Cherchant à établir un pont théorique et pratique entre les sciences de l'éducation, les sciences cognitives et la philosophie des sciences, la thèse développe le modèle allostérique de l'apprendre, initié par Giordan dans le paradigme des théories du changement conceptuel. Nourri par les travaux récents des psychologues cognitifs sur les processus d'apprentissage et l'élaboration de la pensée (recyclage neuronal, inhibition cérébrale, économie comportementale, modèle-cadre SRK), ce modèle développe le concept d'allostérie à travers la formalisation des processus de déconstruction-reconstruction des conceptions qui ont lieu lors des apprentissages complexes. De la phase de théorisation du modèle, effectuée grâce aux formalismes de la réactivité chimique en accord avec la métaphore initiale de l'allostérie, on déduit divers environnements didactiques opératoires et féconds pour l'enseignant et le médiateur scientifiques. Ces prévisions sont alors mises à l'épreuve de l'expérimentation didactique à travers une recherche centrée sur l'expérience contre-intuitive auprès de différents types de publics.