Les registres sémiotiques

Le développement des théories en physique s'appuie en grande partie sur les mathématiques, ce qui nécessite d'envisager des spécificités dans l'apprentissage provenant de l'activité mathématique elle-même. Une des spécificités de cette discipline est de faire appel à différents systèmes sémiotiques (langage naturel, langues symboliques, graphes, figures géométriques...) pour représenter les concepts. Selon Duval (1995), les systèmes sémiotiques servant à la représentation de connaissances doivent permettrent d'accomplir trois activités cognitives inhérentes à toute représentation. ‘«’ ‘Tout d'abord, constituer une trace ou un assemblage de traces perceptibles, qui soient identifiables comme une ’ ‘représentation de quelque chose’ ‘ dans un système déterminé. Ensuite, transformer les représentations par les seules règles propres au système de façon à obtenir d'autres représentations pouvant constituer un apport de connaissance par rapport aux représentations initiales. Enfin, convertir les représentations produites dans un système en représentations d'un autre système de telle façon que ces dernières permettent d'expliciter d'autres significations relatives à ce qui est représenté’.» (p. 21). Tout système sémiotique permettant ces trois activités est appelé registre de représentation sémiotique ou plus simplement registre sémiotique.

En physique, il est fréquent qu'un concept soit représenté dans des registres sémiotiques différents. Ceci conduit à prendre particulièrement en compte trois phénomènes étroitement liés (Duval 1995) :

• la diversification des registres de représentation sémiotique,c'est-à-dire la nécessité de distinguer les différents systèmes de représentation (le langage naturel, le langage symbolique, les schémas, les figures géométriques, les graphes cartésiens, les tableaux...), car ils posent chacun des questions d’apprentissage spécifiques ;
• la différenciation entre représentant et représenté. Cette distinction est généralement associée à la compréhension de ce qu’une représentation représente. Cette distinction peut permettre d'associer à un représenté d’autres représentations. Ceci semble n'être jamais acquis d'emblée quel que soit le registre de représentation et quel que soit le stade de développement.
• la coordination entre les différents registres sémiotiques, c'est-à-dire la connaissance de règles de correspondance entre les systèmes mobilisés et utilisés ensemble. Un obstacle majeur à une mise en place spontanée de cette coordination est l’importance des phénomènes de non-congruence entre les représentations produites dans des systèmes différents.

Chaque registre permet de mettre en oeuvre des aspects différents d'un même concept et la compréhension d'un concept passe par la mise en relation des différents registres sémiotiques qui le représentent. Par exemple pour le concept de force, on aura (figure 1.2) :

Figure 1.2 : Représentations d'un même concept dans des registres sémiotiques différents

Chacun de ces registres met en évidence des propriétés différentes du concept de force. Par exemple, la représentation vectorielle permet de préciser la direction et le sens de la force. La description en langue formelle de la force à l'aide de la formule F = m.a montre l'aspect relationnel de ce concept avec d'autre grandeur physique. La langue naturelle peut faire apparaître la distinction entre ce qui relève du modèle (la force) et ce qui relève des objets et des événements (l'action exercée sur une balle).

Ces différents exemples nous amènent à considérer que la compréhension d'un concept physique nécessite, d'une part d'être capable de représenter un concept dans différents registres sémiotiques et d'autre part de pouvoir mettre en relation les différentes représentations de ce concept.