Aider les élèves à mieux modéliser les montages électriques sous forme de schéma et inversemen
Simulations & schémas de circuits électriques
Contexte :
Regroupement : Secondaire I
Degré : 10LS
Thématique : Circuits électriques
Objectif : Aider les élèves à mieux modéliser les montages électriques sous forme de schéma et inversement
Particularités : L’activité ayant dû se dérouler dans le cadre de l’école en ligne, c’est cette variante qui est proposée ici.
Problématique :
Dans le chapitre de l’électricité, on utiliser beaucoup de schémas de circuits électriques, mais ces schémas sont tous très ressemblants, bien que l’on puisse faire différents schémas pour modéliser le même circuit électrique. Il en va de même pour les circuits réalisés par les élèves, l’enseignant choisit en avant le matériel à disposition des élèves, très souvent avec des fils de même longueur et de même couleur.
Les élèves peuvent alors penser que la couleur des fils, leur longueur, ou même simplement l’endroit où un support de lampe est positionné (sans en changer son branchement) peuvent influer sur le fonctionnement d’un circuit électrique.
Nous avons alors pensé à l’utilisation d’une simulation de circuits électriques afin de remédier à ce biais. La simulation permet de mieux observer le fonctionnement d’un circuit électrique entre autres en offrant la possibilité de visualiser le mouvement des charges.
Nous nous demandons donc Comment l'utilisation de simulations permet-elle aux élèves de voir la structure fonctionnelle d'un circuit électrique indépendamment des parcours très variés des fils et des composants ?
Conjectures :
L’utilisation de l’artefact ne doit pas remplacer les activités pratiques, mais simplement être utilisée en plus afin d’offrir un outil supplémentaire pour la compréhension des élèves. L’activité présentée se situe donc environ en milieu de chapitre, moment auquel les élèves ont déjà tous déjà manipulé tous les éléments qui y sont repris, et ont déjà tous réalisé plusieurs types de circuits différents.
Comme nous pensons que l’artefact va permettre aux élèves d’avoir une meilleure compréhension de la structure fonctionnelle des circuits électriques, nous nous en servons comme d’un pont entre le schéma du circuit et le circuit « réel ». Ainsi, nous formulons les conjectures suivantes :
En passant de photos de circuits électriques à la simulation de circuits, les élèves verront que certains éléments de circuit (tels que le nombre, l’allure et la longueur des fils) peuvent être simplifiés dans la simulation.
En passant de schémas de circuits électriques à la simulation de circuits, les élèves verront que certains éléments du schéma (tels l’allure des connecteurs ou la position des nœuds) peuvent prendre diverses formes dans la simulation.
Sur la base des expériences précédentes, on s'attend à ce que les élèves soient capables de représenter un circuit en utilisant un formalisme propre à l'électricité.
Artefact choisi :
En classe, nous avions tous les trois l’habitude de nous servir du kit de construction de circuit proposé par le site PhET. C’est un artefact facile à manipuler, et que nos élèvent nous ont tous déjà vu manipuler au beamer, ce qui rend la prise en main de l’artefact encore plus aisée. C’est pour cela que nous nous sommes donc tournés vers le :
Phet simulation – kit de construction de circuit CC
Avantages : facile d’utilisation, liberté, visualisation du fonctionnement du circuit, à mi-chemin entre le schéma et la réalité, les élèves y sont déjà habitués.
Inconvénients : trop grande liberté (nécessite guidage), à mi-chemin entre le schéma et la réalité (peut être perturbant et mener à des confusions)
Déroulement :
L’activité se déroule sur une plateforme en ligne, dans notre cas nous avons utilisé Moodle et Classroom (les élèves de nos différents établissements ne travaillant pas sur la même plateforme)
Avant l'activité :
Lecture du document sur l’utilisation de l’artefact, « Guide_phet_electro.pdf »
Les élèves effectuent ensuite le pré-test :
Ils doivent passer de photos à des schémas
Les élèves ont des photos et des schémas de circuits à disposition
Ils font les liaisons entre les photos et les schémas correspondants
Les élèves ont 9 photos de circuits, ainsi que trois schémas de circuits. Ils doivent choisir, pour chaque photo, par lequel des trois schémas présentés elle peut être représentée. Les élèves ont également l’option « autre schéma » à disposition, cependant tous les circuits représentés correspondent chacun à un des trois schémas. Cette étape est une première observable qui permet de voir les capacités de modélisations des élèves, on s’attend à observer beaucoup de choix « autre schéma » lorsque les élèves ont un doute comme ils ne sont pas habitués à voir différentes configurations pour un même schéma.
Présentation du questionnaire sur Moodle
Pendant l'activité :
Les parties mises entre parenthèses font référence au document « TP_simulation.pdf »
(Partie 1) Utilisation de l’artefact par les élèves
Les élèves passent de photos à la simulation
Les élèves ont 2 photos de circuits (qui étaient présents dans le pré-test et qui sont identiques en fonctionnement) à disposition
Ils réalisent les simulations
Ils réfléchissent aux ressemblances et différences entre les deux simulations
Ils prennent des captures d’écran de chaque simulation
Cette partie a pour but de montrer aux élèves que deux circuits différents en apparence peuvent avoir le même fonctionnement.
(Partie 2) Utilisation de l’artefact par les élèves
Les élèves passent de photos à la simulation
Les élèves ont 3 photos de circuits (qui étaient présents dans le pré-test et qui sont identiques en fonctionnement) à disposition
Ils émettent une hypothèse quant au fonctionnement des circuits
Ils réalisent les simulations
Ils confrontent les résultats à l'hypothèse de départ
Ils concluent et justifient leur conclusion
Ils prennent des captures d'écran de chaque simulation
Cette partie est proche de la partie 1, avec une hypothèse à émettre en plus afin d’inviter les élèves à essayer de transposer ce qui a été vu lors de la partie 1.
(Partie 3) Utilisation de l’artefact par les élèves
Les élèves passent de schémas à la simulation
Les élèves ont 3 schémas de circuits à disposition
Ils réalisent les simulations
Ils prennent des captures d’écran de chaque simulation
Ils réfléchissent aux ressemblances et différentes entre les deux simulations
Cette partie a pour but de montrer aux élèves que des schémas de circuits différents en apparence peuvent avoir le même fonctionnement.
Après l'activité :
Les élèves effectuent le post-test, qui est identique au prétest. Il s’agit de notre deuxième observable, qui permet d’analyser la progression des élèves grâce à l’activité. On s’attend à moins d’erreurs de la part des élèves, principalement avec moins d’élèves qui choisissent « autre schéma » en cas de doute.
Détail des observables :
Nous nous basons sur les captures d’écrans ainsi que les réponses faites aux questions de la fiche élève afin de vérifier nos conjectures 1 et 2.
Nous comparons les résultats du pré-test et du post-test ainsi que des réponses aux questions concernant le formalisme afin de vérifier notre conjecture 3
Résultats :
Conjectures 1 & 2 :
En passant de photos de circuits électriques à la simulation de circuits, les élèves verront que certains éléments de circuit (tels que le nombre, l’allure et la longueur des fils) peuvent être simplifiés dans la simulation.
En passant de schémas de circuits électriques à la simulation de circuits, les élèves verront que certains éléments du schéma (tels l’allure des connecteurs ou la position des nœuds) peuvent prendre diverses formes dans la simulation.
Observations :
Les élèves sont capables de déterminer que des circuits sont semblables malgré une apparence différente
Malgré cette première observation, plusieurs élèves créent des simulations qui ressemblent le plus possible à l'image ou au schéma
Traces des élèves concernant la conjecture 1
Traces des élèves concernant la conjecture 2
Conjecture 3 :
3. Sur la base des expériences précédentes, on s'attend à ce que les élèves soient capables de représenter un circuit en utilisant un formalisme propre à l'électricité.
Observations :
Les élèves ont amélioré leur score
Pour déterminer si des circuits sont identiques, certains élèves se basent sur la brillance des lampes, et non sur le schéma lui-même
Certaines notions de formulation ne sont pas acquises
Comparaison des résultats pré/post test
On voit que 12 élèves sur 16 (75%) ont amélioré leur score. On peut émettre deux hypothèses suite à ces résultats :
L'activité leur a été bénéfique, les élèves ont affinés leurs connaissances grâce à l’artefact
Comme les élèves ont passé plusieurs semaines sans voir de vrais circuits électriques, l’activité a juste réactivé certaines connaissances qui leur ont donné de meilleurs résultats
Comparaison pré/post test du nombre de fois où les élèves ont répondu "autre schéma"
On remarque une diminution de nombre de réponses "autre schéma" : 27 réponses "autre schéma" au pré-test contre 17 au post-test
Révision des conjectures :
En passant de photos de circuits électriques à la simulation de circuits, et en essayant de modifier les circuits par déplacement des éléments, les élèves verront que certains éléments de circuit (tels que le nombre, l’allure et la longueur des fils) peuvent être simplifiés dans la simulation.
En passant de schémas de circuits électriques à la simulation de circuits, et en essayant de modifier les circuits par déplacement des éléments, les élèves verront que certains éléments du schéma (tels l’allure des connecteurs ou la position des nœuds) peuvent prendre diverses formes dans la simulation.
Sur la base des expériences précédentes, on s'attend à ce que les élèves soient capables de mieux relier un circuit réel à un schéma qui le modélise. ( "représenter un circuit en utilisant un formalisme propre à l'électricité" ne convenait effectivement pas, on n'a pas demandé aux élèves de concrètement faire des schémas par eux-mêmes, cf. problèmes liés à l'artefact)
Contraintes de la passation de l'activité à distance :
Problèmes généraux :
Tous les élèves n'ont pas fait l'activité en entier
Ce sont généralement les bons élèves qui ont participé
Certains problèmes de consignes auraient pu être réglés en présentiel
Les questions concernant l'utilisation de l'artefact auraient pu être réglées en présentiel
Pas de feedback pour les élèves
Problèmes liés à l’artefact :
En classe, certains élèves ont du mal à comprendre qu’un récepteur n’a que 2 bornes. Il arrive souvent que, dans les schémas électriques, ils essayent de connecter 3 fils à une ampoule (en mettant le récepteur dans le coin d'une boucle de courant). C'est quelque chose qui est "possible" dans la réalité. En effet, grâce aux fils avec des prises banane, les élèves peuvent connecter plusieurs fils aux bornes du support de l'ampoule, mais ils ne sont pas tous directement en contact avec les bornes de l'ampoule. De par son design pour les récepteurs, il n'y a pas de support pour la lampe et les fils sont directement connectés aux bornes, l'artefact peut renforcer cette erreur de compréhension du modèle.
Nos observables ne permettent pas de le déterminer. Cependant, en faisant passer l’activité en classe, c’est quelque chose que l’on peut directement vérifier avec les élèves.
Illustration du problème avec un screenshot de travail d'élève
Problèmes liés à Moodle :
Certains élèves n’ont pas compris comment répondre sur le Moodle, alors qu’ils avaient visiblement compris le fonctionnement d’un circuit électrique. Comme par exemple Mamary, pour qui toutes les simulations sont correctes, les réponses sont données en termes de «série» et «parallèle» ce qui traduit une compréhension profonde des circuits électriques. Cependant, sur Moodle, il n'a réussi qu'à valider l'envoi d'une seule partie du pré-test, le reste étant totalement vide.
Réponses de Mamary
Commentaires des élèves :
« Je pense que la simulation virtuelle m'a un petit peut aidé, car ça aide à mieux comprendre certaines choses et à mieux visualiser. Mais c'est presque pareille que si on les faisaient à la main sur du papier. La différence c'est que sur l'ordinateur ou autres on a juste besoin de placer les objets en les prenant ou il y a écrit ce dont on a besoin et on le pose là ou on en a envie. Alors que quand on les fait à la main, on doit se souvenir du symbole et des règles pour faire les schémas et du coup on les retient mieux. » - Milo
Grâce au feedback de cet élève, on peut avoir une idée plus précise que ce qui est visible dans nos observables quant à nos conjectures :
L’utilisation de cette simulation permet à l’élève de bien faire abstraction des différentes formes d’un circuit ou d’un schéma, et cela sans que l’élève ne s’en rende compte (il dit « Mais c'est presque pareille que si on les faisaient à la main sur du papier »).
Elle ne permet pas d’augmenter la compréhension du phénomène (il dit « les lampes brillent pas pareille »).
Conclusion de l'activité :
Nous pouvons maintenant proposer une réponse à notre problématique, qui était de savoir Comment l'utilisation de simulations permet-elle aux élèves de voir la structure fonctionnelle d'un circuit électrique indépendamment des parcours très variés des fils et des composants ?
On a vu que :
Les élèves sont capables d’identifier des circuits au fonctionnement semblable mais à l’allure différente
L’usage de la simulation leur a permis d’améliorer leurs résultats au test d’appareillement
L’usage de la simulation a diminué le nombre de réponses «autre schéma»
Mais :
L’usage seul de la simulation ne permet pas une acquisition du formalisme sans un guidage adéquat
La simulation a ses propres limites et ne permet pas toujours de différencier le vrai du faux
En plus de ces réponses à notre problématique, nous avons été agréablement surpris de voir comment le fait d'avoir des traces du raisonnement des élèves, grâce aux captures d'écran en cours d'activité, nous a permis d'identifier des fausses conceptions chez les élèves.
Pistes d'amélioration :
Dans un premier temps, nous pouvons noter les points négatifs, quant à la conception de l’activité, que nous avons relevés lors de l’analyse de nos résultats :
L’usage de la simulation a révélé un problème avec les 3 bornes d’une ampoule. Cela peut être facilement évité en réalisant l’activité en classe, mais pour passer l’activité à distance, il faudrait rendre les consignes d’utilisation pour PhET interactives, en proposant des circuits aux élèves puis en leur montrant les corrections. Il faudrait pouvoir faire un feedback individuel pour cela, mais c’est très chronophage à distance.
Les élèves parlent de la brillance des lampes, c’est un outil de la simulation qui n’est pas du tout utilisé par notre activité. En demandant aux élèves de s’intéresser au fonctionnement du circuit, nous n’avons pas été assez précis sur ce que les élèves devaient regarder afin de parler de ce fonctionnement. La liberté offerte par la simulation permet de remettre en question cette conception des élèves en changeant la résistance des lampes. Mais c’est une fonctionnalité supplémentaire à maîtriser et il faut cibler son utilisation de manière individuelle (très bien si on le fait directement avec l’élève en classe, très compliqué à distance).
Nos observables portent uniquement sur de la correspondance schéma/photo et non sur des productions d’élèves. Ce point rejoint le point précédent, les questions de raisonnement posées aux élèves parlaient du fonctionnement. Avec des questions plus ciblées, par exemple en demandant aux élèves de mesurer l’intensité du courant électrique à certains endroits bien précis du circuit, les élèves auraient directement pu voir si les circuits étaient identiques, et donner des réponses plus ciblées.
En nous basant sur la littérature, nous faisons d’abord un premier point sur le feedback. En effet, pour Gredler, un des 4 piliers d‘une bonne simulation est “feedback for participant actions in the form of changes in the problem or situation.” (Gredler, 2004). Dans le cas de cet artefact, en dehors d'un premier feedback sur le fonctionnement du circuit (les ampoules s'allument si les boucles de courant sont correctement faites, le générateur brûle en cas de court-circuit) c’est la présence de l’enseignant qui permet un feedback efficace quant au travail des élèves. En réalisant l’activité en classe, ce feedback peut être réalisé sans toutes les contraintes imposées par l’enseignement à distance. Afin de mettre en place un feedback efficace à distance, l’activité devrait être fractionnée et se dérouler sur plusieurs semaines pour permettre aux élèves d’avoir le temps de faire les différentes parties. Il est ensuite légitime de se demander si le fait de passer près de trois semaines sur cette activité est rentable en terme d’apprentissage des élèves.
REF Gredler, M. (2004). Games and simulations and their relationships to Learning. In D. H. Jonassen (Ed.), Handbook of research for educational communications and technology (2nd edition)., Mahwah (NJ) : Laurence Erlbaum Associates, p. 571-581.
En plus du feedback, le guidage des élèves était absent de notre activité. On peut lire que « Au-delà, et jusqu’aux alentours de 5 ans, le rôle de l’adulte apparaît comme déterminant et le bénéfice au plan cognitif de l’utilisation du simulateur va se réaliser selon le discours plus ou moins conceptualisant associé à la manipulation. Après 5 ans, l’utilisation du simulateur semble bénéfique, quel que soit ce discours, notre hypothèse étant qu’elle ne fait que réactiver et formaliser des connaissances déjà acquises mais non nécessairement conscientisées par l’enfant. » (Bernard & Weil-Barais & Caillot 2006, p.31). La formalisation doit donc toujours être accompagnée par un tutorat, et non uniquement par la simulation. Il serait éventuellement possible de mettre ce tutorat en place, par exemple en fractionnant l’activité et en proposant une réunion aux élèves après chaque partie, mais cela reprend les problèmes évoqués au paragraphe précédent.
Une autre solution pourrait être mise en place, mais uniquement après avoir fait passer plusieurs fois l’activité. Elle consisterait en des fiches, reprenant l’essentiel des résultats de chaque partie mais surtout qui parleraient des erreurs généralement faites, à lire par les élèves à la fin de chaque partie de l’activité, qui se déroulerait en un seul bloc dans cette éventualité. C’est pour réaliser ces fiches que l’activité doit être bien maîtrisée par l’enseignant, afin qu’il puisse bien anticiper les erreurs courantes des élèves.
REF (Bernard, François-Xavier & Weil-Barais, Annick & Caillot, Michel. (2006). Les jeunes enfants peuvent-ils acquérir des connaissances sur le monde physique en utilisant un simulateur ? Aster [ISSN 0297-9373], 2006, N° 43, p. 17. 43. 10.4267/2042/16800.)
Mise en place d'une activité future:
En continuant à travailler sur cette activité dans le futur, nous avons donc plusieurs possibilités de l'améliorer. C'est ces pistes que nous résumons ici afin d'avoir une activité qui, nous l'espérons, serait mieux adaptée aux besoins des élèves afin de mieux s'attribuer les modèles mentaux qui leurs permettront de maîtriser le formalisme de schématisation des circuits électriques.
Pour la mise en forme de l'activité, nous sommes satisfaits des différentes parties proposées actuellement, mais comme nous l'avons dit précédemment, elles ne permettent pas de vérifier la progression au niveau du formalisme de schématisation des circuits électriques. Il serait donc judicieux de séparer le pré-test et les post-test en deux parties, la première partie étant ce qu'il est actuellement. La seconde partie pourrait être à nouveau une présentation de photos de circuits, mais cette fois-ci en demandant aux élèves de faire les schémas des circuits sur un artefact adapté (artefact sur lequel nous n'avons pas encore planché). Par artefact adapté, nous entendons un artefact facile de prise en main, qui respecte les codes du formalisme étudié en suisse (des éléments sont différents selon les pays) et surtout dans lequel il n'est pas possible de placer un récepteur dans le coin d'une boucle de courant, afin de corriger ce problème d'ampoules à trois bornes qui nous a été révélé lors de l'analyse de nos observables.
Si la modification au pré-test proposée au point ci-dessus est appliquée, il faudrait éventuellement modifier certaines parties ou alors en ajouter, afin d'inclure le second artefact dans l'activité et pas uniquement dans les pré/post-tests.
Pour que les élèves vérifient si le fonctionnement des différents circuits est identique, on pourrait rajouter un tableau avec des mesures précises à effectuer avec les appareils virtuels de l'artefact. Cela permettrait aux élèves de vérifier que le fonctionnement des différents circuits est parfaitement identique. L'ajout de ce point ajouterait cependant une contrainte temporelle : L'activité telle que présentée en annexe peut être réalisée en début de chapitre, les élèves doivent seulement avoir vu les règles de schématisation des circuits électriques ainsi qu'avoir du construire certains "vrais" circuits. Avec cette piste, il faudrait que l'étude quantitative des circuits électrique ait déjà été faite (milieu/fin de chapitre), afin que les élèves sachent ce que représentent les valeurs indiquées par les appareils de mesure.
Les point du feedback et du guidage restent encore mystérieux quant aux possibilités d'amélioration, il faudra être patients et voir les différents outils qui seront mis en place dans les années à venir afin de voir comment se les approprier pour un feedback et/ou un guidage efficaces.
On pourrait, dans le cas ou ces pistes sont appliquées, à nouveau reformuler nos conjectures. Les deux premières restent les mêmes que celles qui ont été reformulées précédemment, mais la troisième est légèrement modifiée pour finalement revenir sur sa première version que nous n'avions pas pu vérifier avec notre activité.
En passant de photos de circuits électriques à la simulation de circuits, et en essayant de modifier les circuits par déplacement des éléments, les élèves verront que certains éléments de circuit (tels que le nombre, l’allure et la longueur des fils) peuvent être simplifiés dans la simulation.
En passant de schémas de circuits électriques à la simulation de circuits, et en essayant de modifier les circuits par déplacement des éléments, les élèves verront que certains éléments du schéma (tels l’allure des connecteurs ou la position des nœuds) peuvent prendre diverses formes dans la simulation.
Sur la base des expériences précédentes, on s'attend à ce que les élèves soient capables de représenter un circuit en utilisant un formalisme propre à l'électricité.