Aider les élèves à mieux modéliser les montages électriques sous forme de schéma et inversement

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.

1. 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.

2. 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.

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.