Articuler simulation et expérimentation

Travail du groupe Jennifer - Laetitia - Stéphanie - Catherine (session 2012-2013)

La problématique: Comment faire évoluer le modèle mental de l'élève par l'articulation d'artefacts et d'expérimentation réelle ?

Trois conjectures:

1) les élèves comprennent la réalité à partir du moment où ils ont pu la modéliser. Il faut donc organiser les activités afin de faire évoluer les modèles préexistants chez les élèves

2) Les modèles doivent être mis à l'épreuve de la réalité pour permettre à l'élève de faire évoluer son modèle mental.

3) faire l'aller-retour entre le modèle et l'expérimentation favorise la création de liens dans le cerveau de l'élève.

Proposition d'artefact:

Images ou animations, sur un sujet donné, proposées par l'élève pour modéliser une théorie donnée au préalable par l'enseignant.

Déroulement de la séquence:

1) Théorie sur le sujet donnée par l'enseignant, en veillant à ne pas fournir de représentation.

2) Séance en salle d'informatique, les élèves ont pour consigne de trouver une image, un schéma, une animation parmi le pool d’artéfacts proposés par l'enseignante pour modéliser au mieux la théorie. Pour ce faire, ils doivent s'approprier la théorie et répondre à un questionnaire.

3) De retour en classe, ils vont présenter et argumenter leur choix. Celui-ci est soumis au jugement des pairs. Discussion sur la pertinence des différents artéfacts. Choix des 3-4 "meilleurs".

4) Expérimentation, confrontation des d’artéfacts sélectionnés avec la réalité (TP, dissection, ...).

5) Nouvelle discussion sur la pertinence des artéfacts, argumentation et définition de "ce que l'artéfact doit avoir pour leur être utile dans leur apprentissage et leur compréhension".

6) Discussion et approbation par la classe du/des artéfacts de référence pour la classe.

Indices permettant d'évaluer le degré de compréhension des élèves, en lien avec les conjectures posées:

- Les réponses données lors du premier questionnaire donné lors de la séance en salle informatique.

- Le rapport de l'expérience sous forme écrite/dessins observation, permettra d'évaluer l'apport de l'artéfact sur la compréhension de la situation réelle.

NB

Les sujets et objectifs d'apprentissage seront déterminés de manière individuelle en raison de nos programmes divergents.

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Canevas d'identification du scénario pédagogique

Titre: Comment faire évoluer le modèle mental de l'élève par l'articulation d'artefacts (images/animations) et l'expérimentation réelle?

Auteurs: Catherine Veuthey, Jennifer Donzé, Laetitia Cuccuru Biasse, Stéphanie Bocion

Adresses électroniques : catherine.veuthey-hammer@edu.ge.ch, jennifer.donze@edu.ge.ch, laetitia.cuccuru-biasse@edu.ge.ch, stephanie.bocion@edu.ge.ch

Discipline d'enseignement: Biologie

Établissements et degré d'enseignement: Collège Sismondi 2DF, CO Pinchat 10CT, Collège Claparède 2DF, CO Voirets 10LS

Mots clés: modélisation, modèle mental, expérimentation, animation, artefact

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Types et place des MITIC intégrés dans le projet:

Images, animations et/ou simulation présélectionnées par l'enseignant sur un sujet donné, puis choix par l'élève du/des meilleurs pour modéliser une théorie donnée au préalable par l'enseignant.

Objectifs et hypothèses attendus de l'usage de MITIC et justification par rapport aux objectifs didactiques:

Donner aux élèves le moyen de se construire un modèle mental des systèmes travaillés, leur permettant d'en avoir une bonne compréhension tant au niveau anatomique que fonctionnel.

1) les élèves comprennent la réalité à partir du moment où ils ont pu la modéliser. Il faut donc organiser les activités afin de faire évoluer les modèles préexistants chez les élèves

2) Les modèles doivent être mis à l'épreuve de la réalité pour se fixer dans la mémoire de l'élève.

3) faire l'aller-retour entre le modèle et l'expérimentation favorise la création de liens dans le cerveau de l'élève.

Description globale de la séquence, situant l'activité essentielle de l'élève:

Projet Stéphanie et Jennifer

Séquence système circulatoire (coeur):

Public visé: 10e LS et CT

Durée: environ 5x45 minutes

Séquence:

1. Théorie sur le système circulatoire (sang, circulation sanguine)

2. Séance en salle d'informatique. Les élèves se mettent par groupe de deux et vont choisir un artefact parmi 5 à 10 possibles présélectionnés par l'enseignante.

3. Création d'un powerpoint pour argumenter leur choix d’artéfact (powerpoint préconstruit par l'enseignante).

4. Retour en classe, présentation et discussion des artéfacts choisis.

5. Phase de travaux pratiques: dissection d'un coeur par groupe de deux avec production de dessins d'observation.

6. Les élèves vont ensuite répondre à un questionnaire pour évaluer l'utilité de l’artéfact.

Projet Laetitia

Séquence système nerveux:

Public visé: 2DF

Durée: environ 4x45 minutes

Séquence:

1. Théorie sur le système nerveux

   1. Présentation au bimer de différentes manières de représenter le cerveaux

2. Phase de travaux pratiques: dissection d'un encéphale de mouton, observation d'un encéphale humain, d'encéphales de lapin et de coupes de moelle épinière avec production de dessins d'observation.

3. Phase de discussion sur les modèles présentés et sur leur utilité, sur les différences avec leurs observations, sur le fait qu'il n'expliquent pas grand chose sur le fonctionnement.

4. Séance en salle d'informatique. Les élèves vont "expérimenter" sur neurodule le fonctionnement de.

5. Nouvelle phase de discussion pour voir quel artéfact à été le plus utile

Projet Catherine

Séquence système circulatoire (coeur):

Public visé: 2DF

Durée: 3x45 minutes

Séquence:

1. Théorie sur le système circulatoire ( information générale minimale sur le sang et la circulation sanguine)

2. Séance en salle d'informatique. Les élèves se mettent par groupe de deux et vont choisir un à deux artefacts parmi 10 possibles présélectionnés ( voire annexe 4).

3. Réponse à un questionnaire.

4. Phase de travaux pratiques: dissection d'un coeur par groupe de deux.

5. Présentation des artéfacts choisis.

Contraintes et démarches dont il faut tenir compte pour la mise en place des différentes séquences:

• • disponibilité des salles d'informatique

Résultats

Commentaires en lien avec nos conjectures:

Conjecture 1:

Les élèves comprennent la réalité à partir du moment où ils ont pu la modéliser. Il faut donc organiser les activités afin de faire évoluer les modèles préexistants chez les élèves

Grâce aux schémas, les élèves de 2 DF se sont familiarisés avec l'anatomie du cœur, avant de se concentrer dans un deuxième temps sur un artéfact de type animation pour saisir la physiologie.

A l'aide des artéfacts, particulièrement les animations (www.biologieenflash.net et www.edumedia-sciences.com/fr pour les 10e sur le système cardiovasculaire), les élèves comprennent mieux la physiologie du système. Le questionnaire (annexe 1) ainsi que la discussion en classe qui a suivi nous ont permis de faire cette constatation. En effet, les artéfacts leur ont permis de légender le cœur et de remplir le tableau sur les constituants du cœur. Dans ce tableau les élèves devaient donner le nom de différents constituants du cœur ainsi que leur description.

Pour les classes de 2DF du collège, au niveau anatomique, ils avaient à disposition plusieurs modèles représentant les sturctures bien délimitées, les lobes ou encore les aires cérébrales. Lors de la dissection, ils ont été surpris du peu de structures réellement visibles de premier abord, de la consistance qu'ils pensaient plus ferme et au niveau de la moelle épinière, ils la visualisaient comme un "osso bucco". Le fait de pouvoir déterminer "expérimentalement" le potentiel de seuil et d'agir sur les différentes phases du potentiel d'action, grâce à neurodule, les aide à visualiser le système en fonctionnement, avec toutefois une difficulté dans le changement dans les niveaux d'organisation. Cela permet de mettre l'univers de la théorie en lien avec l'univers du "réel".

Le travail sur le choix des artéfacts (comparaison des différents artéfacts) permet une analyse comparative des différents modèles et une meilleure compréhension du système étudié.

Conjectures 2 et 3:

Les modèles doivent être mis à l'épreuve de la réalité pour se fixer dans la mémoire de l'élève.

Faire l'aller-retour entre le modèle et l'expérimentation favorise la création de liens dans le cerveau de l'élève.

Les modèles utilisés, comme le mentionne Martinand (1996), sont pertinents pour certains problèmes dans certains contextes. Nos artéfacts sélectionnés aidaient la compréhension du fonctionnement du système, mais la mise en lien avec l'expérimentation était difficile. Les modèles proposés sont des simplifications de la réalité.

Nous avons remarqué en visualisant les dessins d'observation du cœur faits par nos élèves (annexe 2), que certains d'entre eux avaient bien réussi la transposition entre l'artéfact et la réalité (dessin de C.), tandis que d'autres avaient beaucoup de mal à retrouver les structures vues dans les artéfacts (dessin de A.).

Cependant, l'expérimentation permet aux élèves de se confronter au réel et de se rendre compte que les modèles sont des "canevas qui se substituent à la complexité de la nature" (Giordan, 1991). L'expérimentation permet de rendre authentique le système biologique pour les élèves.

Les questionnaires post-dissection nous ont permis de tester le niveau de compréhension des élèves sur le systèmes étudié. Les résultats de ce questionnaire (annexe 3) nous ont montré que les élèves qui ne s'étaient pas investis lors de la visualisation des artéfacts, avaient eu du mal à transposer les différentes parties du cœur lors de la dissection et avait moins bien réussi dans ce dernier questionnaire qui traite de la compréhension générale du système.

Discussion

Au vu de nos résultats, nous pensons qu'il aurait été pertinent de collecter les modèles préexistants des élèves pour pouvoir évaluer l'évolution des représentations des élèves. Par exemple, un schéma général du système construit sur la base d'un texte aurait pu être demandé aux élèves. Il aurait permis de mettre en lumière les préconceptions des élèves. Un tel processus nous aurait aidé à juger de l'évolution des modèles des élèves. Ces préconceptions auraient pu être le point de départ de notre séquence et aurait permis une première confrontation avec les artéfacts.

En effet, dans notre cas, nous n'avons que les modèles finaux des élèves. Nous nous sommes rendus compte que les artéfacts étaient très efficaces à court terme pour la compréhension des phénomènes étudiés, mais qu'à long terme le bénéfice n'a pas été vérifié. Comment faire pour consolider cet apprentissage sur le long terme? Dans nos séquences, le modèle ne venait pas répondre à une problématique authentique telle que les élèves auraient pu se l'approprier plus facilement. Il est alors envisageable qu'il ait eu un impact moins important sur eux du fait qu'il soir resté dans le domaine scolaire et qu'il ne soit pas, pour la plupart des élèves, relié à leur réalité quotidienne. Les élèves qui ont le mieux intégré la séquence sur le système cardio-vasculaire sont ceux qui on pu le mettre en lien avec des proches ayant des pathologies cardiaques. Dans ce cas, le modèle venait répondre à leurs interrogations sur les causes de ces pathologies. Il aurait été probablement plus efficace de susciter ce même investissement chez tous les élèves.

Bibliographie

Giordan, A. (1991). La modélisation dans l'enseignement et la vulgarisation des sciences, Impact: science et société, no 164

Martinand, J.L. (2000). Introduction à la modélisation.