La simulation tangible

La simulation tangible consiste à simuler des expériences avec des objets tangibles. Ces derniers représentent les éléments constitutifs des expériences réalisées par les élèves lorsqu’ils observent une source lumineuse, primaire ou secondaire, avec un spectroscope. La simulation est allo-centrée en cela qu’un objet tangible représente l’observateur « à la troisième personne ». Les objets tangibles se composent d’un objet physique, réel, et une image virtuelle associée, affichée sur l’écran de la table interactive comme le montre la figure 20.

Figure 20. Exemple d’objets tangibles

Voici la liste des objets tangibles disponibles dans la simulation :

 un œil tangible qui représente le point de vue de l’observateur ;

 un spectroscope réel muni d’un pied lui permettant d’être positionné sur la table ;

 des sources primaires tangibles (le soleil, une ampoule, un néon et une bougie) ;

Sous chaque objet tangible était collé un « tag » permettant à la table interactive de le détecter lorsqu’il était posé dessus. On distingue deux types d’objets tangibles selon qu’ils soient « spécifiques » ou « génériques » :

 les objets tangibles spécifiques ont un rôle unique et figé dans le temps et sont associés à

une image définie ;

 les objets tangibles génériques ont plusieurs rôles : à l’aide d’un bouton tactile, il est

possible de modifier l’image affichée sous l’objet physique et ainsi, sa fonction dans la simulation.

Pour les sources primaires, les objets opaques colorés et les filtres colorés, les deux types d’objets tangibles ont été conçus. Par exemple, 4 objets opaques colorés ont été conçus : 3 spécifiques et un générique (Figure 21). Ainsi, les produits de la conception exploitent le concept d’objets tangibles physiques associés à des images affichées sur l’écran de la table interactive et à des boutons tactiles, ainsi que la possibilité d’avoir différents types d’objets tangibles, c.-à-d. génériques ou spécifiques. Du point de vue des usages, ces différents objets offrent des alternatives différentes pour l’enseignant, à choisir selon ses besoins.

Figure 21. Exemples de sources de lumière spécifiques (à gauche) et générique (à droite)

L’application tangible permet d’afficher des observations idéales des phénomènes simulés. Pour cela, la configuration spatiale des objets tangibles doit répondre à des conditions, en termes position et d’orientation relatives, similaires aux contraintes des expériences réelles. Afin de rendre compte de ce que perçoit virtuellement l’œil tangible, une fenêtre affiche à côté de lui une image de « ce que voit l’œil » en fonction de son orientation. Par exemple, s’il est dirigé vers une source lumineuse, une image de cette source sera affichée dans la fenêtre. De plus, pour simuler l’observation du spectre de la lumière du soleil, il faut que :

 l’œil, le spectroscope et une source lumineuse tangibles soient alignés ;

 le spectroscope soit placé correctement devant l’œil.

Ces caractéristiques techniques ont été définies pour assurer la cohérence entre expérience réelle et simulation afin de tenir compte des lois sur le trajet rectiligne de la lumière selon la position et l’orientation des objets tangibles. Pour la pratique de l’enseignant, cela lui permet également de revenir sur des notions vues précédemment par les élèves, mais pas toujours maitrisées, par exemple le trajet rectiligne de la lumière.

La figure 22 illustre ces conditions et montre qu’une image de spectre lumineux est affichée devant l’œil. Le spectre représente de façon idéale l’observation qui serait faite par un expérimentateur avec un spectroscope dans la réalité. En revanche, si l’œil n’est pas dirigé vers la source, rien ne s’affiche, car il ne « voit » rien.

Selon le type de source, le spectre varie : il est continu pour la lumière du soleil, de l’ampoule ou de la bougie et discontinu pour celle du néon. Les spectres affichés dépendent du type de source afin d’assurer encore une fois la cohérence avec l’expérience réelle. Ces différentes sources représentent par ailleurs un enrichissement des contenus à enseigner par rapport à l’existant, car il ne dispose habituellement pas de chacune d’elles dans l’expérience réelle. Le spectre lumineux affiché peut être de deux types :

 par défaut, plusieurs ordres du spectre sont affichés, comme lors de l’observation réelle à

travers un spectroscope ;

 cependant, à l’aide d’un bouton tactile associé à l’objet tangible spectroscope, il est

possible de passer de plusieurs ordres à un seul ordre du spectre (Figure 22).

La figure présente différentes situations de simulation : un cas de non-alignement de l’œil et de la source, la simulation de l’observation du ciel, la simulation de l’observation d’un néon et l’affichage d’un seul ordre du spectre.

Cela représente un apport pour l’activité de l’enseignant, car cette transition, de l’observation de plusieurs ordres vers un seul spectre, était généralement implicite ou peu discutée. Avec cette fonction, il peut la justifier plus facilement et s’assurer que tous les acteurs de la classe aient le même objet d’étude.

Figure 22. Exemple de simulation de l’observation du spectre de la lumière du soleil et d’un néon

L’application tangible conçue permet également de simuler l’observation d’un objet opaque coloré avec ou sans spectroscope. L’œil et, le cas échéant, le spectroscope doivent être alignés et orientés vers un objet opaque coloré et une source primaire doit être placée sur la table de sorte que l’objet opaque réfléchisse virtuellement la lumière reçue. La figure 23 illustre cela par quatre exemples : en haut, la simulation de l’observation d’objets opaques colorés rouge et vert éclairés en lumière blanche ; en bas, la simulation lorsque la lumière ne peut pas arriver jusqu’à l’œil.

Lorsqu’un filtre tangible est placé entre une source lumineuse et l’œil, il absorbe une partie de la lumière et la couleur de la source ou son spectre est modifié (figure 24). Il faut pour cela que les objets tangibles (source lumineuse, filtre, spectroscope éventuellement et œil) soient alignés.

Figure 24. Simulation de l’observation de la lumière du soleil avec un spectroscope à travers un filtre bleu ou vert

L’application tangible permet de combiner filtres et objets opaques pour simuler le fait que la couleur d’un objet dépend de la couleur de la lumière. Ainsi, si par exemple un objet opaque vert est éclairé en lumière blanche ou verte (en utilisant un filtre vert), la simulation affiche une image de l’objet vert dans la fenêtre qui montre « ce que voit l’œil ». En revanche, si un objet vert est éclairé en lumière rouge ou bleue, il est censé absorber ces couleurs et l’œil ne verra donc rien. La figure suivante montre la simulation de l’observation de la lumière émise par un objet blanc éclairé en lumière verte (l’œil voit un objet vert) et d’un objet vert éclairé en lumière bleu (l’œil ne reçoit pas de lumière).

Figure 25. Exemples de l’observation simulée de sources lumineuses derrière des filtres

Enfin, comme dans l’expérience de la synthèse additive des lumières colorées, il est possible de placer jusqu’à trois sources lumineuses blanches avec, devant chacune, un filtre de couleur différente et un objet opaque blanc qui renvoie une lumière dont la couleur correspond à l’additivité des lumières qu’il reçoit. La figure suivante montre un cas de synthèse additive des lumières colorées avec des sources de lumière bleue et rouge reflétées sur un objet blanc qui sert d’écran.

Figure 26. Exemple de simulation de la synthèse additive des lumières colorées

Ainsi, afin d’assurer la conformité de l’application tangible de simulation aux contenus à enseigner prescrits par le programme scolaire, celle-ci permet de simuler des phénomènes optiques impliquant : des objets opaques colorés, des filtres colorés, leur combinaison ainsi que la synthèse additive. De plus, les possibilités offertes par les interactions tangibles permettent de faire travailler les élèves sur le trajet rectiligne de la lumière dans ces différents cas.