Vers l'introduction du simulateur Pspice
dans l'enseignement de l'électricité :
Cas du Tronc commun Sciences

Mohammed Chekour, Mohammed Laafou, Rachid Janati-Idrissi
 

Résumé
La simulation numérique présente un intérêt considérable en électricité, car elle permet de simplifier les systèmes réels étudiés afin de faciliter la tâche cognitive des apprenants. Dans cet article, nous avons essayé, d'un côté, de réaliser une étude sur les avantages de la simulation dans l'acquisition des phénomènes physiques. D'un autre côté, nous avons testé le simulateur Pspice dans le cadre de l'enseignement de l'électricité chez lycéens marocains. Nos résultats affirment que Pspice peut être utilisés comme un outil pédagogique pour aider les élèves à assimiler les concepts en électricité.

Mots clés : Simulation numérique, électricité, simulateur Pspice, Maroc.

Introduction

   Dans ces derniers dix ans, la simulation est de plus en plus utilisée dans le processus d'apprentissage de concepts physiques. En simulant les résultats d'une théorie, on peut rapidement évaluer la validité et progresser beaucoup plus vite dans le processus de mise au point de cette théorie. Dans la plupart des cas, la simulation aide à comprendre les phénomènes étudiés en fixant ou en changeant les paramètres du logiciel de simulation. Or, les étudiants ne sont pas seulement motivés par les simulations, mais ils apprennent en interagissant avec les paramètres du simulateur d'une manière similaire à des situations réelles. La simulation peut activer de multiples compétences chez les apprenants en science comme observer, mesurer, prédire, contrôler des variables, formuler des hypothèses et interpréter des résultats (Droui, El Hajjami, 2014).

   Dans cet article, nous avons essayé, d'un côté, de réaliser une étude sur les objectifs et les avantages de la simulation dans l'acquisition des phénomènes physiques. D'un autre côté, nous avons testé le simulateur Pspice dans le cadre de l'enseignement de l'électricité chez lycéens marocains de TCS (Tronc Commun Sciences : première année du cycle secondaire qualifiant [1]).

   Le reste de ce papier est organisé comme suit : la section suivante présente le cadre théorique dans lequel s'inscrit ce travail. La section 2 est dédiée à la qualité pédagogique de la simulation dans l'enseignement des disciplines scientifiques. Les raisons pour lesquelles on choisi le simulateur Pspice sont présentés dans la section 3. Dans la section 4, nous présentons les résultats d'un questionnaire qui vise la mesure du degré de satisfaction de lycéens marocains du TCS en regard de l'utilisation de Pspice sans leurs processus d'apprentissage. La dernière section conclut le papier et présente une liste de perspectives.

1. Cadre théorique

   Plusieurs recherches ont apprécié, d'une manière générale, l'intégration des TIC dans le métier de l'enseignant. Peraya, Viens et Karsenti (2002) insistent sur la nécessité de profiter de la valeur ajoutée (au niveau pédagogique) avec l'usage des TIC. De son côté, Bibeau (2007) a étudié les conditions qui peuvent agir sur la réussite de l'intégration des TIC dans l'enseignement et a conclu que les TIC améliorent la motivation des élèves et développent des opérations cognitives d'ordre supérieur.

   Au niveau du Maroc, Ahaji et al. (2008) ont présenté la politique d'intégration des TIC dans le système éducatif marocain. Cette politique consiste en une stratégie visant la généralisation des TIC dans l'enseignement marocain. Kaddouri et Bouamri (2010) ont montré que la plate-forme d'apprentissage en ligne a permis de vaincre la distance qui sépare les étudiants des espaces institués de formation. Une autre recherche a montré que 83 % des enseignants de sciences physiques valorisent la qualité pédagogique des TICE et 75 % pensent que les simulations peuvent remplacer certaines expériences de l'électricité (Chekour, Laafou, Janati-Idrissi et Mahdi, 2014). La recherche exploratoire de Alj et Benjelloun (2013) a montré que 8 % des enseignants interrogés intègrent les TIC de façon régulière en classe. Suite à cette recherche, ce paradoxe est dû à l'insuffisance des équipements matériels au sein des établissements, le manque de logiciels et d'applications adaptés aux programmes enseignés et le manque des formations continues des enseignants.

2. Simulation : un outil au service de l'apprentissage

2.1. Essai de définition

2.1.1. Définition de la simulation

   Dans Le dictionnaire de notre temps (1991), la simulation est la reproduction expérimentale des conditions réelles dans lesquelles devra se produire une opération complexe. C'est également la représentation d'un objet par un modèle analogique plus « facile à étudier ». La simulation consiste à réaliser un modèle du phénomène que l'on veut étudier, observer le comportement de cette représentation lorsque l'on fait varier les paramètres de celle-ci et à induire ce qui se passerait dans la réalité (Ndoumatseyi Botongoye, 2012).

2.1.2. Définition de la simulation informatique

   Les simulations informatiques (appelées aussi numériques) sont basées sur des programmes informatiques qui contiennent un modèle simplifié d'un système (Droui et El Hajjami, 2014). Elles reposent sur la mise en oeuvre de modèles théoriques et elles servent à étudier le fonctionnement et les propriétés d'un système modélisé ainsi qu'à en prédire son évolution (Aidene, 2007). Selon Bakalem (1996), la simulation est « un moyen explicatif pour définir un système, un vecteur d'analyse pour déterminer des résultats critiques, un évaluateur de conception pour analyser et évaluer des solutions proposées... ».

2.2. Objectifs de la simulation

   Guéraud et al. (1999) résument les principaux objectifs de la simulation dans le contexte éducatif :

• Simuler pour comprendre un phénomène :la simulation permet de proposer un modèle numérique qui permet d'évaluer la validité d'une théorie ;

• Simuler pour construire :la simulation permet de vérifier le modèle numérique avant la réalisation matérielles d'un nouvel objet ;

• Simuler pour apprendre : l'utilisation de la simulation dans le processus d'apprentissage améliore le niveau de compréhension des phénomènes étudiés et elle augmente la motivation de l'apprenant.

2.3. Simulations et contextes d'utilisation pédagogique

• Simulations pédagogiques intégrées au sein d'un enseignement traditionnel avec un pédagogue ayant comme rôle l'orientation des apprenants ;

• Simulations pédagogiques utilisées de façon autonome ;

• Simulations pédagogiques utilisées dans le contexte d'un apprentissage coopératif.

2.4. Simulation et objectifs de l'apprenant

Dans la simulation pédagogique, il est important de fixer un but à l'apprenant au lieu d'utiliser librement cet outil. Herzog et Forte (1994) comparent simulation à but et simulation libre dans les termes suivants :

• La simulation à but offre un défi à l'apprenant et renforce sa motivation ;

• La simulation à but donne un sens aux actions de l'apprenant et une orientation à son comportement ;

• La simulation à but évite à l'apprenant de modifier de façon aléatoire ou incohérente les paramètres de la simulation.

2.5. Avantages de la simulation

Plusieurs recherches en didactique des sciences se sont intéressées à l'étude de l'impact de l'intégration des simulations dans la compréhension des phénomènes physiques. Parmi les avantages cités, on trouve :

• la simulation permet de tester des scénarios avant de les appliquer réellement (Banks, 1998)

• la simulation permet de comprendre des phénomènes cachés et de visualiser les phénomènes et leurs conséquences (Gobin et al., 2002)

• les apprenants sont motivés en apprenant via un simulateur (Le Maréchal, El Bilani et Montpied, 2007)

• la simulation simplifie la réalité en changeant les paramètres du simulateur (Alessi et Trollip, 1991).

• l'apprenant sera capable de résoudre des problèmes, apprendre des procédures, comprendre les caractéristiques des phénomènes et contrôler les paramètres du phénomène étudié (Alessi et Trollip, 1991).

2.6. Limites de l'utilisation de la simulation

Malgré les différents avantages de la simulation, elle ne peut pas remplacer les activités de laboratoire (c.-à-d. les expériences). Dans cette vision, Hebenstreit (1987, cité par Teodoro, 1993) souligne que : « L'"objet" sur lequel l'usager agit pendant une simulation est "concret" en ce sens qu'il réagit aux actions comme le ferait un objet réel, mais cet objet est cependant abstrait car si son comportement apparaît sur l'écran de l'ordinateur, il ne peut cependant être vu ou touché comme le serait un objet concret. »

De plus, la simulation peut conduire à des comportements erronés associés au modèle utilisé qui vise à simplifier le phénomène étudié. Pour éviter de dérouter l'apprenant, le modèle ne doit être ni trop réduit ni trop complexe (Droui et El Hajjami, 2014). Selon les mêmes auteurs, les simulations doivent être introduites au bon moment dans le déroulement du cours, en utilisant la bonne stratégie pédagogique et avec des objectifs pédagogiques très précis.

3. Simulateur Pspice

3.1. Un peu d'histoire

   Dans les années 70, des étudiants de l'université de Berkeley en Californie mettent au point un algorithme destiné à la conception des circuits intégrés analogique. Cet algorithme se nomme Spice (Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis). Plusieurs entreprises vont commercialiser des logiciels de simulation basée sur le noyau Spice. L'évolution de l'informatique a permis, a la fin des années 80, de porter ces logiciels sur micro-ordinateur. La version de Spice commercialisée par MicroSim, qui a été rachetée par Orcad, devient le standard de l'industrie sous le nom Pspice (Alexander et Bowers, 1990).

   La société MicroSim a ajouté au noyau Spice la simulation numérique et la possibilité de mélanger circuits numériques et analogique. La version éducation est libre et permet l'accès à tous les fonctionnalités du programme de calculs pSpice et du programme de traçage Probe. Sa seule limitation est le nombre de composants et de noeuds du circuit analysé (Pulfrey et Tarr, 1989).

3.2. Pourqoui le simulateur Pspice

   La simulation est recommandée pour améliorer la compréhension théorique des concepts de l'électricité. Les logiciels tels que Pspice, Workbensh, Maple, Mathcad, Polymath, Matlab et Simulink sont utilisés pour harmoniser les concepts théoriques avec les phénomènes physiques étudiés. Néanmoins, la qualité de Pspice est signalée par plusieurs éducateurs et pédagogue (Tunienga, 1992). Il devient une partie intégrante de curriculum de plusieurs universités internationales (Rusek et Oakley, 2001).

   Dans le cadre de ce travail, on a choisi Pspice pour les raisons suivantes :

• Il est simple à manipuler et les limites de la version gratuite de Pspice permettent son exploitation dans les lycées (Strollo, 1996).

• Il est le logiciel de simulation le plus répondu dans l'industrie (Vladimirescu, 1994).

• C'est un logiciel Complet ; puisqu'il permet de simuler des systèmes électrotechniques, électronique de puissance, électronique de commande numérique et analogique (Rusek et Oakley, 2001).

4. La satisfaction des élèves en regard du simulateur Pspice

   L'objectif de l'intégration du simulateur Pspice est de faciliter la tâche cognitive des lycéens marocains dans le processus d'acquisition des concepts en électricité. Pour mesurer le degré de satisfaction des utilisateurs du simulateur Pspice, on a proposé un questionnaire aux soixante-dix élèves de deux lycées de TCS (Jaber Ibno hayan et Khadija Omo Moueminine), qui ont été utilisé ce logiciel dans la classe et dans des activités parascolaires (en dehors des heures de classe). Le questionnaire traite les points suivants :

• Le simulateur Pspice est facile à installer.

• Le simulateur Pspice est facile à utiliser.

• L'utilisation de Pspice nécessite peu de connaissances dans l'informatique.

• Le simulateur Pspice peut aider à comprendre les concepts de l'électricité.

   Les résultats de ce questionnaire sont présentés dans la figure 1.

Figure 1 : Satisfaction de lycéens marocains du TCS en regard de Pspice.
Pour l'analyse des résultats, on a utilisé l'échelle de Likert :
Tout à fait d'accord – Plutôt d'accord – En désaccord – Tout à fait en désaccord.

   Les résultats du questionnaire montrent que le simulateur Pspice est facile à installer pour la plupart (86 %) des élèves interrogés et trois quart de ces élèves affirment qu'il est facile à explorer, car ils pensent que Pspice nécessite peu de connaissances dans l'informatiques. Les résultats du questionnaire montrent que la majorité (91 %) des élèves interrogés pense que le simulateur Pspice peut aider à assimiler les concepts en électricité.

   Du côté des enseignants, ils jugent que l'intégration de logiciel de simulation a motivé d'une manière remarquable leurs élèves et a permis à ces élèves de construire leurs propres savoirs en modifiant les paramètres du logiciel de simulation.

Conclusion et discussion

   Les concepts des sciences physiques d'une manière générale et ceux de l'électricité d'une manière spécifique ne doivent pas être utilisés en dehors du contexte précis où ils ont été définis. En effet, le manque des activités expérimentales est la principale cause du maintien et de la persistance de représentations erronées chez les lycéens (Noupet Tatchou, 2004). Dans cette situation, les simulations constituent une alternative pour refaire les expériences réalisées par l'enseignant et simuler les expériences non faites à cause du manque de matériel dans les lycées marocains. Or, les résultats obtenus, dans cette étude, montrent que les lycéens veulent profiter de la valeur ajoutée offerte par le simulateur Pspice et ils sont motivés pour intégrer cet outil techno-pédagogique dans le processus d'apprentissage des concepts de l'électricité. Le choix du logiciel Pspice est justifié par le fait qu'il est un simulateur complet, le plus répandu dans l'industrie et sa version gratuite permet son exploitation en éducation au niveau du cycle secondaire qualifiant. Dans une perspective à court terme, nous envisageons des études mettant l'accent sur l'approche, le modèle, la stratégie et le scénario pédagogique les plus appropriés pour enseigner la simulation à l'aide de Pspice au profit d'un groupe d'enseignants de l'enseignement secondaire qualifiant dans le cadre d'une formation continue. À moyen terme, nous envisageons mettre en ligne un guide pour faciliter la manipulation du logiciel Pspice pour les enseignants de sciences physiques et les lycéens. À long terme, nous allons mettre à la disposition de ces enseignants et leurs élèves la simulation de principales expériences de l'électricité du cycle secondaire qualifiant via une plateforme d'apprentissage en ligne. L'objectif de cette plateforme est de faciliter la tâche cognitive des apprenants afin de mieux assimiler les concepts de l'électricité. De plus nous envisageons mettre en ligne quelques exemples de fiches techniques pour aider les enseignants à réaliser d'autres simulations via Pspice

Mohammed Chekour
med.chekour@gmail.com
Mohammed Laafou
medlaafou@gmail.com
Rachid Janati-Idrissi
rachjanati@yahoo.fr
Laboratoire Interdisciplinaire de Recherche en Ingénierie Pédagogique
École Normale Supérieure de Tétouan, Maroc

Cet article est sous licence Creative Commons (selon la juridiction française = Paternité - Pas de Modification). http://creativecommons.org/licenses/by-nd/2.0/fr/

Références

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NOTE

[1] Élèves de 16 ans avec 10 ans de scolarité.