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Marianne

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Réaliser un protocole expérimental
Fiche pratique

Introduction

Au lycée, on s'attend à ce qu'un élève sache répondre à un problème de manière scientifique. Pour cela, il faut savoir mettre au point un protocole expérimental. Cette compétence n'est pas étudiée en tant que telle : on s'y forme petit à petit, par la pratique de TP, l'étude de documents et la réponse à des questions. Néanmoins, pour mener convenablement une démarche d'investigation scientifique, connaître quelques principes aide beaucoup.

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Définition

Protocole expérimental :

Un protocole expérimental est un document qui décrit de façon détaillée la succession d'étapes à effectuer en vue de répondre à une problématique. Ces étapes sont organisées selon un ordre temporel et/ou logique et comprennent la description des moyens mis en œuvre afin que l'expérience soit reproductible.

Dans un protocole expérimental, la succession d'étapes à suivre est toujours la même, seules les sous-parties peuvent varier. Le document final comporte 6 parties :

  • une phase d'observation d'un phénomène, d'un objet ou d'un organisme ;
  • l’élaboration d’une problématique ;
  • la liste des différentes hypothèses de réponse envisagées ; le plus souvent, on ne donne que l'hypothèse que l'on va vérifier et éventuellement pourquoi on l'a choisie ;
  • l'expérience qui vérifie l'hypothèse ; c'est souvent la partie la plus longue car elle décrit tout ce qui est utilisé et comment ;
  • la récolte des résultats obtenus durant l'expérience, puis l'exploitation de ces résultats jusqu'à leur interprétation ;
  • la conclusion du protocole qui précise si l'hypothèse de départ est correcte, insuffisante ou inadaptée ; ce n'est qu'à cette étape que l'on sait si on doit continuer la recherche ou si on a répondu à la problématique.
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Astuce

À cause de la complexité d'un protocole expérimental, il est important de le travailler au brouillon avant de rédiger une version propre. Sur le brouillon, on peut gagner du temps en utilisant des abréviations, des tableaux ou des schémas.

Etapes

  1. La phase d'observation

    La phase d'observation est un moment actif : vous devez décrire ce que vous voyez et dire en quoi le phénomène est étrange. La description doit être totalement objective. Cette partie est celle qui introduit la problématique.

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    Attention

    Il est inutile de décrire tout ce qui est observé, seuls les éléments utiles à l'expérience doivent figurer ici. Le mieux est de lister les observations au brouillon et de garder sur le protocole final uniquement celles dont on se sera effectivement servies durant le protocole.

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    Exemple

    On pourra par exemple commencer comme cela :

    Les euglènes sont des organismes unicellulaires qui vivent en eau douce. En les observant, on remarque qu'elles sont vertes. Cela évoque des cellules végétales autotrophes, capables de réaliser la photosynthèse. Mais les euglènes ont également un flagelle qui leur permet de se déplacer dans l'eau ; cette mobilité évoque un organisme hétérotrophe qui exploite son milieu pour se nourrir.

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  2. La problématique

    La problématique est le plus souvent une question. Pour que le protocole soit valide, il faut la rédiger entièrement et ne pas la changer avant la conclusion.

    La problématique est ce que l'on cherche à montrer ou expliquer. Elle dépend directement :

    • des observations ;
    • de ce qu'on sait déjà (grâce aux cours ou aux expériences d'autres scientifiques).
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    Exemple

    Si l'on reprend l'exemple précédent, on peut poser la problématique suivante :

    Les euglènes ont-elles un métabolisme autotrophe ou hétérotrophe ?

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    Astuce

    Cette problématique implique que l'on saches déjà qu'il existe des cellules autotrophes et des cellules hétérotrophes. Il est inutile de démontrer ces savoirs à nouveau ! Au contraire, ces informations acquises dans le cours serviront à mettre au point l'expérience test.

  3. Les hypothèses

    Cela peut paraître un peu paradoxal mais, en sciences, on ne peut répondre à une question que si on a déjà une petite idée de ce que la réponse pourrait être.

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    Astuce

    On a souvent plusieurs idées pour répondre à la problématique. Il est important de toutes les noter au brouillon pour ne choisir que la plus vraisemblable pour le protocole lui-même.

    Les hypothèses sont le moment clé du protocole. En effet, parmi toutes celles auxquelles on pense, il faut qu'une réponse soit juste. Il faut donc être critique à ce stade et ne pas bâcler cette étape.

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    Attention

    • Votre idée de réponse, si vraisemblable soit-elle, peut être fausse ! À ce stade, ce n'est qu'une réponse probable et on ne peut pas déjà lui donner le statut d'explication. C'est pour cela qu'on l'appelle hypothèse et qu'on la vérifie.
    • Ne sélectionnez qu'une seule hypothèse à vérifier pour décider de l'expérience ! Cela évite de rendre le protocole trop complexe et limite donc les erreurs.
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    Exemple

    Plusieurs hypothèses de réponse conviennent à notre problématique :

    • les euglènes ont un métabolisme exclusivement autotrophe ;
    • les euglènes ont un métabolisme exclusivement hétérotrophe ;
    • les euglènes combinent les métabolismes autotrophe et hétérotrophe ;
    • les euglènes ont un métabolisme inconnu dont le fonctionnement est à déterminer.

    Hypothèse à vérifier : puisque les euglènes combinent à la fois les caractères physiques des autotrophes et des hétérotrophes, on suppose qu'elles ont un double métabolisme.

  4. L'expérience

    L'expérience sert à tester l'hypothèse choisie. Il faut la décrire en donnant le plus de détails utiles possible.

    Dans cette partie, on trouve d'abord le descriptif du dispositif. On y liste les produits, le matériel, les logiciels et les appareils utilisés. On y donne aussi les paramètres comme la température, les durées de réactions et les quantités de produits utilisées.

    On détaille ensuite le déroulement de l'expérience, en donnant les manipulations ainsi que les résultats auxquels s'attendre aux étapes intermédiaires. Il faut écrire cette longue partie en étant rigoureux et précis, cela pour deux raisons :

    • toute la procédure doit être compréhensible même pour un non spécialiste (à condition bien sûr qu'il ait des connaissances suffisantes sur la matière) ;
    • elle doit pouvoir être reproduite par tout le monde.
    bannière à retenir

    À retenir

    Souvent, un protocole implique plusieurs échantillons d'une même substance testés différemment. Dans ce cas, on garde un échantillon pur de la substance pour savoir ce qu'il se passe dans une situation non modifiée, cet échantillon est appelé le témoin.

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    Exemple

    On met en culture des euglènes dans un milieu liquide approprié (eau + vitamines). On détermine le nombre moyen d'euglènes par millilitre avec un microscope. Pour cela, on dépose une goutte de la culture de départ sur lamelle quadrillée. Au départ la solution est vert clair et on compte environ 2.106 cellules.ml12.10^6\text{ cellules}.\text{ml}^{-1}.

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    On sépare la solution en 4 échantillons de même taille que l'on met dans des conditions différentes :

    • échantillon 1 : témoin (lumière naturelle, pas de matière organique) ;
    • échantillon 2 : obscurité ;
    • échantillon 3 : ajout de matière organique ;
    • échantillon 4 : ajout de matière organique et obscurité totale.

    Les cultures sont laissées à l'air libre et à température ambiante constante pour que les euglènes aient le temps de se reproduire.

    On laisse les cultures évoluer durant une semaine au bout de laquelle :

    • on observe la couleur des différentes solutions
    • on prélève une goutte de chaque échantillon pour y compter les euglènes

    On détermine ainsi quelles conditions environnementales sont favorables à la survie et à la reproduction des euglènes.

  5. Les résultats

    Les résultats sont ceux relevés durant l'expérience et/ou à son terme. Selon le protocole, différents types de résultats seront pertinents. Par exemple, il peut être utile de mesurer une concentration ou l'évolution d'une réaction en fonction du temps. Il faut ensuite exploiter les données récoltées et les interpréter.

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    Astuce

    Évitez de faire des phrases trop longues pour donner les résultats. Le plus souvent, un tableau de valeurs, un schéma ou un dessin d'observation sont beaucoup plus parlants.

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    Exemple

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    Seule l'absence combinée de nutriments et de lumière (2) est létale (mortelle) pour les euglènes.

    En l'absence de nutriments et en présence de lumière (1), elles parviennent à vivre et à se reproduire : ce sont donc des organismes autotrophes qui réalisent la photosynthèse. À la lumière, l'ajout de matière organique (3) ne joue pas de rôle significatif dans l'augmentation de leur population.

    Enfin, privées de lumière, les euglènes sont capables de vivre en utilisant la matière organique de leur milieu (4). Elles disposent donc également d'un métabolise hétérotrophe qu'elles peuvent utiliser si besoin ; on observe en lien avec ce changement de métabolisme un changement de couleur qui les fait devenir transparentes. Les résultats indiquent que leur multiplication est alors moindre, car sans doute limitée par la quantité de matière organique disponible dans le milieu.

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    Astuce

    L'expérience donne beaucoup de résultats exploitables ; tous ne sont pas réellement utiles pour la conclusion mais montrer que l'on sait exploiter tous les résultats obtenus fera toujours bonne impression !

  6. La conclusion

    Arrivé à ce stade, il n'y a que deux types de conclusion possibles.

    • L'expérience a donné un résultat probant (c'est-à-dire qui a valeur de preuve), dans ce cas on peut conclure que l'hypothèse que l'on vient de vérifier est juste et on s'arrête là.
    • L'expérience n'a pas donné de résultat probant, dans ce cas on conclut que l'hypothèse de départ n'est pas vraie. Il faut alors vérifier tour à tour les autres hypothèses possibles jusqu'à trouver la bonne. Si malgré cela, on n'arrive à aucun résultat, c'est qu'il faut corriger le protocole. Il faudra parfois corriger l'expérience, imaginer une autre hypothèse ou bien en combiner plusieurs.
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    Astuce

    Il est rare que l'on n'arrive à aucun résultat car les expériences menées apportent des pistes de réponse qui aident à corriger le protocole.

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    Exemple

    Les euglènes ont donc un double métabolisme ; préférentiellement autotrophes, elles peuvent cependant devenir hétérotrophes en l'absence de lumière.