Comment intégrer une simulation

aux activtiés d’apprentissage scientifique ?

F. LombardD’après une présentation de A. Conti

Il n’y a pas de compréhension sans modèle.

Pour apporter une observation de quelque valeur ... Il faut avoir décidé ce qui est possible, grâce à une certaine idée de ce que peut bien être la réalité, grâce à l'invention d'un monde possible. (Jacob, 1981)

... Un enseignement dogmatique où les modèles sont présentés comme des évidences non questionnées, non rattachées à des problèmes, [...], (Martinand, 1996 p.1)

Cellule au microscopeAmpoules « gourmandes »Propriétés matières – atomes é. (2061)

 La modélisation du réel au cœur de la démarche scientifique 

 

• Modélisation: activité d'élaboration/modif. de modèles. • Utilisation de modèle: instrument pour représenter et explorer le monde réel

• N’est pas le réel • Nécessaire pour tirer quoi que ce soit de l’observation• Hypothétique, modifiable, pertinent pour un problème, validité limitée.

• Expérimentation: activité de mise à l'épreuve du modèle face au « réel » • Allers retour hypothèses tirés du modèle obs analyse discussion

• Simulation: artefact permettant des activité mise à l'épreuve du modèle face au modèle incarné dans l’artefact.

Martinand, J. L. (1996). Introduction à la modélisation. Actes du séminaire de didactique des disciplines technologiques., Cachan Paris

... on pourrait enseigner et faire apprendre la modélisation, c’est-à-dire la construction, l’adaptation, l’utilisation des modèles. (Martinand, 1996 p.1)

Le modèle n'est pas la réalitéles interactions entre modèles les font évoluer

 Expérimentation ---> confrontation du modèle avec le « réel »

  Simulation        ---> Confrontation d’un modèle avec un artefact conceptuel exprimant le modèle de ses auteurs (abstraction accrue, confusion avec le réel, etc.)

Conséquences : 

1) la simulation ne peut se substituer à l'expérimentation. La confrontation au réel doit être aménagé dans un va-et-vient fréquent.

2) L'usage d'une simulation permet à l'apprenant de tester de manière active la pertinence de son modèle mental

Un modèle a une portée et une pertinence limitée

Tout modèle est modifiable et de pertinence limitée :Une carte qui représenterait un territoire à l'identique et à la même échelle ne servirait à rien. Au contraire, une carte ne rassemble que les informations jugées utiles pour une utilisation déterminée.Un modèle représente un aspect particulier d'un système étudié, pour permettre de répondre à un ensemble de questions précises.

La question n'est pas de savoir si un modèle est correct, mais d'apprécier sa pertinence à un problème. Un processus de compréhension progressive et dynamique du système étudié-> exemple simulation de la friction

Au delà du simple affichage de documents fixes ou animés, au-delà de la présentation active de processus scientifiques ...utiliser une simulation comme un outil d'apprentissage permet à l'élève :

     • de faire intéragir les élèves avec un système dynamique;• de confronter les élèves des paramètres échappant à leur observation ( • temps, taille, nature etc.)• d'augmenter sa capacité à tester des scénarios multiples:• de créer des occasions de négocier le sens avec des camarades 

permet à l'enseignant :• de découvrir les conceptions des élèves• d'augmenter la complexité des situations proposées• de multiplier les interactions avec les modèles• de favoriser l'implication des élèves dans une démarche d'investigation

Point de vue pédagogique (1)

Point de vue pédagogique (2)

Devant un ordinateur, on observe que l'élève est motivé... car il agit de manière autonome en cliquant sur des boutons. (mais moitvé vers quoi ? Motivation-vecteur)

... mais y a-t-il une confrontation de ses modèles mentaux ?

Viser l'activité intellectuelle des élèves

• Importance des tâches qui lui sont assignées. La production attendue, la responsabilité. Un questionnaire trop tatillon/ trop long peut empêcher un élève de s'immerger dans la simulation.

• Travailler à deux peut susciter une négociation ( conflit cognitif) .• Bien évaluer la surcharge cognitive (simulation abstraite vs

métaphorique).. mais ne pas sous-estimer la capacité des élèves à maitriser un rapidement une interface ---> proposer une phase d'exploration de l'interface, suivi d'un échange dans la classe

--> se méfier de la simple reproduction d'expériences en laboratoire (procédures et manipulations) ex. antibiogramme  (flash)

Privilégier un usage de la simulation qui permet une vraie manipulation du modèle 

Expliciter le modèle mentalConfronter HypothèsesContrôle des paramètres par les élèves

Choix de l'artefact (1)

L'usage de la simulation doit se faire en relation avec le monde des objets matériels. Maintenir un rapport entre le modèle et le réel

• Présenter le phénomène à étudier vérifier empiriquement le modèle par des mesures ou des observations directes.

Comment intégrer l'activité de simulation dans une séquence ?

--> éviter si possible de commencer une séquence d'enseignement par la présentation d'une situation déjà modélisée.Commencer la séquence en montrant la simulation,  c'est prendre le risque de la confusion entre le modèle et la réalité.

En biologie, le rapport entre le modèle et le réel est délicat à tenir 

exemple 1: croisement de drosophiles(modélisation mathématique d'un phénomène testable en classe/ laboratoire)1. modélisation (imaginer comment les caractères se transmettent selon une

théorie chromosomique de l'hérédité)2. --> tester le modèle (simulation par tirage aléatoire... ou par un logiciel)3. -->  expérimentation sur des mouches 4. --> analyse de l'écart entre prédictions du modèle et les données réelles

recueillies.

exemple 2:  rapports proie-prédateurs et influence du milieu(processus non testable en classe/ laboratoire) 1. analyse de données réelles (à travers un article / des données sur la pullulation

cyclique de lièvre...• ---> modélisation: proposer un modèle explicatif  (pour un facteur donné)• ---> tester le modèle  (simulation par tirage aléatoire... ou par un logiciel

présenté comme équivalent)• ---> comparer les résultats entre prédictions du modèle et les données de

départ.

Prendre conscience des modèles de l’enseignant

Faire expliciter leurs modèles aux élèves

  ==> Demander aux élèves d'anticiper une action en s'efforçant de mettre en œuvre les règles du modèle, puis d'observer les résultats de cette action par la mise en fonctionnement de la simulation.  ex. théorie cinétique des gaz  

Comment intégrer l'activité de simulation dans une séquence ? (2)

ConnaissanceActivités individuelles Légender Lister, énumérer des caractéristiques Quiz avec des fiches Passer un questionnaire d'auto-évaluation sur le vocabulaire Donner les définitions issues des manuels scolaires

Compréhension Activités individuelles Décrire un processus avec vos propres mots, sans le copier à partir d'un livre ou d'une autre source, Fournir des exemples d'un processus Composer une phrase avec le terme étudié. Donner des exemples d'un processus Activités de Groupe Discuter un terme ou d'autres contenus avec ses pairs A tour de rôle poser des Questions (Quiz) sur les définitions à vos pairs et faire vérifier les réponses par les autres.

Application Activités individuelles

Examiner chaque processus que vous avez appris et demandez-vous: Qu'arriverait-il si vous augmentiez ou diminuiez la quantité d'un composant dans le système ou ce qui arriverait si vous modifiez l'activité d'un composant dans le système? Si possible, faire le graphique d'un processus et créer des scénarios qui changent la forme et la pente de la courbe Activités de GroupeS'exercer à écrire au tableau des réponses aux questions d'anciens examens et faire vérifier par les pairs que la réponse est complète et concise.

Tour à tour, expliquer à vos pairs un processus et le groupe discute le contenu de la présentation

Crowe, A., Dirks, C., & Wenderoth, M. (2008).Biology in bloom: implementing Bloom's taxonomy to enhance student learning in biology. Life Sciences Education, 7(4), 368. Edutechwiki

En résumé  objectifs pédagogiques

Tâches possibles Output possible

représentation d'une expérience de laboratoire sans action sur les paramètres

mémorisation d'un vocabulaire/ compréhension des étapes d'un dispositif expérimentale

- répondre à un questionnaire- produire un commentaire audio- faire des hypothèses sur le rôle de chaque étape-...

- mise en ordre- repérer étapes manquantes- prévoir le problème si une étape est non respectée

simulation  d'un 

Comprendre le fonctionnement d'un modèle donné.

- faire une hypothèse sur l'effet d'un paramètre.- Effectuer une série de test isolant le paramètre étudié.- Comparer le résultat issu de la simulation et son hypothèse- Décrire le modèle (dessin, écrit)

- expliquer/illustrer les effets de chaque paramètre.- représenter les relations au sein du modèle.- identifier des situations réelles où le modèle est applicable

phénomène avec nombreux paramètres

Utiliser un modèle donné pour prédire une situation nouvelle 

-  justifier l'issu d'un phénomène à partir des données de départ.- Paramétrer la simulation et vérifier sa prédiction

- confronter la prédiction avec des données réelles.- évaluer les limites de validité du modèle