S’il existe des supports pédagogiques qui ont déjà fait leurs preuves et qui peuvent être réexploités ou modernisés19
pour enseigner des concepts liés aux nanosciences et aux nano-technologies, de plus récents ont été également mis au point. Plusieurs recherches se focalisent ainsi sur l’intérêt d’innovations pédagogiques pour favoriser l’engagement des élèves et amé-liorer leurs apprentissages.
2.4.1 Des instruments pour l’apprentissage : utilisations de microscopes et d’interfaces haptiques pour l’enseignement des nanotechnologies Parmi ces travaux, plusieurs s’intéressent à l’utilisation d’une instrumentation particulière pour l’enseignement.
2.4.1.1 Utilisation d’un AFM couplé à une interface haptique
Cinq études de notre corpus sont centrées sur l’impact de l’utilisation d’interfaces haptiques couplées à des microscopes à force atomique (AFM) ou à des simulations de microscopie AFM sur l’apprentissage et l’attitude des élèves (Joneset al., 2003, 2004, 2006; Kubaskoet al., 2008; Joneset al., 2007b). Comme le montre la figure 2.3, beaucoup des auteurs de ces recherches viennent de Caroline du Nord, aux États-Unis. Une équipe de l’université de Chapell Hill située dans cet État a en effet mis au point un “nanomanipulateur” couplant un microscope à force atomique à une interface haptique. Ce dispositif est utilisé pour étudier à distance un virus situé à l’université. Via internet, des élèves peuvent contrôler le microscope par l’intermédiaire d’un joystick et recevoir directement dans les doigts une sensation tactile. De plus, un logiciel reconstruit en trois dimensions l’image de l’objet exploré grâce à l’AFM et procure ainsi aux utilisateurs une représentation visuelle de ce qu’ils manipulent.
La manière dont ce dispositif peut être utilisé pour l’apprentissage de concepts liés aux nanosciences et aux nanotechnologies a été étudiée par des chercheurs en éducation selon des approches proches de la psychologie cognitive. Certains de ces auteurs faisaient d’ailleurs partie des contributeurs aux travaux sur les tailles et les échelles auxquels nous avons fait référence au paragraphe précédent.
Au travers de deux recherches, menées par questionnaires et des entretiens, Jones et al.
(2003) et Jones et al. (2004) ont cherché à cerner l’influence du nanomanipulateur sur la compréhension et la motivation des étudiants. Ces études ont eu lieu alors que les élèves participaient à un module d’une semaine comprenant plusieurs autres activités sur les tailles et les échelles, les microscopies et où les élèves pouvaient s’entretenir avec des scientifiques.
La première recherche (Jones et al., 2003) a rassemblé 50 élèves de high school. La se-conde (Jones et al., 2004) a mobilisé un plus grand nombre de participants puisque ce sont
Figure2.3 – Auteurs des études sur l’utilisation des interfaces haptiques. (Le nom des auteurs ayant participé à l’élaboration des Big Ideas sont en bleus. Les auteurs ayant publiés ensemble ont des marqueurs de même couleur en face de leur nom.)
cette fois 209 étudiants répartis dans des classes de deux niveaux différents (7th grade et high school) qui ont pris part à l’étude. L’analyse des données a permis de montrer que l’utili-sation du nanomanipulateur, de l’AFM et d’un modèle mécanique de l’AFM semblait avoir affecté la compréhension des étudiants (Joneset al., 2003). Ceux-ci sont souvent passés d’une représentation des virus à deux dimensions à une représentation dans l’espace (Jones et al., 2003). Leurs connaissances sur les virus, l’échelle nanoscopique et les différentes techniques de microscopie se sont aussi beaucoup améliorées après avoir pris part à ces différentes activités (Jones et al., 2003, 2004). Ces résultats portant sur les apprentissages des étudiants sur les virus et sur le passage d’une représentation 2D à 3D ont par ailleurs été corroborés par une étude ultérieure (Kubasko et al., 2008).
En outre, globalement et indépendamment de leur exposition à des expériences tactiles, les étudiants ont affiché une attitude plus positive à l’égard de la science, à l’égard de l’idée de tra-vailler avec des microscopes et d’exercer une profession scientifique (Joneset al., 2004). Dans une étude réalisée un peu plus tard et recherchant une influence éventuelle de l’origine ethnique des étudiants sur leur attitude face à ce module et sur leur perception de leur investissement dans ces activités, Jones et al. (2007b) ont aussi indiqué que, selon eux, les élèves “africains-américains”20 étaient plus enclins à se déclarer d’accord avec l’affirmation “science involves
mostly memorizing things and getting the right answer” que les “européens-américains”. Ils n’ont toutefois trouvé aucune différence significative entre les “européens-américains” et les “africains-américains” pour ce qui concernait leur attitude vis-à-vis du module.
Concernant l’impact spécifique de l’information haptique transmise par le nanomanipula-teur, les résultats diffèrent entre l’étude de 2003 et celle de 2004. Dans ces deux études, afin d’obtenir des informations sur l’impact de l’utilisation d’une interface haptique, les auteurs ont programmé le nanomanipulateur de telle sorte qu’une partie des élèves n’aient pratique-ment pas de sensation tactile de l’objet21. La comparaison entre les réponses et les réactions des étudiants ayant bénéficié d’un rendu tactile du nanomanipulateur avec celles de l’autre groupe n’a donné aucun résultat significatif en 2003. En revanche, Jones et al. (2004) ont trouvé que les élèves qui avaient utilisé le nanomanipulateur renvoyant une sensation tactile dans les doigts, affichaient des attitudes significativement plus positives que les autres.
Pour enrichir ces réflexions sur les interfaces haptiques, introduites par l’utilisation du nanomanipulateur, une autre recherche comparant différents types d’interfaces avec l’utilisa-tion d’une simple souris a été menée par Jones et al. (2006). Les deux interfaces haptiques à l’étude sont une interface nommée “PHANToM” constituée d’un bras robotisé simulant le sens du toucher et un joystick commercial assez sophistiqué. La comparaison s’est déroulée en utilisant un programme informatique permettant à l’étudiant de mener diverses expériences afin de déterminer l’identité d’un virus infectant un chien.
36 étudiants de middle et high schools de Caroline du Nord ont participé à cette étude. Tous les participants ont travaillé par binôme. 6 binômes ont été observés par les chercheurs tandis que tous leurs échanges ont été enregistrés. Des questionnaires ont aussi été récoltés pour mesurer les connaissances des étudiants sur les virus et les AFM et évaluer leur sentiment envers l’instruction qu’il venait de recevoir.
L’analyse des questionnaires écrits semble révéler que les étudiants ayant travaillé avec des interfaces haptiques se sont engagés plus intensément dans ces investigations que ceux qui ne disposaient que d’une souris. Il est également apparu des différences significatives entre les nombres de caractéristiques des virus dont les étudiants se rappelaient ainsi que dans l’intérêt qu’ils avaient trouvé à utiliser un AFM pour étudier le virus. Par ailleurs, l’analyse de discours a de permis de mettre en évidence que les étudiants disposant d’une interface haptique utilisaient plus d’analogies pour décrire les expériences et employaient notablement plus de termes affectifs. Cette catégorie de participants a eu aussi recours spontanément à des termes en lien avec la sensation tactile au cours leur discussion avec leurs binômes pour décrire les expériences et les virus.
D’après les auteurs de cette étude, le fait d’utiliser ce genre d’instrumentation modifie donc la nature de l’apprentissage et potentiellement les résultats cognitifs. Enfin, plus l’interface haptique est sensible et plus les résultats semblent bons.
Enfin, le nanomanipulateur a aussi donné lieu à une recherche s’intéressant à l’influence d’une utilisation “en différée” plutôt qu’en direct de ce dispositif (Kubaskoet al., 2008). Ainsi, dans cette étude deux configurations de l’atelier d’utilisation du nanomanipulateur ont été testées.
– Dans un cas (cas synchrone), les élèves ont utilisé le nanomanipulateur connecté en
employons ici sont les leurs : ils parlent d’élèves “African-American” et “European-American”.
21. Dans l’article de Jones et al.(2003), les auteurs indiquent toutefois, qu’étant donné que la pointe de l’AFM se révélait extrêmement difficile à contrôler sans perception tactile, ils ont configuré la machine afin qu’elle ne transmette qu’un rendu du toucher peu prononcé. Il n’est pas précisé si l’équipe a procédé de nouveau de la sorte en 2004. Dans cette deuxième recherche, les auteurs mentionnent seulement une coupure du retour haptique (“cutoff”). Ils ont ainsi peut-être amélioré leur dispositif pour quasiment supprimer tout retour haptique.
direct à l’AFM de l’université. Ils menaient réellement leurs expériences sur les virus et avaient de plus en contact visuel par vidéoconférence avec un scientifique de l’université auquel ils pouvaient poser leurs questions.
– Dans l’autre (cas asynchrone), les élèves ont utilisé des fichiers d’enregistrements d’expé-riences AFM avec des virus. L’interface haptique leur permettait de sentir l’interaction entre la pointe AFM et le virus. Par ailleurs, les élèves communiquaient avec un scien-tifique par email et obtenaient une réponse dans les 24H.
Quatre classes de lycée ont participé à l’étude, deux travaillant sur le nanomanipulateur en direct et deux en différées. Les données recueillies comprenaient les questions des élèves posées au scientifiques, des pré et post tests sondant les connaissances des élèves sur les virus et les articles produits à la fin de l’activité.
L’analyse de ce corpus a montré qu’il n’y avait pas de différence significative entre les groupes pour ce qui concernait l’acquisition de connaissances sur les virus. En revanche, la nature des questions posées au scientifique a varié entre les groupes suivant les configurations, synchrone ou asynchrone. Les deux groupes ont posé environ le même nombre de questions. Toutefois, celles proposées en direct ont porté plus fréquemment sur le scientifique lui même (62% des questions) et les élèves s’adressaient à lui sur un ton relativement décontracté. Celles posées par email étaient au contraire rédigées dans un style plutôt formel et portaient sur le contenu de l’expérimentation, pour gagner en compréhension ou pour discuter de l’interpréta-tion des expériences. Enfin, l’analyse des articles rédigés par les élèves montre que ceux s’étant engagés dans l’expérience “asynchrone” faisaient plus fréquemment référence dans leurs textes à leurs connaissances et à ce qu’ils avaient appris dans ce module. Cette recherche de Kubasko
et al. (2008) souligne donc l’intérêt d’une approche asynchrone pour favoriser l’investigation des élèves22.
2.4.1.2 Utilisation d’un microscope électronique avec des élèves de Middle
School
Une autre recherche a sondé l’impact sur l’apprentissage et l’engagement des élèves, d’une séquence pédagogique recourant à une instrumentation de pointe, à savoir un microscope élec-tronique à balayage (SEM) (Harmer et Columba, 2010). L’objet de la séquence pédagogique s’articulait autour d’un problème environnemental “authentique”. Il était en effet proposé aux élèves de réfléchir aux problèmes de pollution du site de Lehigh Gap Superfund situé en Penn-sylvanie (États-Unis) qu’étudient actuellement des scientifiques de l’agence de protection de l’environnement américaine. 55 élèves âgés d’environ 12 ans répartis dans deux classes ont pris part à cette recherche.
La séquence pédagogique a permis aux élèves d’aborder le problème de la pollution par le zinc, de discuter des méthodes et des outils utilisés par les scientifiques pour mener des études sur des régions polluées terrestres ou aquatiques. Les élèves ont aussi proposé et raffiné des solutions pour faire face au problème de pollution par le zinc touchant leur région. Il leur a été demandé de préparer des présentations exposant leurs hypothèses, leur protocole expérimental et les solutions qu’ils envisageaient. Enfin, cette séquence s’est achevée par la tenue des présentations. Les quatre jugées les plus robustes par l’enseignante et les auteurs ont été retenues pour être présentées à l’université de Lehigh.
Pour tenter d’appréhender la qualité de l’engagement des élèves dans l’activité, les auteurs ont eu recours à des observations en classe ; ils ont examiné des carnets de bord tenus par les élèves ; ils ont enfin mené un entretien avec l’enseignante et d’une série d’entretiens avec les élèves. Par ailleurs, pour cerner quels ont été les apprentissages des élèves, ils ont utilisé des questionnaires distribués au début et en fin de séquence.
22. Sur le plan pédagogique, ce genre d’approche est d’ailleurs beaucoup moins coûteuse que la mise en place d’une interaction en directe avec l’université par vidéoconférence.
À partir des données récoltées, Harmer et Columba ont trouvé qu’une proportion signifi-cative des élèves avaient appris notamment au cours de la séance :
– que des nanoparticules de fer pouvaient être utilisées pour la dépollution du site, – que c’était un faisceau d’électrons qui servait à imager des objets dans un microscope
électronique.
Ces acquisitions de connaissance étant mesurées par un petit nombre de questions, elles nous semblent toutefois à considérer avec prudence.
Par ailleurs, l’analyse des carnets de bord et des entretiens montre que l’engagement des élèves a été important. En s’appuyant sur les réponses des élèves, Harmer et Columba proposent une échelle de degré d’engagement, allant d’un intérêt moyen, à la volonté de faire carrière dans les nanotechnologies. L’étude des commentaires des élèves a en outre permis à ces auteurs d’identifier certains facteurs influant sur le sentiment des adolescents d’être outillés pour participer à la réflexion sur le problème de pollution du site de Lehigh. Au rang de ces facteurs, Harmer et Columba citent notamment l’utilisation d’une instrumentation performante utilisée dans les laboratoires de recherche et la possibilité d’être en contact avec des acteurs du monde universitaire.
Finalement, cette étude rapporte que la séquence d’enseignement dans son ensemble paraît avoir eu un impact positif sur l’apprentissage des élèves et sur leur engagement avec l’acti-vité. Toutefois, le rôle particulier de l’utilisation d’une instrumentation sophistiquée n’est pas exploré en profondeur, même s’il semble jouer un rôle dans l’engagement des élèves.
2.4.2 Une stratégie pédagogique centrée sur l’élève pour enseigner les LED Enfin, une autre recherche rend compte des effets d’une séquence pédagogique traitant des diodes électroluminescentes sur la motivation continuée des élèves (Continuing motivation), c’est à dire sur leur envie de travailler spontanément et d’aller au delà de ce qu’ils apprennent en contexte scolaire (Blonder et Dinur, 2011).
Les auteurs de cette recherche mettent en perspective l’orientation de leur travail avec la baisse du nombre d’étudiants optant pour des filières scientifiques. L’objectif qui sous-tend leur recherche est donc d’explorer comment l’apprentissage de la chimie peut être rendu plus attractif en travaillant dans deux directions :
– modifier les contenus enseignés aux étudiants en les modernisant ; – repenser les approches pédagogiques pour enseigner ces contenus.
Blonder et Dinur (2011) ont ainsi construit une séquence pédagogique sur les diodes électrolu-minescentes, qu’elles présentent comme a “modern nanotechnology topic”, conçue pour mettre en œuvre une pédagogie centrée sur l’élève. Ce module de 14 séances a été proposé à 36 jeunes filles de 15 ans réparties dans deux classes dont un pré-test a révélé qu’elles n’étaient, a priori, pas très intéressées par la chimie.
Les effets du choix de contenu et des approches pédagogiques sur la motivation continuée ont été évalués au moyen de pré et post tests sondant les attitudes des élèves à l’égard de la chimie, d’une évaluation sommative des connaissances, d’observations en classe et d’entretiens. L’analyse du matériau recueilli montre que la participation à cet enseignement a favorisé la motivation continuée des étudiantes. Un peu plus des trois quarts des élèves interviewées ont rapporté avoir discuté de ce qu’elles avaient appris sur les LEDs avec leurs proches et un peu plus d’un quart rapportent s’être documentées toutes seules suite à ces cours. De plus, le nombre d’inscriptions en cours de chimie au semestre suivant a considérablement augmenté suite à cet enseignement, par rapport aux années précédentes (habituellement une dizaine d’élèves sur 60 s’inscrivaient en chimie et là 25 élèves se sont inscrites).
Par ailleurs, lors des entretiens, les deux tiers des élèves interrogées ont indiqué que le choix de la thématique enseignée avaient eu une influence sur leur motivation pour approfondir le sujet chez elles et leur inscription en cours de chimie au semestre suivant. Les transcriptions
de conversations informelles entre les élèves ont aussi permis de mettre en évidence l’existence de deux thèmes récurrents dans leurs propos :
- l’utilité de la thématique enseignée dans ce module ;
- et le défi intellectuel pour les élèves d’apprendre des choses sur les LED.
Enfin, toutes les élèves interrogées ont déclaré avoir apprécié l’approche pédagogique pro-posée dans cet enseignement. Les marques de satisfaction à l’égard des méthodes pédagogiques mises en œuvre se retrouvent aussi dans les transcriptions des conversations entre élèves au cours des séances, même si, au départ, certaines semblaient un peu désarçonnées par ce chan-gement par rapport à leurs enseignements traditionnels.
2.4.3 Discussion
Finalement, les études présentées ici semblent, des dires mêmes de leurs auteurs, indiquer que de nouveaux outils (Jones et al., 2003, 2004; Harmer et Columba, 2010) et que des approches pédagogiques présentées comme en rupture avec des méthodes plus traditionnelles (Blonder et Dinur, 2011) peuvent être utilisés avec profit pour enseigner les nanosciences et les nanotechnologies.
Ainsi, alors que certains auteurs comme Schanket al.(2007) voient dans les nanosciences une opportunité de rénover l’enseignement des sciences, leur introduction dans l’enseignement secondaire est ici mise à profit non seulement pour tester et étudier de nouvelles approches pédagogiques, mais aussi pour tester des outils innovants23
pour enseigner.
Par ailleurs, dans ces recherches où les élèves participent à des modules sur les nanosciences et les nanotechnologies, l’impact de ces expériences sur l’attitude des élèves envers les sciences et même vis à vis de l’idée d’embrasser une carrière dans les sciences et les technologies semble globalement positif. Dans un contexte où certaines études pointent la pénurie possible de travailleurs dans les secteurs des nanotechnologies (Foley et Hersam, 2006), certaines activités pourraient être conçues de manière à inciter des étudiants à embrasser ce type de carrière en présentant les nanosciences et les nanotechnologies sous un jour séduisant. Blonder et Dinur (2011) revendiquent même explicitement cette idée d’utilisation des nanotechnologies pour endiguer la baisse du nombre d’inscription d’étudiants dans les filières scientifiques. Leur choix de présenter les LED comme des nanotechnologies24 nous semble néanmoins discutable.
2.5 La formation des enseignants du secondaire sur les
nano-technologies
Si des innovations pédagogiques semblent favoriser l’apprentissage des élèves sur certains aspects des nanosciences et des nanotechnologies, des obstacles entravant la prise en charge de ces contenus par les enseignants de sciences sont cependant évoqués dans la littérature. Schank
et al.(2007) ou Healy (2009) pointent notamment le problème de la formation des enseignants. D’ailleurs, alors que de multiples propositions d’activités ont déjà fleuri sur Internet (pour s’en rendre compte, il suffit d’aller consulter les sites du National Center for Learning and Teaching
23. Toutefois, sur un plan pédagogique, certaines approches proposées dans ces recherches s’appuient sur une instrumentation dont ne disposent pas tous les établissements scolaires. Si une version artisanale d’un modèle d’AFM peut être utilisée dans n’importe quelle école, pour peu que l’enseignant ait fait le choix de l’introduire dans son cours, l’utilisation d’un véritable AFM, d’un SEM ou celles d’interfaces haptiques dont il est fait état dans ces recherches, n’est pas généralisable à court terme, notamment du fait de leur coût. Aussi, seul un petit nombre d’étudiants peut bénéficier de ce genre d’initiatives. De plus, l’expérience du module d’une semaine étudié par l’équipe de l’université de Caroline du Nord, même si elle semble avoir été bénéfique en termes d’apprentissages, demeure ponctuelle. Sans que cela ne lui retire rien de sa valeur, dans une perspective d’éducation d’une vaste population et d’un enseignement sur les nanosciences pénétrant en profondeur les programmes, ce type d’expérience ne suffit pas. À un moment ou à un autre, il faut que les