La démarche scientifique : tout ce que vous devez savoir !

La démarche scientifique est une méthode utilisée pour guider toute production scientifique.
Ses règles et ses étapes sont appliquées par les scientifiques et chercheurs du monde entier, et ses résultats donnent souvent lieu à la publication d’articles scientifiques.

Dans cet article, nous vous donnons les clés pour bien la comprendre !

Fun fact !

Qu’est ce que la démarche scientifique ?

Définition

La démarche scientifique est une procédure rigoureuse qui permet à la science d’avancer. Elle concerne aussi bien les sciences dures (mathématiques, physique-chimie, biologie, etc.) que les sciences humaines (sociologie, lettres, histoire, etc.).

Anne-Marie Lavarde, chercheure en psychologie au CNRS, donne une définition de la démarche scientifique dans le Guide méthodologique de la recherche en psychologie :

“Il n’y a pas de recherche scientifique sans démarche scientifique. Cette démarche est caractérisée par des « grandes méthodes d’investigation » qui sont communes à toutes les sciences. Chaque communauté(s) scientifique(s) les met ainsi en oeuvre en tant que méthodes académiques appropriées aux objectifs scientifiques visés.” (Lavarde, 2008)

À quoi sert la démarche scientifique ?

La science permet de mieux comprendre le monde qui nous entoure. La démarche scientifique permet d’encadrer les observations et idées des chercheurs. Son objectif est d’aboutir à une conclusion qui confirmera ou infirmera une hypothèse.

Cette méthode permet donc de vérifier des théories déjà existantes ou de créer de nouvelles hypothèses à tester. Il s’agit donc d’un système d’évaluation et de vérification du savoir produit. Pour cela, il faut réaliser des expériences et des tests scientifiques.

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Les règles de base de la démarche scientifique

Toute démarche scientifique doit suivre plusieurs règles. Parmi elles, quatre règles de base sont à connaître :

1. La neutralité : la méthode scientifique ne doit suivre aucun parti, être neutre politiquement et religieusement. Elle doit être rationnelle et s’intéresser aux phénomènes observables.
2. La prise en compte des échecs : toute méthode scientifique qui échoue doit faire l’objet d’une réflexion, les tests et expériences doivent être reproduits. Si l’échec persiste, l’hypothèse doit être revue/reformulée/changée.
3. Le doute : elle suppose de douter de tout ce qui n’a pas encore été prouvé. Dans le domaine de la science, tout ce qui n’a pas encore été confirmé peut faire l’objet d’un doute.
4. L’expérience pratique doit confirmer la théorie : si une idée est testable avec une expérience scientifique, alors elle respecte la démarche scientifique.

Quels sont les types de démarches scientifiques ?

1. L’approche scientifique inductive

La méthode scientifique peut être appliquée suivant différentes procédures de raisonnement. La démarche scientifique inductive est la plus couramment utilisée. Elle consiste à partir de cas singuliers pour établir des énoncés universels. Cette approche favorise la répétition et la remise en cause à travers des observations, des tests et expérimentations.

Cette posture vise à émettre une leçon générale ou une loi. Les tests et expériences servent d’appui à la conclusion, ce pourquoi elle est aussi appelée “démarche expérimentale”.

Dans l’exemple suivant, l’approche scientifique est inductive car elle part d’une observation particulière pour déterminer une règle générale, en passant par une phase de questionnement et d’expérimentation.

Par exemple

Tous les hommes que j’ai rencontrés jusqu’à maintenant sont altruistes.
D’après certaines études scientifiques, l’homme est altruiste de manière innée.
Donc tous les hommes que je rencontrerai dans ma vie seront naturellement altruistes.

2. L’approche scientifique déductive

Dans le cas de l’approche déductive, les hypothèses sont formulées à partir d’une loi déjà existante. Elle accorde davantage d’importance au cadre théorique qu’aux observations.

Le but de l’expérimentation est alors de remettre en question ou de confirmer cette loi. Cette procédure de raisonnement a également pour but d’élargir les connaissances et les résultats dans un domaine déjà connu. En résumé, son objectif principal est de confronter les modèles théoriques à partir de nouvelles observations.

Par exemple, la plupart des syllogismes sont des formes de raisonnement déductif, car ils partent du général pour aller vers le particulier.

Par exemple

Tous les hommes sont mortels,
Socrate est un homme,
donc Socrate est mortel.

Quelles sont les étapes d’une bonne démarche scientifique ?

Qu’elle soit inductive ou déductive, toute démarche scientifique doit suivre des étapes. Pour cela, beaucoup de scientifiques s’appuient sur la méthode OHERIC :

1. Observation
2. Hypothèse
3. Expérience
4. Résultat
5. Interprétation
6. Conclusion.

Afin d’expliquer les étapes de la manière la plus claire possible, nous nous baserons sur la recherche scientifique suivante :

La NASA’s Twins study, ou l’étude des jumeaux de la NASA. Cette démarche scientifique étudie les réactions du corps humain durant les séjours prolongés dans l’espace à travers deux jumeaux astronautes : Scott Kelly et Mark Kelly.

Un article récapitulatif est consultable sur le site de la NASA : https://www.nasa.gov/feature/nasa-s-twins-study-results-published-in-science

1. L’observation

Toute théorie scientifique naît d’une observation, d’un questionnement. Cette première étape peut avoir avoir plusieurs natures :

• des faits,
• des modèles,
• des théories,
• des représentations,
• des croyances.

Les étapes de la démarche scientifique ont vocation à expliquer ce phénomène imprévu, de poursuivre et d’enquêter dans sa direction.

Dans le cas de notre exemple, l’observation naît d’une volonté d’en savoir davantage sur les réactions du corps humain dans l’espace. Quand certains astronautes vont dans l’espace, des changements physiologiques peuvent être observés au niveau de la locomotion, de l’équilibre ou encore de la cognition par exemple. D’après la NASA, les principales causes sont les rayonnements cosmiques, le confinement, le champ gravitationnel et l’éloignement avec la terre. Afin d’expliquer ce phénomène, des expériences avaient déjà été menées par la NASA sur une durée de six mois : celles-ci se concentraient sur les différents changements que le corps humain peut subir dans l’espace, comme par exemple l’accélération du processus naturel de rigidité des artères [source].

La NASA envisage d’envoyer des cosmonautes sur Mars, ce qui constituerait un long voyage (environ 3 ans aller-retour). Dans ce contexte, réitérer l’expérience sur une plus longue durée est une démarche scientifique nécessaire. Pour la première fois, des jumeaux peuvent mener l’expérience, ce qui pourrait générer des observations intéressantes.

2. Élaboration d’une hypothèse

L’hypothèse est l’élément central de la démarche scientifique. Elle pose une question, émet une théorie. Elle n’est pas là pour présupposer un résultat, mais davantage pour proposer une piste de réponse, afin de résoudre le problème posé par l’observation. L’hypothèse peut être amenée par une question qui découle naturellement de l’observation menée plus tôt.

Pour notre exemple de démarche scientifique, l’hypothèse est la suivante :

Des changements physiologiques, moléculaires et cognitifs peuvent survenir chez un être humain à la suite d’une exposition à des dangers liés aux vols spatiaux. Ils seraient plus important dans le cas d’un long voyage. Si l’un des jumeaux va dans l’espace et que l’autre reste sur terre pendant un an, cela pourrait générer des résultats intéressants.

Aucune recherche ne s’est concentrée sur le sujet durant une si longue période, ni avec des personnes présentant le même patrimoine génétique. Les études sur les jumeaux pourraient permettre aux scientifiques d’explorer comment notre santé est influencée par l’environnement qui nous entoure, indépendamment des variations physiques qui surviennent naturellement entre nous en tant qu’individus.

3. Mener une expérience

Afin de confirmer ou non l’hypothèse, il est nécessaire de mener des expériences. Ces tests peuvent avoir plusieurs natures (expériences scientifiques, sociologiques, expérimentations). Pour être valides, ils doivent avoir été répétés plus d’une fois.

Afin de valider leurs expériences, les jumeaux se sont appuyés sur dix équipes de recherche.
Plusieurs expériences ont été menées sur les deux jumeaux lorsqu’ils étaient séparés, l’un étant sur terre et l’autre dans l’espace.

Voici quelques expériences menées :

– Les performances cognitives des jumeaux ont été étudiées avec l’aide de tests mesurant la vivacité d’esprit, l’orientation spatial et la reconnaissance des émotions.
– Avec un prélèvement de sang, leurs brins d’ADN ont été prélevés depuis leurs globules blancs puis comparés. Les télomères, situés à l’extrémité de chaque brin d’ADN, ont été particulièrement étudiés et leur évolution a été rigoureusement suivie durant la mission dans l’espace et jusqu’à six mois après.
– Leur expression génétique a fait l’objet d’analyses, notamment à l’aide de méthodologies informatiques et expérimentales (comme par exemple des techniques biochimiques et informatiques de séquençage de l’ADN/ARN).
– La structure de leurs yeux a été étudiée à l’aide d’une évaluation protéomique des changements de fluides, qui étudie les effets de l’apesanteur sur les déplacements des fluides dans le corps. Cette expérience a comparé les changements protéiques (relatifs aux protéines) et génomiques (relatifs aux gènes) entre les deux astronautes afin de déterminer les voies moléculaires impliquées dans cette redistribution des fluides.

4. Analyser le(s) résultat(s)

Le résultat des expériences doit ensuite être constaté. Si plusieurs tests ont été effectués, il faut les comparer et vérifier qu’ils aboutissent au même résultat. Durant cette étape, les résultats peuvent être organisés et présentés sous forme de tableaux, de graphiques, de schémas ou de textes.

Pour reprendre notre exemple, Scott et Mark Kelly ont en effet subi des changements physiologiques. Leurs corps ont réagi différemment à des sollicitations identiques.

Voici deux exemples parmi les résultats que les scientifiques ont pu relever :

– Les extrémités de chaque brin d’ADN ont des caractéristiques spéciales appelées télomères qui protègent les chromosomes. Les télomères protègent nos chromosomes et ont tendance à raccourcir avec l’âge. Cependant, selon le mode de vie (stress, type d’environnement), la vitesse de leur raccourcissement peut varier.
– L’une des découvertes les plus frappantes de l’étude est que Scott, dans l’espace et après son retour, a connu des variations au niveau de l’extrémité de ses brins d’ADN. Ils étaient plus longs dans l’espace, puis plus courts après son retour sur Terre, et sont revenus à la normale six mois après. En revanche, les télomères de son frère sont restés stables tout au long de la période. Ces résultats peuvent servir d’appui à la recherche sur les maladies et la vieillesse, notamment sur celles qui basent leurs expériences sur les télomères.
– Une équipe a étudié les changements de fluides dans le corps, la structure de l’œil et les protéines dans l’urine pour essayer de comprendre les problèmes de vision de certains astronautes. Elle a découvert qu’une protéine, AQP2, était plus élevée chez Scott dans l’espace que chez Mark au sol.

5. Interpréter les données

Une fois analysés, les résultats doivent être interprétés. Durant cette étape, ils sont mis en lien avec l’hypothèse formulée précédemment.

• Si l’interprétation des résultats va dans le même sens que l’observation de départ, l’hypothèse est validée.
• Si l’interprétation des résultats ne permettent pas de valider l’hypothèse, celle-ci est rejetée. Dans ce cas, de nouvelles expérimentations sont à prévoir ou l’hypothèse est à reformuler.

Dans l’espace, le corps de Scott a réagi différemment à certains tests que son frère a reçu en même temps sur terre. Les résultats montrent que dans l’espace, le corps humain ne réagit pas de la même manière à certaines sollicitations que sur terre.

Les résultats sur l’ADN ont aidé à identifier les risques potentiels à long terme des cosmonautes comme l’apparition de fatigue ou de maladies. Les résultats sur les fluides présents dans le corps ont permis d’éclairer les recherches sur les problèmes de vision pendant les vols spatiaux. En mesurant d’autres éléments, les chercheurs ont appris que les astronautes sont soumis à un stress de privation d’oxygène, à une inflammation accrue et à des changements radicaux de nutriments qui affectent l’expression génétique.

6. Émettre une conclusion

La dernière étape consiste à conclure, c’est-à-dire à rappeler les faits, l’hypothèse, les expériences et leur interprétation. Cette mise en parallèle des différents stades de la démarche scientifique permet de former un ensemble cohérent : il est possible de formuler une règle, une définition ou un modèle.

Une fois l’hypothèse validée et l’expérience confirmée, la démarche scientifique ne se termine pas tout à fait. En effet, la science est une pratique qui se doit de douter du monde qui l’entoure. Le partage et la publication des découvertes scientifiques est donc primordiale : les processus scientifiques font souvent l’objet d’un article scientifique publié dans une revue scientifique.

Voici quelques exemples parmi les résultats que les scientifiques ont pu relever :

Les deux frères ont écrit un article scientifique qu’ils ont choisi de publier dans Science, une revue scientifique vulgarisée. Dans cet article, ils émettent un bilan détaillé des résultats. Les résultats de l’étude Twins Study peuvent par exemple être utilisés pour développer de nouveaux traitements pour la santé liés au stress sur Terre.

Également, la recherche sur l’ADN pourrait améliorer les recherches visant à atténuer les effets du vieillissement et des maladies. La recherche sur les astronautes pourrait donner de nouvelles idées sur la façon dont les changements dans l’organisme sont liés aux risques de maladies.