, à travers les problèmes mobilisés, les connaissances et les types de raisonnement convoqués dont certains peuvent exercer la fonction d’obstacle, constituant alors un « noyau dur » des conceptions (Astolfi & Peterfalvi, 1993).

 

3. Méthodologie

3.1. Une recherche quantitative

Notre étude possède une visée quantitative à l’échelle nationale permettant de dépasser le caractère local d’une étude limitée à une seule université. Le questionnaire est alors l’outil de recueil de données le plus adapté. 333 réponses ont été obtenues, issues d’étudiants de master 2 « Enseignement des SVT » de 26 universités françaises (Fig. 2).

 

Figure 2 : nature du corpus analysé : nombre et localisation des réponses obtenues

Le questionnaire a été diffusé sous forme papier, ce qui alourdit le travail d’analyse des données par rapport à une enquête en ligne, mais permet de contrôler davantage les conditions de passation du questionnaire et ouvre la possibilité aux étudiants de réaliser des dessins.

 

3.2. Le questionnaire et le codage des réponses

3.2.1. Les questions posées

Le questionnaire a été élaboré sur la base des résultats d’une recherche didactique préliminaire portant sur un échantillon de 29 étudiants d’un seul master 2 et croisant trois techniques de recueil de données complémentaires : questionnaire, entretien et carte conceptuelle (Bosdeveix, 2012 ; Bosdeveix & Lhoste, 2012).

Nous avions montré le recours fréquent à l’immobilité pour définir les végétaux chez les étudiants interrogés. Une définition centrée sur les seules plantes terrestres (Embryophytes) ou même uniquement les plantes à fleurs nous avait conduit à nommer cette conception « macrocentriste », conception qui peut se constituer un obstacle pour penser la biodiversité. Une tendance nette consistait en la restriction des végétaux aux seuls Eucaryotes avec plaste, paroi, vacuole, consacrant ainsi une définition cellulaire des végétaux. L’étude avait également montré la grande difficulté des étudiants de M2 à raisonner dans un contexte phylogénétique. Les entretiens avaient porté notamment sur le cas de l’orobanche, une plante parasite dépourvue de chlorophylle et ne réalisant pas la photosynthèse, montrant la difficulté à articuler un problème fonctionnel de nutrition et un problème d’évolution. Enfin, nous avions montré la difficulté à articuler spontanément l’échelle écosystémique car si la quasi-totalité des étudiants mobilisaient la photosynthèse dans leur définition, seuls un tiers des étudiants sur dix répondaient en faisant référence à leur rôle dans les écosystèmes.

Cette nouvelle enquête quantitative cherche donc à détecter des régularités de raisonnement à grande échelle.

Ces résultats préliminaires ont donc orienté le choix des questions et des espèces proposées. La première question est ouverte et vise à obtenir une définition spontanée et argumentée des végétaux : « Définissez ce que sont les végétaux. » La seconde question correspond à 13 espèces pour lesquelles les étudiants doivent indiquer si elles sont végétales. L’objectif n’est pas une vérification de connaissances systématiques mais d’identifier quel type de raisonnement ils convoquent et quels caractères ils mobilisent pour regrouper les végétaux. Aussi, chaque espèce est illustrée par une photographie permettant une reconnaissance de l’espèce et d’observer certains caractères structuraux. Une liste de caractères cellulaires et physiologiques non visibles est indiquée permettant aux étudiants de conduire un raisonnement. Le choix des caractères indiqués résulte de l’enquête préalable. Les espèces ont été choisies avec soin afin de nous permettre de discriminer entre différentes conceptions possibles des végétaux. L’ordre des espèces (Fig. 3) vise à mélanger les espèces appartenant aux différents groupes systématiques. L’orobanche a été placée en dernier afin d’analyser comment est prise en compte l’absence de chlorophylle, qui s’était révélée être une difficulté importante dans l’étude préliminaire.

 

Figure 3 : les treize espèces proposées en question 2 dans l’ordre du questionnaire (les noms de groupe indiqués ne comportent pas le suffixe –phytes pour ne pas influencer les étudiants dans les réponses)

Les deux dernières questions concernent le rôle des végétaux dans les écosystèmes et la validité des végétaux dans la classification phylogénétique actuelle. L’objectif est de comparer les réponses à la définition initialement proposée.

 

3.2.2. Le codage des réponses

Les réponses du questionnaire sont codées dans une feuille de calcul. Une liste de caractères a été définie a priori et complétée au fur et à mesure du dépouillement des questionnaires. L’analyse statistique est réalisée sur le fichier csv comportant les réponses à l’ensemble des questions et les arguments codés avec la grille de codage.

 

3.3. Analyse a priori : catégorisation des conceptions des végétaux

Grâce à notre étude préliminaire, une catégorisation de conceptions possibles pour les végétaux a été réalisée dans le but de constituer une référence pour l’analyse des réponses au questionnaire. Les différents problèmes qui fondent la typologie de conception que nous proposons sont les suivants.

- Problème fonctionnel de locomotion : certains organismes sont mobiles, d’autres ne le sont pas (tout au moins en apparence, car il existe des structures spécialisées de dissémination). Ce problème était à l’origine de la distinction historique entre animaux et végétaux.

- Problème fonctionnel de nutrition : certains organismes sont autotrophes et se nourrissent par photosynthèse. Ils peuvent alors être regroupés au sein des végétaux, dans un sens fonctionnel. Ce problème peut également être envisagé à l’échelle écosystémique faisant des végétaux des producteurs primaires à la base des réseaux trophiques.

- Problème cellulaire : la structure cellulaire (associée à des fonctions spécifiques) peut constituer des critères de classification. Citons notamment le caractère eucaryote, la présence de plastes, d’une paroi cellulaire et sa nature biochimique.

- Problème phylogénétique : constituer une classification qui regroupe des espèces apparentées, partageant une histoire évolutive commune.

Les raisonnements scientifiques fondant notre catégorisation sont liés à deux types de classification biologique.

- Une classification fonctionnelle regroupe des espèces partageant une même fonction. Nous pouvons citer plusieurs exemples de groupes biologiques fonctionnels : le groupe des espèces volantes, le groupe des animaux prédateurs, le groupe des espèces photosynthétiques… La présence d’une fonction commune peut être expliquée historiquement par une apparition unique d’un caractère hérité (homologie) ou bien par une apparition répétée et convergente d’un caractère analogue non hérité (homoplasie). Les trois exemples cités correspondent au second cas ; ce sont des groupes polyphylétiques.

- Une classification phylogénétique ne considère comme valides que les groupes monophylétiques rassemblant des espèces apparentées ayant un même ancêtre commun exclusif. Seuls les caractères homologues sont utilisés en phylogénie.

Les raisonnements de sens commun possiblement mobilisés et utilisés dans notre catégorisation sont les suivants.

- La pensée catégorielle : les végétaux sont alors définis comme une catégorie exclusive en opposition à une autre catégorie, celle des animaux. Pour Astolfi & Peterfalvi (1993, p. 110), l’usage de la pensée catégorielle peut renvoyer à «  la "pensée par couples" ("ou bien ... ou bien ...") : le vivant / le non-vivant, les gaz / pas les gaz ».

- Le macrocentrisme (Bosdeveix, 2012), conduisant à se focaliser sur les macro-organismes pluricellulaires en excluant les micro-organismes (« bactéries » et « protistes »), voire même en se centrant sur les seules Embryophytes (plantes terrestres) ou encore les plantes à fleurs.

L’analyse a priori nous a permis de dégager cinq types de conceptions différentes des végétaux (Fig. 4).

 

Figure 4 : tableau présentant les cinq types de conceptions résultant de l’analyse a priori

 

3.4. Analyse des données

L’analyse statistique a été réalisée avec le logiciel R.

3.4.1. Analyse statistique supervisée

Dans cette première étape de l’analyse des données, nous cherchons à quantifier le nombre d’étudiants correspondant à chacune des cinq conceptions définies a priori. L’analyse comprend quatre phases.

1.     Elimination des étudiants indécis

Cherchant à caractériser des cohérences de raisonnement, nous avons décider de ne pas considérer pour l’analyse les étudiants que l’on juge indécis et qui ne se sont pas prononcés deux fois (ou plus) sur les douze premières espèces. Nous n’avons pas considéré l’orobanche (la treizième espèce) pour écarter les étudiants indécis car nous avons proposé cette espèce dans le but d’analyser comment les étudiants raisonnent face à l’absence de chlorophylle chez cette plante à fleur. Nous écartons ainsi 38 étudiants « indécis », soit 11% de l’échantillon[1].

2.     Recherche des conceptions « strictes »

Pour chacune des cinq conceptions définies a priori, nous définissons un profil de réponses pour les douze premières espèces jugées cohérentes au regard de notre propre analyse. Par exemple, la cyanobactérie Synechococcus n’est végétale que pour la conception fonctionnelle. L’algue brune Fucus est végétale pour toutes les conceptions sauf la conception phylogénétique réduite, limitée à la lignée verte. Afin de s’assurer que l’étudiant possède bien une conception donnée, nous ajoutons certaines conditions supplémentaires pour contraindre davantage notre inférence en utilisant des arguments liés à la question 1. Ainsi pour la conception fonctionnelle « stricte », l’étudiant ne doit pas indiquer que les végétaux sont des eucaryotes ou qu’ils possèdent des plastes.

3.     Recherche des conceptions « élargies »

La méthode précédente étant très restrictive, beaucoup d’étudiants ne sont pas catégorisés dans les conceptions « strictes ». En effet, il suffit par exemple d’une réponse NSP (ne sait pas) pour que l’étudiant ne soit pas dénombré. Aussi nous avons défini de manière « élargie » les cinq types de conceptions et réaliser un script sous R pour identifier les étudiants concernés. Par exemple, nous considérons comme conception fonctionnelle élargie toute réponse qui mobilise la photosynthèse ou l’autotrophie dans la première question, qui inclut la cyanobactérie Synechococcus et exclut le champignon Amanita en question 2.

4.     Catégorisation « Autre »

Les étudiants dont les réponses ne correspondent ni aux conceptions « strictes », ni aux conceptions « élargies » sont catégorisés comme « Autre ».

 

3.4.2. Analyse statistique non supervisée

Une étude statistique des données non supervisée permet de dégager des catégories émergentes que l’on pourra ensuite comparer aux catégories définies grâce à notre analyse préalable. Nous utilisons deux méthodes complémentaires : la classification hiérarchique (hierarchical clustering notée h-clust) et l’analyse des correspondances multiples (ACM). Ces deux méthodes sont réalisées à partir des réponses aux différentes espèces proposées en question 2 de tous les étudiants sauf les indécis (295 étudiants). Ainsi, nous disposons d’un jeu de données composés de 295 individus décrits par 12 variables (les différentes espèces) décrites par 3 modalités (« végétal » (V), « non végétal » (NV) et « NSP »). A partir du tableau représentant le jeu de données (tableau à 295 lignes et 36 (12 x 3) colonnes), nous calculons le tableau disjonctif complet en remplaçant chaque variable par 3 variables binaires correspondant à chaque modalité de réponse. Par exemple, pour la variable « Ulva » de départ, nous obtenons 3 variables : « Ulva_V », « Ulva_NV » et « Ulva_NSP ». La variable « Ulva_V » est affectée de la valeur 1 si les étudiants ont répondu à la question 2 que l’espèce Ulva est végétale, sinon la valeur est 0. Il en est de même pour les deux autres variables d’Ulva. C’est à partir de ce nouveau tableau de 295 lignes et 36 colonnes que sont réalisées la classification hiérarchique et l’ACM.

La classification hiérarchique

Une classification hiérarchique ascendante est un type de classification automatique visant à répartir les individus en groupes, chaque groupe devant être le plus homogène possible et les groupes devant être les plus différents possibles entre eux. La hiérarchie s'appuie sur le calcul de distances entre individus et une méthode d’agrégation qui permet de créer les groupes. Nous avons dans un premier temps utilisé la méthode des liens moyens (Average) en calculant les distances de chi2 entre les différents étudiants à partir des données tableau disjonctif complet (295 étudiants décrits par 36 variables). Puis la classification a été réalisée en utilisant la méthode d’agrégation Ward.

L’analyse des correspondances multiples

L’ACM est une méthode très classique pour les analyses de questionnaires ayant de multiples questions qualitatives. Cette méthode d'analyse multidimensionnelle permet de décrire un jeu de données caractérisé par des variables qualitatives. L'ACM calcule de nouvelles variables continues et non corrélées à partir des variables du tableau disjonctif. Ces nouvelles variables sont appelées composantes principales. La première composante explique un maximum de la variabilité des données. Les données peuvent ainsi être explorées dans un espace à dimension réduit en sélectionnant un nombre réduit de composantes principales qui expliquent une part significative de la variabilité des données. L'ACM produit une représentation graphique qui représente la projection des variables et des individus dans le nouvel espace constitué des composantes sélectionnées et permet d'étudier (i) les relations entre les variables et leurs différentes modalités, (ii) celles entre individus, et (iii) interpréter les groupes d’individus par les variables et leurs modalités.

Cette méthode est complémentaire de la classification hiérarchique ayant, quant à elle, l’avantage d’établir des groupes sur la totalité de la variabilité entre les données, mais sans expliquer les groupes. Il est donc utile de croiser ces deux méthodes d’analyse statistique.

 

3.4.3. Analyse des conceptions a priori grâce à l’analyse non supervisée

Afin de mettre à l’épreuve la robustesse des conceptions résultant de l’analyse préalable, nous proposons de les comparer « en retour » aux groupes obtenus par l’analyse statistique non supervisée. Ce système de confrontation des deux méthodes doit permettre notamment de revenir sur la catégorie « Autre » afin de voir si elle correspond, au moins en partie, à une nouvelle conception, qu’il faudra alors chercher à expliquer, ou bien si elle correspond uniquement à des étudiants ayant des incohérences de raisonnement, mais se rapprochant d’autres groupes.

 

4. Résultats

4.1. Résultats de l’analyse utilisant les catégories définies a priori

Nous avons assigné une conception à chaque étudiant (Fig. 5).

 

Figure 5 : répartition des conceptions (+ « indécis » et « autres ») dans l’échantillon de 333 étudiants.

CFC : conception fonctionnelle et cellulaire ; CFM : conception fonctionnelle macrocentrée ; CF : conception fonctionnelle ; CCD : conception catégorie par défaut ; CPR : conception phylogénétique réduite

40% des étudiants n’entrent dans aucune des cinq conceptions définies a priori, dont 29% des étudiants sont catégorisés comme « Autre ». Ce résultat élevé semble confirmer la complexité relative au concept de végétal chez des étudiants de M2, justifiant à lui seule de conduire une didactique approfondie.

Les cinq conceptions sont représentées dans des proportions très différentes.

- La conception fonctionnaire et cellulaire est largement la plus fréquente avec plus de 36% des étudiants.

- Ensuite, avec presque 10% de l’effectif, arrivent les conceptions macrocentrée (9%) et fonctionnelle (8%).

- Enfin figurent les conceptions « catégorie par défaut » et phylogénétique réduite avec seulement 3% et 2% de l’effectif.

 

4.2. Résultats de l’analyse non supervisée

4.2.1. Résultats de la classification hiérarchique

Dans la classification hiérarchique (Fig. 6), les individus ont été colorés a posteriori selon leur conception afin d’analyser si les différents types de conceptions sont bien regroupés par la classification automatique. Certaines conceptions semblent très robustes car les individus partageant cette conception sont regroupés. Il s’agit de la conception « catégorie par défaut » (en jaune), de la conception fonctionnelle (en vert) et de la catégorie phylogénétique réduite (en violet). En revanche, la conception fonctionnelle macrocentrée (en bleu) semble divisée en deux groupes bien distincts dans l’arbre : les 9 individus CFM2, à gauche de l’arbre, et les 22 individus CFM stricte et CFM1, regroupés plus au centre de l’arbre. Ce résultat peut être expliqué par le fait que la conception CFM2 est définie par une centration sur les plantes terrestres (Embryophytes) en excluant les algues des végétaux. Elle se distingue des deux autres (CFMs et CFM1) qui incluent les macro-algues (dont Ulva et Fucus). Ce résultat suggère que la conception CFM correspondrait plutôt à deux conceptions plus distinctes que nous ne l’envisagions. La conception CFMs (et CFM1) renvoit à la conception des végétaux développée historiquement par Whittaker (1969) distinguant le groupe Plantae (Eucaryotes pluricellulaires photosynthétiques) du groupe des Protista (Eucaryotes unicellulaires).

La conception fonctionnelle et cellulaire est également divisée dans l’arbre. Les étudiants de la conception CFC stricte sont bien regroupés à droite de l’arbre et sont proches du groupe fonctionnel, s’en distinguant par une seule espèce Synechococcus. Par contre, les étudiants de la conception fonctionnelle et cellulaire élargie sont dispersés dans différentes branches de la moitié gauche de l’arbre, ce qui signifie qu’il existerait plusieurs types de CFC.

Les étudiants « Autre » ne sont pas regroupés dans une branche particulière de l’arbre mais sont dispersés dans toutes les branches. Ce résultat tend à infirmer la présence d’une conception supplémentaire et est davantage en faveur du caractère incohérent des réponses  de nombreux étudiants. Nous avions d’ailleurs perçu cette incohérence lors du dépouillement du questionnaire.

 

Figure 6 : classification hiérarchique (h-clust) utilisant la méthode d’agrégation de Ward. Echantillon : 295 étudiants non indécis. La composante height (en ordonnée) indique les valeurs de la hiérarchie.

La méthode Average fournit un résultat similaire quant aux différentes catégories.

 

4.2.2. Résultats de l’analyse des correspondances multiples

L’ACM est décomposée en six graphiques par catégorie de conception afin de faciliter l’observation, rendue difficile par un nombre élevé d’étudiants (Fig. 7). Nous remarquons que les différentes conceptions permettent d’échantillonner des espaces spécifiques, particulièrement pour les conceptions CF, CCD, CFM et CPR. Les étudiants avec une conception CFC échantillonnent différents sous-espaces suggérant qu’il peut exister différents sous-types de conception CFC. Ces résultats sont en accord avec ceux de la classification hiérarchique.

 

Figure 7 : projection par conception des étudiants sur le premier plan de l’ACM calculés à partir des réponses à la question 2 et exprimant 24,8% de la variabilité des données

 

4.3. Analyse de la conception fonctionnelle et cellulaire

4.3.1. Dominance de la conception fonctionnelle et cellulaire

121 étudiants (soit 36% de l’échantillon total) possèdent une conception fonctionnelle et cellulaire considérant que les végétaux sont des eucaryotes photosynthétiques. Cette conception est donc largement dominante par rapport aux autres conceptions et témoigne d’un attachement à l’existence de « la » cellule végétale.

 

4.3.2. Variabilité au sein de la conception fonctionnelle et cellulaire

Les deux méthodes non supervisées ont montré que les étudiants présentant une conception fonctionnelle et cellulaire stricte sont bien regroupés alors que les étudiants présentant une conception élargie sont plus dispersés. Nous avons réalisé une autre ACM pour les 121 étudiants présentant une conception CFC. Il apparaît un groupe de 9 étudiants excluant les micro-algues unicellulaires, ce qui devrait conduire à les classer dans la conception fonctionnelle macrocentrée. En cherchant ces étudiants dans l’arbre du h-clust, ils apparaissent regroupés avec les étudiants ayant une conception fonctionnelle macrocentrée (CFM1). Après vérification de leur argumentation, ils n’entrent pas dans la conception CFM1 car ils ne mobilisent pas le critère multicellulaire dans leur première question, qui avait été ajouté dans le script pour être plus sûr de la conception CFM1. Il est donc possible que 2% d’étudiants basculent de la CFC à la CFM1 à cause de ce biais méthodologique.

La matrice d’arguments permet de comprendre les raisons qui motivent l’exclusion de certaines espèces. L’analyse argumentaire montre l’existence de sous-catégories au sein de la conception fonctionnelle et cellulaire selon certains caractères, notamment la présence d’une paroi, voire même sa nature chimique.

 

4.3.3. Explication de l’importance de cette conception

L’importance statistique de la conception fonctionnelle et cellulaire pourrait résulter, au moins en partie, des enseignements universitaires et de l’influence de nombreux manuels universitaires. En effet, « la » cellule végétale est classiquement présentée en comparaison de « la » cellule animale. L’exemple protypique dans l’enseignement et les manuels est celui d’une cellule d’Angiosperme (et le plus souvent issue du parenchyme chlorophyllien), mais pas une cellule cyanobactérienne. L’utilisation des cellules prototypiques dans les enseignements de biologie et physiologie cellulaire explique probablement l’importance de cette conception.

D’un point de vue scientifique, cette conception a une pertinence biologique et est liée à plusieurs problèmes.

- Un problème de fonctionnement cellulaire : la présence de plastes dans une cellule eucaryote photosynthétique est en lien avec un fonctionnement cellulaire particulier en relation avec la compartimentation cellulaire. La paroi, la vacuole sont également impliquées dans des fonctions cellulaires spécifiques. Le fonctionnement cellulaire d’une cellule eucaryote photosynthétique diffère donc en de nombreux points de celui d’une cellule cyanobactérienne.

- Un problème évolutif visant à comprendre l’origine des organites.

Mais cette conception prototypique de la cellule végétale pourrait constituer un obstacle didactique pour penser la diversité des végétaux à l’échelle cellulaire (Clément, 2007). En effet, les caractères cellulaires des Angiospermes ne sont pas partagés par l’ensemble des organismes photosynthétiques. La conception prototypique cellulaire pose donc le problème de la généralisation implicite des caractères cellulaires angiospermiens à l’ensemble des végétaux dans un sens fonctionnel. Une vision prototypique est compatible avec un raisonnement généralisant unitaire mais constitue une réduction non conciliable avec une problématique de diversité et de classification. S’appuyant sur la dualité aide-obstacle proposée par Bachelard, cette conception pourrait constituer une aide pour penser les problèmes de fonctionnement cellulaire et d’endosymbiose, mais un obstacle pour penser la diversité du vivant à l’échelle cellulaire.

 

5. Conclusion

La catégorisation résultant de notre analyse a priori semble globalement validée par l’analyse statistique non supervisée, à la nuance près que la conception fonctionnelle macrocentrée est divisée en deux, ce qui tendrait à dégager six conceptions des végétaux et non cinq. De plus, les étudiants présentant une conception fonctionnelle et cellulaire, largement dominante (avec 36% des étudiants) sont relativement dispersés dans l’arbre issu de la classification hiérarchique en lien avec des subdivisions basées sur des hésitations et des caractéristiques cellulaires supplémentaires.

Il est relativement inhabituel qu’un concept aussi « classique » que celui de végétal puisse être lié une telle diversité de conceptions chez les étudiants, ce qui n’est pas sans poser des questions à l’enseignement universitaire.

Ces résultats posent notamment le problème de l’évidence de l’usage du concept de végétal, utilisé dans des acceptions variées suivant le contexte problématique, sans être véritablement interrogé.

Cette recherche a permis de caractériser certaines difficultés liées au concept de végétal en fin de formation universitaire et devrait pouvoir contribuer à l’élaboration de propositions didactiques utiles à la formation des futurs enseignants de SVT.

 

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[1] Nous aurions pu être encore plus exigeants et ne conserver pour l’analyse que les étudiants se prononçant sur les douze premières espèces et nous aurions alors écarté plus de 30% des étudiants de notre corpus. Mais il nous semble raisonnable de considérer des étudiants hésitant sur une seule espèce sur douze.