Les promesses de la simulation
Les premières utilisations de l'ordinateur pour l'enseignement des sciences physiques avait exploité les capacités de calcul pour créer des simulations permettant l'étude de trajectoires de particules chargées, d'aterrissages sur la Lune, de circuits électriques simples, de trajectoires de rayons lumineux, etc. L'idée était d'offrir aux élèves des environnements leur permettant d'exercer leur saggacité, leur esprit d'investigation et leur connaissances de physique. Il est intéressant de noter que ces idées et ces réalisations des années 70 (!) reviennent sur le devant de la scène après vingt années d'occultation par le paradigme "outil de laboratoire".
Car si l'idée d'un enseignement de physique ancré sur l'expérimental reste première, il faut bien reconnaître que les pratiques scientifiques sont de plus en plus nombreuses à s'appuyer sur la simulation numérique : électronique, CAO, physique nucléaire, cosmologie, etc. De plus, les études didactiques tendent à montrer que les activités fondées sur la manipulation d'objets ou d'instruments ne sont, ni toujours propices à la conceptualisation, ni surtout les seules.
Dans nos autres travaux sur l'ordinateur "outil d'investigation scientifique", la simulation apparaissait déjà comme outil de mise au point de modèle : la résolution des équations différentielles est en effet bien une simulation dans le sens où, n'ayant pas accès à une solution explicite, la connaissance de la valeur d'une grandeur à une date donnée repose sur le suivi de l'évolution depuis les conditions initiales. Mais ces méthodes numériques peuvent évidemment être utilisées indépendamment de résultats expérimentaux acquis préalablement. La simulation est alors le moyen d'activités de construction de modèles et expérimentation sur modèle !
Dans les pages qui suivent, notre approche est explicite : il s'agit bien d'une entrée par les activités sur les modèles (et non de fournir des fichiers de tel ou tel logiciel). Notre objectif, à travers les quelques exemples donnés, n'est pas de fournir des modèles du genre mais bien de susciter chez le lecteur, une réflexion sur les types d'activités que l'on peut ainsi créer, sur les savoirs de physique requis et les niveaux d'enseignement que l'on peut viser, sur les types d'environnement et conditions d'intégration de leurs utilisations et, bien évidemment, sur l'impact positif attendu au niveau de la structuration des connaissances.
Une recherche didactique exploratoire
Le travail que nous avons commencé depuis plusieurs années repose sur l'élaboration de situations et d'activités mettant explicitement en jeu le monde des modèles et des théories, éléments que nous considérons comme centraux dans la formation scientifique. En d'autres termes, nous faisons l'hypothèse que des activités sur simulateur renverront à des réflexions mettant en jeu le niveau théorique : au-delà des sources d'erreurs liées à la manipulation du logiciel, tel événement inattendu ou telle propriété particulière devra conduire à une recherche d'explication dégagée de toute contingence matérielle particulière du moment (mauvais contact, humidité, appareil défectueux, etc.).
Il ne s'agit évidemment pas d'une substitution aux activités sur les objets et les instruments, mais bien de proposer une clarification des activités. Si l'objectif d'apprentissage concerne la maîtrise de modèles ou d'éléments de théorie, alors ce sont les modèles eux-mêmes qu'il convient de faire fonctionner, et nous laissons aux activités "sur paillasse" les objectifs qui lui sont spécifiques.
Le choix d'environnements, l'élaboration d'activités sous différentes formes, les essais de suivi des activités des élèves ou des étudiants, nécessitait un travail didactique exploratoire. C'est celui-ci que nous présentons ici. Les expérimentations ont été conduites en classe de lycée (Terminale S, enseignement de spécialité), au niveau du DEUG (modules de soutien), en licence et en préparation au CAPES de physique-chimie (activité supplémentaire facultative).
En classe de lycée
Au niveau des classes de lycée notre première expérimentation (1996-1998) avait pour objectif d'évaluer la possibilité d'utiliser le logiciel de simulation général Stella. Logiciel entièrement ouvert, proposant une ergonomie et un principe de fonctionnement attractif, Stella était a priori porteur d'effet positif au niveau d'activités d'élaboration de modèle (modélisation) ou de réflexion par l'exploration de modèles (simulation). Les activités proposées à quelques élèves volontaires étaient élaborées en fonction du cours de physique que les élèves venaient de suivre.
Notre seconde expérimentation en lycée (1999) a porté sur la possibilité d'associer des activités d'exploration de modèle et de manipulation de travaux pratiques, et ce en optique géométrique. Le logiciel RayTrace permet en effet de manipuler sources, lentilles, diaphragmes, écrans, etc., et d'étudier les trajets de faisceaux lumineux dans toute situation. L'activité est proposée aux élèves dans le cadre des heures régulières de physique de l'enseignement de spécialité.
Dans le supérieur
L'expérimentation en module de remise à niveau en DEUG (1997-1998) a été réalisée avec Stella. L'objectif était alors de voir, avec des étudiants censés connaître un minimum de physique et de mathématiques, quel degré d'appropriation du logiciel ils pouvaient atteindre, et dans quelles types d'activités de modélisation ils pouvaient s'engager.
L'expérimentation menée au niveau d'une préparation au concours du CAPES a porté sur l'utilisation de deux logiciels principaux : RayTrace pour l'optique et Interative Physique pour la mécanique newtonienne. Notre intention était d'expérimenter la mise en place de véritables situations que nous appelons "TP sur modèle" pour des étudiants supposés connaître les savoirs fondamentaux, mais devant les compléter, les structurer et les confronter à des problèmes théoriques ou expérimentaux.
Ont participé aux différents travaux
- Daniel BEAUFILS - INRP-TECNE,
puis IUFM de Versailles - Université Paris-Sud : DidaScO
- Alain GUILLON - Université Cergy-Pontoise, DidaScO
- Roger JOURNEAUX - Université Paris XI, DidaScO
- Jean-Claude LE TOUZÉ - INRP -TECNE
- Bernard RICHOUX - Lycée J.B. Corot et INRP-TECNE
Quelques
éléments à propos des logiciels Stella, Raytrace et Interactive Physique
Stella est un logiciel de simulation général permettant la création de modèles à partir de relations physico-mathématiques entre grandeurs. Le principe repose sur la représentation par des liens entre grandeurs et taux de variations, et est fondé sur l'intégration numérique d'équations différentielles du 1er ordre modélisant une relation "pompe-réservoir".
L'originalité de ce logiciel se situe d'abord au plan ergonomique : la construction des modèles se fait par manipulation de représentations symboliques génériques. La seconde originalité se situe au niveau du fonctionnement du logiciel. Le "moteur" de base de tout "modèle Stella" est constitué d'une association métaphorique "pompe-réservoir" où la valeur de la grandeur "stockée" dans le réservoir évolue évidemment en fonction du "débit" associé à la pompe.
Fonctionnant donc à un niveau abstrait, il permet de traiter de façon équivalente des systèmes mécaniques, électriques, etc., illustrant ainsi l'un des aspects de la modélisation : un même formalisme pour différents domaines.
Stella, version Windows ou Mac est :
- édité par : H.P.S. (High Performance Systems, Inc.),
45 Lyme Road, Suite 300, Hanover, NH 03755 USA
http://www.hps-inc.com/edu/stella/stella.htm - commercialisé en France par K.B.S (Knowledge Based
Simulation),
340 rue Saint-Jacques, 75005 Paris. http://perso.cybercable.fr/kbs/
Une version de démonstration gratuite peut être téléchargée.
Il s'agit d'un logiciel de simulation d'optique géométrique fondé sur un modèle de "ray-tracing" bidimensionnel permettant l'association quelconque de sources, dioptres, miroirs, etc.
L'environnement RayTrace se compose d'une surface d'expérimentation et d'une collection d'instruments disponibles par des boutons que l'on peut pré-programmer. Dans l'environnement proposé à certains étudiants figurent ainsi :
Un choix de :
Un choix de sources lumineuses :
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Contrairement à d'autres logiciels où le postitionnement des objets est limité, et contrairement à Cabri-géomètre qui ne permet que de faire de la géométrie sur problèmes d'optique résolus, RayTrace permet de manipuler les objets et d'observer en direct les effets sur les rayons et les faisceaux. Il est ainsi possible d'expérimenter et de découvrir les propriétés de systèmes sans avoir à faire préalablement de calculs de trigonométrie.
RayTrace est :
- édité par : IME Software, P.O. Box 1153, Toowong QLD 4066, Australia, http://www.ozemail.com.au/~imesoft/index.html
- commercialisé en Europe par : Ibv-Ingenieurbüro Vingerling, Postfach 1111, D-35411 Pohlheim, Germany - http://www.ibv-thinfilms.de/imindexe.htm
Une version de démonstration (mais permettant l'utilisation des différentes boutons et environnements que nous avons réalisés) est accessible par téléchargement
| Il s'agit d'un logiciel de simulation de
mécanique newtonienne fondé sur l'assemblage de représentations figuratives d'objets
physiques (masse, ressort, liaison, etc.) affectés de propriétés. On peut choisir et assembler de nombreux éléments pour constituer des systèmes mécaniques. L'ensemble est par défaut placé dans le champ de pesanteur et les contacts des solides se font avec frottement. Mais tout est paramétrable... |
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L'évolution du système peut être suivie par chronophotographies, par les flèches représentatives de vecteurs ou par le graphique des variations de grandeurs physiques.
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Bien que le logiciel soit fondé sur la résolution numérique des différentes équations traduisant les effets des forces et des liaisons, aucune d’entre elles n’est à écrire. La seule donnée des paramètres du système ( masses des objets, les longueurs des fils, l’intensité de la pesanteur,…) et des conditions initiales suffit à lancer la simulation.
Interactive Physique est distribué par PHYLAB, 8
rue Bobillot, 75013 Paris.
Version française du logiciel américain Interactiv Physics
ayant bénéficié d'un soutien du ministère de l'éducation nationale.
- Niedderer H. et al., The role of computer-aided modelling in learning physics, Journal of Computer assisted learning, 1991, n°7, 84-95.
- Beaufils D., La simulation numérique comme élément d'une démarche expérimentale, L'intégration de l'informatique dans l'enseignement et la formation des enseignants, Paris : INRP-EPI, 1992, 100-103.
- Emynian M., Rubin K., Introduction à la simulation des systèmes physique (un manuel interactif pour comprendre la physique par l'informatique), Inter Éditions, 1994, 258p.
- Schecker H., Learning physics by making models, Physics Education, 1993, 102-106.
- Durey A., L'informatique dans l'enseignement des sciences physiques, Didactique appliquée de la physique-chimie, Nathan, 1996, 195-222.
- Beaufils D., Durey A., 1998. L'ordinateur dans l'enseignement des sciences physiques : questions de didactique, in Actes des 8e Journées nationales Informatique et Pédagogie des Sciences Physiques, Paris : UdP-INRP, 63-74.
- Milot M.C. et al., 1998. De nouveaux outils de modélisation et de simulation : Stella, Interactive Physique, in Actes des 8e Journées nationales Informatique et Pédagogie des Sciences Physiques, Paris : UdP-INRP, 75-84.
- Beaufils D., et al., 1998, "Expérimentation d'une utilisation d'un logiciel de modélisation-simulation : Stella", INRP-TECNE, rapport interne, 1998.
- Lettres du CIP de Genève - "Club modélisation & simulation" - http://wwwedu.ge.ch/cptic/clubs/modesimu/
- Richoux B., Salvetat C. - "La simulation sur ordinateur dans l'enseignement de la physique. Pourquoi ? Comment ...". Exposé présenté le 20 Juin 2001 lors de l'assemblée générale interacadémique (Paris, Créteil, Versailles) de l'Union des Physiciens.
De nombreux sites ofrent des exemples sous forme de fichiers à télécharger notamment pour Interactive Physique. On peut obtenir leurs adresses actualisées sur le site EDUCNET dans le classement thématique des ressources nationales et académiques (choisir dans la liste rapide des thèmes proposés "Simulation et modélisation") http://www.educnet.education.fr/phy/themes/index.htm
INRP-TECNE
Unité Informatique et enseignement
12/07/2001