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Le recours à la simulation informatique : M. El Yaakoubi, S. El Jamali, H. Akrim, M. Talbi Résumé Le développement des technologies de l'information et de la communication a mis à la portée du secteur éducatif une très importante diversité de ressources et de supports. De ce fait, exploiter ces différentes ressources nécessite une étude des besoins pour déterminer leur forme d'utilisation. Introduction Depuis 1999, le secteur éducatif marocain tient à mettre l'accent sur l'emploi des technologies de l'information en classe et sur la sensibilisation des enseignants à leur application dans les pratiques enseignantes. Dans cette optique, le Ministère de l'Éducation Nationale (MEN) déploie d'importants efforts pour équiper les établissements scolaires en matériel informatique. La généralisation de l'accès à ces technologies est l'objet de l'un des leviers principaux de la Charte Nationale d'Éducation et de Formation (CNEF) : « Considérant que la technologie pédagogique joue un rôle déterminant et croissant dans les systèmes et méthodes d'enseignement..., les autorités d'éducation et de formation veilleront à intégrer ces technologies dans la réalité de l'école », levier 10 article 121 de la CNEF. Le présent travail d'investigation s'inscrit dans un flux de travaux sur l'intégration des Technologies de l'Information et de la Communication Éducatives (TICE) dans l'enseignement des sciences physiques. Son objectif est de montrer la pertinence de l'utilisation des TICE et plus précisément l'utilisation des simulations informatiques en sciences physiques, pour remédier au déficit que connaissent les établissements en matériel destiné aux expériences et pour exploiter les différentes ressources dont disposerait l'établissement scolaire en matériel informatique. D'un point de vue méthodologique, nous avons choisi de travailler sur un cas concret celui du : « Mouvement d'une particule soumise à une force constante » pour les élèves de la 2e année baccalauréat [1] scientifique. Dans cet article, nous montrons que malgré la diversité des supports multimédias de simulation, les enseignants doivent en développer dans le but de contribuer au renouvellement des pratiques d'enseignement en sciences physiques. Nous concluons par proposer quelques recommandations que nous jugeons nécessaires pour assurer une exploitation efficace des outils dont disposeraient les établissements scolaires. Questionnement et hypothèses de recherche L'étude des pratiques expérimentales en classe dans l'enseignement des sciences physiques est un sujet de recherche qui préoccupe les enseignants et les chercheurs en didactique des sciences physiques. Selon les enseignants, le rendement didactique [2] des expériences réalisées en classe avec les élèves est très faible, voire parfois nul. Un certain nombre d'erreurs de raisonnement, d'idées et de représentations erronées peuvent être constatées avec une reproductibilité déconcertante chez les élèves, pendant les séances des cours ou même lors des examens. Pourtant, quand on observe l'ensemble du cours, il semble cohérent et logique. Comment interpréter cela ? Selon Laurence Viennot (1996), les difficultés qu'éprouvent les élèves résident dans le fait qu'ils n'associent pas le phénomène expérimental et les lois théoriques indépendamment du contexte scolaire. En effet, lorsqu'un enfant ou un adulte est placé devant un phénomène physique simple, il tente de résoudre le problème en essayant d'en découvrir la cause sans penser aux lois mathématiques ni aux modèles théoriques. Il a également été montré que la plupart des élèves utilisent le sens commun pour expliquer des phénomènes physiques, et ce quel que soit leur niveau scolaire. De nombreuses études didactiques montrent que cette difficulté est rarement dépassée (Milot, Beaufils et al., 1998). L'utilisation des TICE et plus précisément l'utilisation des simulations informatiques pourrait-elle faire objet d'alternative adéquate pour remédier à cette problématique ? Si oui comment ? La réponse à ces questions dépasse largement le cadre de cette étude, c'est ainsi que nous avons choisi de s'intéresser aux questions suivantes :
Hypothèses Nous avons formulé quelques hypothèses que nous allons vérifier au cours de cette recherche :
1. Les Applications Pédagogiques de l'Ordinateur (APO) II faut toujours un certain temps, après l'invention, pour découvrir les potentialités du produit nouveau et lui donner sa forme et son usage plus au moins définitifs. Cette constatation est vraie pour les ordinateurs en général et pour les Applications Pédagogiques de l'Ordinateur (APO) en particulier. En effet, les technologies de l'information et de la communication éducatives et plus particulièrement les ordinateurs peuvent compléter la panoplie existante des aides didactiques et ils peuvent aussi être une occasion permettant de repenser, de rénover et d'améliorer sa pédagogie (Bestougeff et Fargette, 1984). Les ordinateurs offrent la possibilité de mémoriser, analyser, calculer, rechercher, communiquer... Cet amalgame de possibilités nouvelles vient s'intégrer à l'ensemble de ce dont les pédagogues disposent déjà pour mieux atteindre les objectifs qu'ils se fixent. Examinons maintenant quelques formes d'APO : * EAO tutoriel. L'EAO (Enseignement Assisté par Ordinateur) tutoriel est l'utilisation classique de l'ordinateur comme support d'enseignement. Ce mode d'utilisation se présente en gros comme une succession de suites « information, question, commentaire » entièrement prévues et rédigées à l'avance par les auteurs du didacticiel (Demaizière, 1986). * Programmes exerciseurs. Le mode d'interrogation peut prendre différentes formes :
* Expérimentations Assistées par Ordinateur (ExAO). C'est une utilisation de l'ordinateur qui permet d'assister des expériences réelles via des logiciels particuliers et un matériel spécifique (un capteur et une interface) couplé à un ordinateur. L'ordinateur permet d'enregistrer les données d'une expérience et de les traiter rapidement. * Logiciels d'application. Traitement de texte, Système de Gestion de Base de Données (SGBD), tableurs, outils de Conception Assistée par Ordinateur (CAO), Dessin Assisté par Ordinateur (DAO), etc., ces types de logiciels conçus initialement pour l'entreprise ont trouvé un domaine d'application très important dans l'éducation. * Simulations informatiques. Comme le nom l'indique, l'ordinateur est utilisé pour simuler ou modéliser un phénomène ou une expérience scientifique. C'est une reproduction artificielle (modèle) du phénomène à étudier (Gremy, 1995). L'enseignant doit être vigilant vis-à-vis de l'utilisation des logiciels de simulation. Il ne doit pas ignorer que les résultats obtenus par l'ordinateur sont programmés, et donc ne prennent pas en considération la complexité de la réalité et la difficulté de sa perception. Les simulations ne sont que des modèles qui simplifient les expériences réelles. Étant donné que la simulation fait l'objet d'un usage pédagogique de plus en plus important, il serait intéressant de savoir à quoi sert d'utiliser la méthode de simulation dans les pratiques expérimentales en sciences physiques (El Jamali, 2000). 2. Les simulations dans les pratiques expérimentales en sciences physiques Compte tenu de la place centrale des expériences réelles dans l'enseignement des sciences physiques et du fait que les logiciels peuvent aider à mettre en relation la réalité et la théorie, quelle peut être la place du logiciel par rapport aux expériences réelles ? Les spécificités techniques et pédagogiques permettent d'envisager des utilisations variées de l'outil informatique par rapport à l'expérimentation. Ainsi on peut imaginer une utilisation de l'outil informatique : * Avant le passage au laboratoire. Cette utilisation se justifie lorsque l'appareillage que l'apprenant va trouver dans la salle des travaux pratiques est complexe et que les risques de détérioration du matériel par suite d'une fausse manoeuvre ne sont pas négligeables. Dans ce cas, on parle de simulation pré-laboratoire. Une autre utilisation avant le passage au laboratoire peut se faire sous forme d'exercices pré-laboratoire (le plus souvent sous la forme de QCM). L'objectif de ce type d'utilisation est de sécuriser les apprenants qui savent qu'ils sont correctement préparés à la manipulation. * Après l'expérience. la simulation sur ordinateur peut être utile après l'expérience réelle pour choisir d'autres conditions d'expérimentation. Des conditions qui n'ont pas été possibles pendant l'expérience réelle, par exemple : l'élimination des frottement en mécanique, l'utilisation de grandeurs physiques (température, pression, pesanteur...) que nous ne pouvons pas avoir à cause des contrainte matérielles ou naturelles. * Au cours de la séance des travaux pratiques. L'une des caractéristiques des calculs au cours d'une séance des travaux pratiques est la répétitivité : le nombre de mesures étant en général très grand, le temps qui passe à des calculs répétitifs et fastidieux peut devenir trop long. Il est souvent très simple de concevoir un petit programme informatique d'aide au calcul, au tracé des courbes... Le temps gagné peut être utilisé dans d'autres tâches. Pour vérifier les hypothèses que nous avons formulées auparavant à propos des difficultés qui entravent la réalisation des expériences en classe et les besoins du recours à la simulation des expériences sur ordinateur aidant à dépasser ces difficultés, nous avons réalisé l'enquête par questionnaire décrite ci-dessous. 3. Méthodologie adoptée Nous résumons ici les grandes lignes de ce travail de recherche qui n'est qu'une première étape en vue de l'élaboration de séquences d'enseignement intégrant des outils multimédias adaptés aux difficultés des élèves marocains : des difficultés liées aux contraintes matérielles et d'autres de type intrinsèques au savoir étudié lui-même. Plus particulièrement notre travail tente d'identifier quelques difficultés rencontrées lors de la réalisation des expériences relatives au chapitre : « Mouvement d'une particule soumise à une force constante », et les possibilités qu'offre l'utilisation des simulations informatiques pour remédier à ces difficultés et rendre l'apprentissage plus efficace. Ces difficultés ont été identifiées à partir d'une enquête par questionnaire destiné aux enseignants des Sciences physiques qui exercent au lycée. Le questionnaire [3] que nous avons élaboré a subi un travail d'ajustement pour tenir compte des particularités de sa destination. Il a été pré-testé auprès de 6 enseignants de sciences physiques. Ce pré-test nous a permis :
Ainsi, l'étude empirique a été réalisée auprès de 83 enseignants de sciences physiques qui exercent dans 19 lycées répartis comme suit :
Tableau 1 : Le nombre de lycées et d'enseignants questionnés par région. Le questionnaire a été présenté aux enseignants en format papier pour les villes de Casablanca et Mohammedia ou sous forme de page Web [4] à remplir pour les autres régions (El Jadida, Nador, Taroudant, Errachidia, Tantan). La distribution du questionnaire s'est faite pendant la dernière semaine de juin 2005. (Questionnaire au format PDF, 180 Ko : http://www.epi.asso.fr/revue/articles/a0602c_quest.pdf.) Le questionnaire comporte deux parties, la première concerne le déroulement des cours et particulièrement les difficultés qui entravent la réalisation des expériences en classe. La deuxième partie porte sur l'utilisation des technologies de l'information et de communication éducatives pour pallier à ces difficultés. 4. Résultats Nous présentons ici quelques résultats de cette enquête. Il est à noter que le traitement des données recueillies a été réalisé à l'aide du tableur Microsoft Excel. 4.1. Résultat de la première partie Concernant le déroulement du cours, les constats suivants sont révélés : 1. Difficultés dans l'enseignement du chapitre « Mouvement d'une particule soumise à une force constante » L'analyse des résultats de cette partie permet de constater que 48 % des enseignants éprouvent des difficultés dans l'enseignement de ce chapitre. Selon les enseignants questionnés, ces difficultés sont dues essentiellement aux points suivants :
2. Réalisation des expériences en classe Concernant la réalisation des expériences en classe, 37 % des enseignants ne réalisent pas les expériences programmées pour ce chapitre. Ces enseignants justifient ceci par :
Les résultats sont résumés dans le graphe ci-dessous (figure 1).
3. Disponibilité du matériel nécessaire pour les expériences L'objectif de cette question est de vérifier la disponibilité du matériel destiné aux expériences. Selon les enseignants questionnés, 16 % d'entre eux déclarent avoir des difficultés d'accès à ce matériel. Ces difficultés sont dues essentiellement à la non-disponibilité du matériel destiné aux expériences et qui n'est pas généralement en bon état. Avec l'utilisation des TICE, nous pouvons concevoir des situations didactiques nouvelles permettant aux élèves de mieux approcher les phénomènes physiques étudiés, en particulier lorsqu'il s'agit de remédier au déficit en matériel didactique, ou de mieux représenter les phénomènes étudiés, en mettant en relief quelques aspects qui ne sont pas directement observables. La deuxième partie de cette enquête a pour objectif de dresser un état des lieux des établissements scolaires en matière d'équipement en matériel informatique et son degré d'intégration dans des situations d'apprentissage. Cependant le recours au TICE, peut ne pas aboutir si les établissements n'ont pas les moyens matériels, les moyens logiciels et les ressources humaines nécessaires pour leur intégration. Ainsi, dans la deuxième partie de cette enquête, nous allons dresser un état des lieux des établissements en matériel informatique et de son degré d'intégration dans l'enseignement des sciences physiques. Et par la suite, nous proposerons une synthèse qui explique les grandes lignes d'une stratégie d'intégration des TICE dans l'enseignement des sciences physiques. 4.2. Résultats de la deuxième partie Concernant l'utilisation des TICE dans les classes de physique, les résultats obtenus sont : 1. Existence des salles multimédias Le premier constat, dans cette partie, concerne l'axe infrastructure. Selon les résultats du questionnaire, tous les établissements de notre échantillon sont dotés de salles multimédias. Et selon l'ANRT [5], suite au « projet de généralisation des moyens d'enseignement Multimédia – Internet » lancé récemment par le gouvernement marocain, ces salles tiendront compte de la capacité d'accueil des élèves (voir tableau 1 ci-dessous).
2. Équipement des laboratoires de physique en matériel informatique Concernant toujours l'axe infrastructure, mais en ce qui concerne la dotation des laboratoires de sciences physiques en ordinateurs, seulement 7 % des enseignants questionnés déclarent disposer d'un ordinateur dans leur laboratoire. Ce qui constitue, sans doute, un obstacle à l'intégration de ces technologies dans l'enseignement des sciences physiques, et plus précisément dans les pratiques expérimentales. 3. Utilisation des TICE en classe Selon les résultats du questionnaire, seulement 8 % des enseignants utilisent (d'une manière non régulière) les TICE à des fins pédagogiques. Cette faible utilisation (qualitative et quantitative), selon les enseignants questionnés, n'est pas due seulement à l'équipement de leurs établissements en matériel informatique, mais c'est également à cause de :
Ces résultats sont récapitulés dans le graphe suivant (figure 2) :
4. Conditions nécessaires pour une intégration efficace des TICE Pour analyser les données relatives à cette question (qui est une question très ouverte), nous avons donc procédé à partir des données brutes (réponses des enseignants), pour ensuite construire des regroupements par similitudes de réponses, jusqu'à arriver à un classement final en trois grands axes : axe infrastructure, axe formation, axe contenu.
5. Interprétation des résultats 1re partie Selon les résultats exposés auparavant, nous constatons que presque la moitié (48 %) des enseignants questionnés déclarent avoir des difficultés dans l'enseignement du chapitre « Mouvement d'une particule soumise à une force constante ». Ces difficultés ne sont pas dues seulement au déficit en matériel didactique que connaissent les établissements, puisque seulement 16 % des enseignants questionnés signalent ce problème. En plus, la confrontation des résultats des deux questions 1 et 2 : L'utilisation des TICE peut être une alternative adéquate pour remédier à ce genre de difficultés, « il est très important de réfléchir à l'utilisation de tels outils dans la résolution de problèmes et à la diversification des pratiques pédagogiques » (Zacharoula, 2004). 2e partie Vu les investissements qui ont été faits durant ces dernières années, il apparaît que l'utilisation des TICE dans des situations d'enseignement-apprentissage en classe est très faible. Seulement 8 % des enseignants les utilisent à des fins pédagogiques. L'absence d'une stratégie d'intégration dans les recommandations officielles et l'incompatibilité des logiciels éducatifs existants sur le marché avec le programme marocain pourraient constituer la cause principale de cette faible utilisation. Une intervention de la part du ministère de l'éducation nationale est donc nécessaire pour permettre d'utiliser au mieux les salles multimédias installées (Agence Nationale de Réglementation des Télécommunications). Il est donc nécessaire :
Conclusion et perspective L'objectif de ce travail de recherche est de montrer la pertinence et le besoin de l'intégration des technologies de l'information et de la communication dans l'enseignement des sciences physiques et plus précisément l'intégration des simulations comme base de la pratique et de l'expérimentation. Ainsi, nous adhérons à une stratégie pour assurer une intégration efficace de l'outil informatique dans l'enseignement des sciences physiques. Cette stratégie est basée sur trois axes :
Dans le cadre de ce troisième axe, nous proposons comme perspective de ce travail de réaliser un support multimédia interactif, qui contient des simulations directement tirées du chapitre « Mouvement d'une particule soumise à une force constante ». Ce support aura comme objectif de compléter les expériences réelles programmées dans ce chapitre. M. El Yaakoubi* * Laboratoire Interdisciplinaire de Recherches : ** Unité de Recherche en Éducation et en Formation (UREF) Références Agence Nationale de Réglementation des Télécommunications (2005). Situation des établissements scolaires en matière d'intégration des Tic. Avril 2005. Bestougeff, B. et Fargette, J.-P. (1984). Enseignement et ordinateur. Paris : Cédic/Nathan. Demaizière, F. (1986). L'enseignement assisté par ordinateur. Paris : Orphys. El Jamali, S. (2000). « La simulation sur ordinateur : quel rôle dans l'enseignement des sciences physiques ? », in Colloque Enseignement et Recherche en Didactique des Sciences (ERDS 2000). Publication de : Faculté des sciences Dhar El Mahraz et ENS de Fez. Gremy, Y.-P., (1995). « Simulation », in Encyclopédie Universalis. Milot, M.-C., Beaufils, D., Bouroulet R. et al. (1998). « De nouveaux outils supports de modélisation et de simulation : Interactive-Physique et Stella », in 8ème Journées Informatique et Pédagogie des Sciences Physiques. IUFM de Montpellier. Viennot, L., (1996). Raisonner en physique. Bruxelles : De Boeck. Zacharoula, S. et Weil-Barais, A. (2004). « Intégration de l'outil informatique dans l'enseignement des sciences physiques » NDLR : Apport spécifique de l'informatique et de l'ordinateur à l'enseignement secondaire. Jacques Hebenstreit, 1973. Avantages (inconvénients ?) pédagogiques de la simulation sur ordinateur (dossier). Présentation du dossier par Jacques Hebenstreit, 1980. Simulation et enseignement des sciences naturelles. Jacques Baudé, Christian Bravard, Jean-Yves Dupont, 1980. Modélisation-simulation (collectif). In Georges-Louis Baron et Jacques Baudé (éd.), L'intégration de l'informatique dans l'enseignement et la formation des enseignants, Actes du Colloque 28-29-30 janvier 1992, édition INRP-EPI. Et le cédérom « 15 ans d'articles de l'EPI » : NOTES [1] Dans le système éducatif marocain actuel, les examens du baccalauréat sont répartis en deux années (grade 11 et 12). [2] C'est le savoir acquis par rapport au temps passé. [3] La version intégrale du questionnaire est reprise sur l'annexe. [4] Cette page est réalisée en langage PHP et les données sont enregistrées dans une base de données gérée par le SGBD MySQL. [5] ANRT : (Agence Nationale de Réglementation des Télécommunications) Établissement public institué auprès du Premier Ministre chargé de la régulation dans le secteur des télécommunications. Il est également chargé de suivre pour le compte de l'État, le développement des technologies de l'information. ___________________ |
