Méthode expérimentale

vignette|Expérience du cerf-volant de Benjamin Franklin.

Les méthodes expérimentales scientifiques consistent à tester la validité d'une hypothèse, en reproduisant un phénomène (souvent en laboratoire) et en faisant varier un paramètre. Le paramètre que l'on fait varier est impliqué dans l'hypothèse. Le résultat de l'expérience valide ou non l'hypothèse. La démarche expérimentale est appliquée dans les recherches dans des sciences telles que, par exemple, la biologie, la physique, la chimie, l'informatique, la psychologie, ou encore l'archéologie.

Définies par le chimiste Michel-Eugène Chevreul en 1856, elles ont été développées par Claude Bernard en médecine et en biologie. Outil privilégié des sciences de la nature, les méthodes expérimentales sont également utilisées en sciences humaines et sociales.

Historique et épistémologie Définition vignette|Claude Bernard.

La méthode expérimentale est ainsi définie par le chimiste Michel-Eugène Chevreul en 1856 : Chevreul Michel-Eugène, Lettres adressées à M. Villemain sur la méthode en général et sur la définition du mot "fait" : relativement aux sciences, aux lettres, aux beaux-arts, etc., etc., Paris, Garnier Frères, 1856, ..

Cette méthode a été centrale dans la révolution scientifique accomplie depuis le , en donnant naissance aux sciences expérimentales. Parmi les précurseurs de la méthode expérimentale, il convient de citer le physicien et chimiste irlandais Robert Boyle, qui est aussi le père de la philosophie naturelle, ainsi que le médecin Claude Bernard.

Georges CanguilhemCanguilhem 1968, 153 et 166. et Jean GayonGayon 1996. relèvent la dette de Claude Bernard envers les thèses méthodologiques de Chevreul, liée au Canguilhem 1968., dette que le physiologiste reconnaît d'ailleurs dès l'introduction de son ouvrage majeur : 1865, 28..

Claude Bernard distingue nettement les approches empiriques et expérimentales : Claude Bernard, Principes de médecine expérimentale, PUF, 1947, rééd. Paris, PUF, 1987, .. Il insiste en effet sur l'importance de l'hypothèse, et Canguilhem qualifie lIntroduction à l’étude de la médecine expérimentale de Canguilhem 1968, 233.. Les étapes de la méthode expérimentale ont été résumées par le sigle OHERIC, schéma très simplificateur, et des modèles plus proches d'une méthode expérimentale authentique ont été proposés.

La thèse Duhem-Quine

Le schéma de la vérification d’une hypothèse à l’aide de l’expérience est demeuré en vigueur dans les sciences expérimentales de Francis Bacon jusqu’au , date à laquelle certains l'ont remis en cause (Pierre Duhem en 1906 Pierre Duhem, L’expérience cruciale est impossible en physique, extrait de La théorie physique, son objet et sa structure, 1906, 1914, seconde partie, chapitre VI, § III. .). En effet, selon l'article de Quine « Deux dogmes de l'empirisme », il n'existe aucune qui puisse permettre de confirmer, ou non, un énoncé scientifique. Quine soutient en effet une position holiste, qui ne dénie pas tout rôle à l'expérience, mais considère que celle-ci ne se rapporte pas à un énoncé scientifique, ou hypothèse, en particulier, mais à l'ensemble de la théorie scientifique. Aussi, à chaque fois qu'une expérience semble apporter un démenti à l'une de nos hypothèses, nous avons en fait toujours le choix entre abandonner cette hypothèse, ou la conserver, et modifier, à la place, un autre de nos énoncés scientifiques. L'expérience ne permet pas, ainsi, d'infirmer ou de confirmer une hypothèse déterminée, mais impose un réajustement de la théorie, dans son ensemble. Nous avons toujours le choix de procéder au réajustement que nous préférons : Quine, « Deux dogmes de l'empirisme », in De Vienne à Cambridge, trad. P. Jacob, Gallimard, 1980..

L'expérience qualitative préalable

Wolfgang Köhler constate que W. Köhler, Gestalt Psychology, 1929. Traduction française La psychologie de la forme, Gallimard, Paris, 1964. Traduit par Serge Bricianer. .. Il cite quelques exemples où tel savant fait une observation singulière mais uniquement d'ordre qualitatif avant que ce fait - une fois découvert - serve de fondement à une méthode d'évaluation quantitative du phénomène ; ces méthodes se concrétisent souvent en instruments de mesure toujours plus perfectionnés.

Il généralise ce constat historique en posant que toute nouvelle science se développe naturellement par le passage progressif des « expériences directes et qualitatives » aux « expériences indirectes et quantitatives », celles-ci étant une caractéristique majeure des sciences exactes. Il insiste sur la nécessaire accumulation préalable des expériences essentiellement qualitatives ; conditions indispensables des investigations quantitatives ultérieures.

C'est le défi qu'il propose à la psychologie qu'il considère comme une « jeune science ». Il invite ainsi à résister à l'imitation de la physique, à ne pas plaquer les méthodes d'une science mûre sur les tâtonnements de celle qui se cherche et donc à favoriser avant tout la croissance des expérimentations qualitatives préalables indispensables aux futures expériences quantitatives rigoureuses.

Reconnaissant la complexité de l'objet de la psychologie comparée aux simplifications que la physique autorise, il assure après avoir évoqué la question des tests qu'. L'exemple type est celui de Galilée, qui découvre le mouvement des planètes par l'observation avec une lunette astronomique.

Principes Contrôle des paramètres et test d'hypothèses

La méthode expérimentale repose sur un principe : il s'agit de modifier un ensemble de paramètres à l'aide d'un dispositif expérimental conçu pour permettre le contrôle de ces paramètres, dans le but de mesurer leurs effets et si possible de les modéliser. Dans le cas le plus simple on cherche à modifier un seul paramètre à la fois, . Cependant il n'est pas toujours possible ni souhaitable de modifier un seul paramètre à la fois. Ainsi en chimie lorsqu'on opère sur les constituants d'une seule phase (liquide, solide, gazeuse ou sous forme de plasma) la somme des concentrations des constituants reste égale à un ; modifier la valeur de l'une d'entre elles modifie inévitablement la concentration d'un autre constituant au moins. D'autres fois le résultat d'une expérimentation portant sur un seul facteur peut induire une conclusion erronée. Ainsi le résultat recherché peut être nul pour certaines conditions fixées et se révéler important lorsque les conditions fixées sont différentes. Ce cas traduit l'existence de « synergie » ou « d'interaction » entre des facteurs (Voir la comparaison de plans en étoile et de plans factoriels, Linder ). Cet enjeu est parfois crucial (cas des synergies entre des médicaments, entre des polluants, etc.). Le plus souvent on cherche à tester une hypothèse portant sur une liaison cause-conséquence. Dans l'analyse des résultats (la qualité de cette liaison) les statistiques jouent un rôle très important aussi bien pour porter un jugement (sur la précision du modèle prévisionnel obtenu) que pour concevoir une expérimentation optimale par rapport au risque statistique (Linder, ). Considérons l'exemple suivant à un seul paramètre dont l'objectif est de tester l'hypothèse suivant laquelle . Dans l'exemple proposé, différentes plantes seront soumises à des éclairages différents, toutes choses égales par ailleurs, notamment la température doit rester fixe et donc indépendante de l'éclairage, afin de mesurer l'impact de ce paramètre sur leur croissance.

L'expérience consiste à reproduire le phénomène « croissance d'une plante » de deux manières : d'une part sans le paramètre à tester (sans lumière) ; c'est le témoin négatif ; d'autre part, un témoin positif, avec le paramètre à tester (avec lumière). Ce dernier dispositif permet de vérifier que tous les autres éléments non testés sont opérationnels (la plante fonctionne bien).

Avant même la mise en œuvre, les résultats de l'expérience doivent être prévus : si la croissance ne se produit pas dans les deux dispositifs, je ne peux rien déduire si ce n'est que ma manipulation n'est pas adaptée à ma recherche ; si la croissance ne se produit pas sans lumière, mais avec la lumière alors l'hypothèse est validée : « la lumière fait pousser les plantes » ; si la croissance ne se produit pas avec lumière, mais sans la lumière, alors l’hypothèse est réfutée ; si le phénomène se produit dans les deux dispositifs, alors l'hypothèse n'est pas validée, mais elle n'est pas rejetée pour autant.

En dehors du paramètre à tester qu'il faut faire varier, les autres paramètres susceptibles d'intervenir doivent être fixés de façon rigoureuse sinon « le mieux possible ». À défaut, ces paramètres risquent d'être à l'origine des différences de résultats entre l'expérience témoin et les autres. Par exemple, s'il fait « trop froid » dans le premier dispositif sans lumière ou si l'atmosphère ne contient « pas assez » de gaz carbonique, alors l'absence de croissance peut être due à ces facteurs. On voit aussi la nécessité d'un savoir scientifique le plus large possible pour permettre la bonne conception d'une expérimentation.

La conduite d'une expérience mène ainsi le schéma d'interprétation épistémologique classique à deux types de bénéfice : d'abord la possibilité de vérifier ou, mieux, de corroborer l'hypothèse ou de la réfuter ; mais aussi dans tous les cas, un enseignement sur les causes de l'éventuel échec, enseignement qui sera réinvesti dans la définition d'une expérience plus adéquate. Le bénéfice est alors méthodologique.

Expérience scientifique à l'aide de modèle vignette|L'espèce Mus musculus, un exemple d'organisme modèle.

Lorsque certains phénomènes naturels sont trop complexes, trop vastes, trop dangereux, trop chers ou trop long à reproduire dans une expérience, on a recours à un dispositif simplifié : le modèle. Il peut s'agir : d'un modèle réduit (maquette). On parle de modélisation analogique, à laquelle les géologues étudiant la tectonique ont recours ; d'un modèle numérique (programme de simulation par ordinateur) ; d'un modèle vivant, comme la souris, mais dont la transposabilité à l'espèce humaine n'est que de 43 %..

Dans ce cas, la validité du modèle peut être discutée. Un modèle doit représenter le mieux possible l'objet sur lequel repose une hypothèse. Par exemple, pour démontrer l'origine humaine du réchauffement climatique, on utilise des modèles numériques du climat. Les détracteurs de cette hypothèse remettent en cause ces modèles qui ne prendraient pas assez en compte l'influence des nuages.

Protocole expérimental

Le protocole d'expérimentation regroupe la description des conditions et du déroulement d'une expérience ou d'un test. La description doit être suffisamment claire afin que l'expérience puisse être reproduite à l'identique et il doit faire l'objet d'une analyse critique pour notamment détecter d'éventuels biais.

Structure théorique d'une expérience

D'un point de vue très général, l'expérience isolée comporte sommairement trois phases : la préparation ; l'expérimentation ; l'évaluation.

Les deux dernières sont l'aboutissement simple de ce qui les a précédé.

Une expérience globale composée d'expériences partiellement individualisables comporte les trois mêmes pôles. Cependant, si dans l'expérience isolée les trois phases constituent autant d'étapes réglées chronologiquement, dans l'expérience globale, il s'agit de trois registres qui interagissent en permanence. Ainsi : l'évaluation est plus ou moins associée aux paramètres pris en compte dans la préparation, par exemple, les résultats questionnent la méthode d'échantillonnage ; l'expérimentation peut être répétée, en fonction des deux autres phases ;