Présentation des nouveautés dans l’enseignement de la Géologie : appli-cations interactives et modules Géo-sciences 3D

Projet AGATE (PEPS CNRS 2014)

ACCES (EA 3749, IFÉ-ENS de Lyon) | F. Morel-Deville, A. Ri-vière, T. Lhuillier

LGL-TPE (UMR 5276, CNRS-ENS de Lyon-UCBL) | N. Coltice

ICAP (UCBL) | T. Rivière, F. Urien, N. Van-Reeth

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Historique L’équipe ACCES de l’IFÉ travaille depuis de nombreuses années à mettre à disposition

du corps enseignant des ressources sur des parties du programme qui présentent des diffi-

cultés ou qui manquent de supports pédagogiques. Ceci est d’autant plus vrai en Géologie

où les élèves rencontrent classiquement deux types de difficultés : la représentation des

phénomènes géologiques en trois dimensions (3D) et l’intégration des différentes échelles

d’observation, d’espace et de temps.

C’est ainsi qu’en 2012, nous avons exploré le logiciel Gplates pour déterminer ses poten-

tialités dans l’enseignement de l’historique de la théorie de la tectonique des plaques en

classe de première S. Ce logiciel s’est cependant rapidement avéré trop complexe pour une

utilisation dans l’enseignement secondaire et c’est au cours de nos recherches que nous

avons rencontré Nicolas Coltice, professeur à l’Université Claude Bernard-Lyon 1. Nicolas

Coltice avait débuté en 2012 le projet « Géosciences 3D » qui utilisait les compétences du

laboratoire ICAP de Lyon 1 pour créer des modules en trois dimensions (3D) pour expli-

quer divers mécanismes propres à la géologie.

La discussion engagée s’est avérée très constructive. Les modules déjà réalisés se présen-

taient sous forme de vidéos consultables en ligne ou en téléchargement. Une seule (le mé-

canisme au foyer) présentait un embryon d’interactivité. Cela nous a permis d’envisager la

possibilité de créer des applications alliant à la fois la 3D et l’interactivité, indispensables

pour répondre aux exigences disciplinaires des programmes de SVT, à savoir :

- proposer des « démarches d’investigation » grâce auxquelles les élèves s’approprient

des notions et des concepts à l’interface de plusieurs disciplines ;

- utiliser des modèles numériques afin de confronter des données théoriques avec les

mesures de terrain.

Historique de la théorie de la tectonique des plaques La théorie de Wegener

La première application « dérive des continents » permet de traiter la naissance de la

théorie de Wegener en reprenant les différents arguments que celui-ci a utilisé dans sa pu-

blication. Le globe mobile et « zoomable » présente les différents continents dans la posi-

tion actuelle et il est possible de superposer diverses couches.

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Figure 1 : Le globe , position actuelle

Figure 2 : Les tillites de 300Ma

Figure 3 : Les âges des formations géologiques.

Figure 4 : Les fossiles du permo-trias géo-référencés.

L’interactivité réside dans le choix de la

couche à afficher et dans le positionnement

des continents. En effet, un clic sur la zone

centrale du contient fait apparaître un bou-

ton permettant translation et rotation.

L’élève peut ainsi déplacer les continents

à sa guise de la manière la plus judicieuse en

fonction des informations qu’il possède.

Figure 5 : Bouton de translation rotation sur le contient africain

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En phase finale du travail et sans que

l’information soit en clair, l’association de

touches P.A.N. permet de positionner les

continents pour reconstituer la Pangée.

Figure 6 : Reconstitution de la Pangée

Le passage à la tectonique des plaques L’accumulation des connaissances des années 1960-1970 en particulier celles concernant l’étude du

fonds des océans a permis d’élaborer la théorie de la tectonique des plaques. L’application « De la

dérive des continents à la tectonique des plaques » permet de faire travailler les élèves sur ce chan-

gement de paradigme. L’application est limitée à l’ouverture de l’Atlantique Sud et à la rotation

relative des plaques africaine et sud-américaine. L’écran d’accueil présente le globe mobile et

« zoomable » avec les continents africain et sud-américain ainsi que la topographie des fonds de

l’Atlantique Sud.

La première étape consiste à déterminer

le pôle de rotation eulérien relatif aux

plaques africaine et sud-américaine. Pour

cela, on utilise la géométrie des failles

transformantes. On sélectionne tout

d’abord trois failles transformantes puis un

clic sur le globe fait apparaître un pôle de

rotation avec trois cercles dont les centres

sont sur l’axe eulérien et qui se superposent

aux failles.

Le module Tectonique des plaques de

Géosciences 3D explique parfaitement le

mécanisme. Un test de fermeture permet

d’affiner cette position.

Figure 7 : Recherche du pôle de rotation relatif.

Une fois cette position mémorisée, la seconde étape consiste à introduire le temps pour définir

une vitesse angulaire de rotation. Sans remplacer les exercices classiques permettant de comprendre

la notion d’accrétion océanique et de tapis roulant, les démarches proposées permettent de donner

une vision plus globale.

Deux pistes indépendantes et non obligatoires sont proposées.

En posant le postulat (par simplification) que la vitesse d’ouverture a été constante au cours du

temps, une feuille de calculs, associée à l’application, permet de transformer les vitesses linéaires

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actuelles d’écartement de deux stations GPS correctement choisies de part et d’autre de la dorsale

médio-atlantique en vitesse angulaire.

L’interrogation de la banque de données GPS times Series permet d’obtenir les données brutes à

traiter ou directement une vitesse linéaire d’écartement. Les formules prédéfinies transforment cette

vitesse linéaire en vitesse angulaire. On peut alors entrer cette valeur dans l’application pour la

mémoriser.

La deuxième méthode consiste à utiliser des limites sur le fond de l’océan qui sont parfaitement

datées.

On peut faire apparaître la carte de l’âge du fond de l’océan ou la carte des anomalies magné-

tiques.

Il n’a malheureusement pas été possible techniquement de faire disparaître la croûte océanique

par le centre à mesure de la fermeture lorsqu’on remonte le temps. La solution qui a été retenue a

été de choisir une limite datée, d’effectuer une rotation eulérienne des deux plaques pour faire cor-

respondre les deux limites de même âge et de noter cet âge dans l’application. L’application calcule

alors la vitesse angulaire correspondant à cette période d’ouverture de l’océan.

Figure 8 : Choix de la limite oligocène -Éocène Figure 9 : Le choix de cette limite est validé

Figure 10 : A l’aide du curseur , on effectue la rotation pour faire coïncider les deux limites et on note l’âge de 23 Ma défini grâce à l’échelle des temps géologiques.

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Quatre calculs sont envisageables :

Figure 11 : Limite oligocène -Éocène à 23 Ma Figure 12 : Limite Crétacé sup-Paléocène à 66Ma

Figure 13 : Limité Crétacé inf-Crétacé sup à 100Ma Figure 14 : Fin du superchron 34 à 83 Ma

L’écran de synthèse permet de présenter tous les résultats obtenus et de les comparer aux valeurs

estimées par le monde scientifique.

On obtient ainsi la position du pôle de rotation défini par l’utilisateur, la position du pôle de ro-

tation actuel ainsi que la position d’un pôle virtuel résultant, tenant compte du fait qu’il n’y a pas eu

un mais plusieurs pôles de rotation .

Le tableau de droite récapitule les vitesses de rotation définies grâce aux diverses méthodes et les

compare aux valeurs scientifiques.

Intérêts pédagogiques de ces applications. La stratégie de création de ressources de l’équipe ACCES a toujours été de rester au plus proche

des données scientifiques en évitant les documents interprétatifs de seconde main qui sont si sou-

vent utilisées avec nos élèves.

Les données de l’application « dérive des continents » n’ont pas été simplifiées dans un but pé-

dagogique. La couche des âges des formations géologiques est ainsi beaucoup plus complexe que

celle que l’on trouve dans les documents traitant des arguments de Wegener . Cela pousse

l’utilisateur à un travail de réflexion et d’analyse réelle de l’image ce qui est très différent du docu-

ment classique de nos livres dont l’interprétation saute aux yeux sans aucune analyse.

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Il en est de même pour les positions des fossiles du Permo-Trias qui correspondent à des posi-

tions géo-référencées tirée de la « Paléobiology database ». La présence de fossiles à une localisation

qui n’est pas en accord avec l’interprétation générale (Lystrosaurus ou Glossoperis sur le continent

eurasien).

Ainsi l’utilisation de l’application ne correspond pas simplement à l’illustration d’un concept

que le professeur doit transmettre mais correspond à une démarche de réflexion ou le concept se

construit progressivement à la suite d’interrogations. La confrontation des arguments pour et des

arguments contre permet à l’utilisateur de construire un compromis cohérent qui correspond à la

notion de théorie scientifique. Les documents papier, trop synthétiques ne permettent que rarement

ce travail.

Cela concerne essentiellement l’aspect interactif de l’application. La vision du globe en 3D et la

possibilité de déplacer un continent fait immédiatement surgir plusieurs interrogations scienti-

fiques.

•La notion de mouvement relatif : Est ce Amérique du sud qui se déplace ou est ce l’Afrique ? ou les deux ?

•La notion de latitude et de climat : Si les continents ont changé de latitude, les zones clima-tiques du passé ont dû être différentes de ce que nous connaissons aujourd’hui.

•La notion d’accrétion/subduction : Même si les termes ne sont pas utilisés à ce moment du pro-

gramme, la vision du globe montre que si deux continents s’éloignent d’un côté , cela signifie qu’il se rapprochent de l’autre côté.

L’utilisation de cette application ne sert pas uniquement à illustrer une connaissance exigible du

programme officiel mais permet de réfléchir à la construction théorique et d’entrevoir les implica-

tions de cette théorie. Il s’agit donc d’un modèle scientifique perfectible mais riche d’enseignement.

Ainsi, la deuxième application , s’appuyant sur le premier modèle, permet d’élaborer une nou-

velle vision et beaucoup de nouvelles interrogations. C’est ainsi que l’on juge de la richesse d’un

modèle.

Le positionnement du pôle de rotation établi par rapport à la courbure des failles transformantes

amène lorsque l’on teste la fermeture à fermer l’atlantique sud aux faibles latitudes mais laisse un

espace important dans la partie la plus au sud. Cela amène à se questionner sur la validité de la mé-

thode.

La recherche intuitive d’une meilleure position ou l’observation de la topographie des fonds

océaniques avec une bonne définition, par exemple sur Google Earth, permet d’observer que la po-

sition de ce pôle a changé au cours du temps. L’application utilise dans la synthèse la position résul-

tante de ces différentes rotations eulériennes au cours du temps. Les déplacements des continents

ne sont plus libres et indépendants comme dans l’application « dérive des continents » mais con-

traints par le pôle de rotation eulérien. L’explication de cette contrainte s’explique par le mécanisme

d’accrétion océanique.

L’introduction du temps vient alors apporter des arguments dans ce sens. L’utilisation des don-

nées GPS permet de définir la vitesse angulaire de rotation actuelle. En remontant le temps, on es-

time l’âge d’ouverture de l’océan atlantique Sud.

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La comparaison des vitesses estimées à partir des divers repères temporels montre la difficulté à

obtenir une « vérité » scientifique. L’âge d’ouverture de l’océan atlantique sud varie selon la mé-

thode entre 96 Ma et 139 Ma alors que l’âge communément admis par la communauté scientifique

est de 130 Ma. Comprendre cette dispersion des résultats, proposer des explications, analyser les

imperfections du modèle proposé présente autant d’intérêt si ce n’est plus , que la simple recherche

de la valeur de l’âge d’ouverture.

Cette application permet ainsi de montrer toute la portée d’un modèle scientifique.

Enfin, ces applications ont été présentées à Formaterre 2014 à Lyon en novembre puis lors des

journées académique de formations à Orléans en avril.

Dans les deux situations, les démarches pédagogiques proposées ont été fortement appréciées

avec parfois beaucoup d’enthousiasme. Les applications sont également utilisées à l’université Lyon

1 auprès des étudiants de licence

Lors d’utilisation en classe de première, elles ont fortement intéressé des élèves plus accrochés

par l’enseignement de mathématique que des SVT.