Extrait du mémoire IUFM de Nicolas Aubert : Intégration d'une simulation informatique dans l'enseignement des sciences physiques

Intégration d'une simulation informatique dans l'enseignement des sciences physiques
Institut Universitaire de Formation des Maîtres de l'académie de Lyon

Extrait du mémoire de M. Nicolas AUBERT
DIRECTEUR DE MÉMOIRE : M TRIBOLLET.
ANNÉE : 2000-2001.

L'intégralité de ce mémoire est disponible à l'IUFM de LYON.

Dans le cas de l'enseignement des sciences physiques, l'apprentissage est en partie basé sur un environnement expérimental au cours duquel le professeur fait manipuler ses élèves. L'expérience elle-même joue alors un rôle dans la construction des savoirs de l'élève qui se sent acteur dans la construction de ses connaissances. Il nous est cependant apparu au cours de l'élaboration et de la réalisation de nos séances pédagogiques certaines limites à cette façon d'enseigner. Le problème s'est en particulier posé pour l'étude du modèle des gaz. Il nous semblait aller à l'encontre de nos choix pédagogiques d'imposer directement à nos élèves une transposition du savoir savant concernant le comportement des particules d'un gaz.
Nous voulions trouver une méthode nous permettant de pratiquer une approche visuelle du niveau microscopique qui puisse aider à l'apprentissage de ce savoir.
Nous avons donc cherché l'outil didactique qui nous permette à la fois de remplir cet objectif pédagogique et d'éveiller l'intérêt de nos élèves. Nos recherches, pratiquées auprès de nos collègues et des ressources proposées sur le réseau Internet, nous ont amené à essayer de résoudre cette situation en utilisant l'outil informatique. Nous avons finalement arrêté notre choix sur l'utilisation d'une simulation montrant le mouvement des molécules et permettant de travailler sur l'interdépendance des variables d'état.
L'objectif de ce mémoire est d'observer et d'analyser l'intégration de l'informatique dans l'enseignement des sciences physiques auprès de notre classe de seconde. Nous chercherons à savoir si l'utilisation de cette simulation a permis à nos élèves d'appréhender correctement ce modèle et si ce mode d'enseignement emporte l'adhésion de ceux-ci.

Plusieurs cadres sont proposés aux enseignants, et parmi ceux-ci l'utilisation des TICE, les techniques d'information et de communications. L'ordinateur est alors perçu comme matériel didactique. Les élèves doivent acquérir, outre les connaissances liées au contenu du programme, des compétences liées aux nouvelles technologies de l'information et de la communication. L'Internet, l'automatisation de l'acquisition et du traitement des données expérimentales doivent être utilisés au sein de notre matière à fort caractère expérimental.
On trouve entre autres compétences :
1. Utiliser l'ordinateur pour acquérir des données expérimentales;
2. Utiliser un tableur ou un logiciel dédié au traitement des résultats expérimentaux et les présenter graphiquement;
3. Savoir ce qu'est une simulation et la distinguer clairement des résultats expérimentaux.

Les programmes proposent une série d'activités. Il est intéressant de constater que certaines sont signalées par un astérisque comme permettant de mettre en jeu les technologies de l'information et de la communication.

LES MANUELS SCOLAIRES

En ce qui concerne les manuels scolaires, ces consignes n'ont pas été suivies d'effets immédiats. La plupart du temps, les références à ces nouvelles technologies se résument à des listes d'adresses électroniques classées par thèmes étudiés. C'est bien souvent la seule concession faite à l'introduction de l'outil informatique comme outil pédagogique à part entière. Il est par exemple surprenant de constater que ces manuels incitent le professeur à présenter les modèles moléculaires à l'aide de ballons de baudruche alors qu'il est si facile de trouver des logiciels dédiés à cette partie. On trouve également certaines études d'enregistrements vidéo, censées donner l'impression que les nouvelles technologies sont utilisées au sein de l'Éducation Nationale.
On remarque cependant une exception qui est le manuel de la collection Hatier. Un des thèmes propose par exemple une recherche multimédia sur la pollution. Les élèves sont invités à faire connaissance avec le vocabulaire spécifique du réseau Internet. Ce thème donne également quelques conseils pour constituer un site Internet. Ce type d'activité permet aux élèves d'appréhender de façon différente l'enseignement des sciences physiques.
Mais c'est le CD-ROM qui accompagne le support papier qui distingue particulièrement ce manuel. Cet outil est constitué de façon à ce qu'il n'y ait aucun antagonisme entre les deux supports. Le CD-ROM est un apport qui permet aux élèves d'approfondir certaines connaissances. On y trouve en particulier plusieurs simulations et des vidéos retraçant certaines expériences. Ces simulations permettent aux élèves de se trouver face à des situations sur lesquelles ils peuvent agir, par exemple en modifiant certains paramètres pour en tirer leurs propres conclusions.
Pour le professeur, ce logiciel est agrémenté du logiciel PROFEDIT qui lui permet de créer une collection d'exercices directement accessibles à partir de l'écran de simulation. L'ensemble simulateur et exercices forme un outil pédagogique convaincant.
Les programmes officiels et la façon dont sont proposés les cours sont également agrémentés de différentes informations pédagogiques. L'outil propose des fonctionnalités auxquelles l'enseignant n'avait pas forcément pensé en élaborant sa séance de cours. Chaque nouvelle fonction peut être analysée, utilisée, et oblige donc l'enseignant à réfléchir à sa propre pédagogie. Il y a alors interaction permanente entre les outils proposés et la réflexion didactique.

LES SAVOIR-FAIRE POUR L'ENSEIGNANT

L'outil informatique rebute clairement certains de nos collègues. Il y a la peur de l'outil lui-même, mais également la crainte que pour les élèves, toute phase d'apprentissage par l'ordinateur soit synonyme d'activités ludiques.
On peut pour la première objecter que les didacticiels présentent une interface de plus en plus conviviale. Cette présentation laisse peu de place au blocage, l'utilisateur ne devant bien souvent connaître que quelques icônes pour aborder et utiliser sommairement le didacticiel. L'enseignant est alors bien loin du rôle d'informaticien, ce qui est normal puisque ce n'est pas son travail. Il est plus difficile de trouver une objection raisonnée à la deuxième crainte. Mais si en situation de classe l'apprenant ne fait pas ce qu'il veut, il fait finalement peu. L'utilisation de logiciel peut lui permettre d'apprendre selon ses besoins et selon ses goûts. Et cela est peut-être suffisant pour justifier l'utilisation de l'outil informatique en tant qu'outil didactique.

PROBLEMATIQUE

Dans le contexte de cette étude, nous soulignons l'importance que nous accordons aux principes énoncés par Alain Guillon (1990) et à la théorie constructiviste. L'élève doit construire son propre faisceau de connaissances, et nous nous proposons d'accéder à la réalisation de cette construction en nous appuyant sur une activité d'expérimentation sur modèle. Nous fondons notre travail sur l'hypothèse que la forme essentiellement visuelle de la simulation utilisée permet d'augmenter le nombre d'apprenants sensibles à l'apprentissage du modèle proposé (Treiner, 2000). Nous souhaitons également vérifier qu'elle permet d'ancrer profondément ces nouvelles conceptions en en facilitant la compréhension.
L'intégration du matériel informatique comme outil didactique est une condition sine qua non de la réussite de ce type d'apprentissage. L'apprenant doit pouvoir concentrer ses efforts sur la compréhension de la modélisation proposée et non pas sur l'outil.
La simulation elle-même n'est qu'un outil. Elle s'accompagnera d'un questionnaire destiné aux élèves qui devra entraîner des réponses exploitables. Il s'appuiera sur les principes de la conception constructiviste et nous verrons si l'outil informatique permet à chaque apprenants de construire son savoir en agissant de lui-même face à une situation.
L'analyse des copies permettra de savoir si tous les apprenants ont pu construire de manière autonome certains concepts à propos du comportement des gaz. Nous pratiquerons par la suite une évaluation permettant de vérifier le taux d'acquisition des concepts et la fin de l'acte d'apprentissage. Cette phase prendra la forme d'une évaluation sommative.

LE LOGICIEL

L'activité est construite à partir de l'utilisation d'un logiciel simulant l'agitation des molécules du modèle du gaz parfait.
Cette simulation est disponible sur le CD-ROM fourni avec le manuel de la collection Hatier qui a été cité plus haut. On trouve sur l'écran un volume de gaz parfait, ces particules étant représentées par des points qui s'agitent. L'expérimentateur peut directement modifier le volume grâce au piston, la température avec le thermomètre et la quantité de matière par l'intermédiaire de deux bouteilles. Un cadre contient ces premières informations. Les valeurs des variables d'état (température, pression, volume, quantité de matière) sont lues sur l'écran. On trouve au-dessus de la simulation des icônes permettant d'accéder directement au cours, à une calculatrice et à un tableur. Ce dernier contient une fonction graphique. On peut également afficher une série d'exercices auxquels les élèves peuvent directement accéder.
Il s'agit donc d'un logiciel de simulation qui autorise l'exploration d'un modèle en jouant sur la valeur de plusieurs paramètres, ici la valeur des variables d'état. En reprenant le vocable utilisé par Daniel Beaufils, il s'agit d'un logiciel de type « imagiciel ». Grâce à lui, « l'utilisateur peut modifier la valeur de différents paramètres et observer les conséquences sur l'état ou le comportement du système » (Beaufils, D. 1991, p.220). On est donc loin des logiciels outils de laboratoire qui permettent de transcrire à l'écran une expérience, de procéder immédiatement à une étude de représentations graphiques et à l'élaboration de méthodes calculatoires.
J. F. Le Maréchal, qui a participé à l'élaboration de cette simulation, nous l'a présenté comme un outil et non comme une situation de travail. Il y a donc lieu de fournir aux élèves un questionnaire pour construire une situation d'apprentissage complète. L'initiative de la situation est ainsi laissée à l'appréciation pédagogique de l'enseignant.
Les intentions pédagogiques qui ont présidé à l'élaboration de cette simulation étaient de plusieurs ordres. En ce qui concerne les variables d'état, il s'agissait de les mettre en scène en montrant que la variation d'une des grandeurs impose obligatoirement la modification d'au moins une autre. Il s'agissait également de présenter sans aucune ambiguïté plusieurs phénomènes. Visuellement, la représentation du niveau microscopique est faite par les points qui s'agitent et celle du niveau macroscopique par la mise en évidence de la variation des différentes grandeurs d'état. Le registre symbolique était également présenté par le symbole n. Enfin, le logiciel cherchait à montrer aux élèves la relation entre le niveau microscopique et le niveau macroscopique.
La simulation proposée fournit aux élèves un environnement qui permet à chacun d'eux d'exercer un esprit d'analyse, dégagés de toutes contraintes matérielles. Elle permet une expérimentation au sens élargi, puisqu'il permet d'accéder à ce qui se passe à l'échelle microscopique

ANALYSE A PRIORI DE LA SÉQUENCE

LES CONNAISSANCES DES ÉLÈVES

Un des objectifs de la partie « L'air qui nous entoure » est « d'illustrer l'existence de plusieurs niveaux d'appréhension du monde actuel, le macroscopique et le microscopique » (Bulletin Officiel hors série, 1999). On accède au niveau microscopique de la matière en décrivant le comportement des particules d'un gaz. Puis on introduit les variables d'état pour décrire le gaz au niveau macroscopique. L'étude spécifique de la force pressante et de l'agitation thermique permettra de relier ces deux niveaux en explicitant les termes de température absolue et de pression.
Nous avions pratiqué avant cette séance une première phase d'apprentissage. Nous avions alors cherché à construire une pré-modélisation avec les élèves. Notre volonté était de réaliser la dévolution de la situation sans procéder à une expérience de monstration.

LE QUESTIONNAIRE

Question n° 1 : Expliquez l'objet de la simulation. Utilisez la pour donner une description microscopique d'un gaz. Décrire précisément le mouvement des particules de ce gaz.

Question n° 2. Dressez la liste des différentes variables macroscopiques. Pourquoi utilise-t-on de telles variables ?

Question n° 3 : Explicitez les liens entre les différentes variables, c'est à dire trouvez quelles sont les variables qui dépendent les unes des autres dans cette simulation et expliquez comment elles évoluent les unes par rapport aux autres. Pouvez-vous agir sur toutes ces variables ? Qu'en pensez-vous ?

Question n° 4 : L'une de ces variables permet de modifier le comportement des particules du gaz. Quel est ce paramètre et de quelle façon ces modifications changent-elles le mouvement des particules ?

Question n° 5 : En utilisant votre observation et la notion de force pressante, expliquez d'un point de vue microscopique l'évolution de la pression avec la température.

Question n° 6 : cherchez dans le logiciel la loi de Boyle-Mariotte. Résumez les conditions expérimentales qui ont permis de la déterminer (méthode, unités utilisées). Analysez soigneusement ce qui se passe au niveau de chaque variable. En manipulant les différentes variables accessibles par le simulateur, vérifiez par deux méthodes cette loi. Vous donnerez dans un tableau vos valeurs expérimentales (5 couples de valeur) ainsi que les valeurs choisies de n et de T.

Question n° 7 : La simulation que vous utilisez permet de travailler sur un modèle de gaz particulier. Quel est ce modèle ? Montrez que le produit PV dépend de la température. Exprimez de façon littérale la relation existant entre les variables P, V et T vérifiée par le modèle considéré.

BILAN

Cette séance est construite de façon à ce que chaque élève puisse tester et vérifier le modèle hypothétique construit lors de la séance de pré-modélisation.
La première question recherche la découverte du modèle. Les questions n° 2, 3 et 4 constituent différentes activités ayant pour but de renforcer leurs connaissances. Nous cherchons à ce que les élèves puissent s'entraîner à utiliser le modèle.
La question n° 5 a été construite en reprenant l'exemple de Guy Robardett. Il s'agit de mettre en évidence de façon explicite les propriétés d'outil du modèle. L'élève doit pouvoir vérifier par lui-même le pouvoir explicatif du modèle utilisé et comprendre qu'il permet d'interpréter la réalité.
Les deux dernières questions doivent permettre de retrouver certaines lois concernant les variables macroscopiques. C'est l'utilisation de la simulation après sa découverte. Elles doivent également permettre de gérer l'hétérogénéité de la classe.

L'AVIS DES ÉLÈVES

En nous inspirant du travail réalisé par M. Giardina (1999), nous avons proposé un questionnaire à l'ensemble des élèves afin de quantifier l'impression générale de cette séance de travail. Nous indiquons entre parenthèses le nombre de réponses obtenues pour les différentes questions.
Vingt-neuf questionnaires nous ont été retourné. Il est apparu que tous sans exception étaient satisfaits ou très satisfaits par cette séance de travail. Les élèves ont en particulier apprécié la liberté et le contrôle qu'ils possédaient (24), ainsi que l'apprentissage par l'image (26). La présentation du logiciel (23) et sa clarté (26) ont également été largement mises en avant. Vingt-trois ont également apprécié l'impression de découverte, ainsi que la possibilité d'exploration du CD-ROM complet.
En ce qui concerne leur travail, la majorité des élèves (25) a le sentiment d'avoir appris, et ceci plus facilement que lors d'une séance de cours sur support papier (24). Cependant, la possibilité de travailler à leur rythme a gêné 3 élèves qui ont eu le sentiment de perdre du temps sur des parties considérées comme non importantes. Enfin, ce travail a permis à certains élèves (18) de se sentir plus en confiance que d'habitude, et 21 ont été incité à travailler de façon plus intensive. Ce sont ces mêmes élèves qui pensent que la simulation a stimulé leurs réflexions. On peut cependant regretter que ce type d'apprentissage n'ait représenté un défi que pour 7 élèves.
Pour l'interaction entre le système et le professeur, 16 élèves ont jugé la présence de l'enseignant indispensable et 12 celle du questionnaire. Cependant, il n'y a que 3 élèves qui auraient souhaité disposer du questionnaire pour se trouver livrés à eux-mêmes.
L'impression générale semble donc bonne. Nous remarquons cependant que certains élèves (5) ont spontanément précisé qu'ils souhaitaient continuer à faire des manipulations. Ce besoin de contacts avec les objets nous rappelle que chaque outil didactique doit être choisi avec le plus grand soin pour correspondre à l'attente de la majorité des apprenants auxquels il s'adresse. L'alternance des méthodes semble obligatoire pour que chacune puissent trouver sa place dans le parcours de construction des connaissances.

L'ÉVALUATION

Nous présentons maintenant la dernière phase de notre recherche. Nous précisons que cette évaluation est à analyser avec toutes les restrictions dues à la situation d'étude. Nous ne pouvons en effet pas comparer l'apprentissage réalisé grâce à cette simulation avec un apprentissage classique puisse que nous n'avons qu'une classe de seconde. Ces résultats sont donc juste une photographie représentant une seule classe et n'ont pas d'autre ambition que d'effectuer une comparaison avec les résultats obtenus habituellement par nos élèves.
Cette évaluation va cependant nous permettre de vérifier une des questions soulevées dans notre problématique. Chaque élève a passé prés de 80 minutes devant la simulation. Leur mémoire visuelle a donc été fortement mise à contribution durant cette période. Le mouvement des molécules, l'effet de la température et du volume sur le mouvement des particules sont très visuelles au sein de la simulation. Nous avons posé presque 3 semaines après l'étude de la situation un exercice dont les questions portaient directement sur cette simulation.
Nous avons constaté que l'activité était fortement ancrée dans l'esprit de nos élèves. Nous avons en effet retrouvé les mêmes caractéristiques que lors de la correction des comptes-rendus. Quatre-vingts pour cent des élèves ont donné une description très correcte du mouvement des molécules mais seulement 20% a tenu compte des corrections et a indiqué les changements de vitesse induit par les chocs. Tous les élèves ont indiqué les quatre variables d'état et ont précisé que l'augmentation de la température permettait d'augmenter la vitesse des particules. Nous avons noté une progression intéressant au niveau de leur utilisation puisque 75 % des élèves ont précisé qu'elles étaient utilisées pour décrire le gaz à l'échelle macroscopique. L'explication au niveau microscopique de l'augmentation de la pression avec la température a été correctement expliquée par 40 % des élèves. Cette notion avait pourtant été revue en cours.
Nous constatons, et avec toutes les restrictions soulevées ci-dessus, que l'apprentissage du mouvement des molécules a été mieux réalisé que d'habitude. Surtout, les réponses de nos élèves dénotaient une plus grande sûreté et étaient mieux exprimé qu'habituellement.

CONCLUSION

Nous avons effectué la semaine suivante une deuxième séance de travaux pratiques portant sur le même thème. Nos élèves avaient cette fois la possibilité de vérifier la loi de Boyle-Mariotte grâce à un dispositif expérimental constitué d'une seringue et d'un capteur de pression. Ils devaient également retrouver la loi mathématique régissant l'évolution de la pression avec la température en utilisant de nouveau le simulateur pour déterminer les valeurs expérimentales.
Cette deuxième séance a été l'occasion pour nous de constater que les savoir-faire liés à l'utilisation du logiciel avaient été correctement assimilés par la majorité de nos élèves.
Elle nous a également permis de revenir sur la précision des résultats obtenus au cours des deux séances. Il nous apparaît important que les élèves comprennent que la simulation ne permet pas de vérifier une loi puisqu'elle ne fait que restituer le modèle introduit. Nous leur avons donc indiqué que l'objectif majeur de cette séance était qu'ils construisent leurs savoirs concernant le comportement des molécules du gaz parfait.
L'évaluation pratiquée a montré de nets progrès dans l'assimilation des modèles par rapport à des situations comme l'apprentissage des interactions et des forces où nous n'avions pas utilisé l'outil informatique. Nous nous interrogeons cependant sur l'opportunité qu'il y aurait eu à présenter une situation dans laquelle le modèle ne fonctionnerait pas. En effet, la construction même d'un modèle est liée à un domaine expérimental bien délimité. Nos élèves auraient alors pu percevoir la nécessité de progresser sans cesse d'un modèle à un autre pour différents niveaux de connaissances. L'activité proposée relevait simplement d'une phase d'appropriation du modèle pendant laquelle l'esprit critique de nos élèves n'était pas mis en jeu.
La progression intellectuelle d'un modèle à un autre constituera de toute façon l'apprentissage futur de nos élèves, et cette acquisition fera alors peut-être de nouveau appel à l'informatique.
En tout état de cause, la simulation informatique ne constitue pas une substitution aux activités sur les objets et les instruments. Mais l'enseignant doit adapter en permanence ses objectifs pédagogiques à l'utilisation d'outils appropriés. Et si cet objectif est l'apprentissage d'un modèle, alors l'utilisation de logiciels de simulation où l'élève peut manipuler directement le modèle paraît être une solution intéressante.