Utilisation de simulations dans un cours de physique

Problématique

Dans notre enseignement de physique nous utilisons une démarche qui intègre de façon régulière des activités expérimentales. Ces activités montrent néanmoins certaines limitations. Certaines situations expérimentales ne peuvent pas être réalisées dans le laboratoire pour des raisons pratiques (p.ex. mouvement avec absence de friction, relativité restreinte). D'un autre côté, certains modèles ne peuvent être visualisés avec une expérience réalisable en classe. Tel est le cas par exemple lorsqu'on traite du modèle microscopique de la matière ou de problèmes de thermodynamique.

Nous nous demandons donc si, lors de telles situations, l'usage d'une simulation peut aider les élèves à visualiser certains aspects que le montage expérimental ne peut pas reproduire.

De plus, même si le montage expérimental est réalisable, une simulation peut-elle aider à améliorer la compréhension du concept ?

Nous nous proposons ici d'exposer la problématique que nous avons traitée, les conjectures, l'implémentation, les traces et les résultats pertinents à nos conjectures.

L'objectif final est d'améliorer notre approche pour l'usage de ces artefact.

Objectifs d'apprentissage

Activité "modèle moléculaire":

Cette activité a été faite avec des classe de 11ème du cycle d'orientation (CO) après l'enseignement "traditionnel" accompagné par des expériences de laboratoire et avant l'épreuve sommative concernant tout le chapitre du modèle moléculaire. L'activité a comme objectif de renforcer certains concepts qui ont causé des difficultés d'apprentissage. Les préconceptions et difficultés sur lesquelles nous pensons agir dans cette activité sont les suivants [AAAS01]:

• « si on chauffe un gaz les molécules s'agitent, tandis qu'à température normale elles ne bougent pas ». L'élève dit température normale au lieu de température ambiante, et n'a pas acquis le concept que l'agitation moléculaire existe même à basse température

• « les molécules d'un objet très froid sont immobiles »

• « l'air est compressible car quand on appuie sur le piston de la seringue le molécules s'aplatissent et occupent moins de place »

• « l'air est compressible car quand on appuie sur le piston de la seringue l'air qui est entre les molécule se comprime ». Grande difficulté avec le concept de vide entre les molécules !

• « Une molécule a une température » ou bien « la molécules se chauffe ». Même les bon élèves ont du mal à séparer les concepts macroscopiques (température et pression) des concepts microscopiques à l'échelle moléculaire.

• « la pression dépend de combien de molécules » : donc une élève se demande, étonnée, comment la pression dans une bouteille en PET peut être la même que la pression dans la salle : c'est clair que dans la salle il y a beaucoup plus de molécules ! Les concept de densité moléculaire n'a pas été acquis.

Activité "forces"

Le deuxième sujet concerne les forces (secondaire II) et leur visualisation. Un des grands obstacles dans la dynamique est la schématisation des forces qui agissent sur un corps et la distinction entre la force et l'effet de cette force.

Cette séquence sert de renforcement aux notions abordées au cours. Les notions travaillées dans cette activité sont les suivantes:

• 1. Bilan de forces: l’élève devra visualiser les forces agissant sur un corps et faire le bilan des forces géométriquement et par calcul.

  2. Usage des deux premières lois de Newton: L’élève prédira le mouvement d’un corps après avoir déterminé la force résultante, ou devra déterminer quelle force appliquer pour obtenir le mouvement demandé.

Diverses préconceptions pourront surgir au travers de ces activités. Les préconceptions que nous pensons voir surgir dans cette activité sont les suivantes [AAAS01]:

• • Sans force pas de mouvement : il faut une force pour avoir un mouvement.

    • Le mouvement n'est possible que grâce à une force externe

    • Si la force est constante, la vitesse sera constante

    • Pour que la vitesse augmente, la force doit augmenter

  • Un objet en mouvement « renferme » une force qui assure le mouvement (impetus)

    • La force agissant sur un objet en mouvement va s'épuiser et l'objet s'arrêtera

  • Après une accélération, si la force arrête d'agir, le corps s'arrête.

  • Lors de l'addition de forces, les directions relatives ne sont pas considérées

  • Lorsqu'on a deux forces de sens opposées, les forces s'annulent, quelles que soient les intensités des forces.

Conjecture initiales

• 1. Faire des prédictions et ensuite les valider grâce à un artefact aide les élèves à visualiser des concepts qui resteraient autrement très abstraits.

  2. L'usage que nous envisageons de faire avec cet artefact fera surgir certaines préconceptions et aidera à les faire évoluer vers des modèles scientifiques.

  3. La validation instantanée d'une hypothèse, par le biais d'une simulation, améliore l'apprentissage. Par exemple, si un paramètre est modifié le résultat est immédiatement visible.

  4. L'utilisation d'une simulation va contribuer à l'engagement cognitif chez l'élève. [Viau04]

Choix d’artefacts

Simulation gaz parfaits (CO)

https://phet.colorado.edu/fr/simulation/gas-properties

Cette simulation représente un gaz par un ensemble de molécules. La simulation permet de visualiser l'agitation moléculaire, un concept qui a été expliqué aux élèves mais qui n'est pas autrement visible.

La simulation permet aussi de chauffer ou refroidir le gaz ou de le comprimer et, en même temps, observer l'effet à niveau microscopique (en terme d'agitation moléculaire) et macroscopique (mesure de température et pression du gaz). Un usage bien structuré de cet artefact peux aider les élèves à faire un lien entre l'agitation et densité moléculaire et les grandeurs macroscopique température et pression.

Simulation de forces (PO)

https://phet.colorado.edu/fr/simulation/legacy/forces-and-motion-basics

Cette simulation permet d’expérimenter l’effet d’une ou plusieurs forces dans diverses situations et d’analyser ces situations grâce aux deux premières lois de Newton.

Dans la première situation (voir image ci-dessous), deux équipes font une compétition de tir à la corde. Nous avons donc deux forces opposées agissant sur un chariot. Nous pouvons ici exercer le bilan des forces et la relation entre la disposition des forces et le bilan de celles-ci (la force résultante) et le mouvement d’un corps. Les frottements sont négligés (important pour certaines situations).

Dans la deuxième situation, une caisse est poussée, et il n’y a pas de frottement. Nous étudions donc directement l’effet d’une force (le mouvement de la caisse selon la 2ème loi de Newton). Nous voyons aussi ce qui se passe si aucune force n’est appliquée (1ère loi)

Dans la troisième situation, la caisse subit un frottement. La force de frottement est une force qui s’oppose au mouvement. Dans le cas statique, cette force grandit avec la force appliquée jusqu’à une valeur limite, pour ensuite être constante. Pour déterminer le mouvement de la caisse, il faut donc calculer la somme des deux forces.

Usage des artefacts et déroulement de la séquence d’enseignement

Bien qu’ayant des sujet et des classes différentes, nous avons choisi de mener ces activités de manière similaire. L'utilisation de l'artefact fait suite à une leçon classique où les notions théoriques ont été présentées.

L’activité est guidée par une fiche d'activité comportant des questions de compréhension et des situations avec des questions ciblées (prédictions et validation de l'artefact) bien définies auxquelles les élèves répondent par écrit. Les tâches et les questions sont conçues de manière à cibler les fausses conceptions et les difficultés récurrentes.

L’activité se déroule ensuite en trois temps, l’élève n'ayant accès à l’artefact qu’au cours du troisième:

1. Dans un premier temps, les élèves répondent aux questions théoriques, ce qui leur permet de se remémorer les concepts et savoir-faires abordés aux cours précédents. Cette partie devrait prendre environ 10 minutes.

2. Puis, dans un deuxième temps, nous demandons aux élèves de faire des prédictions sur les situations modélisées. Nous nous attendons à ce que les élèves recourent spontanément à leurs modèles naïfs.

3. La validation de leurs prédictions se fera finalement au moyen de l'artefact. Les modèles naïfs ne permettant pas de résoudre les situations présentées, les élèves seront poussés à construire des nouveaux modèles mentaux.

Simulation gaz parfaits: Cycle d'Orientation de la Seymaz (Elisa)

Classes: 11ème LC et 11ème LS. En total 18 élèves.

Fiche d'activité: fiche-activite-MITIC.pdf (voir document en annexe ci-dessous)

Déroulement de la séance: lundi 25 janvier P1 et P2 et vendredi 29 janvier P8 et P9.

Les élèves travaillent en binôme.

Simulation de forces: ECG (Arnaud)

Classe: 2PYOS: Deuxième année, Option Santé: 9 élèves

Fiche d’activité: Fiche forces v4.pdf (voir document en annexe ci-dessous)

Déroulement de la séance: mercredi 16 mars, H3-H4, séance de 2 heures (90 minutes)

Les élèves ont fait l’activité individuellement.

Simulation de forces: Collège Calvin (Thomas)

Classe: 1PY aldf: Première année, DF, bilingue allemand: 17 élèves

Fiche d’activité: Fiche forces v4.pdf (voir document en annexe ci-dessous)

Déroulement de la séance: vendredi 18 mars, H9-H10, séance de 2 heures (90 minutes)

Les élèves sont répartis par groupe de 2 sur les postes de travail. Comme il y avait un nombre impair d’élèves, j’ai choisi de faire un groupe de 3 et inclus dans ce groupe une élève qui avait été absente aux deux leçons précédentes.

Résultats et discussion

Travail en classe

Simulation des gaz: CO de la Seymaz (Elisa)

Les élèves ont travaillé avec engagement pendant les deux heures. Il est remarquable que la classe LC, formée par des élèves peu scolaires et très peu motivés, a aussi travaillé sans aucun problème de discipline et a terminé l'activité dans le temps alloué.

La semaine suivante, questionnés par l'enseignante sur l'intérêt et l'utilité de cette activité, la majorité des élèves a répondu que c'était très intéressant et aimerait répéter l'expérience, mais que cela ne les a pas aidé dans l'apprentissage.

Toutefois, lors de l'épreuve sur le modèle moléculaire, la moyenne des deux classes qui ont participé à cette activité a été 0,6 point plus élevée que les moyennes des deux classes de la même orientation (LC et LS) qui n'ont pas participé.

Simulation de forces: Collège Calvin (Thomas)

J’ai constaté une très bonne attitude en classe et un bon engagement cognitif. Les élèves se sont tous bien impliqués et ont bien participé. Le niveau d’attention et de travail était plus élevé que lors d’un cours normal. Je constate ceci aussi bien entendu lors des séances de travaux pratiques.

L’activité s’est déroulée presque comme prévue et la plupart des élèves ont effectué l’activité tel que demandée. Les groupes ont mené des discussions sur les problèmes présentés et débattu entre eux. Si certains abordaient une situation en utilisant leurs préconceptions, d’autres utilisaient déjà les lois de Newton de manière correcte. J’ai constaté qu’ils se posaient les bonnes questions et avaient de bonnes hypothèses, et que leurs préconceptions initiales ont évolué vers le modèle scientifique (usage correcte des lois de Newton). Ceci était évident lorsqu’ils m’appelaient pour discuter d’une situation ne répondant pas aux préconceptions. Aucun élève n’a utilisé l’ordinateur pour d’autres activités, mais la disposition des postes (postes contre les deux murs, dos-à-dos) ne permettait pas aux élèves de mener d’autres activités sans être vu.

Le seul problème est que je n’ai pas réussi à bloquer les postes de travail, ce qui à permis aux élèves à avoir accès à l’artefact en tout temps. L’injonction de ne pas faire la vérification avant d’avoir effectué les prédictions pour toutes les situations d’une activité était donc difficile à imposer. J’aurais pu obliger les élèves à éteindre l’écran et ne l’allumer qu’avec mon autorisation après avoir vérifié qu’ils avaient effectivement fait toutes les prédictions de l’activité. J’ai finalement décidé de les laisser travailler librement et d’observer leur comportement. J’ai ainsi pu constater trois manières différentes de faire le travail:

1. L’activité est menée comme demandé, le groupe fait toutes les prédictions et ne commence les vérifications qu’après.

2. L’activité est menée situation après situation: après avoir fait la prédiction pour une situation, le groupe effectue tout de suite la vérification et l’analyse, et aborde ensuite la situation suivante. Cette manière de procéder permet d’intégrer les nouvelles connaissances et de modifier ses préconceptions au fur et à mesure de l’activité et de l’utiliser dans les situations suivantes. J’ai ainsi pu constater dans les discussions qu’ils se référaient à ce qu’ils avaient vu dans une situation précédente et nous avons donc une évolution du savoir.

3. Usage de l’artefact sans avoir fait la prédiction: le groupe effectue la simulation et répond aux questions en fonction du résultat. Je n’ai vu qu’un seul groupe procéder de cette manière. Je ne l’ai constaté qu’assez tard car, sachant qu’il ne respectait pas les règles, les deux élèves le faisaient très discrètement pour ne pas être remarquées. Ils notaient ainsi systématiquement “prédiction juste”.

• • L'air est-il formé par des molécules ?

• Qu'y a-t-il entre les molécules d'air ?

L'élève se trouvera donc dans une situation contradictoire et devrait réaliser lui même que son affirmation n'était pas correcte.

Dans la question sur la dépendance de la pression de la densité moléculaire, nous trouvons deux groupes qui pensent que la pression augmente car les chocs des molécules contre les parois deviennent plus violents. Pourtant, ces élèves savent que l'agitation des molécules est indiquée par la température et que la température n'a pas changé. Ici nous aurions pu ajouter une question supplémentaire: « Justifie pourquoi les chocs sont, à ton avis, plus violents ». De cette manière nous aurions pu mettre l'élève en contradiction et nous l'aurions forcé à faire évoluer son modèle.

De manière similaire, la plupart des groupes pensent que si la température augmente la pression augmente car les chocs seront plus violents. Un groupe dit plus fréquents et plus violents.

Et finalement deux groupes disent que les chocs seront plus fréquents, mais non plus violents. Pour ce cas, nous aurions pu ajouter une ultérieure question : « si la vitesse d'une molécule est plus élevée, penses-tu que ses chocs contre les parois seront plus violents, moins violents, ou exactement de la même violence que ceux d'une molécule dont la vitesse est plus basse ? ». Ici, de nouveau, il s'agit de mettre l'élève devant la contradiction de ses modèles mentaux et l'aider à évoluer.

Pour l'activité "forces", nous pouvons poser aussi des questions plus précises pour éviter les travers évoqués plus haut: "Comment évolue la vitesse du chariot?".

Nous avons aussi constaté pour cette activité qu'elle était trop longue et les premières situations trop répétitives. Les élèves du collège se sont ainsi plaints que les premières questions étaient trop faciles. Une seule aurait sans doute suffit, avec des questions plus ciblées pour être sûr que l'élève fasse l'analyse correcte. A l'ECG, les élèves n'ont pas fait de commentaires mais plusieurs n'ont pas eu le temps de finir.

Pertinence de l’artefact et son intégration dans le dispositif d’enseignement

Activité "modèle moléculaire"

L'artefact que nous avons choisi est très bien fait et s'adapte plutôt bien au public du CO. Il est facile à utiliser et offre plusieurs fonctions sans rendre l'interface compliquée.

Les fonctions que nous avons utilisées sont: chauffage ou refroidissement du gaz, déplacement d'une paroi afin d'augmenter ou diminuer le volume du récipient, mesure de température et pression grâce aux instruments de mesure.

Toutefois, on aurait pu ajouter la possibilité de séparer la boîte en 2 volumes par une paroi mobile, de manière à voir quel est l'effet d'avoir une pression différente des deux côtés de la paroi. Cette situation permettrait de modéliser et comprendre beaucoup de situations où les élèves ont parfois des difficultés à comprendre la différence de pression et ses effets.

Activité "forces"

Le choix de l’artefact est pertinent pour aider à la compréhension des lois de Newton. Il peut être utilisé tant comme activité dédiée lors d’un atelier, telle que menée ici, que comme support par l’enseignant pendant son cours.

L’usage de l’artefact est assez facile et permet de visualiser toutes les données nécessaires à la bonne compréhension du phénomène. Certaines améliorations nous paraissent néanmoins utiles:

• Activité « Jeu de la corde » :

  • Indicateur de vitesse, pour identifier le type de mouvement (MRU/MRUA)

  • Le chariot s'arrête au bout de la piste, alors que le mouvement est un MRU ou un MRUA. Certains élèves pourraient être tentés de croire que tout mouvement a une fin, en particulier s'il n'y a pas de forces. Ceci pourrait renforcer une préconception répandue.

• Activité "Caisse poussée"

  • Lorsqu'une caisse est poussée, le bonhomme tombe. Ceci pourrait induire l'idée d'une vitesse maximale. De plus, cela peut distraire les élèves et les détourner de l'activité.

Remarques générales

Cette activité est dépendante des infrastructures à disposition et des contraintes, qui peut générer suivant le cas une certaine lourdeur. Cette activité a nécessité deux heures, ce qui, suivant l'emploi de temps et le programme, est relativement beaucoup. En effet, en première année du collège, la physique n'est enseignée qu'au deuxième semestre, ce qui laisse peu d'heures d'enseignement. Comme l'activité nécessite l'usage d'une salle d'informatique, il est à notre avis difficile de conduire l'activité sur moins de temps. Suivant la disposition des lieux, l'inertie d'une classe peut rendre un changement de classe difficile au milieu du cours et la perte de temps peut être importante.

Analyse des conjectures initiales et évolution des conjectures

Conjecture 1:

Faire des prédictions et ensuite les valider grâce à un artefact aide les élèves à visualiser des concepts qui resteraient autrement très abstraits.

Ces simulations permettent en effet de se représenter des phénomènes qui ne sont pas visibles et qui ne sont pas pris en compte au quotidien

• Les gaz formés par des molécules

• La température comme indicateur de l'agitation moyenne des molécules

• La pression comme indicateur de la violence et fréquence des chocs des molécules contre les parois

• La force de frottement freine un véhicule, mais les élèves disent que le véhicule freine car il n’y a pas de forces qui agissent

• On n’arrive pas à se rendre compte de l’intensité de cette force, ni qu’elle croit avec la force appliquée

Conjecture 2:

L'usage que nous envisageons de faire avec cet artefact fera surgir certaines préconceptions et aidera à les faire évoluer vers des modèles scientifiques.

Nous voyons en effet les principales préconceptions dans les réponses des élèves, et les corrections après la vérification.

• Dans l'activité "modèle moléculaire" certains élèves continuent de penser qu'entre les molécules d'un gaz il y a de l'air. Notre conjecture est que la visualisation des molécules, représentées par des billes bleues, sur un fond noir, aiderait les élèves à comprendre qu'entre les molécules il n'y a rien, que du vide. Deux groupes démontrent avoir cette fausse conception et un des 2 groupes la dépasse grâce à la simulation.

  • Dans le modèle moléculaire les élèves ont du mal à comprendre le concept de densité moléculaire. La plupart des élèves dans le questionnaire initial pense que la pression dépend du nombre des molécules. Ensuite, l'activité les amènent à faire évoluer cette croyance. La fiche d'activité demande à l'élève de considérer deux situations, A et B, avec le même nombre de molécules, mais différent volume et prendre note de la valeur de pression (la température est la même dans les deux cas). Les élèves doivent justifier le fait que la pression est différente dans les deux cas, même si le nombre de molécules est le même :

• La vérification permet de se rendre compte qu’une erreur a été faite mais elle ne garantit pas que l’analyse soit absolument correcte. Nous voyons ainsi que certaines analyses sont incomplètes, se faisant par exemple en termes de déplacement et non en termes d’accélération.

Ceci entraîne parfois des erreurs qui peuvent renforcer des préconceptions, comme nous voyons sur une réponse du même groupe plus loin:

• Nous voyons néanmoins (plus rarement) que l’analyse peut être fausse

• Cette activité a généré beaucoup de discussions entre les élèves, et nous avons constaté qu’ils essayaient d’utiliser les modèles à disposition (préconceptions ou modèles scientifiques) pour résoudre les problèmes. Le résultat de la simulation leur permettait alors de vérifier quelle était la bonne réponse. Nous avons été heureux de retrouver la trace d’un désaccord sur une copie, avec la vérification finale:

• • Il est intéressant de noter que là aussi, le modèle correct a ensuite été utilisé lors de situations similaires

Après notre analyse, nous pensons reformuler cette conjecture de la manière suivante:

A lui seul, l'artefact ne va pas aider les élèves à faire évoluer les préconceptions, mais l'usage et l'étayage est capital. C'est la cycle prédiction-vérification-analyse et l'éventuel conflit cognitif lors de la vérification qui peut aider à faire évoluer les préconceptions vers un modèle scientifique. Une discussion (institutionnalisation) après l'activité est aussi importante, pour s'assurer que tous les élèves aient une analyse correcte.

Conjecture 3:

La validation instantanée d'une hypothèse, par le biais d'une simulation, améliore l'apprentissage. Par exemple, si un paramètre est modifié le résultat est immédiatement visible.

Si nous constatons effectivement une évolution de l'usage des modèles tendant vers les modèles scientifiques au cours de l'activité, nos traces ne nous permettent pas de nous assurer si l'activité améliore l'apprentissage à long terme. D'autres traces seraient nécessaires pour s'assurer de cela.

Une possibilité est la vérification au travers d'une évaluation formative ou sommative où des classes ayant effectué l'activité sont comparées à des classes ne l'ayant pas effectuée. Chacun d'entre nous a pu faire certaines constatation lors des évaluations traitant du sujet en question:

Elisa, pour l'activité "modèle moléculaire": deux classes ont effectué l'activité et deux classes ne l'ont pas effectuée. Une amélioration des résultats est effectivement constatée tant au niveau LC qu'au niveau LS, avec les moyennes suivantes:

• classes LC : 3.1 versus 3.7

• classes LS : 4.3 versus 4.9

Arnaud a ajouté dans un test effectué une semaine plus tard deux questions extraites de l'activité et a constaté en général moins de mauvais prédictions. Il semble donc que l'activité a donc été bénéfique pour certains élèves. Même si la statistique est très faible, il semble donc que l'usage de l'artefact a eu un effet bénéfique sur l'apprentissage (surtout les mauvaises conceptions) mais cependant pour une minorité d'élèves. Ces élèves sont plutôt les meilleurs de la classe. En effet, pour les moins bons, il ne semble pas qu'il y ait eu beaucoup d'effets positifs.

Au collège, une récitation sur les forces a été faite 3 semaines après l'activité. La classe ayant effectué l'activité a une moyenne supérieure de 0.5 par rapport à la classe ne l'ayant pas effectuée.

Une autre possibilité est l'utilisation de tests de connaissances et la comparaison avant/après de diverses classes. De tels tests sont disponibles dans la littérature mais nécessitent une adaptation et une validation pour correspondre à nos programmes spécifiques (e.g. « Introductory thermal concept evaluation » [Yeo01], « Force concept inventory » [Hes92])

Après notre analyse, nous pensons reformuler cette conjecture de la manière suivante:

La vérification d'une hypothèse, suivie d'une analyse peut améliore l'apprentissage.

Conjecture 4

L'utilisation d'une simulation va contribuer à l'engagement cognitif chez l'élève.

L'observation des élèves pendant l'activité et les discussions lors des cours suivants nous permettent de juger si cette conjecture se vérifie. Au CO, comme mentionné plus haut, les élèves sont généralement motivés et très concentrés sur l'activité avec peu, voire aucune, activité annexe. Nous voyons un bon engagement cognitif, avec des discussions de haut niveau. Les fiches d'activité sont faites correctement. Nous voyons ceci même dans une classe LC avec des élèves peu motivés ayant parfois quelques problèmes de discipline en classe. Ils ont montré un haut niveau d'engagement pendant les deux heures d'activité et leurs résultats à l'évaluation sommative suivante a été supérieure à celle d'une autre classe.

Au collège, nous avons aussi constaté un très haut niveau d'engagement, mais cette classe est déjà une bonne classe, et il est difficile de fait d'en tirer des conclusions plus générales pour ce niveau. A l'ECG, la classe qui a fait l'activité est en général très peu participative et motivée mais ils étaient très concentrés pour cette séance et ont essayé de répondre sérieusement aux questions.

Après notre analyse, nous pensons reformuler cette conjecture de la manière suivante:

L'utilisation d'une simulation contribue à varier les activités, ce qui a un impact positif sur l'engagement cognitif des élèves. C'est de plus une activité qui donne à l'élève l'occasion de s’approprier un problème en s’impliquant dans l’activité.

Bibliographie

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