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Biais et sources d’erreur

Plants de tomates cultivés dans une serre

Plants de tomates cultivés dans une serre (Goldlocki, Wikimedia Commons)

Plants de tomates cultivés dans une serre

Plants de tomates cultivés dans une serre (Goldlocki, Wikimedia Commons)

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9.3

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Découvrez comment les scientifiques déterminent les biais et les sources d’erreur, puis les réduisent au minimum pour assurer l'exactitude des résultats.

Biais et sources d’erreur

Dans le cadre d’un test valable, il faut non seulement s’efforcer de contrôler les variables, mais aussi réduire au minimum les sources de biais et d’erreur de la personne qui effectue l'expérience. Les biais et les erreurs peuvent fausser les résultats d’une enquête expérimentale.

Comment les biais sont-ils introduits dans une enquête expérimentale?

Dans une expérience, on dit qu’il y a un biais lorsqu’une personne influe sur les résultats. La plupart du temps, cette influence n'est pas intentionnelle. Les gens trouvent généralement ce qu’ils s’attendent à trouver, car ils cherchent des choses précises et négligent involontairement d’autres choses, ce qui entraîne des résultats biaisés. Tout le monde peut être sujet à ce type de biais très difficile à contrôler — même les scientifiques! Notre bagage de connaissances et d’apprentissages influe sur la manière dont nous interprétons l’information à notre disposition. En souhaitant que leurs observations valident leurs hypothèses, les élèves, en particulier, pourraient involontairement introduire des biais dans leurs expériences.

Répartition aléatoire

Un type de biais consiste à accorder une préférence à un certain groupe ou à une partie des données. Par exemple, les élèves pourraient avancer l’hypothèse qu’un traitement (p. ex., un arrosage abondant) fera pousser les plants plus haut qu’un autre traitement (p. ex., un arrosage moindre). En choisissant ensuite les semences pour leur expérience, les élèves pourraient inconsciemment sélectionner les plus grosses graines pour le traitement comportant plus d’eau et les plus petites pour celui comportant moins d’eau. Dans ce cas, les élèves pourraient, à leur insu, donner une longueur d’avance à certaines graines en choisissant les plus grosses.

Comment éviter ce type de biais :

Demandez aux élèves de choisir au hasard les semences utilisées pour les traitements. Le processus de répartition aléatoire permet d’affecter au hasard des objets ou des personnes à des groupes expérimentaux. Ainsi, la personne qui effectue l'expérience ne manifeste aucune préférence (ou aucun biais) envers un groupe ou un autre.

Essais à l’aveugle

Parfois, d’autres biais subconscients peuvent être présents lors d’une enquête expérimentale. On peut atténuer une partie de ces biais en recourant à ce qu’on appelle un test ou un essai à l’aveugle. Ce type d’essai est souvent utilisé lorsqu’un objet ou un groupe suscite une forme de sentiment chez la personne qui effectue l'expérience. Par exemple, sur la page abordant le test valable, on fait référence à deux types de semences appelées « Grandes beautés » et « Petites merveilles ». Au vu de ces noms, les élèves pourraient ne pas traiter les plants de la même manière. Ils pourraient prendre particulièrement soin des « Grandes beautés » ou leur donner une sorte d’avantage indu.

Comment éviter ce type de biais :

Identifiez les objets ou les personnes à l'étude dans une expérience par une lettre (p. ex., A, B) ou un chiffre (p. ex., 1, 2) plutôt que par un nom, de la même manière que sont étiquetées les semences utilisées dans l’Enquête sur les semences de TomatosphèreMC. Ainsi, les personnes qui effectuent l'expérience (les élèves) ignoreront quel membre appartient à quel groupe et auront tendance à traiter tous les groupes de la même manière.

Comment les erreurs peuvent-elles survenir dans une expérience?

Personne n’est parfait! C’est pourquoi des erreurs peuvent survenir, même dans les enquêtes expérimentales les plus soigneusement élaborées. En connaissant les types d’erreurs courantes dans les enquêtes expérimentales, les élèves peuvent mieux les éviter.

Fautes

Les fautes sont souvent désignées comme des erreurs d’inattention ou de calcul. Tout le monde peut en faire. Ces types d'erreurs peuvent survenir lors des enquêtes expérimentales pour plusieurs raisons :

  • mauvaise lecture des instructions (p. ex., 50 ml au lieu de 500 ml, sucre au lieu de sel);
  • mauvaise mesure (p. ex., pouces au lieu de centimètres, °F au lieu de °C, tension au lieu d’intensité);
  • mauvaise lecture ou utilisation d’instruments (p. ex., ménisque, compas, thermomètre);
  • erreur de calcul (p. ex., division au lieu de multiplication, utilisation de la mauvaise formule);
  • mauvaise consignation (p. ex., transcription des nombres, inscription des valeurs au mauvais endroit dans un tableau, etc.).

Comment éviter ces types d’erreurs :

Encouragez les élèves à faire preuve d'attention au moment de lire des instructions, de reporter des mesures d’instruments (comme des règles ou des thermomètres), d’effectuer des calculs ou de noter leurs observations. Lorsque les élèves travaillent en groupe, encouragez-les à contrevérifier mutuellement leurs mesures et calculs. Les élèves devraient également s’exercer à effectuer des mesures ou à utiliser un équipement avant de le faire dans le cadre d’une expérience.

D’autres types de fautes sont possibles :

  • causer un accident (p. ex., renverser un pot et devoir remettre son contenu à l’intérieur, donner trop d’eau à un plant, etc.);
  • ne pas suivre les instructions (p. ex., arroser certains plants tous les jours et d’autres tous les deux jours, oublier d’arroser certains plants, etc.).

Comment éviter ces types d’erreurs :

Encouragez les élèves à mener leurs expériences le plus minutieusement possible. En ayant un plan clairement défini pour le déroulement de l'expérience et un espace de travail bien organisé, les élèves pourront réduire les accidents au minimum.

Students helping to water a plant
Des élèves s’entraident pour arroser une plante (Source : FatCamera sur iStockphoto).
Image - Version texte

Voici une photo couleur d’un groupe de cinq jeunes enfants, âgés d’environ cinq ans, qui s’entraident pour arroser une plante.

Au centre d’une table carrée, on voit un pot en argile rempli de terre. À gauche, un enfant aux cheveux bruns bouclés et au chandail orange tient à deux mains un arrosoir vert au-dessus du pot. Au centre, une jeune fille aux cheveux brun foncé attachés avec une barrette rose ramasse des graines sur la table autour du pot. Plus à droite, une autre jeune fille vêtue d’une robe rose à froufrous tend la main vers le pot. Un garçon aux cheveux blonds très courts et au chandail noir insère une graine dans la terre. Complètement à droite, une fille aux cheveux noirs tressés et vêtue d’un tricot bleu regarde le pot avec curiosité.

Erreurs expérimentales

En plus des fautes, il existe d’autres types d’erreurs non attribuables à l’humain qui sont liées à l’exactitude et à la précision des mesures. On les appelle les erreurs expérimentales. Ces erreurs désignent la différence entre une mesure et sa valeur acceptée. Il y a deux principaux types d’erreurs expérimentales : l’erreur systématique et l’erreur aléatoire.

Erreurs systématiques

Les erreurs systématiques concernent l’exactitude d’une mesure (pour en savoir plus, consultez le document d’information Précision et exactitude). Les erreurs de ce type ont tendance à entraîner des mesures systématiquement trop élevées ou trop faibles. Une balance numérique qui indique 102 grammes pour un poids-étalon de 100 grammes, une horloge qui affiche l’heure en retard ou un thermomètre fissuré en sont quelques exemples.

Comment éviter ces types d’erreurs :

Les erreurs systématiques peuvent être difficiles à détecter; toutefois, ce type d'erreur diminue à mesure que les élèves comprennent mieux comment utiliser et calibrer les instruments et comment noter efficacement leurs observations. Encouragez aussi les élèves à avoir confiance en leur jugement, par exemple : « Cette balance indique 102 g, mais je sais que le poids devrait être de 100 g, il faut donc la calibrer. »

Erreurs aléatoires

Les erreurs aléatoires nuisent à la précision d’une mesure (pour en savoir plus, consultez la section Précision et exactitude). Si les résultats associés aux erreurs systématiques tendent à être toujours trop élevés ou trop faibles, ceux causés par les erreurs aléatoires ne sont que parfois anormaux.

Par exemple, des élèves utilisent un ampèremètre pour mesurer l’intensité du courant dans un circuit donné. Les résultats obtenus sont 0,16 A, 0,15 A, 0,17 A, et 0,14 A. De toute évidence, il y a un large éventail de résultats, ce qui ne devrait pas être le cas si aucune variable n’a été modifiée lorsque les relevés ont été faits (c.-à-d. que mathématiquement, le relevé aurait dû indiquer 0,15 A). Les causes des erreurs aléatoires peuvent être difficiles à prévoir et prendre du temps à déterminer. Les erreurs aléatoires sont assez courantes dans l'étude des êtres vivants, car ceux-ci peuvent être influencés individuellement par des changements dans l’environnement, comme la variation de la température, de l’humidité ou de la lumière. Leur constitution génétique entraîne aussi une variation naturelle.

Les erreurs aléatoires, aussi appelées variations aléatoires, font partie intégrante de toute mesure. Par exemple, les relevés de l’ampèremètre ci-dessus ont un écart moyen de 6,7 % (ce qui n’est pas si mal pour un ampèremètre), de sorte que le relevé final pourrait être 0,15 A ± 0,01 A (6,7 % de 0,15). 

Comment éviter ces types d’erreurs :

Pour réduire au minimum les erreurs aléatoires, on peut vérifier le bon fonctionnement de l’équipement, comme les appareils de mesure électriques. On peut aussi utiliser des matériaux provenant de la même source (p. ex., des semences issues du même sachet) ou recueillir les données au même moment de la journée, notamment.

Comment les biais et les sources d’erreur sont-ils réduits au minimum chez TomatosphèreMC?

L’Enquête sur les semences de TomatosphèreMC a été conçue pour réduire au minimum certains types de biais et d’erreurs décrits ci-dessus.

Le saviez-vous?

L’Enquête sur les semences de TomatosphèreMC est un essai à simple insu. Cela signifie que l’équipe de recherche de TomatosphèreMC sait quelles graines sont traitées, mais que les classes qui participent à l’enquête ne le savent pas (jusqu’à ce qu’elles aient envoyé leurs résultats).

L’enquête est aussi un essai à l’aveugle. Au cours d’une année donnée, le personnel enseignant et les élèves ne sauront pas quelles semences auront séjourné dans l’espace (ou auront été soumises à des conditions simulant l’espace) ni lesquelles n’auront pas été traitées puisque la classe aura reçu deux sachets de semences identifiés par une lettre différente. Lorsque les enseignants et enseignantes soumettront leurs résultats à TomatosphèreMC, la classe découvrira lesquelles des semences ont été traitées. Grâce à ce processus, les élèves ne devraient pas avoir de biais face à l’un des deux types de semence.

Tomatosphere seed packages
Deux sachets de graines de tomate TomatosphèreMC (© 2018 Parlons sciences).
Image - Version texte

Photographie en couleur de deux sachets de graines de tomate Tomatosphère.

Les sachets blancs comportent des éléments en impression rouge et noire. Ils sont identiques, à l’exception de la lettre A imprimée en gras dans le coin supérieur gauche du sachet de gauche et de la lettre B imprimée dans le coin supérieur gauche du sachet de droite. Au centre sous chacune des lettres se trouve l’illustration d’une tomate rouge autour de laquelle vole une navette spatiale. Le mot Tomatosphere est inscrit en lettres majuscules en dessous. www.tomatosphere.org est imprimé plus bas. Tout en bas, six logos apparaissent dans un cadre rouge: Agence spatiale canadienne, Semences Stokes, University of Guelph, Heinz, Heinz Tomato Seed et Let’s Talk Science/Parlons Sciences.

En outre, au sein d’une classe et dans l’Enquête sur les semences de TomatosphèreMC dans son ensemble, de nombreuses mesures sont recueillies. Cet échantillon de grande taille contribue à réduire au minimum les erreurs aléatoires générées par les petites différences environnementales auxquelles les semences sont soumises.

Pour en savoir plus, consultez le document d’information Taille de l'échantillon et reproductibilité.

Exercice dirigé

Exercice 1

Demandez aux élèves de lire les exemples suivants et de déterminer quel type d’erreur se produit et ce qui pourrait être fait pour l’éviter.

  1. Une balance indique 0,25 g alors qu’aucune masse n’est sur son plateau. Les élèves utilisent tout de même la balance telle quelle.
  2. L’élève responsable de l’arrosage des plants de TomatosphèreMC oublie de s’acquitter de sa tâche pendant une semaine.
  3. Des élèves utilisent une cuillère à mesurer pour transporter l’eau vers les plantes (mais parfois, l’eau déborde un peu…).
  4. Des élèves mesurent la masse sèche de 3 plants de TomatosphèreMC de 8 semaines et obtiennent des mesures de 131 g, de 136 g et de 127 g.

Exercise 2

Demandez aux élèves d’expliquer, dans leurs propres mots, la différence entre un biais et une erreur ainsi qu’entre les erreurs systématiques et aléatoires.

Exercise 3

Demandez aux élèves de réfléchir aux erreurs qui se sont produites (ou qu’ils ou elles croient s’être produites) au cours d’une expérience et de les consigner dans un registre tel un journal scientifique.

Exercise 4

Lorsque les élèves planifient des expériences, demandez-leur de dresser la liste des erreurs et des sources de biais possibles ainsi que des moyens à prévoir dans leur méthode pour les éviter.

Réponses
  1. Type d’erreur : Erreur systématique
    Comment l’éviter : Calibrez la balance. Elle doit indiquer 0 lorsqu’aucune masse s’y trouve et devrait mesurer un étalon de masse correctement.
  2. Type d’erreur : Faute (défaut de suivre les instructions)
    Comment l’éviter : Décrivez clairement aux élèves les tâches, comme l’arrosage. Demandez aux élèves de cocher les tâches dans un tableau quand elles sont terminées.
    Que feriez-vous dans cette situation (arrosage oublié pendant une semaine)?
    Si seul un plant n’a pas été arrosé, les élèves peuvent utiliser les données des autres plantes. Si aucune plante n’a été arrosée, il faut recommencer l’expérience.
  3. Type d’erreur : Faute (accident)
    Comment l’éviter : Déplacez la source d’eau plus près des plants ou utilisez un dispositif de mesure moins susceptible de déborder pendant le transport. On peut optimiser l’accessibilité et l’emplacement du matériel pour réduire les accidents.
  4. Type d’erreur : Erreur aléatoire
    Comment l’éviter : Mesurez la masse sèche d’un plus grand nombre de plants si possible. La masse sèche varie selon la façon dont l’eau est retirée des plants avant la prise des mesures.

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