Ce cours a été créé à partir d’un projet pédagogique du pôle de recherche SwissMAP (https://nccr-swissmap.ch/), né en 2015 en occasion du centenaire de la relativité générale, avec l’objectif d’introduire les étudiant.e.s du cycle secondaire aux sujets de la cosmologie et la relativité générale.

Les objectifs principaux du projet sont les suivants :

• Consolider et élargir les connaissances en physique et en mathématiques des étudiant.e.s par des sujets fascinants et motivants pour eux. Le but n’est pas de remplacer les sujets traditionnellement enseignés dans les cours de physique et mathématiques, mais de les approfondir par leur application et de les compléter.
• Fournir à un public non expert, mais curieux et passionné par les sciences, une compréhension relativement complète et approfondie des questions liées à la cosmologie et certains aspects de physique moderne. Les ressources pédagogiques existantes sur la relativité générale et la cosmologie sont habituellement soit adaptées au grand public ou aux élèves de l’école primaire, se focalisant sur les aspects qualitatifs et philosophiques (zéro équations), soit au niveau des « experts » et des étudiant.e.s de cycle secondaire supérieur.
• Améliorer les liens entre les le secondaire et le monde de la recherche: les élèves qui étudient la physique jusqu’au XIXème siècle ont souvent de idées biaisées sur les principales enjeux et la démarche de la physique moderne. Une plus grande sensibilisation à la recherche physique contemporaine (et donc aux options disponibles pour les élèves après l’école) peut avoir des répercussions importantes sur les choix d’orientation professionnelle des jeunes. Le but est donc de contribuer à un impact général positif sur l’intérêt pour les sciences dures.

D’une part, l’étude ROSE (Relevance for Science Education project, 2010) indique que les élèves de nombreux pays s’intéressent significativement plus aux sujets traitant d’astrophysique, de cosmologie et d’événements extrêmes dans l’univers par rapport à la moyenne d’autres sujets scientifiques (Sjøberg & Schreiner, 2007; Sjøberg & Schreiner, 2010; Lelliott & Rollnick, 2010 ; Baram-Tsabari & Yarden, 2012). De plus, il a été aussi mis en évidence comme les élèves ayant assisté à un cours sur des sujets de physique moderne, en plus du programme scolaire traditionnel, peuvent améliorer leur apprentissage des contenus habituellement enseignés (mécanique de Newton, électromagnétisme) par rapport aux élèves ayant suivi un cours standard (Baumert et al., 1998).

D’autre part, en s’appuyant sur un exemple lié à la mécanique quantique, Levrini et Fantini (2013) ont mis en avant le fait que une simplification excessive, avec le but de rendre un sujet de physique moderne plus accessible, peut avoir des effets négatifs sur la compréhension des élèves.

Lors du développement de ces activités l’objectif a été et est donc de simplifier le niveau de mathématiques – toujours présentes – tout en maintenant un niveau conceptuel assez élevé pour le public visé. Ainsi, l’originalité vient ici du fait que l’approche ciblée n’est pas exclusivement qualitative: les ressources pédagogiques incluent également une analyse quantitative et/ou semi quantitative des sujets étudiés.

Depuis le début du projet (2015), le cours sur la cosmologie et la relativité générale a été dispensé avec succès dans des nombreuses classes, avec le feedback continu et le retour des élèves et des enseignants. Les premiers résultats indiquent premièrement que l’apprentissage des élèves reste comparable à celui des autres cours à option de physique (avec une moyenne 4,5/6 et écart type de 0,7). Deuxièmement, ce cours résulte le seul le cours à option de physique présentant constamment un « ratio genre » filles/garçons supérieur ou égal à 1 (depuis maintenant 7 ans), contre le 0,1 des autres cours à option en physique.

Le contenu et la structure du cours ont été validés et évalués par de nombreux experts en cosmologie, en relativité générale et en didactique de la physique, y compris pendant la phase de publication du livre chez les Presses Polytechniques et Universitaires Romandes.

De plus, des formations continues aux enseignants ont été dispensées, avec une évaluation de satisfaction des enseignants moyenne de 3,9/4, et plusieurs conférences et ateliers dans les établissements secondaires sur ces sujets ont été organisés.

Ce projet a aussi été honoré du CPEP Award en 2020 (https://www.nccr-swissmap.ch/students-researchers/awards/alice-gasparini-unige-receives-2020-cpep-award)

• Baram-Tsabari, A. & Yarden, A. (2012). Characterizing children’s spontaneous interests in science and technology. International Journal of Science Education, 27(7), 803-826.
• Baumert, J., Bos, W., & Watermann, R. (1998). TIMSS/III, Schülerleistungen in Mathematik und den Naturwissenschaften am Ende der Sekundarstufe II im internationalen Vergleich. Berlin : Max-Planck-Institut für Bildungsforschung.
• Lelliott, A. & Rollnick, M. (2010). Big Ideas: A review of astronomy education research 1974-2008. International Journal of Science Education, 32(13), 1771-1799.
• Levrini, O. & Fantini, P. (2013). Encountering Productive Forms of Complexity in Learning Modern Physics. Science & Education, 22,1895-1910.
• Sjøberg, S. & Schreiner, C. (2007). Reaching the minds and hearts of young people: What do we know about their interests, attitudes, values and priorities? What about the interest for space science? Bern: International Space Science Institute.
• Sjøberg, S. & Schreiner, C. (2010). The ROSE project: An overview and key findings, Oslo, Norway: University of Oslo.

Le cours se divise en huit chapitres, de l’introduction astrophysique jusqu’aux ondes gravitationnelles, et couvre des sujets tels que l’effet de lentille gravitationnelle, les trous noirs, les distances cosmologiques, l’histoire thermique ou la dilatation temporelle (entre autres). Sept annexes complètent le cours et intègrent et/ou élargissent les notions complémentaires dont les étudiant.e.s peuvent avoir besoin pour comprendre les chapitres principaux. Chaque chapitre est associé à une série d’exercices et/ou d’activités incluant des exemples de corrigés (réservées aux enseignants). Le niveau de difficulté s’accroît au fil des chapitres, ce qui permet une immersion progressive dans les sujets :

1. Les activités des premiers chapitres ne nécessitent aucune connaissance spécifique en physique ou en mathématiques de niveau lycée. Elles permettent justement de réviser certains concepts de base du niveau secondaire I, comme les conversions d’unités, les ordres de grandeur et la proportionnalité.
2. Certains exercices des derniers chapitres nécessitent des outils mathématiques généralement acquis pendant les dernières années du lycée (dérivées, intégrales, analyse de fonctions, etc.).
3. Quelques exercices des derniers chapitres reposent sur les connaissances de base des langages de programmation.

En outre, plusieurs « parcours thématiques » peuvent être suivis tout au long des chapitres du cours, et un sujet donnée peut être développé au fur et à mesure que la difficulté s’accroît.

L’ordre et le choix des activités concernant un thème spécifique est flexible et peut s’adapter aux contraintes liées à l’enseignement et au niveau des élèves : le cours contient un choix d’exercices à développer au travers des chapitres sur le principe d’équivalence, sur la courbure et sur l’effet de lentille gravitationnelle, y compris les aspects historiques. En outre, chaque thème parcourant de manière transversale l’ensemble du cours constitue un « fil rouge » qui aide les élèves à s’approprier des contenus progressivement au fur et à mesure que la difficulté s’accroît, en consolidant leurs notions de base en mathématiques et en physique. Par exemple le thème « comparaison entre l’interaction gravitationnelle et électrique » débute au premier chapitre en introduisant les ordres de grandeurs en jeu dans les deux interactions, il est repris en introduisant les bases de la relativité générale (principe d'équivalence, géodésiques, inertie), puis la chronologie du Big Bang (en comparant gravitation à et électromagnétisme à l’interaction nucléaire forte) et ensuite ultérieurement développé dans le chapitre sur les ondes gravitationnelles. Ou encore le thème « expansion de l’univers » introduit dans les premiers deux chapitres par les découvertes observationnelles de l’expansion, du fond diffus cosmologique, et celle plus récente de l’accélération cosmique : en avançant, la modélisation mathématique permet de décrire la dynamique de l’univers et les implications théoriques des observations, jusqu’à l’introduction récente de modèles encore hypothétiques qui essaient de résoudre les problèmes observationnels actuels (inflation, gravité modifiée).

Le matériel est disponible pour le moment en français et en italien, il s’agit d’un cours (livre) de 8 chapitres – chacun lié à une série d’exercices et activités – et 7 annexes pour compléter les explications.

• Théorie (FR) : "Cosmologie et Relativité Générale: une première approche", PPUR, deuxième édition (2023)

  Avant propos, table des matières et introduction: Table_de_matieres2ED.pdf

• Enoncés des exercices et activités (FR) : Enonces2ED.pdf

  Les corrigés des exercices sont disponibles uniquement pour les enseignants

• Corso completo (IT) : "Introduzione alla cosmologia e alla relatività generale", Pearson (2024)
• Posters (FR) : 
  • Poster 1 : Les révolutions coperniciennes (pdf)
  • Poster 2 : Les ondes gravitationnelles (pdf)
• Présentations : 
  • Introduction à la cosmologie (pdf)
  • Short presentation of the project (pdf)
  • Présentation des activités pour les enseignants (pdf)
  • Interview sur Euclid et la formation scientifique RTS, Juin 2023
• Publications : 
  • “La cosmologie et la relativité générale au secondaire II au service de la motivation des élèves pour la physique”, M. A. Gasparini, A. Müller et L. Weiss, Revue de Mathématiques pour l’école n. 230 (2018).
  • “La cosmologie et la relativité générale au gymnase: Exemple d’une séquence sur l’effet de lentille gravitationnelle”, M. A. Gasparini, Société Suisse des Professeurs de Physique et Mathématiques (SSPMP), Bulletin n. 137 (2018).
  • “La cosmologie et la relativité générale par les mathématiques et la physique du lycée”, M. A. Gasparini, Communications de la Société Suisse de Physique n. 55 (2018).
  • “La relativité générale et ses applications en cosmologie: un cours pour le secondaire”, M. A. Gasparini, Expériment@l-Tremplin (2018).