L'ORDINATEUR EN SCIENCES PHYSIQUES·
QUELLES SIMULATIONS?
Daniel BEAUFILS INRP, Alain DUREY, ENS St Cloud, LlRESPT, Roger JOURNEAUX, ENS St Cloud, LlRESPT
Mots clés: logiciel, simulation, enseignement, sciences physiques, classification.
Résumé: une classification des logiciels de simulalion utIlIses actuellement dans l'enseignement des sciences physiques en France est proposée. Mais il est possible d'envisager d'autres modes d'utilisation de la simulation; trois exemples sont détaillés. L'un d'eux apporte une réponse à la question fondamentale du lien
à la réalité expérimentale.
A study of computer simulation for french science teaching points out that simulation has many aspects. A classification is proposed. But new programs lead to
Depuis l'avènement de l'ordinateur dans l'enseignement, la simulation a fait l'objet de nombreuses réalisations et suscité
oe
nombreuses discussions et publications. Le sujet reste cependant d'actualité car l'évolution des machines et des logiciels s'est traduite et se traduit encore par la multiplication des aspects de la simulation. Il existe actuellement un certain nombre de logiciels d'enseignement qui portent ce label, mais leurs objectifs et leurs contenus sont souvent très différents. La connaissance de ces contenus, de ces objectifs, donc des limites de chaque logiciel est de première importance au niveau du choix de l'insertion ~édagogiqueet de la définition de l'activité proposée aux éleves. Avoir cette connaissance c'est aussi dépasser le débat sans fin du pour (une rénovation des contenus d'enseignement et des approches pédagogiques) et du contre (la dénaturation d'un enseignement expérimental).Dans une première partie nous proposons une classification des logiciels de simulation actuellement disponibles en Sciences Physiques. Les quelques exemples caractéristiques donnés permettent de soulever quelques problèmes pédagogiques. Dans une seconde partie nous centrerons notre propos sur les activités qu'il est possible de proposer aux élèves dans la perspective de nouveaux logiciels.
l LES LOGICIELS ACTUELS: QUELLE(S) SIMULATION(S)?
Un examen des logiciels actuels permet de différencier deux sous-ensembles en fonction de l'objet de la simulation:
On distingue ainsi les logiciels qui proposent la simulation du fonctionnement d'un appareillage (et une représentation graphique externe, plus ou moins réaliste) de ceux qui proposent la simulation d'un phénomène physique (et généralement une représentation graphique dans un espace théorique). schéma~i9uement, on peut dire gu~ les premiers font r~férence
à
un materlel, les seconds font reference a un modele theorique.
1. les logiciels appareillage:
qui simulent le fonctionnement d'un
Il reut s'agir d'un appareil proprement dit: calculette, ampèremetre, balance de Roberval, ..• Ainsi LAPME (Nanoréseau), dessine
à
l'écran la graduation d'un am~èremètre, affiche une position de l'aiguille, et invite l'éleveà
déterminer le bon calibre de lecture età
trouver la valeur de l'intensité tirée aléatoirement par le programme. PESEE (dans une version graphique USTL-CUEEP, Lille) dessine une balance de Roberval dont la position des plateaux dépend des "masses marquées" que l'élève placeà
l'aide du crayon optique.Ces logiciels sont à comparer au simulateur de vol qui permet au pilote de se familiariser avec un nouvel appareil. Il s'agit en effet d'obtenir de l'élève l'acquisition d'une méthone explicite (règle de trois, principe de la simple pesée), par un entraînement plus ou moins complet et systématisé, indépendamment des problèmes matériels (encombrement, fragilité, nombre, ••. ). Mais
à
l'instar du simulateur de vol, le logiciel de simulation ne peut évidemment pas remplacer l'expérimentation. L'enseignant doit avoir présenté le véritable appareil lors d'un cours préalable, et organiser des travaux pratiques, qui seuls peuvent apporter un réel savoir-faire et susciter des questions relativesà la physique du fonctionnement (savoir, par exemple, si la position des masses sur le plateau a une influence), d'autant plus que les simulations de ce type n'utilisent qu'un modèle de fonctionnement partiel de l'appareil. Il peut même être nécéssaire d'apporter l'appareil dans la salle d'informatique pour effectuer des démonstrations de référence
à
la demande des élèves.Plus generalement l'appareillage peut être un assemblage; c'est le cas de PANNE (CNDP) où le logiciel propose un circuit comportant un résistor défectueux que l'élève doit découvrir par action sur divers interrupteurs. Le but est, dans ce cas, de développer chez les élèves un sens de l'observation et de l'expérimentation, autrement dit leur faire découvrir une stratégie de type expérimental. Mais notons que ceci exige un retour sur la démarche suivie pour en déterminer la séquence d'étapes nécéssaires et suffisantes, et que l'acquisition d'une telle démarche nécéssite sa mise en oeuvre dans plusieurs situations différentes.
Le plus élaboré des logiciels de ce type est actuellement MICROSCILLO (Nanoréseau): il propose dans un premier temps de simuler la réalisation d'un circuit
à
l'aide de composants (résistance, bobine, condensateur). Dans un second temps le circuit constituéà
l'écran peut être étudié par la simulation du fonctionnement d'un oscillographe. Deux modes d'utilisation sont envisageables. En travaux diri9és: il permet de développer le lien entre la résolution theorique de problèmes simples d'électricité et la vérification expérimentale: le professeur propose des exercices et les élèves vérifient leurs réponses théoriques en simulant l'expérience. En démonstration de cours: le logicel apporte alors une certaine facilité d'emploi, la possibilité de faire varier facilement les valeurs des différents composants dans des gammes étendues, et donc d'étudier l'influence des différents paramètres d'un circuit (étude du déphasage par exemple). De plus i l permet la visualis3tion par tous les élèves du schéma du circuit en correspondance avec les tracés sur l'écran de "l'oscillographe". Mais il faut voir que ces avantages se situent dans le champ théorique de la classe de terminale et constituent donc une limitation de la simulation (inductance et résistance pures, variation continue des valeurs).2. les logiciels qui simulent un phénomène.
Dans ce Cos le, lo~iciel ~ait référence
à
un modèle mathématique d'un phenomene phys1que. Le noyau du logiciel est alors constitué de la procédure qui éxécute les calculs, et l'interactivité se situe au moment de la donnée des valeurs de ce que nous appellerons dans la suite "variables de choix du logiciel", c'est à dire les variables d'entrée et/ou les paramètres du modèle.Prenons l'exemple classique de la trajectoire d'un p~ojectile dans le champ de pesanteur uniforme (balistique). L'eleve de Terminale qui vient d'étudier en classe la relation fondamentale de la dynamique et son application au champ de pesanteur local (trajectoire parabolique), peut utiliser ce logiciel pour "voir" differentes trajectoires: il va pouvoir choisir les valeurs des variables d'entrée du modèle (angle et module de la vitesse initiale) et/ou la valeur du paramètre (accélération de pesanteur), et en observer les conséquences. L'élève cannait le modèle mais n'a pas accès à sa prise en compte dans le logiciel. Son activité va donc se limiter à l'observation de l'influence des différentes variables de choix du logiciel. L'objectif d'une telle utilisation est donc d'apporter une aide à l'assimilation et à ] a compréhension d'lin résultat vu en cours. L'élève doit comprendre l'influence des différents paramètres et être capable d'expliquer qualitativement le phénomène.
Une telle simulation comportementale [1,2] ne prend en fait tout son sens que si les équations sont trop complexes pour qu'une solution analytique soit accéssible aux élèves. Sinon un tel logicel constitue
à
notre sens plus un auxiliaire de représentation graphique qu'une véritable simulation [3].Diamétralement opposés aux exemples precedents 11 faut citer des logiciels comme REF ou GAMMA (CNDP), où le modèle est au contraire inconnu de l'élève. L'objectif de ce type de logiciel est double: permettre
à
l'élève de découvrir une expression de la loi qui régit le modèle (image virtuelle pour la loi de la réflexion dans REF, relation entre l'accélération d'une particule chargée et les paramètres du champ électrique dans GAMMA), et le placer dans une situation de recherche autonome.L'élève est ~o~c amen~
à
proposer un ou ~lusieurs modèles, à le(s) tester, a lnterpreter ses erreurs, a aff1ner son analyse, et ce, jusqu'à la découverte d'un énoncé satifaisant. c'est cette démarche modélisante [1,2), activité fondamentale en sciences, qui fait toute l'originalité de ces logiciels, mais qui,à
cause de la décentration des objectifs (du contenuà
la démarche), fait aussi la difficulté de leur insertion pédagogique.I I QUELLES (AUTRES) ACTIVITES PEUT-ON PROPOSER? 2.1 Introduction:
Il est possible d'envisager de nombreuses activités différentes autour de la simulation [3). Nous avons déjà illustré quatre d'entre-elles dans la premère partie:
- acquérir des méthodologies.
- mettre
à
plat un modèle (simulation comportementale). - mettre en oeuvre une stratégie de type expérimental. - chercher une solution d'un problème.Dans cette seconde partie nous allons evoquer trois autres activités qu'il est posible d'envisager:
- acquérir des connaissances factuelles.
- acquérir des connaissances formelles dans une sequence programmée fondée sur une simulation.
mettre au point un modèle empirique, ou un modèle théorique par confrontation avec l'expérience.
2.2 Acquérir des connaissances factuelles:
L'élève peut être amené par le professeur
à
utiliser un logiciel de simulation dont le modèle lui est inconnu, et dont l'objectif n'en est pas la découverte, mais "seulement" l'observation et l'acquisition de connaissances qui pour l'élève seront uniquement de l'ordre du fait. C'est le cas d'un micro-monde sans frottememnt (logiciel MOBILE, GREDISPEN, ENS St Cloud) où l'élève doit faire parcourir un certain trajetà
un point "matériel" en modifiant la direction d'une "force" d'intensité constante qui "agit" sur lui. Du fait de l'absence de frottements les raisonnements habituels plus ou moins intuitifs concernant l'effet d'une force "motrice" sont pris en défaut; les faits sont là: pour prendre un virage à angle droit il ne suffit pas de modifier la direction de la force de 90 degrés! C'est également le type d'activité proposée à un élève qui utilise un imagiciel de physique: agissant sur la masse de l'un des trois objets, il va pouvoir suivre le déplacement du centre de gravité sur l'écran (lo9iciel CGRAY, GREDISPEN), ou encore, modifiant la force laterale exercee sur un objet pesant immobile sur un plan, observer la modification de la représentation des forces et en particulier celle de la réaction du plan (logiciel FORCES3, CARFI, Versailles).2.3 Acquérir des connaissances formelles dans une sequence programmée fondée sur une simulation:
On peut proposer aux élèves l'acquisition de connaissances sous forme de séquences interactives où le travail consiste
à
atteindre un objectif de connaissance par une suite d'essais-simulations chaque fois confrontés au phénomène réel en mémoire dans le programme. Ainsi le logiciel FOOT (GREDISPEN) propose-t-il de faire comprendre (et apprendre) l'effet non négligeable de
connaissance prérequise de la Relation Fondamentale de la Dynamique appliquée au champ de pesanteur uniforme, une simulation permet de constater l'insuffisance de ce premier modèle par comparaison
à
la trajectoire du coup franc historique de Platini, puis par étapes succéssives comprenant des apports de connaissance et de nouvelles simulations, on aboutità
lamod~lisationcorrecte du mouvement réel du ballon.
2.4 Mettre au point un modèle empirique,ou un modèle théorique par confrontation avec l'expérience:
On peut également proposer une activité de recherche complète: réalisation d'une ou plusieurs expériences (réelles), avec relevé de séries de mesures (acquisistion manuelle ou automatique); traitements des données (lissage, dérivation, calculs de 9randeurs secondaires, •.. ); formalisation des résultats experimentaux par une loi. Cette formalisation passe alors par la simulation: l'élève propose une formule mathématique et confronte les résultats de la simulation demandée avec les résultats expérimentaux. c'est la situation proposée dans le logiciel PENDULE (CNDP, à paraître), où il s'agit,
à
partir de l'acquisition automatique de l'angle au cours des oscillations d'un pendule pesant, d'accéderà
la compréhension des phénomènes énergétiques et d'établir en dernière analyse une loi de frottement relativeà
l'amortissement du mouvement.III CONCLUSION:
Le terme de simulation recouvre des logiciels d'enseignement différents dans leur contenu et dans leurs objectifs. Tous se situent au niveau d'aide
à
l'apprentissage et d'aide au raisonnement en proposantà
l'élève une activité autonome.Il apparaît clairement aussi que toute insertion pédagogique doit tenir compte des risques liés aux limites de chaque logiciel. Au niveau des élèves ce sont les difficultés liées à la perception et
à
la compréhension de ce qui leur est présenté (et du phénomène lui-même) qui peuvent faire craindre de ne pas atteindre les ohjectifs visés.La difficulte principale est d'établir un lien avec la réalité. Celui-ci n'est généralement que sU9géré par une similitude visuelle avec un objet ou un fait reel. En ce qui concerne la "simulation d'appareillages", la proximité de l'appareil de mesure et l'insertion de la séance sur ordinateur dans un projet pédagogique évoqués
à
propos de PESEE sont, de façon générale, nécéssaires afin d'éviter toute déviation d'objectifs qui amènerait inconsciemment l'élèveà
limiter son activitéà
celle d'un jeu où, par exemple, il devrait uniquement "gagner en un minimum de coups". Dans le cas d'une simulation de phénomènes, on peut également s'interroger sur les acquis d'une séance sur ordinateur si l'élève n'est pas amenéà
réinvestir dans l'étude de documents expérimentaux par exemple. Sera-t-ilconvaincu que les ordres de grandeurs qui permettent d'obtenir des tracés satisfaisants
à
l'écran sont ceux qui correspondentà
la réalité?
Le couplage d'un logiciel de simulation et d'un s~stème d'acquisition automatique de données résoud cette difficulte. La simulation apparaît alors d'elle-même comme une activité liée
à
une démarche de modélisation de résultats expérimentaux.
Ce lien doit être le souci constant de l'enseignant. Dans certains cas il s'agira moins de faire "coller" la simulation avec la réalité que de bien faire comprendre ce qu'est un modèle et comment la simulation peut permettre
à
la fois de valider un modèle et d'en définir les limites. De façon générale la connaissance des notions de modèle et de modélisation qui sont ainsi mises au premier plan, doit constituer un des objectifs de l'utilisation de la simulation dans l'enseignement.La simulation n'a de sens que par rapport
à
une réalité que l'on tente d'appréhender. Elle doit être un lien privilégié entre le théorique et l'expérimental, non un fossé de séparation.REFERENCES
[1] JEROME (P). -L'informatique support logique de la démarche expérimentale en sciences naturelles, Dossier APBG, 1979.
[2] DUREY (A.), SCHWOB (M.). -Les utilisations du micro en sciences physiques, essai de classification, Educ. et Informatique, n020, Mars-avril 84, p33-38.
[31 BEAUFILS (~ DURE Y (A.), JOURNEAUX (R.) -La simulation sur ordinateur, ~ l'enseignement,des sciences phfSiques, quelques aspects dldactlques, ln Journees sur l'Educatlon Scientiflque,
