s'approprier des notions scientifiques en expérimentant préalablement à l'aide d'une simulation

Objectifs

• • Permettre une meilleure appropriation des notions scientifiques en expérimentant préalablement à l'aide d'une/de simulation(s).

La problématique

Comment l'utilisation d’une simulation en amont d'une expérience pratique peut permettre aux élèves une meilleure compréhension des notions ?

Conjectures

• • 1) Étudier la simulation en amont entraîne des questions posées pendant l'expérimentation qui ont une complexité plus profonde.

  • 2) En pratiquant le Labo virtuel avant l’expérimentation, les élèves auront une vision plus claire des phénomènes physiques lors de l’expérimentation car ils auront moins besoin de se concentrer sur les détails pratiques et une meilleure vue d’ensemble de l'expérience.

Selon Abrahams & Millar (2008), la majorité des discussions avant une expérience sont basées sur les détails pratiques et non sur la physique ou la manière d’interpréter les résultats et les données. Cela suggère que les élèves ne perçoivent pas le sens de l’expérience car ils sont trop concentrés sur les aspects pratiques. L’utilisation de la simulation permettrait de clarifier comment l’expérience est liée au modèle physique et ainsi de développer la compréhension générale du modèle.

• • 3) Étudier la simulation augmente la motivation (Vogel et al. 2006) et la curiosité (Vasu et Tyler 1997) des élèves à tester plus de variables et de paramètres lors du travail pratique.

• 4) Les élèves gagnent en autonomie lors de la pratique car un ensemble de questions auront déjà été répondue lors de la simulation et les élèves auront une vision d'ensemble de l'expérience.

Éléments de design

• • Proposition d'artefact

    • phet.colorado.edu

    • https://www.edumedia-sciences.com/fr/media/286

  • Choisir un artéfact simulant une expérience qui peut être effectuée en classe. La préparation du travail pratique prendra en compte l'artefact pour permettre d’attirer l’attention sur les variables liées au savoirs (modifiables dans la simulation) et les variables inhérentes aux limites de l’expérience pratique (non présentes dans la simulation).

  • Pour récupérer des traces de la qualité des questions, nous distinguons les questions techniques, portant sur le déroulement le de l'expérience, l'utilisation de l'artefact ou du matériel des questions conceptuelles liées au modèle physique et au prévisions liées à celui ci. nous relevons et dénombrons le type de question de chaque catégorie pendant l’expérience et la simulation.

  • Pour vérifier si les élèves cherchent à tester des variables supplémentaires lors de l’expérience, on met dans le protocole question ouverte (qui peut être optionnelle ou non) leur proposant d’aller plus loin et d’expliquer leurs motivations pour cet effort supplémentaire.

Observables

Points qu’il est possible de mesurer :

• 1. Comparaison entre les questions posées pendant/juste à la suite de la simulation et pendant/juste à la suite de l’expérience.

     1. • 1. Proportion entre les questions techniques et les questions conceptuelles.

          2. Nombre absolu de chaque catégories de questions.

  2. Récupération des traces à propos de la qualité de la réflexion physique lors du travail pratique / analyse de la discussion dans les rapports rendus par les élèves. Cette analyse peut se faire à l’aide du tableau de Millar (2009). D’après notre conjecture, les éléments portant notamment sur les modèles devraient être présents si la simulation a été étudiée.

• • 1. Source : Millar, R. (2009)

1. Investissement des élèves pour un exercice facultatif. Une tâche du travail pratique sera facultative et nous pourrons évaluer la motivation des élèves en observant leurs production (ou non produciton) à cette tâche facultative. Et ainsi estimer leur motivation.

Effets attendus

• • EA1 : Lors de la stimulation nous attendons un nombre élevé de questions portant sur les détails pratiques tandis que lors de l’expérience même nous attendons plus de questions sur le modèle et la physique.

  • EA2 : Lors du travail pratique nous attendons des élèves de montrer plus de curiosité par rapport à la physique et répondent à la question ouverte de manière spontanée et non uniforme, en cela ils s'éloigneraient de l’attitude très procédurale que l’on observe souvent dans nos travaux pratiques et qui est symptomatique d’un manque de curiosité ou d’intérêt pour les phénomènes physiques en jeu.

  • EA3 : Lors du travail pratique nous attendons des discussions portant sur les phénomènes physiques et amenant une réflexion approfondie de la part des élèves contrairement aux discussions décrivant simplement les étapes du travail pratique que décrivent Abrahams & Millar (2008).

Résultats

1. Question posées lors de l'expérience :

Nous avons relevé les questions lors des deux travaux et nous les avons triées en deux catégories :

Les questions techniques portant sur le fonctionnement pratique de la simulation ou de l'expérience (exemple : comment relier les points, ou positionner sa règle etc.)

Les questions conceptuelles portant sur le sens de l'expérience et le modèle physique (exemple : Comment calcule-t-on l'énergie, la force de pesanteur c'est bien le poids).

2. Profondeur des discussions:

Nous avons répertoriés la nature des discussion dans les différentes activité en essayant de reprendre la classification proposée par Millar

3. Parties facultatives

Les points facultatifs n'ont pas été présentés de la même manière par les différents participants. Lorsque les points ont été présentés comme totalement facultatifs et qu’ils ne permettaient pas d’obtenir des points supplémentaires, les élèves les ont simplement ignorés. Ce fut le cas pour l’expérience de la loi de Hooke et celle de la distance de freinage.

Pour l'expérience du pendule, le travail sur la simulation était facultatif mais permettait d’obtenir un point bonus dans le travail pratique. Les élèves ont rendu ce travail mais notre hypothèse est que le bonus était ce qui les motivait plus que le travail sur la simulation.

Carte conceptuelle

Ecarts avec les effets attendus

EA1 L'écart attendu entre le travail pratique et la simulation n'a largement pas été observé. Lors du laboratoire la large majorité des questions portait sur des points techniques et non conceptuels (93%). Contrairement à nos attentes cet écart était même encore plus significatif lors de l'expérience réelle (93%) que lors de la simulation (62%).

Les difficultés techniques des élèves lors du travail pratique et de la simulation sont de nature différentes donc la simulation ne permet pas nécessairement de diminuer les questions pratiques.

De plus, travailler la simulation en amont peut induire directement les questions conceptuelles lors de la simulation donc elles pourraient ne plus être posées lors de l'analyse. Dans la moitié des cas, le rapport n'a pas été rendu le jour même donc les élèves étaient principalement intéressés par terminer leur mesures plutôt que par les interrogations conceptuelles.

EA2 : L’augmentation de la curiosité lors du travail pratique n’a largement pas été observée et les élèves ont continué de travailler de façon globalement procédurale. Cela peut être du à plusieurs facteurs.

Par exemple le côté directif des tâches proposées ou encore le manque de maîtrise du modèle physique étudié par les élèves, ce qui ne leur permettrait pas de faire le lien entre la simulation et l’expérience réelle, lien qui se fait à travers le modèle mental du phénomène.

Notre ressenti est que la curiosité n'était pas plus importante que d'habitude lors du travail à l'aide de la simulation.

EA3 : Selon les contextes, les discussions étaient plus ou moins complètes. Les élèves de 10ème (Loi de Hooke) semblent ne pas avoir l'habitude de discuter leurs résultats car aucun éléments conceptuels n'étaient présents dans la discussion.

Pour les élèves du post obligatoire, une analyse en profondeur se fait plus systématiquement car 20 groupes sur 30 allaient plus loin dans l'analyse que l'explication enseignant. Des différences dans les protocoles et dans les questions posées aux élèves pourraient mieux expliquer la nature des discussions différentes que le fait d'utiliser simplement une simulation.

Conclusion

Nous n'avons pas réussi à démontrer les conjectures que nous avions formulées. Les effets attendus n'ont pas été observés. Contrairement à notre idée initiale selon laquelle la simulation permettrait davantage de questions conceptuelles que techniques, c'est l'inverse que nous avons observé.

Le fait que nos conjectures n'aient pas été validées ne signifie pas qu'elles soient fausses dans l'absolu. De nombreux facteurs sont à considérer dans l'efficacité d'un travail pratique et nous pensons que l'utilisation de nos artefact n'était pas optimal.

La simulation ne permet pas de donner une solution miracle au problème que formulent Abrahams & Millar (2008). Dans notre cas les élèves ont aussi gardé des discussions de surface et n'ont pas réussi à investir le domaine conceptuel à travers la manipulation, comme le reportent ces auteurs pour les laboratoires sans simulations. Nous pensons cependant que si la simulation ne permet de donner une recette miracle, elle pourrait contribuer à améliorer les résultats, mais que cela demande un ajustement fin de l'implémentation de la tâche.

Nous pensons qu'il est nécessaire de travailler davantage sur l'autonomie des élèves et l'implication cognitive des élèves en retravaillant les tâches proposées.

On peut estimer qu’après la simulation, les élèves aient en tête, du moins partiellement, le modèle qui sera utilisé dans le travail pratique. Si nous avions espéré que les élèves bénéficient de cette méthode d’enseignement, nous pouvons imputer cet échec au fait de n’avoir utilisé qu’une fois ce dispositif mettant en jeu une simulation.

Habituer les élèves au travail avec la simulation pourrait leur permettre d’aller plus loin, en diminuant potentiellement la problématique des questions techniques et en leur permettant de mieux généraliser la modélisation d’un phénomène à partir d’une simulation, ce qui reste un des objectifs de cette utilisation d’artefact.

Une autre amélioration possible serait de préparer avec les élèves le travail pratique après avoir étudié la simulation. Cela permettrait d'avoir un travail pratique en lien direct avec les éléments travaillés dans la simulation et d'augmenter l'investissement des élèves dans l'activité.

Pour améliorer notamment notre récolte de données, on pourrait aussi limiter le nombre de questions que peuvent poser les élèves. Cela permettrait d'analyser plus finement la proportion de questions conceptuelles et procédurales. Et aussi potentiellement d'améliorer l'autonomie des élèves.

Uniquement ajouter ces artefact à un travail pratique habituel pourrait ne pas avoir de bénéfices aussi car la structure habituelle des travaux pratiques n’encourage pas l’exploration approfondie du phénomène en dehors des questions posées aux élèves et le fait de travailler pour des travaux pratiques notés pousse les élèves à tenter de répondre uniquement ce qui est attendu.

Trouver un artéfact reproduisant une activité pratique à l'identique n’est pas toujours facile et les petites différences entre simulation et pratique peuvent empêcher les élèves d’appliquer de façon satisfaisante le modèle physique vu dans la simulation au travail pratique.

Ces difficultés nous amènent à considérer que le travail de préparation en amont de ces activités de simulation doit être fait en partant des possibilités de l'artefact et dans l’optique d’adapter le travail pratique au modèle étudié en simulation.

Annexes : Activités proposées

1 Calcul de la pesanteur terrestre

Bref description de l'activité:

Il s’agit d’une activité traitant de la relation entre la masse et le poids. Cette activité s’articule autour d’une expérience-élève contenant un dynamomètre permettant de mesurer le poids de différentes masses. En amont de l’expérience, nous proposons aux élèves de tester la simulation suivante: https://www.edumedia-sciences.com/fr/media/286.

Pour l’expérience-élève (en groupe de deux), l’enseignant distribue un protocole avec des questions portant sur la compréhension des notions physiques, le matériel, la procédure ou la théorie.

Déroulement des activités:

Après une introduction sur la distinction entre la masse et le poids en groupe classe, les élèves reçoivent une fiche fournissant le lien de la simulation.

Dans un premier temps, les élèves doivent remplir un tableau en indiquant les valeurs de masse et de poids correspondantes. Ils doivent ensuite trouver un lien entre ces deux grandeurs. On s'attend à ce qu'ils remarquent le lien de proportionnalité entre la masse et le poids grâce au tableau (de proportionnalité).

Une deuxième question est posée pour recueillir les observations et les interprétations des élèves. En effet, lorsqu'on fait varier les masses, l'allongement du dynamomètre varie également. Le point important à prendre en considération est la formulation des élèves et leur maitrise du vocabulaire.

Pour terminer, les élèves doivent afficher le graphique inclus dans la simulation. Ils doivent à nouveau faire varier les masses et notez leurs observations. On s'attend à nouveau qu'ils soulignent la relation de proportionnalité dans ce cas-ci, surtout si ça n'a pas déjà été le cas après la question du tableau.

Lors de la leçon suivante, les élèves vont devoirs faire la manipulation expérimentale. Il leur faudra tout d'abord prendre connaissance du protocole, puis réaliser le montage expérimentale avant de prendre les mesures. Une fois les mesures effectuées, ils doivent tracer un graphique qui doit attirer leur attention sur la relation linéaire entre la masse et le poids car les points sont tous alignés.

Comme pour la simulation, ils doivent répondre à une question ayant pour but de mettre en évidence la relation proportionnelle entre la masse et le poids.

Ils doivent également mettre en évidence la relation de proportionnalité sur le graphique en tracer une régression linéaire de tous les points.

A la fin de l’activité pratique (et du protocole), les élèves doivent répondre à la question ouverte: (Cette question nous permettrait de tester la conjecture 3).

Comment utiliseriez-vous le dispositif expérimental pour acquérir de nouvelles connaissances si vous n’aviez aucune restriction ? Motiver votre proposition.

Les réponses anticipées sont:

*Mesurer la masse des objets avec un dynamomètre

*Mesurer les g sur d’autres planètes/satellites

*Vérifiez si g est bien partout le même en Suisse/sur Terre

Pendant la simulation et le travail de laboratoire, l’enseignant passe également dans les rangs pour répondre aux questions des élèves et relève les catégories des questions. (ceci nous permet de tester notre conjecture 1 et 2).

principaux éléments (slide de présentation avec données mises à jour)

Résultats individuels détaillés :

1) Calcul de la pesanteur terrestre

L'activité a été réalisée avec deux classes de 2DF1 (30 élèves - 15 binômes),

Questions posées lors de la simulations:

Fonctionnement et utilisation de l'environnement virtuel (x10)

Utilisation de l'option "Graphe" (x8)

Attente de l'enseignant (x7)

Distinction des notions/notations de poids et force de pesanteur (x13)

Distinction masse et poids/force de pesanteur (x3)

Questions posées lors du travail pratique:

Prise en compte du porte masse (x12)

On ne doit pas relier les points, mais tracer une droite (signification de la régression linéaire pas comprise) (x13)

Comment connaître la précision du dynamomètre (x9)

Faut-il mettre les unités après les valeurs dans le tableau (x5)

Graduation du graphique (x12)

Attente de l'enseignant vis-à-vis de la question ouverte (x8)

2 La loi de Hooke

Cette deuxième activité est proposée pour les élèves du cycle d'orientation. Les élèves doivent utiliser des ressorts pour déterminer la masse d'un objet après avoir fait le lien entre allongement et masse de l'objet suspendu.

Lors d'une première séance les élèves se rendent en salle d'informatique ou il doivent utiliser la simulation suivante:

https://phet.colorado.edu/sims/html/masses-and-springs/latest/masses-and-springs_fr.html

L'utilisation de la simulation est introduite de manière très guidée par un protocole papier que les élèves ont a disposition. Ils doivent dans un premier temps se familiariser avec la simulation en prenant des mesures, puis ils doivent mesurer l'élongation pour quelques masses avant de devoir mesurer précisément deux masses inconnues. Pendant toute la séance les élèves travaillent en binômes et l'enseignant note toutes leurs questions.

Extrait du protocole, les élèves sont fortement guidés dans l'usage de l'artefact.

La semaine suivante la même expérience est faite, avec des vrais ressorts, les élèves doivent faire le même travail, toutefois ils doivent cette fois répondre à quelques questions théoriques et construire un graphique afin d'évaluer les masses inconnues plus précisément. A nouveau, les élèves travaillent en binômes et l'enseignant note toutes leurs questions

Pertinence de l'artefact et limitation

L'artefact

3 Calcul de l'énergie mécanique d'un pendule

Une séance de 2x 45 minutes dédiée à un travail pratique avec travail sur une simulation en première période et travail pratique en deuxième période.

Simulation : https://phet.colorado.edu/sims/html/pendulum-lab/latest/pendulum-lab_fr.html

- Décrire l’évolution de la vitesse lors du balancement

- Décrire l’évolution de l’énergie lors du balancement

- Calculer l’énergie potentielle quand v=0, en déduire l'énergie cinétique quand h est minimale

Travail pratique

- Mesurer la vitesse quand la hauteur est minimale

- Mesurer la hauteur maximale

- Calculer l’énergie mécanique dans les deux cas

- Comparer les énergies

Résultats préliminaires :

Questions recueillies

Questions lors de la simulation (21x)

• Procédure (utiliser logiciel) 7x

• Notion de vecteur vitesse 4x

• Clarification de consigne 9x

• Absence de frottement 1x

Questions lors du travail pratique (14x)

• Calcul de vitesse 5x

• Clarification de méthode de mesure 3x

• Vérification du montage 2x

• Calcul de l’énergie 2x

• Unités 2x

Observations générales:

Lors de l'activité, il y a eu peu de questions conceptuelles, le travail des élèves était très procédural.

L'autonomie pour la partie matérielle du TP ne semble pas différentes des autres travaux pratiques.

La correction des rapports ne permet pas de mettre en évidence une différence significative dans la discussion entre les groupes ayant fait la simulation et ceux n'ayant pas étudié la simulation (qui avaient en revanche plus de temps pour le travail pratique). La simulation n'a donc pas d'effet délétère sur l'apprentissage mais pas non plus d'effet positif. Le temps passé à travailler sur des tâches, simulées ou non semble ne pas avoir d'influence du moment ou le temps de travail total est le même.

Pertinence de l’artefact et limitations :

Le pendule simulé permet de faire un réel lien avec la notion théorique d’absence de frottements, qui peut être problématique pour les élèves.

Cependant, les paramètres modifiables et mesurables dans l’artefact ne correspondaient pas entièrement aux paramètres modifiables et mesurables lors de l’expérience pratique. Ce décalage apporte une difficulté de généralisation du modèle de l’artéfact à la pratique.

4) Distance de freinage

Questions posées lors de la simulation :

Techniques :

• Comment déterminer la distance parcourue (10)

• Comment lire l’échelle (6)

• La boîte dépasse du cadre, comment faire (2)

Conceptuelles :

• Comment tracer la courbe (10)La courbe est-elle une droite (4)

• Faut-il relier les points et comment (4)

• Est-ce que ça passe par l’origine (2)

• Qu’est-ce que l’énergie potentielle (4)

Questions posées lors du travail pratique :

Techniques :

• Quel est le paramètre fixe (6)

• Combien de mesure faut-il faire (6)

• Comment dessiner le tableau de mesure (2)

• Quelle est la formule de la moyenne (2)

• Depuis où / comment mesure la distance de freinage (depuis où) (6)

  • Mais 4 groupes faux

  • Un groupe s’est rappelé son erreur en simulation

• Que signifie l'incertitude (4)

• Comment représenter l’incertitude sur le graph final (deux côtés de la fenêtre) (6)

• Comment mesurer la hauteur (2)

• Pourquoi plusieurs billes chez les autres (2)

• Que faire si la bille va trop loin (2)

• Quelles sont les unités du graphique (2)

Conceptuelles :

• Rien…

Questions ouvertes :

L’énergie est un concept physique qui peut s’écrire sous plusieurs formes. En particulier l’énergie cinétique (liée à la vitesse) et l’énergie potentielle (liée à la hauteur de chute par rapport au sol).

D’après-vous, où et quand la voiture possède la plus grande énergie cinétique ?

• Plus bas de la pente x9.

D’après-vous, où et quand la voiture possède la plus grande énergie potentielle ?

• Haut de la pente x11.

Lorsque l’énergie cinétique est maximale, l’énergie potentielle est-elle aussi maximale, nulle ou autre/impossible de dire ?

• Nulle ou minimale x11.

Lorsque l’énergie potentielle est maximale, l’énergie potentielle est-elle aussi maximale, nulle ou autre/impossible de dire ?

• Nulle ou minimale x11.

De plus, l’énergie totale d’un système est conservée. Cela veut dire que tout gain d’énergie sous une certaine forme, est liée à une perte d’énergie sous une autre forme, et vice-versa. Après être entrée dans la boîte, la voiture finit par s’arrêter. Qu’est-il advenu de l’énergie cinétique ?

• Elle diminue à cause du frottement x4.

• Elle diminue x3.

• Ralentie par la force de la boite x2.

• Elle s’estompe x2.

Bibliographie

Abrahams, I., & Millar, R. (2008). Does practical work really work? A study of the effectiveness of practical work as a teaching and learning method in school science. International Journal of Science Education, 30 (14), 1945-1969.

Khan, S. (2011). New pedagogies on teaching science with computer simulations. Journal of Science Education and Technology, 20(3), 215-232.

Lombard, F. E., & Schneider, D. K. (2013). Good student questions in inquiry learning. Journal of Biological Education, 47(3), 166-174.

Millar, R. (2009). Analysing practical activities to assess and improve effectiveness: The Practical Activity Analysis.

NONNON, P. (1998). Intégration du réel et du virtuel en science expérimentale. F.-M.

Storey Vasu, E., & Kennedy Tyler, D. (1997). A comparison of the critical thinking skills and spatial ability of fifth grade children using simulation software or logo. Journal of Computing in Childhood Education.

Vogel, J. J., Vogel, D. S., Cannon-Bowers, J., Bowers, C. A., Muse, K., & Wright, M. (2006). Computer gaming and interactive simulations for learning: A meta-analysis. Journal of Educational Computing Research, 34(3), 229-243