Théorie de l'évolution

Alors qu'ils réfléchissent à une éventuelle adaptation théâtrale futuriste du livre d'Alice au pays des merveilles, deux des Grandiloquents, par coïncidence, visitent un musée d'histoire naturelle. Dans ce musée, plusieurs fossiles suscitent doutes et curiosités quant à l'évolution des baleines. Comment expliquer l'existence d'une baleine qui marche ? L'évolution des cétacés s'est-elle faite de la mer vers la terre ou de la terre vers la mer ? Déterminés à trouver des réponses à ces questions et à d'autres, les Grandiloquents explorent des zones du musée normalement interdites aux visiteurs. Avec l'aide d'un paléontologue et quelques interactions avec les figures historiques de Lamarck et Darwin, ils osent regarder de plus près le mécanisme de la sélection naturelle. Les leçons apprises au musée sont ensuite utilisées pour imaginer, comme le demande le professeur de théâtre, comment les descendants d'Alice auraient pu évoluer.

 Justification de l'utilisation du livre d'Alice au pays des merveilles

En 1859, Charles Darwin publie un célèbre ouvrage sur l'origine des espèces. Trois ans plus tard, Charles Lutwidge écrit Alice's Adventures in Wonderland, qui sera publié en 1865 sous le pseudonyme de Lewis Carroll. Tout au long de l'épisode Evolution du webcomic Les Grandiloquents, plusieurs liens (im)probables entre l'Alice de Lewis Carroll et la théorie de l'évolution sont explorés, implicitement et explicitement.

Les apprenants ont tendance à donner un sens à l'évolution des espèces et aux phénomènes d'adaptation de leur propre manière, non scientifique. Ces explications ne peuvent pas être simplement remplacées par des conceptions scientifiques qui sont en contradiction avec le réalisme expérientiel de l'apprenant (Lakoff 1990). Les élèves ont tendance à s'en tenir à leurs propres explications non scientifiques, en particulier les explications téléologiques (par exemple, Wandersee, Good et Demastes 1994).

Opinions communes, principales idées alternatives des élèves sur l'évolution

1. L'évolution n'est qu'une théorie qui n'a jamais été prouvée ;

2. L'évolution est une théorie sur l'origine de la vie ;

3. Selon la théorie de l'évolution, la vie évolue de manière aléatoire, c'est-à-dire par hasard ;

4. L'évolution conduit au progrès ; les organismes s'améliorent de plus en plus avec l'évolution ;

5. Les organismes s'adaptent et évoluent tout au long de la vie ;

6. La sélection naturelle concerne les organismes qui s'efforcent de s'adapter ;

7. La nature agit pour sélectionner les meilleurs organismes ;

8. Parce que l'évolution est lente, l'homme peut l'influencer ;

9. Toutes les caractéristiques des organismes sont des adaptations ;

10. L'homme est le sommet de l'évolution

Une idée sous-jacente à bon nombre de ces conceptions alternatives est la téléologie : de nombreux apprenants supposent intuitivement que les processus d'adaptation sont intentionnels, que ce soit l'individu lui-même qui s'adapte volontairement à son environnement ou la "nature" en tant qu'agent à l'origine de ce processus. En fonction de la séquence d'enseignement et d'apprentissage développée, il serait possible d'aborder certaines de ces conceptions alternatives (en particulier celles mises en évidence en gras), en utilisant cet épisode comme ressource pédagogique.

Le thème de l'évolution se divise en deux grandes catégories :

●        L'arbre de la vie, l'histoire naturelle, la descendance des espèces "supérieures" à partir d'espèces plus anciennes, la recherche d'une reconstruction plausible de l'arbre de la vie à l'aide de la paléontologie, des fossiles, de l'ADN, etc.

●        le mécanisme de la sélection naturelle (darwinisme) en tant que théorie d'explication causale de l'évolution des espèces (aspect nomologique)

L'exemple de l'évolution des baleines peut être exploité dans ces deux grandes dimensions :

●        L'arbre de vie représente un épisode fascinant de l'histoire naturelle. La vie a commencé dans l'eau, mais ces mammifères terrestres sont "retournés" à l'élément aquatique. C'est une découverte sensationnelle.

●        En termes de sélection naturelle, l'évolution des baleines a été guidée par des changements géologiques (dérive des continents) il y a 50 millions d'années dans la région de l'actuel Pakistan. Ces événements tectoniques, associés à des changements climatiques, ont donné naissance à de nouveaux habitats aquatiques offrant des ressources alimentaires, créant ainsi une nouvelle niche écologique pour les prédateurs qui se nourrissaient auparavant sur la terre ferme.

L'opinion actuelle sur l'évolution des baleines aquatiques à partir des quadrupèdes terrestres est que certains ongulés terrestres préféraient manger des plantes au bord de l'eau, ce qui présentait l'avantage supplémentaire de leur permettre de se cacher facilement du danger dans les eaux peu profondes. Il y a eu une pression de sélection en faveur des caractéristiques amphibies et plus tard aquatiques dans la population des ancêtres des baleines terrestres. Les individus de la population qui possédaient déjà des caractéristiques leur permettant de patauger plus facilement dans l'eau (nageoires, épaisse couche de graisse, queues fortes et plus grandes, narines sur le dessus de la tête) avaient probablement un meilleur accès à la nourriture et pouvaient survivre et se reproduire plus efficacement, ce qui a modifié le patrimoine génétique de la population. Lorsque certaines des premières baleines aquatiques ont commencé à se nourrir d'un régime différent, elles ont évolué en des filtreurs à fanons et ont perdu leurs dents.

Dans cet épisode de l'évolution, avec l'exemple de l'évolution des baleines qui aide à intégrer ces deux aspects différents (l'historique et le nomologique), nous pouvons aborder certaines des conceptions alternatives bien connues déjà mentionnées ci-dessus.

L'histoire de la théorie de l'évolution est un tournant, peut-être le plus important, de la révolution scientifique qui a marqué les derniers siècles de l'histoire des sciences. L'aspect central de cette révolution a été l'abandon de l'idée que toutes les choses étaient stables : les organismes vivants étaient immuables, les continents restaient fixés à leur place, etc. La fluidité et le changement sont devenus des éléments centraux de l'idée que l'on se fait du monde qui entoure l'homme. Accepter la possibilité du changement et considérer ce changement comme un agent d'opportunité plutôt que comme une menace, tel est le message silencieux et le défi de l'idée d'évolution (CNR, 1998).

Jean-Baptiste de Lamarck (1744-1829) a proposé une théorie de l'adaptation des êtres vivants sous la pression de l'environnement, qui n'est plus acceptée aujourd’hui. Selon le lamarckisme, si les conditions environnementales changent, les besoins des êtres vivants changent également. Les structures des êtres vivants se modifient pour répondre à ces nouveaux besoins. Ainsi, au cours d'une génération, les individus perdent les organes dont ils n'ont pas besoin ou, au contraire, développent les organes dont ils ont besoin (loi de l'usage et du non-usage). Les caractères acquis sont transmis à la descendance et les êtres vivants se complexifient avec le temps (loi de la transmission des caractères acquis). Pour Lamarck, les espèces ne disparaissent jamais mais se transforment en d'autres espèces.

La théorie de l'évolution par sélection naturelle a été présentée pour la première fois par Charles Darwin et Alfred Wallace indépendamment l'un de l'autre en 1858 et, un an plus tard, elle a été développée en détail par Darwin dans son livre "On the Origin of Species by means of Natural Selection" (De l'origine des espèces au moyen de la sélection naturelle). Il s'agit d'une théorie apparemment simple, basée sur cinq faits ou observations et trois déductions, selon Mayr (2002).

Selon Darwin, les organismes d'une population présentent une variabilité. Les organismes les mieux adaptés à l'environnement ont une plus grande probabilité de survie que ceux qui le sont moins, et laissent un plus grand nombre de descendants. Les organismes les mieux adaptés sont donc sélectionnés par l'environnement et transmettent leurs caractéristiques héréditaires à leurs descendants. Au fil du temps, ce processus conduit à la diversification des organismes et à la formation de nouvelles espèces (spéciation).

Lorsqu'elle a été introduite par Darwin, la théorie de l'évolution a eu du mal à être correctement comprise et acceptée. Les croyances religieuses ont joué un rôle important, car la théorie sapait l'importance d'un créateur tout-puissant, mais les scientifiques de la plupart des domaines se sont également montrés sceptiques. L'aspect stochastique, avec des concepts tels que la variation aléatoire et la sélection naturelle, qui ne pouvaient que rarement être utilisés pour des prédictions strictes d'événements évolutifs, rendait la théorie trop différente des autres points de vue mécanistes pour la rendre attrayante aux yeux de la plupart des scientifiques. À l'époque, la science était censée produire des prédictions précises (Mattsson, Jan-Eric ; Mutvei, Ann, 2015).

Cette théorie soulève deux questions distinctes. La première est la question historique qui consiste à déterminer si l'évolution a eu lieu, dans le sens d'une modification par ramifications successives à partir d'un ancêtre commun. La seconde est la suivante : si l'évolution a eu lieu, quels sont les mécanismes qui en sont responsables ?

 L'affirmation selon laquelle les espèces sont le résultat d'un processus naturel de transformation d'espèces préexistantes, un phénomène que nous appelons l'évolution, est une hypothèse qui a été amplement prouvée par de nombreux éléments. Il existe de nombreuses preuves directement observables de l'évolution en cours, et il est possible d'observer certaines des étapes du processus de formation de nouvelles espèces (Gaspar, Mateus & Almada, 2007). En outre, la quantité de preuves indirectes provenant des archives fossiles, de l'embryologie, de la morphologie comparative, de la biochimie, de la biologie moléculaire, de la biogéographie, etc. prouve que l'ascendance commune des organismes est un fait (Futuyma, 2009). Aujourd'hui, l'évolution est considérée comme un fait pour lequel il existe des preuves irréfutables (Futuyma, 2005).

En fonction du temps disponible et des objectifs d'apprentissage, la lecture de la BD numérique  scientifique peut impliquer une combinaison de différentes stratégies :

●        Lecture individuelle/collective

Les élèves lisent la bande dessinée individuellement ou, au contraire, collectivement. La lecture collective peut être organisée avec l'ensemble de la classe ou en petits groupes.

●        Lecture en classe/à la maison

La lecture de la bande dessinée peut se faire pendant les heures de cours ou en dehors des heures de cours, tout en travaillant à la maison.

●        Lecture complète (des 3 chapitres) / lecture partielle :

Les trois épisodes qui composent cette BD sont séquentiels. Dans le premier épisode, le lecteur découvre le drame que les Grandiloquents doivent jouer - une adaptation futuriste d'Alice au pays des merveilles - ainsi que la question qui sera explorée - l'évolution des baleines. Alors que le deuxième épisode est entièrement consacré à l'élucidation du problème scientifique, le troisième épisode se concentre sur la mise en scène.

Bien qu'il soit conseillé de lire les trois épisodes, la lecture peut se faire partiellement, ce qui permet de surmonter/diluer certaines contraintes temporelles ou d'encourager la créativité des élèves. La lecture du 1er chapitre peut servir de base à la réalisation d'une enquête sur l'évolution des baleines et, éventuellement, à la construction d'une bande dessinée mettant en valeur les connaissances acquises tout au long de la recherche. La lecture du 3ème chapitre peut également être réalisée avec le même objectif. Opter pour le 2e épisode sera plus judicieux si vous souhaitez privilégier une approche historique et comprendre les principaux mécanismes de l'évolution des espèces.

●        Lecture continue/alternance avec d'autres tâches (discussion, recherche, travaux)

La lecture peut être continue ou au contraire interrompue dans le but de partager, à des moments stratégiques, des idées, des travaux de recherche, des débats sur les différentes théories, parmi d'autres actions qui peuvent être menées.

Pour explorer la ressource, les enseignants peuvent utiliser la version des enseignants de la bande dessinée (voir les ressources complémentaires), dans laquelle certaines idées et connexions sont signalées, principalement en rapport avec les aspects :

●        Pour faire le lien (avec les concepts abordés dans les autres classes)

●        Approfondir (concepts et idées implicitement abordés dans la bande dessinée)

●        A aborder (idées alternatives d'étudiants)

●        Enrichir (par des tâches créatives)

Fiche d'activité - Exemple 1

1. Notre équipe a dû apporter quelques corrections à la traduction. Analysez et comparez la version initiale et la version finale de cette image. Expliquez pourquoi il a fallu corriger la version envoyée par le traducteur.

Réponse possible :

La correction était nécessaire pour garantir l'exactitude scientifique. Dans la version du traducteur, « mieux adapté » suggère que l'individu s'adapte activement à l'environnement, véhiculant une perspective lamarckiste, qui n'est pas acceptée à l'heure actuelle. Dans la version corrigée, « était mieux adapté » fait référence à une condition préexistante, ce qui est plus conforme à la théorie de la sélection naturelle, dans laquelle les caractéristiques avantageuses sont héritées sans aucune intention ou action consciente de la part des individus. La correction permet d'éviter les malentendus sur le processus d'évolution.

2. La première version de l'image ci-dessous ne comportait qu'un seul Ambulocetus. L'équipe pédagogique a estimé qu'il était important d'ajouter d'autres individus présentant des caractéristiques différentes. Quelle est la raison de cette demande ? 

Réponse possible :

L'ajout d'individus présentant des caractéristiques différentes était important pour illustrer la diversité au sein d'une population, qui est cruciale pour l'évolution. La sélection naturelle dépend de cette diversité pour que certaines caractéristiques, avantageuses dans un environnement donné, soient sélectionnées et transmises aux générations suivantes. Cela permet également de déconstruire l'idée selon laquelle les espèces évoluent de manière dirigée et intentionnelle.

3. Relisez les diapositives 60 à 64. Comment expliquez-vous l'idée de sélection naturelle ?

Réponse possible

La sélection naturelle, expliquée par Darwin, est basée sur la variabilité entre les organismes au sein d'une population. Certains individus possèdent des caractéristiques qui les rendent mieux adaptés à l'environnement, ce qui leur donne une plus grande chance de survie et de reproduction. Ces individus transmettent ces caractéristiques avantageuses à leurs descendants. Contrairement à l'idée de Lamarck, qui pensait que les adaptations étaient acquises tout au long de la vie et transmises à la descendance, Darwin a souligné que ces caractéristiques ne sont pas développées en réponse directe à l'environnement mais sont le résultat de variations préexistantes qui sont sélectionnées par l'environnement au fil des générations.

4. Que signifie l'expression "de nombreuses caractéristiques qui apparaissent ne sont pas sélectionnées" sur l'image ci-dessous ? Comment expliquez-vous que certaines caractéristiques soient sélectionnées et d'autres non ?

Réponse possible :

Toutes les caractéristiques développées par les organismes ne sont pas le résultat de la sélection naturelle. Certaines variations apparaissent de manière aléatoire et peuvent ne pas présenter d'avantages ou d'inconvénients dans un environnement spécifique. Si ces caractéristiques n'influencent pas la capacité des organismes à survivre ou à se reproduire, elles peuvent persister ou disparaître au fil du temps, en fonction des conditions environnementales. La sélection naturelle n'agit que sur les caractéristiques qui confèrent un avantage adaptatif, en les sélectionnant, tandis que les autres restent neutres ou sont éliminées par les conditions environnementales.

5. Que signifie le mot "involontaire" sur cette image dans le contexte de l'évolutionnisme ?

Réponse possible :

Dans le contexte de l'évolution, le terme « involontaire » fait référence au fait que les changements évolutifs se produisent de manière non intentionnelle et aléatoire. Cela signifie que l'évolution n'est pas un processus dirigé ou conscient, mais qu'elle résulte de variations qui apparaissent au fil du temps. Des adaptations se produisent en réponse aux pressions environnementales et la sélection naturelle agit sur ces caractéristiques, favorisant celles qui confèrent des avantages adaptatifs. L'évolution est donc un processus qui se déroule sans but précis, guidé par la survie et la reproduction des organismes les mieux adaptés à leur environnement.

6. A la fin de l'histoire que vous venez de lire, les personnages Tom, Diana et la sœur de Tom vous proposent de raconter l'histoire des descendants d'Alice.

Sur la base de ce que vous avez appris sur le néo-darwinisme, comment expliquez-vous l'évolution des descendants d'Alice au pays des merveilles ?

Réponse possible :

L'évolution des descendants d'Alice au pays des merveilles peut être expliquée par le néo-darwinisme. Si ces descendants avaient des caractéristiques aléatoires et variées et vivaient dans une maison avec une porte excessivement petite, les individus ayant des adaptations favorables pour passer cette porte auraient une plus grande chance de survie et de reproduction.

Les variations phénotypiques résulteraient de mutations et de recombinaisons au sein d'un fond génétique commun. La sélection naturelle continuerait d'agir, favorisant les petits changements qui augmentent la condition physique des individus et permettant à ces caractéristiques d'être transmises aux générations suivantes. De cette manière, l'évolution des descendants d'Alice se produirait lentement et involontairement, où, au fil du temps, des adaptations les aideraient à s'adapter à l'environnement particulier du Pays des Merveilles.

Texte © : Bianor Valente, Cláudia Faria, Joana Torres (2024)

Dessins : Bergey & Govin, Stimuli Eds, 2024.

Fiche d'activité - Exemple 2

Premières impressions

a) Lisez entièrement la bande dessinée et décrivez en quelques phrases ce que vous avez remarqué en termes d'aspects biologiques et esthétiques en la regardant et en la lisant.

b) Posez 1 à 3 questions que vous vous posez sur la BD scientifique après l'avoir lue pour la première fois.

Comment les baleines ont-elles évolué ?

1. Expliquez pourquoi Tom et Diane sont si surpris que le squelette de Pakicetus se trouve dans la section du musée consacrée aux baleines.

Réponse possible :

-        Le squelette ressemble à un loup et non à un mammifère marin.

-        Pakicetus a quatre pattes développées.

Tom et Diane pensent que les vertébrés ont d'abord évolué dans l'eau avant de rejoindre la terre ferme. Ils supposent que le squelette de Pakicetus a été mal positionné par le musée

2. Les trois protagonistes comparent le processus évolutif d'adaptation à l'adaptation magique d'Alice à la porte beaucoup trop petite. Êtes-vous d'accord ? Évaluez la comparaison entre l'adaptation d'Alice et l'adaptation évolutive d'un point de vue biologique (scientifique) en trois phrases au moins.

Réponse possible :

-        Le raisonnement des protagonistes correspond à la théorie de Lamarck.

-        Je suis d'accord avec cette perspective : les processus évolutifs ont quelque chose de magique, les changements se produisent soudainement, l'adaptation est un processus volontaire et délibéré, l'habitat/la nature provoque l'adaptation et donc l'évolution. Par exemple, les pattes ont régressé au cours de l'évolution des baleines parce qu'elles n'étaient plus nécessaires dans l'eau.

-        Rejet de cette perspective : l'évolution n'a rien à voir avec la magie ou la volonté propre, les processus et les changements sont difficiles à comprendre et pas toujours faciles à expliquer, la comparaison entre l'adaptation d'Alice à la porte et l'évolution des baleines est inappropriée/incorrecte, (une explication correcte correspond à la théorie de Darwin : l'évolution ne fonctionne pas de manière délibérée et de nombreux facteurs ont un effet sur elle).

3. Les membres postérieurs de l'Ambulocetus natans sont adaptés aux conditions de vie aquatiques. Leurs ancêtres avaient encore des extrémités adaptées à la vie terrestre. Deux explications différentes ont été avancées pour expliquer ce changement. Comparez les deux explications l'une par rapport à l'autre en

a) décrire les théories de l'évolution selon Darwin et Lamarck en 2 à 4 phrases chacune et

b) expliquer les théories de Darwin et de Lamarck à l'aide de l'exemple de l'évolution des baleines. Prêtez attention aux dessins à côté des bulles.

Réponses possibles :

Questions sans réponse et ambiguïtés

Si quelque chose n'est pas clair pendant que vous travaillez sur la feuille de travail ou si des questions se posent, veuillez le noter ici. Veuillez inscrire le numéro de tâche correspondant à votre question.

Texte © : Christoph Orlowski, Elisa Koschkar, Johanna Felkel, Julia Zdunek, Jörg Zabel (2024)

Dessins : Bergey & Govin, Stimuli Eds, 2024.

Découverte du fossile Pakicetus

“An Amphibious Whale from the Middle Eocene of Peru Reveals Early South Pacific Dispersal of Quadrupedal Cetaceans”. Olivier Lambert, Giovanni Bianucci, Rodolfo Salas-Gismondi, Claudio Di Celma., Etienne Steurbaut Mario Urbina, Christian de Muizon

Fiche de travail - Exemple 1 - Version élèves

373 ko Fiche de travail - Exemple 2 - Version élève

195 ko

Première séance (environ 30 minutes)

Lisez la première partie de la bande dessinée pour les élèves jusqu'à l'image ci-dessous du chapitre 1.

Tâche 1. Demandez aux élèves comment ils peuvent expliquer le fait que Pakicetus ait des pattes arrière alors que les baleines modernes n'en ont pas, afin d'identifier les différentes conceptions qu'ils ont.

Seconde séance (environ 1h30).

Première partie       

Tâche 2. Demandez aux élèves de discuter, en groupes, de certaines réponses sélectionnées par la classe (dans la tâche précédente). Il s'agit d'argumenter pour savoir s'ils sont d'accord ou non avec les explications données. Chaque groupe travaille sur des explications différentes. (N'oubliez pas d'anonymiser les réponses analysées).

Exemples d'explications données par les élèves :

Exemple 1 : "Sa vie heureuse et paisible a été perturbée par les changements climatiques et environnementaux. Le Pakicetus a donc dû se transformer et changer ses habitudes pour continuer à vivre".

Exemple 2 : "Petit à petit, le Pakicetus a commencé à apprendre à nager, puis il s'est développé pour pouvoir vivre dans l'eau : des nageoires sont apparues, la queue s'est développée, les membres (pattes) ont disparu et des caractéristiques inutiles ont été perdues. Il grossit pour s'adapter à ses besoins."

Tâche 3. Chaque groupe présente à la classe les idées principales qui ont émergé de la discussion.

Partie 2

●        Reprenez la lecture des bandes dessinées et utilisez certaines images pour en discuter avec la classe.

Exemple d'images pour la discussion (voir la version enseignants du document sur les épisodes pour d'autres exemples) :

Chapitre 2 - Image 16

La réponse de Tom correspond à une conception très répandue. Si d'autres modèles explicatifs sont présents dans les réponses des élèves à la première tâche, vous pouvez lancer un débat sur la validité des différents modèles.

Chapitre 2 - Images 19 à 22

Ce passage met en évidence les deux modèles historiques de Lamarck et Darwin. Les élèves peuvent faire le lien avec leur propre modèle explicatif et voir en quoi il ressemble ou diffère des deux modèles proposés. Cette tâche est également l'occasion d'un débat sur la validité des deux modèles.

Tâche 4. À la fin de la séance, demandez aux élèves d'imaginer qu'ils font partie de l'histoire et d'expliquer au personnage en question (dans chacune des images analysées) pourquoi leur idée n'est pas correcte. Cela montrera si les élèves ont surmonté les difficultés qu'ils pouvaient rencontrer..

Tâche 5. Enfin, demandez aux élèves de répondre à la question de Grandiloquents. C'est l'occasion d’institutionnaliser le travail effectué pendant toute la session.

Chapitre 3 - Images 26 et 27

© Texte : Maud Pelé (2024)

© Dessin : Bergey & Govin, Stimuli Eds, 2024.

Futuyma, D. J. (2005). Evolution. Sunderland, MA : Sinauer Associates, Inc.

Futuyma, D. J. (2009). Evolução e conhecimento científico. Dans A. Levy, F. Carrapiço, H. Abreu, & M. Pina (Orgs.), Evolução. Conceitos e Debates (pp. 25-36). Lisboa : Esfera do Caos.

Gaspar, A., Mateus, O. et Almada, F. (2007). Os argumentos criacionistas em face da evidência científica. Dans A. Gaspar (Coord.), Evolução e Criacionismo : Uma relação impossível (pp. 197-237). Vila Nova de Famalicão : Quasi Edições.

Lakoff, G. (1990). The Invariance Hypothesis : La raison abstraite est-elle basée sur des schémas-images ? Cogn. Linguist, 1, 39-74.

Mayr, E. (2002). What evolution is. Londres : Phoenix.

Mattsson, J.-E. et Mutvei, A. (2015). Comment enseigner l'évolution. Procedia - Social and Behavioral Sciences 167 : 170 - 177. DOI: 10.1016/j.sbspro.2014.12.658.

Conseil national de la recherche (CNR) (1998). Enseigner l'évolution et la nature de la science. Washington, DC : National Academy Press. http://www.nap.edu/read/5787/chapter/1.

Wandersee, J. H., Mintzes, J. J. et Novak, J. D. (1994). Research on alternative conceptions in Science. Dans D. Gabel (Ed.), Handbook of research on science teaching and learning (pp. 177-210). New York : NSTA/Macmillan