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CONCEPTION D'UNE SIMULATION SUR El Mokri A., El Hajjami A., Ajana L., Chikhaoui A. Résumé : L'enseignement des ondes mécaniques pose des difficultés aussi bien au niveau phénoménologique qu'au niveau conceptuel. À partir d'une analyse du contenu du programme des ondes en Terminale et en concertation avec les enseignants pratiquants, nous avons pu relever des difficultés didactiques liées aux concepts introduits sur les ondes. Nous avons élaboré une application informatique interactive centrée sur les concepts étudiés et sur des activités de simulation. L'application propose une approche par simulation mettant l'accent sur la phénoménologie. Nous avons expérimenté cette application avec des enseignants et les observations relevées vont nous permettre de développer l'application. Mots Clés : apprentissage ; concepts physiques ; onde ; simulation ; modélisation. 1. INTRODUCTION Nous présentons dans cet article un outil de simulation centré sur les propriétés physiques d'une onde périodique transversale dans un milieu à deux dimensions. Après une discussion des difficultés d'apprentissage liées à cet enseignement, nous présentons une description de l'application. Enfin nous présentons quelques éléments de conclusion tirés de l'expérimentation de cette application avec des enseignants sollicités à utiliser cette application. 2. DIFFICULTÉS D'APPRENTISSAGE Le programme actuel de 2ème année du lycée marocain (l'équivalent de la première) comporte une partie traitant les phénomènes vibratoires. Un des objectifs principaux de cet enseignement est que l'apprenant doit être capable de distinguer les grandeurs vibratoires liées à la propagation des ondes mécaniques (période spatiale et temporelle). Un second point capital pour la compréhension des phénomènes de propagation s'attache ensuite à définir et illustrer le mécanisme de propagation de l'onde mécanique via sa modélisation mathématique. Notre analyse des difficultés d'apprentissage liées à l'enseignement des ondes mécaniques à deux dimensions s'est basée sur un travail de terrain avec des enseignants de sciences physiques qui enseignent en 2ème année du lycée. Les difficultés relevées sont :
Pour essayer de remédier à ces difficultés, nous avons conçu un outil informatique de simulation des ondes mécaniques, et ceci en se référant à l'expérience prototypique de la cuve à onde dont les activités expérimentales ne semblent pas faciliter la compréhension des phénomènes de propagation, bien que l'intérêt didactique de ces activités expérimentales soit indiscutable. 3. HYPOTHÈSES D'APPRENTISSAGES LIÉES À LA SIMULATION Les activités de simulation que nous proposons dans ce travail sont construites sur la base des hypothèses suivantes :
Ces hypothèses constituent pour nous des éléments pertinents qui nous ont motivés à réaliser cette application informatique sur la simulation des ondes. 4. DESCRIPTION DE L'APPLICATION Cette application vise à faire assimiler les propriétés caractéristiques d'une onde plane progressive circulaire qui se propage à la surface d'une nappe d'eau et qui fait référence à l'expérience de la cuve à ondes ; et ce à travers une simulation qui permet de faire varier les caractéristiques principales de l'onde circulaire et de voir leurs influences sur la propagation de l'onde. L'application propose des activités mettant en jeu différentes représentations favorisant la compréhension des théories et modèles proposés en cours. Le choix des situations proposées couvre en partie la matière abordée dans l'enseignement secondaire marocain. L'application est plutôt une aide didactique illustrée et animée qu'une simulation d'expérience au sens où nous l'entendons habituellement dans les logiciels de simulation. Il nous semble cependant que les simulations présentées dans l'application doivent permettre à l'apprenant de comprendre plus facilement des concepts perçus d'ordinaire comme assez difficiles (par exemple dans le cas de la propagation d'une onde circulaire à la surface d'une nappe d'eau, les apprenants ont une difficulté à assimiler que le mouvement de chaque point de la surface est modélisé par une fonction sinusoïdale) ; l'application utilise pour cela la simulation de la coupe transversale pour approcher la notion de longueur d'onde pour une onde circulaire et la comparer à celle donnée pour une corde. Elle a pour objectif de fournir aux apprenants un moyen pour approfondir à leur propre rythme quelques aspects théoriques de la propagation d'une onde circulaire à la surface d'une nappe d'eau, ainsi que l'approche des concepts de vitesse de propagation, de période et de longueur d'onde. Elle essaie d'aider les apprenants à surmonter leurs difficultés de confusion de ces deux derniers concepts. Enfin, nous sommes convaincus que l'incorporation d'une auto évaluation formative à accès totalement libre, dont la correction des réponses proposées est immédiate et commentée, doit exercer sur l'apprentissage une action très stimulante. 4.1. Fenêtre d'accueil La fenêtre d'accueil présente le but de l'application ainsi que le menu à travers lequel l'apprenant a le choix entre la simulation et l'évaluation. Les images introduites font allusion à l'expérience de la cuve à onde et à la figure obtenue par celle-ci.
4.2. La fenêtre de la simulation La fenêtre de simulation est constituée de deux parties principales :
4.3. Fenêtre d'évaluation Cette fenêtre est constituée de deux parties où on présente dans la première les définitions des propriétés de l'onde et dans la deuxième des questions d'évaluation. Chaque bouton constitue un lien vers une autre fenêtre.
Les définitions proposées sont tirées du cours dispensé. Les questions sont de type choix multiples. L'application commente la réponse proposée, et renvoie l'apprenant vers la simulation pour lui permettre d'approfondir sa réponse.
5. RÉSULTAT D'UNE PRÉ-EXPÉRIMENTATION Le but cette pré-expérimentation est d'obtenir une première évaluation de cette application informatique. Elle a été soumise à quatre enseignants du lycée Ibn Tachafine à Fès. Après son utilisation, nous leur avons demandé leur avis sur les différents points soulignés ci-dessous. Ces points concernent la possibilité de l'utiliser en classe avec les élèves et le rôle qu'elle peut jouer dans l'apprentissage. Nous espérons ainsi détecter des lacunes éventuelles de cette application afin de pouvoir y remédier. Nous résumons leurs remarques, issues d'un entretien avec eux, en fonctions des points soulevées :
Comme on peut le constater de cette première expérimentation avec les enseignants, l'utilisation de l'application ne présente pas de difficultés majeures. Quelques suggestions sur la simulation (suivi du point, présentation de part et d'autre du centre, amplitude..) sont à prendre en compte. Les activités de simulation peuvent atteindre leur objectif, à savoir une meilleure compréhension des concepts et une assimilation de leur modélisation mathématique. Cette première expérimentation, va nous inciter à aller plus loin dans le développement de notre application informatique pour qu'elle couvre les autres activités liées aux phénomènes ondulatoires (interférence, diffraction, polarisation...). 6. EN GUISE DE CONCLUSION Dans cette étude, nous avons présenté un germe de didacticiel que nous nous proposons de développer. Nous avons dans un premier temps discuté les difficultés d'apprentissages liés aux phénomènes de propagation des ondes mécaniques à deux dimensions. Ensuite nous avons abordé des aspects théoriques de la simulation dans le processus d'apprentissage. L'application que nous avons réalisée a été décrite à travers les différentes fenêtres. Une première expérimentation avec des enseignants nous a permis de juger de son importance, et la possibilité de l'utiliser en classe. Certains points ont été soulevés, et que nous prendrons en compte pour notre prochaine développement de l'application. El Mokri A., El Hajjami A., Ajana L., Chikhaoui A. Laboratoire Technologies de l'Information et Bibliographie [MAU99] Maurines L., 1999. « La propagation des ondes en dimension 3 : analyse des difficultés des étudiants quant au modèle géométrico-ondulatoire », Didskalia n° 15, p 87-122. [BEAU2000a] Beaufils D., 2000. Les logiciels de simulation comme supports de registres de représentation pour les apprentissages en physique, in L'apprentissage : une approche transdisciplinaire, actes des Journées Internationales d'Orsay sur les Sciences Cognitives (JIOSC), novembre 2000, p. 101-104. [BEAU2000b] Beaufils D., 2000. Des logiciels de simulation pour modéliser et expérimenter sur modèle : quels enjeux pour les apprentissages ?, in Actes du premier séminaire national TICE et Sciences physiques. [TIB97] Tiberghien A., 1997. « Modelling as basis for analysing teaching-learning situations », Learning and Instruction, Vol 4, p. 71-87. [VINCE2000] Vince J. & Tiberghien A., 2000. « Simuler pour modéliser. Cas du son » Sciences et thechniques éducatives, Vol 7, n° 2, p. 333-366. [BEAU98-2000] BEAUFILS D. « Utilisation de logiciels de simulation comme aide à la consolidation des connaissances en physique » ; Rapport d'étude (septembre 1998-décembre 2000). ___________________ |
