Utiliser une simulation PhET pour consolider le modèle circulatoire du courant

Projet v5 - version finale

Projet MiTIC

PhET et le modèle circulatoire du courant

Branche : Physique

Ordre d’enseignement : CO

Degré : 10^e profil S

Sujet : Electricité

Artefact : Simulation PhET sur le circuit électrique

https://phet.colorado.edu/fr/simulation/legacy/circuit-construction-kit-ac-virtual-lab

Définition

Dans le cadre de ce projet, « comprendre et utiliser un modèle » signifie savoir faire référence à un modèle pour pouvoir faire des prédictions dans une situation connue ou un peu plus complexe.

Problématique

Une des difficultés principales de l’étude de l’électricité dans le programme de 10^e en physique est qu’on étudie l’électricité comme phénomène macroscopique résultant du déplacement de « particules électriques » microscopiques et invisibles. Ce concept est fondamentalement abstrait, et ce manque de lien possible avec la vie quotidienne représente un obstacle à l’apprentissage et donc à la motivation des élèves.

Comment l’’utilisation d’un artefact peut-il aider l’élève à mieux comprendre et utiliser un modèle pour faire des prédictions ?

Sous quelles conditions est-ce que l’illustration d’un phénomène microscopique par un artefact interactif peut aider l’élève à comprendre, connaître et appliquer un modèle ?

Objectifs

Les élèves doivent savoir…

• utiliser le modèle circulatoire du courant et la loi des nœuds pour faire des prévisions

• utiliser le comportement des particules électriques pour expliquer la loi des nœuds (faire le lien entre le micro- et le macro- scopique)

• expliquer le comportement des particules électriques et prédire leur comportement dans une situation similaire ou plus complexe

• identifier des phénomènes spécifiques :

  • Court-circuit :

    • différencier les cas de CC du générateur et d’un composant

    • comprendre et expliquer le phénomène à l’échelle microscopique

Conjectures

Le fait de voir le comportement des particules électriques et les effets engendrés renforcerait les apprentissages des élèves en leur permettant de visualiser quelque chose d’autrement invisible. Le fait de voir le même phénomène de plusieurs manières différentes (schéma, montage expérimental et simulation) est un bon exemple de dual coding.

CJ1 : Conjecture modifiée

L’usage guidé de l’artefact permet aux élèves d’utiliser un modèle microscopique pour pouvoir faire des prédictions macroscopiques.

Observable : Prédictions des élèves et références au phénomène microscopique dans la justification de la prédiction.

CJ1’ : Nouvelle conjecture.

L’utilisation de l’artefact permet une représentation supplémentaire du courant et des particules électriques et donc une meilleure visualisation du phénomène microscopique par les élèves.

Observable : Explication par écrit de ce qui se passe à l’échelle microscopique.

Réponses au questionnaire final.

CJ2 : Abandonnée par manque de temps : le projet aurait dû être effectué sur plusieurs leçons, ce qui n’était pas possible cette année.

CJ3 : Conjecture modifiée.

L’utilisation de l’artefact permet de visualiser certains phénomènes (court-circuit).

Observable : Explications de ce qui se passe au niveau microscopique grâce à l’artefact. Sauvegarde des simulations des élèves.

CJ4 : Conjecture modifiée.

L’artefact permet un travail individuel impossible expérimentalement par manque de matériel, il permet donc un meilleur apprentissage des élèves par travail individuel.

Observable : Exercices relevés, sauvegarde des simulations.

CJ5 : Nouvelle conjecture.

L’utilisation d’un artefact a un effet positif sur la motivation des élèves.

Observable : Questionnaire de type Lickert à la fin de la séance, avec justification.

Design

Utiliser une simulation PhET[1] « Circuit Construction Kit : DC » après un travail pratique où les élèves auront dû découvrir par eux-mêmes une des lois du modèle circulatoire du courant dans un circuit continue simple afin de renforcer leur apprentissage.

Semaine n : Activité pratique par groupe où les élèves mettent en évidence une des lois de l’électricité dans un circuit électrique (loi des nœuds, constance du courant, court-circuit…). En devoir : exercices qui seront relevés.

Semaine n+1 : En salle informatique, d’abord individuellement puis en binômes, les élèves effectuent un travail sur la simulation PhET, avec un dossier de questions et d’instructions qui sera relevé.

Observables

Dossier personnel rendu à la fin de la séance (voir annexes).

Questionnaire de type Lickert (6 points) avec justification. Voir annexes.

Résultats

CJ1

Sur 12 élèves…

4/12: Prédiction correcte et référence au microscopique

3/12: Pas fait de prédiction

3/12: Prédiction correcte et référence au cours précédent

2/12: Prédiction fausse et justification contradictoire avec l’observation microscopique

Voici deux réponses particulièrement intéressantes d’élèves :

On constate donc que l’effet recherché est bien atteint chez certains élèves. Seuls 40% des élèves ont fait référence au phénomène microscopique. L’idéal serait de pouvoir multiplier les aller-retours entre la simulation et les prédictions dans différentes situations tout en restant dans la zone proximale de développement, mais dans le cas étudié (qualitatif), il est difficile de le faire. Deux questions de prédictions étaient sensées suivre, mais suite à une mauvaise formulation, très peu d’élèves ont fait une prédiction lorsque demandé.

Cependant, on peut remarquer que 25% des élèves n’ont pas fait de prédiction et sont passés directement à la vérification avec les appareils de mesure. En général, les prédictions sont demandées régulièrement en cours de physique, mais l’enseignant insiste toujours bien sur cette question, afin d’éviter que les élèves passent à côté de cette questions particulièrement important pour tester la compréhension d’un modèle. Il est probable que la substitution de l’enseignant par le cyber-enseignant soit une raison de cette proportion plus importante que d’habitude d’erreur de compréhension de la question.

CJ1’

Les élèves comprennent tous facilement que les boules bleues représentent les particules électriques (12/12 répondent correctement à la question). Lorsqu’on leur demande de décrire ce qui se passe au nœud d’entrée du circuit (question 2.3) :

· 7/12 répondent : « Une fois sur deux les particules vont en bas ou à gauche »

· 4/12 répondent : « Le courant se divise en deux »

· 1/12 répond : « Les particules entrent une par une »

Plus de la moitié ont réutilisé l’observation de la question précédente en parlant explicitement de particules électriques, et les suivants ont une réponse correcte, sans spécifiquement y faire référence.

De plus, dans le questionnaire final, de nombreux élèves mentionnent que le fait de pouvoir visualiser les particules électriques et leurs mouvements leur ont été utile.

Figure 1 : Réponses des élèves aux questions 4 et 5 du questionnaire final de l'activité, par nombre d’élèves ayant donné la réponse.

Exemples de justifications des élèves :

Question 4 – Cette activité m’a permis de mieux comprendre le sujet du cours.

• « Une image visuelle c’est toujours mieux »

• « On arrive mieux à visualiser sur l’ordi les particules électriques »

• « Pour être sûr »

  • « Je comprenais pas l’ampèremètre »

Question 5 – Cette visualisation des particules électriques m’a permis de mieux comprendre les circuits électriques.

• « J’ai compris qu’elles (particules électriques) se séparent en 2 au nœud d’entrée »

• « Parce qu’on peut mieux voir et comprendre les particules »

• « On voit mieux où elles (particules électriques) vont »

• « De se rendre compte qu’elles existent et de voir comment elles bougent c’est intéressant »

• « Même chose qu’avant »

CJ3

Une grande majorité (11/12) élèves ont proposé une simulation correcte de court-circuit. De plus, les descriptions des phénomènes sont généralement bonnes et mentionnent le risque d’incendie (la pile prend feu dans l’artefact) :

• « Le générateur brûle et aucune lampe s’allume. »

• « La pile prend feu. »

• « Le générateur brûle et les particules électriques vont à toute vitesse. »

La conjecture est donc bien vérifiée.

CJ4

Il a été demandé aux élèves de faire de reproduire grâce à l’artefact certaines simulations particulières, risquées à reproduire expérimentalement – principalement des courts-circuits. Le fait de sauvegarder les simulations permet d’effectuer un suivit comparable à celui faisable en classe mais impossible par manque de matériel. Par manque de temps, le suivit concret n’a pas été effectué.

Malgré cela, voici un exemple d’élève ayant mal comprit la notion de court-circuit :

Alors qu’on demandait un court-circuit de la lampe de droite, il a effectué un court-circuit du générateur.

La conjecture est donc vérifiée, il serait possible de le faire.

CJ5

Notre questionnaire final nous permet d’avoir un bref aperçu de l’intérêt des élèves pour cette séance particulière. Nous sommes bien conscients qu’il ne s’agit pas là d’un questionnaire validé par la recherche pour mesurer la motivation, ni d’une étude sur l’impact sur la motivation à long terme, mais il donne néanmoins le ressenti des élèves à l’issu de cette activité. Voici les résultats :

On constate que leur intérêt est certain. Ce qui est confirmé par les justifications à plusieurs questions :

Si cet impact était attendu, la question de la – ou les – raisons de cet impact ne sont pas connues. Ce pourrait être le simple fait de changer de cadre, les possibilités qu’offrent l’artefact, le fait de mieux comprendre grâce à cet artefact en particulier, le fait de mieux comprendre grâce à une illustration du phénomène. La question de la durée de cet effet n’est pas dans le cadre de cette conjecture ni de ce travail. Nous pouvons néanmoins affirmer que cette activité à eu un impact sur la motivation ponctuelle et à court terme des élèves.

Conclusion

Globalement, les conjectures ont été vérifiées. Un travail d’une envergure bien supérieure serait nécessaire pour permettre un approfondissement des effets de l’utilisation d’un artefact tel que celui-ci et une étude plus sérieuse de leurs conséquences. Revenons néanmoins sur quelques points importants.

Tout d’abord, observons les résultats globaux du questionnaire rempli par les élèves à la fin de la séance :

Les réponses allant de 1 (totalement en désaccord) à 6 (totalement d’accord). On voit clairement que les élèves jugent que cette activité leur a été utile : tant sur le plan de leur motivation que sur la compréhension du sujet.

L’étude des dossier remplis révèlent plusieurs éléments importants. Tout d’abord l’absence plus marquée de l’enseignant combiné à une formulation imprécise de certaines questions ont rendu inutile une partie des questions, les élèves n’ayant pas compris qu’ils devaient réaliser une prédiction. Une meilleure préparation des élèves quant au rôle et à l’importance des prédictions permettrait de limiter ces risques, mais la peur de se tromper est encore bien encrée dans l’esprit des élèves. Une meilleure formulation des documents de travail st aussi nécessaire, mais ce serait le cas de n’importe quelle activité effectuée pour la première fois.

Ce projet se limitait à étudier un aspect quantitatif du courant électrique, ce qui limitait grandement le nombre d’aller-retours possibles si l’on désirait rester dans la profondeur étudiée au cycle d’orientation. Le fait de limiter ce nombre d’aller-retour limite également le potentiel d’utilisation de l’artefact. Il serait donc intéressant d’étudier les possibilités qu’il offrirait dans le cadre de cours plus avancés sur l’électricité.

Les élèves sont cependant très bien entrés dans la tâche. La promesse de les laisser donner libre cours à leur imagination avec l’artefact une fois le dossier rendu les a incités à s’investir, tout en n’ayant pas d’impact négatif sur la qualité de leurs productions – dont l’enseignant était tout à fait satisfait.

L’utilisation d’artefact permettant une simulation comportent aussi un autre risque – celui des limites de la simulation. Si ce qu’elle a en commun avec la réalité est assez évident, le risque est que l’élève explore les possibilités de l’artefact jusqu’à en atteindre les limites, et qu’il se construise à ce moment là des conceptions erronées de la réalité.

Commentaire du CE 13 I 18

Votre projet est prometteur : il vaut la peine de l'élaborer un peu plus précisément pour en maximiser les effets positifs ( pour les apprentissages des élèves mais surtout pour développer votre compétence à intéger les MiTI. Feu Orange

Objectifs :

Assez bien définis.

Peut-être clarifier : identifier des phénomènes spécifiques (court-circuit, boucle de courant) -> savoir les repérer dans un circuit ou (et) savoir les nommer ? Ou savoir expliquer ce qui s'y passe ?

C'est difficile de juger: il faut décrire les consignes de guidage dans les activités / prédictions "allers-retour" est important : tout se joue là : il faut définir ce que vous allez guider / ce que vous allez laisser trouver. Idem pour les observables à définir précisément et ce que vous mettez en place pour les obtenir.

Il faut avoir très clairement préparé les consignes pour les élèves avant la leçon. Et les décrire en termes généraux ici à l'avance.

La QdR pourrait être explicitée : Clarifiez qu'il s'agit d'optimiser des CJ plutot que de les vérifier "permet aux "-> Quel usage permet ... ou comment optimiser l'usage de ... ou comment mettre les élèves en activité avec l'artefact … ou comment organiser la leçon pour que les activités - cognitives - des élèves permettent de ...

CJ4 : La multiplication des essais (aller-retours entre schéma électrique et montage électrique) permet de faciliter le passage entre le schéma électrique et le montage du circuit. -> peut-être clarifier "le passage" ... ils devraient pouvoir utiliser un modèle développé avec la simulation pour réaliser le montage ? Du coup il y a deux CJ ... qui pourraient devenir des sous-CJ à d'autres plus haut. Cela simplifierait.

a) les allers-retours (bien organisés) développent un modèle

b) qu'ils sauront utiliser pour réaliser un montage en //comprenant// ce qu'ils font ( ils savent prédire quel effet aura le placement d'un fil / d'une ampoule etc ) ( cela distingue d'une simple procédure de montage genre mode d'emploi IKEA ...)

-> cela met en évidence des observables : ils savent justifier pk ils ont mis cet élément, ils savent dire/ écrire ce qui se passe si on le mettait ainsi etc.

je me réjouis de voir ce que vous avez pu développer

Commentaire AC 14 I 18

CJ1, l'avantage de la simulation choisie est d'ouvrir le champ lexical des élèves, donc du vocabulaire il y aura... Dans quelle mesure ne pourrait-on pas déjà un peu "encadrer" l'expression des explications et proposant des mots et expressions dans lesquels puiser ?

CJ2-3-4 Choix de l'artefact. Il serait intéressant de considérer l'ancienne version JAVA de cette simulation, qui est encore disponible en français. En effet, contrairement à la version html, la version JAVA permet de sauvegarder des montages et de charger des montages tout fait.

Cela peut vous permettre de fournir à vos élèves des situations que vous aurez spécifiquement construit ( un gain de temps précieux si on veut proposer aux élèves d'explorer un nombre élevé d'exemples) par ex ci-dessous l'exemple test2 que vous pouvez essayer de charger.

Par contre, la version JAVA n'intègre pas d'outil de capture d'écran. Il faut alors utiliser la ressource de l'ordinateur.

Documents disponibles:

Projet Mitic

Activité élève

Présentation final