L'importance de l'intégration
des simulateurs informatiques dans l'enseignement
et apprentissage des sciences physiques :
Cas de l'ISTA-Kinshasa

Jacques N'Djoli, Rachid Janati-Idrissi,
Farid Benabdelouahab
 

Résumé
L'objectif de cette étude est d'essayer d'apporter une lumière suffisante sur la question qui se rapporte aux avantages ayant trait à l'intégration et l'usage de logiciels de simulation informatique dans l'enseignement et l'apprentissage des sciences physiques qui ont lieu au sein de l'ISTA-Kinshasa. Pour traiter convenablement cette problématique, nous avons distribué manuellement les questionnaires à plus de 120 étudiants et à un échantillon composé de dix professeurs de sciences physiques de cette école dans l'optique de vérifier nos deux postulats ou hypothèses de travail qui sont :

« La simulation sur ordinateur peut offrir aux étudiants de l'ISTA-Kinshasa de vastes potentialités importantes à de nombreux niveaux » ;

« Pour les enseignants, la simulation sur ordinateur leur permet de contourner l'expérience sur les phénomènes parfois difficiles voire impossibles à réaliser ».

Les résultats obtenus à l'issue de cette enquête nous ont confirmé que l'usage des logiciels de simulation informatique peut procurer aux étudiants de l'ISTA-Kinshasa de multiples potentialités importantes à de nombreux niveaux. De plus. Ils représentent une très bonne opportunité à saisir pour les enseignants sondés. En effet, ces solutions logicielles peuvent remplacer les expériences qui s'avèrent parfois difficiles voire impossibles à réaliser en auditoire ou au laboratoire à cause du manque ou l'absence du matériel scientifique

Mots-clés : sciences physiques, TIC, simulateur informatique, ISTA Kinshasa.

Introduction

   La révolution technologique du moment a influencé tous les domaines de la vie de notre société. Cette influence se vérifie même dans le secteur éducatif avec l'apparition des technologies de l'information et des communications TIC. Précisons que l'usage de ces outils à cet égard présentent une panoplie d'avantages à la fois pour l'enseignant et l'apprenant en simplifiant le travail de l'un et de l'autre en offrant plusieurs opportunités technologiques pour l'amélioration de l'enseignement et de l'apprentissage. Selon les chercheurs (Droui et eL Hajjami, 2014), « l'intégration des simulations dans l'espace éducatif peut activer de multiples compétences chez les apprenants en sciences comme observer, mesurer, prédire, contrôler des variables, formuler des hypothèses et interpréter des résultats ». Pour (Mahadi et al., 2018) « La simulation informatique peut remplacer les expériences non réalisées à cause du manque ou l'absence du matériel scientifique ». Dans cette même logique, nous pouvons également mentionner le cas des auteurs (M. Erradi et al., 2001) qui ont travaillé sur l'introduction des simulations informatiques dans l'enseignement de la chimie. D'ailleurs, ces derniers soutiennent pour leur part que :

   Ceci étant, le présent article essaie d'apporter une lumière suffisante sur la question qui se rapporte aux avantages de l'utilisation des simulateurs informatiques dans l'enseignement et l'apprentissage des sciences physiques qui ont lieu au sein de l'ISTA-Kinshasa. Cela, avec l'intention d'esquiver tous les obstacles rencontrés par les enseignants et les étudiants de cet établissement. Le principal obstacle identifié est la complexité de réaliser des travaux pratiques tout en simplifiant les différents phénomènes physiques en intégrant une approche techno-pédagogique fondée sur l'utilisation des simulateurs informatiques.

Cadre théorique

   Dans ce cadre de référence, nous mettons plus l'accent sur la notion de simulation informatique et de ses apports en enseignement et apprentissage des sciences.

Qu'est-ce qu'une simulation informatique ?

   D'après (Xiaojun Ye, 1994), la simulation est une technique de modélisation qui consiste à reproduire le comportement dynamique d'un système sur ordinateur afin de mieux le connaître, de mieux maîtriser son évolution dans le temps dans un environnement donné ; et d'évaluer ses performances. Tandis que pour (Claver, 97), la simulation est l'activation du modèle dans le temps, afin de connaître son comportement dynamique et de prédire son comportement futur. Par contre, selon Jean-Pierre Treuil et al. (2008, p.9) :

   « La simulation est l'activité au cours de laquelle, selon un protocole et avec un objectif précis, on utilise un simulateur pour faire évoluer les entrées [1] d'un modèle dynamique, l'exécuter, et en recueillir les sorties [2]. Tout modèle écrit en respectant le méta-modèle [3] associé au simulateur et comportant au moins un paramètre d'entrée peut se prêter à ce processus de simulation... »

   De ces toutes définitions que nous avons mentionnées ci-haut, qui ne sont d'ailleurs pas antithétiques, nous retenons la dernière, car elle nous présente la simulation comme étant une activité très particulière ayant ses règles, ses méthodes, et surtout un rôle dans l'exploration scientifique.

Qu'entend-on par simulateur ?

   Selon le Larousse, le simulateur correspond à une représentation du comportement d'un processus physique, industriel, biologique, économique ou militaire au moyen d'un modèle matériel dont les paramètres et les variables sont les images de ceux du processus étudié. (Les modèles de simulation prennent le plus souvent la forme de programmes d'ordinateurs auxquels sont parfois associés des éléments de calcul analogique.). Cependant, pour Jean-Pierre Treuil et al. (2008, p.6) le simulateur renvoi à un « Programme (ou plate-forme) informatique capable d'interpréter des modèles dynamiques, et utilisé(e) pour produire les perturbations désirées sur ces modèles ».

   En ce qui nous concerne dans cet article, nous définissons le simulateur comme un programme (ou plate-forme) informatique capable d'interpréter des modèles dynamiques, et utilisé pour l'analyse et la compréhension de ces modèles.

Les apports de la simulation informatique en enseignement des sciences

   Plusieurs recherches ont été menées à travers le monde sur ce sujet afin de déterminer leurs avantages et leurs apports en enseignement des sciences. De même, nous aussi, dans cette étude, nous nous sommes intéressés à cette question en vue de faire ressortir les bienfaits de cet usage dans le cadre d'apprentissage/enseignement des sciences. Il ressort de notre réflexion que ces apports aident à :

• Simplifier les systèmes réels étudiés ;
• Présenter une alternative aux expérimentations inaccessibles ;
• Activer et développer des compétences ;
• Effectuer des expériences virtuelles et explorer des phénomènes ;
• Se présenter comme outil d'investigation scientifique ;
• Visualiser les phénomènes et multiplier les formes de représentation ;
• Compléter les expériences réelles ;
• Jouer le rôle d'un état intermédiaire en théorie et pratique (Droui et El Hajjami, 2014).

Problématique

   Les deux points clés que nous tenterons d'expliquer dans cet article repose sur les postulats suivants : « la simulation sur ordinateur peut offrir aux étudiants de l'ISTA/Kinshasa de multiples potentialités importantes à de nombreux niveaux » ; « pour les enseignants, la simulation sur ordinateur leur permet de contourner l'expérience sur les phénomènes parfois difficiles voire impossibles à réaliser ».

Les objectifs

   Cette étude a pour objectif de vous présenter principalement :

• Les résultats collectés à l'issue d'une enquête que nous avons menée auprès des étudiants et enseignants de l'ISTA-Kinshasa sur l'importance des simulateurs informatiques dans l'enseignement et apprentissage des sciences physiques ;

• Les avantages ou les bénéfices que sous-tend l'utilisation des simulateurs informatiques dans l'enseignement et apprentissage des sciences physiques pour ces étudiants et ces enseignants.

Méthodologie

   Pour répondre à notre problématique et atteindre tous les objectifs de notre recherche, nous avons été à l'ISTA-Kinshasa au cours de l'année académique 2020-2021 dans un espace-temps de trois mois (de février à avril) pour distribuer nos questionnaires d'abord aux étudiants, ensuite aux enseignants des sciences physiques de cette école. Il sied de noter que toutes les questions contenues dans les questionnaires concernés sont en rapport avec la problématique du présent document.

   Soulignons que les réponses données par nos étudiants sont basées sur leurs expériences de quelques séances de simulation réalisées en laboratoire sous la supervision de leurs enseignants. Celles-ci visaient à aider les apprenants à étudier et à découvrir ou à identifier les savoirs souhaités.

   Concernant la taille de notre échantillon, elle est constituée de 10 enseignants des sciences physiques, ayant tous plus de 20 ans d'expérience professionnelle, et de 120 étudiants appartenant tous au même établissement.

   Par ailleurs, les données colligées ont été traitées par le logiciel Excel en vue de faciliter la lecture de cet article.

   Présentation et analyse des résultats collectés.

1. Les avis des enseignants sur l'utilisation des TIC dans l'enseignement

   Sur les réponses enregistrées sur cette question, on constate que 70 % des enseignants usent de plus en plus de support audio-vidéo dans l'enseignement de la physique. Ces données montrent également que 50 % des enseignants exploitent progressivement les logiciels de présentation (MS Power Point, Libre Office Impress, Sway...) pour l'enseignement de leur matière. De plus lesdits résultats illustrent encore que (5 0%) des professeurs consultés accordent « moyennement » d'importance aux manipulations en laboratoire quand ils enseignent la physique. En revanche, seulement 40 % des enseignants ont signalé qu'ils utilisent de moins en moins des simulations sur le Web ou sur ordinateur et des calculatrices scientifiques dans leurs leçons. Toujours avec ces mêmes statistiques on peut également voir que plus de la moitié des enquêtés utilisent régulièrement les ressources supports papiers dans leurs séances de cours de physique.

Figure : Les avis des enseignants sur l'utilisation des TIC dans l'enseignement.

2. Les avis des enseignants sur l'importance des simulations en mécanique et en électricité

   Dans l'ensemble des résultats obtenus sur cette question, il s'est dégagé un taux de 60% des enseignants qui sont « Fortement en accord » que les simulations peuvent remplacer correctement certaines expériences du cours d'électricité et du cours de la mécanique.

Figure : Les avis des enseignants sur l'importance des simulations
en mécanique et en électricité.

3. Avis des étudiants sur l'utilisation des situations problématiques signifiantes dans leur apprentissage des sciences physiques

   Les résultats obtenus sur cette interrogation ont montré que ces étudiants ne travaillent « pas du tout » sur les situations problèmes signifiantes. Par contre, juste 15 % des sondés ont répondu affirmativement à cette question.

Figure : Avis des étudiants sur l'utilisation des situations problématiques signifiantes
dans leur apprentissage des sciences physiques.

4. Avis des étudiants sur leur degré de compréhension des concepts en sciences physiques (mécanique et cinétique)

   Les opinions exprimées par les questionnés attestent que plusieurs étudiants jugent que les concepts en sciences physiques, notamment en mécanique et en cinétique sont « Un peu difficile à comprendre ».

Figure :Avis des étudiants sur leur degré de compréhension des concepts
en sciences physiques (mécanique et cinétique).

Discussion

   Tous ces résultats attestent qu'il existe réellement un vrai besoin en termes d'utilisation des simulateurs informatiques aussi bien pour les enseignants que pour leurs étudiants.

   À cet effet, l'idée d'intégration pédagogique des logiciels de simulation dans la formation de futurs ingénieurs congolais d'ISTA-Kinshasa devient de plus en plus essentielle, voire impérative afin d'améliorer à foison la qualité de la formation dispensée à ces étudiants. Pour preuve, nos enseignants ont largement confirmé que les simulations peuvent remplacer valablement certaines expériences d'électricité et celles de la mécanique non réalisée pour cause du manque ou l'absence de matériel scientifique. « [...] Dans cette situation, les simulations constituent une alternative pour les élèves afin qu'ils puissent refaire les expériences réalisées par l'enseignant ou bien de simuler les expériences non faites à cause du manque de matériel [...] » déclarent (Mahdi et al., 2017). Citons également les chercheurs (Droui et eL Hajjami, 2014) qui selon leurs mots : « les simulations informatiques, ou simulations numériques sont des programmes informatiques qui possèdent un modèle simplifié d'un système ou d'un processus ». Citons encore Mintz (1993) qui à la fin de ses recherches dans cette même direction va conclure qu'« une des applications informatiques les plus prometteuses dans l'enseignement des sciences est l'utilisation de simulations pour développer du matériel didactique approprié pour des expérimentations que nous ne pouvons pas réaliser par une expérimentation conventionnelle de laboratoire en classe ». De ce qui précède, nous pouvons quand même conclure que notre postulat d'après lequel « pour les enseignants, la simulation sur ordinateur leur permet de contourner l'expérience sur les phénomènes parfois difficiles voire impossibles à réaliser » est vérifié.

   Vu le problème de compréhension des concepts en sciences physiques exprimé par nos étudiants et l'absence de traitement des situations problèmes signifiantes dans la formation qui est la leur ; vu la complexité des phénomènes physiques à étudier par ceux-ci ; vu la fréquence irrégulière d'organisation des travaux pratiques dans leur cursus de formation. Face à toutes ces défaillances qui entravent la qualité des enseignements que reçoivent nos enquêtés, la simulation sur ordinateur s'avère indubitablement la solution efficace en ce sens. Pour cela, les études réalisées sur ce sujet à travers le monde confortent clairement notre opinion sur ladite question.

   Pour faire simple, sur le point de vue didactique les futurs ingénieurs de l'ISTA, en utilisant les logiciels de simulation, ils gagneront en opportunité de travailler sur des situations problématiques. « En effet, comme le modèle en physique est une représentation simplifiée à une échelle réduite d'un système ou d'un phénomène physique, la simulation des situations problématiques permet de les étudier, les analyser... » (hassouny, 2014).

   Sur le plan cognitif, cet outil permettra à ces futurs ingénieurs de mieux appréhender les concepts des sciences physiques qui leur semblent difficiles en ce moment. « Selon la psychologie cognitive, les mécanismes de simulation-modélisation sont fondamentaux pour la compréhension car les aptitudes de simulation, intimement liées à celles de la modélisation, sont innées chez tous les êtres intelligents » (Kelsen, 2002). En gros, l'usage des simulations informatiques dans ce contexte pourrait être profitable à nos étudiants car il permet de :

• Faciliter la compréhension conceptuelle (Jimoyiannis., 2010), (Meir et al., 2005 ; Stern et al., 2008 ; Zacharia., 2007), etc. ;
• Économiser le temps d'apprentissage (Gibbons et al., 2004) ;
• Améliorer la capacité de prédire les résultats des expériences (McKagan et al.,2009). Cité par (hassouny, 2014).

   Du point de vue affectif, nous pensons que les simulateurs informatiques impacteront positivement plusieurs aspects de nos étudiants tels que :

• Leur satisfaction (Duran et al., 2007) ;
• Leur participation ainsi que leur esprit d'initiative (Duran et al., 2007) ;
• L'amélioration de leur perception de l'environnement de la classe (Kiboss et al., 2004). Cité par (hassouny, 2014).

   En somme, on peut donc conclure que nous sommes en phase avec notre deuxième postulat qui est « La simulation sur ordinateur peut offrir aux étudiants de l'ISTA-Kinshasa des multiples potentialités importantes à de nombreux niveaux ». D'où, nous avons atteint notre second objectif.

Conclusion et perspectives

   À la fin de ce travail de recherche, nous pouvons conclure que l'idée d'intégrer des simulateurs dans l'enseignement et l'apprentissage des sciences physiques qui ont lieu au sein de l'ISTA-Kinshasa est une initiative encourageante qui mérite toutes les attentions particulières des autorités tant structurelles (celles du conseil d'administration de cet établissement) qu'étatiques (celles de l'état congolais). Par ailleurs, nous disons que ce processus d'intégration pédagogique des logiciels pour des simulations informatiques au niveau des enseignants de notre établissement d'accueil devrait être précédée par une formation techno-pédagogique destinée à ces derniers. Celle-ci aura pour but de renforcer les compétences de ces enseigneurs sur les TIC de façon à ce qu'ils puissent exploiter de manière idoine ces instruments dans le but de mieux contourner les expériences sur les phénomènes parfois difficiles voire impossible à réaliser dans le contexte de leurs enseignements. Signalons par ailleurs que cette formation devrait faire aussi l'objet d'une vraie évaluation régulière de la part des autorités compétentes afin d'assurer son efficacité.

   Quant aux étudiants, nous venons de montrer que l'usage régulière des simulateurs informatiques dans leur apprentissage des sciences physiques est une opportunité qui leur offrira un vaste potentiel à tous les niveaux. De manière substantielle, l'intégration de ces outils dans ce cadre leur permettra par exemple :

• De mieux comprendre les différents concepts des sciences physiques ;
• D'améliorer la capacité de prédire les résultats de leurs expériences ;
• Leur motivation dans le sens d'acquisition et concrétisation des phénomènes physiques ;
• Etc.

   Notons que dans la prochaine étude que nous préparons dans ce sens, il s'agira pour nous d'aborder la fameuse question de la formation techno-pédagogique des enseignants que nous avons évoquée dans les lignes précédentes.

Jacques N'Djoli,
Rachid Janati-Idrissi,
Farid Benabdelouahab.
Institut supérieur des techniques appliquées(ISTA),
Kinshasa, République démocratique du Congo.

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

Bibliographie

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El Hassouny, E. (2014). Les TICEs en classes de sciences physiques : Enjeux et étude d'impact [Thèse de doctorat en didactique de la science physique, Université Ben Abdellah, faculté des sciences D'har El Mehraz (Fès)]

M. Erradi, M. Khaldi, S. Ezzahri, A. Bennamara, M. Talbi & S. Benmokhtar (2001). Consulté à l'adresse :
https://www.academia.edu/21068738/Introduction_des_simulations_informatiques_dans_lenseignement_de_la_chimie_des_solutions

Xiaojun Ye (1994). Modélisation et simulation des systèmes de production : une approche orientée-objets. Consulté à l'adresse :
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Eastes, R. (2013). Processus d'apprentissage, savoirs complexes et traitement de l'information : un modèle théorique a l'usage des praticiens, entre sciences cognitives, didactique et philosophie des sciences. Consulté à l'adresse :
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Treuil, J., Drogoul, A. & Zucker, J. (2008). Modélisation et simulation à base d'agents Exemples commentés, outils informatiques et questions théoriques. Consulté à l'adresse :
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Varenne, F. (2003). La Simulation Conçue Comme Expérience Concrète. In J.-P. Müller (Éd.), Le statut épistémologique de la simulation. Éditions de l'ENST.

NOTES

[1] Les entrées d'un modèle dynamique sont des paramètres dont la valeur est définie en dehors du modèle et qui représentent ce que le simulateur peut perturber.

[2] Les sorties d'un modèle dynamique sont également des paramètres qui expriment ce que l'on cherche à mesurer en réponse à ces perturbations.

[3] Un méta-modèle est le modèle du langage de modélisation dans lequel sont exprimés les modèles dynamiques qu'un simulateur est censé pouvoir interpréter. Le méta-modèle définit des concepts de modélisation, leurs propriétés et les relations existant entre ces concepts indépendamment des techniques d'implémentation informatique utilisées par le simulateur.