APPRENDRE À MODÉLISER EN SCIENCES ET TECHNIQUES
Bernard HOSTEIN
LaDiST - Université Bordeaux 1 IUFM d'Aquitaine
Marcel LEBRUN
Physicien - Premier Assistant. Laboratoire de Pédagogie Expérimentale Faculté de Psychologie et des Sciences de l'Éducation, Louvain -La
MOTS-CLÉS: OUTILS INFORMATIQUES - MODÉLISATIONS - MODÈLES-ENSEIGNEMENTS SCIENTIFIQUES - TECHNIQUES-SECONDAIRE - SUPÉRIEUR.
RÉSUMÉ: L'usage des modèles, aussi bien dans les enseignements scientifiques que techniques.à l'Université comme au Lycée, reste souvent implicite. Vaut-il la peine, - et comment -, de les expliciter et d'entraîner les élèves à la construction de modèles?
SUMMARY : The use ofmode1s, - in scientific as weil as in technical education, al university level as in secondary schoolteacbing, - is often for granted. Is il worth, - and in which way -, explaîning their functions and training students to the building up of models?
COMMUNICA TION INTRODUCTIVE - Marcel LEBRUN
Marce! Lebrun de l'Université Catholique de Louvain présente ses activités de recherches etde développements dans le cadre des possibilités et des méthodologies d'intégration des outils informatiques dans l'enseignement et l'apprentissage des sciences.
Deux points principaux sont développés : le développement, par l'étudiant, de modèles scientifiques et de simulations interactives en exercices d'un cours d'informatique el l'utilisation, par l'étudiant et 1ou l'enseignant, d'outils dédicacés (logiciels spécifiques, EAü•...) dans le cadred'Ur enseignement de sciences; c'est ce second point qui sera développé dans l'exposé.
L'enseignement fondamental des sciences apparaît trop souvent, au vu desprograIll'1leSet des manuels, comme un système clos dans lequel opère une démarche logico-déductive sur base de fonnules ou de lois, Les compétences qui y sont développées sont parfois relativement éloignées des exigences des enseignements qui s'y appuieront ultérieurement et de la vie sociale et professionnelle, Le rôle catalyseur de l'observation. inductif du problè.me. contestataire de l'expérience, les tâtonnements semi-empiriques elles limiLes des modèles élaborés sont bien souvent escamotés pour des raisons de temps ou de difficultés numériques,
Intégrée panni d'autres ressources, l'utilisation des moyens, des médiateurs que sont les outils infonnatiques, logiciels généraux (tableurs, Hypercard) et dédicacés (EAO). orientés vers la modélisation interactive et la simulaLion numérique ou graphique, permet aux étudiants, individuellement ou en groupe. d'éclairer les concepts sous divers angles. de retrouver leurs propres perceptions et d'ancrer celles-ci, et les 'images' complémentaires. dans un système de quesÜonnement dynamique. Nous tenterons de montrer comment. dans le cadre de recherches actuelles sur l'apprentissage des sciences, ces outils peuvent de pan et d'autre de la résolution proprement dite de problèmes apprendre:
- à se questionner et à questionner un modèle en construction ou une théorie - à évaluer la pertinence et les limites des réponses obtenues.
En outre. nous présenterons au travers de quelques thèmes et de quelques exemples: - lès méthodologies (lors des cours ou desTPu.)que nécessiteel
- les compétences ct savoir-faire (se poser un problème. questionner un modèle. ér.ablirle protocole d'une expérience. apprendre à apprendre,..) que mobilise cc type d'approche.
Deux exemples (l'un sur une analyse LIes collisions - élahoraLion d'un cadre théorique, l'autre sur la modélisation d'une balnnce - élahoration d'un instrument et optimisation de sa sensihilité) sont expliqués au niveau du contenu et des modalités d'Ulilis<lLÎon dans les dussc:s ou !;.lhoratoirc.s.
Ces activit6s sont développées dans le cadre de fonnations continuécs d'enseignants et d'un enseignemenl de sciences et d'informatique:lUpremier cycle à l'Université Catholique de Louvain.
COMMUNICA TION INTRODUCTIVE· Bernard HOSTEIN
"Dans un cadre didactique. le modèle n'est pa..":llnedonnée de départ, mais justement l'objectif déclaré de l'enseignement". Celte affirmation de JOHSUA(1) doit être précisée. Au départ,
modèles proposés par les élèves peuvent pennettre à l'enseignant de recueillir les représentations initiales des élèves concernant le fonctionnement d'un mécanisme; la représentation sera descriptive, linéaire, comprendra erreurs par rapport au modèle Îssu de savoirs élaborés par les compétences sociales du milieu scientifique ou technique de référence. Pointer ces distances est essentiel.
Entre autres intérêts. c'est le corpU::i ainsi recueilli qui perme[ de localiser les obstacles majeursà une "rupture épistémologique" qui penneura aux élèves de modifier leurs représentations du système étudié. Souvent la situation-problème proposée aux élèves cherchera d'abordàmodifier le point de vue qui justifie la représentation initiale.
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cliquetis des segments qui inquiète le chauffeuràl'oreille sensible n'a pas la même signifrcationiidivers régimes de moteur. Il ne s'agit pas d'éduquer l'oreille de l'élève. De nombreuses analogies peuvent provoquer son changement de point de vue: la référence aux divers bruits de chaîne liésàl'effort musculaire du cycliste par exemple. Ou bien l'éLude mécanique du phénomène.L'explicitation de modèles ne doit pas êtrelefait du seul enseignant. Pour créer une situation d'action engageanL les élèves, et la formulation de ce qu'ils font ou voient faire, la construction graphique de modèles permet la confrontation précise qui évite le verbalisme et la confusion. Les modèles jouent un rôle de médiation essentiel pour une gestion constructive de ce que les didacliciens appellent le conllit sacio-cognitif. On est très proche ici de ce quI.': W.ALLISER (2) appelle la fonction de concertation des modèles. pratique générale des milieux industriels, duns le calme J'un bureau d'élUde ou subrepticement sur un coin de machineil.l'atelier.
Pour les des disciplines techniques, l'apprentissage de la modélisation correspond donc non seulementàune optimisation de leur fonnaLion. mais aussi au développement d'une compétence qu'en termes moins élaborés réclame le milieu professionnel
L'originalité des enseignements techniques pour la réalisation dl' œs apprentissagcs nécessaires apparaît clairement la multiplicité des modèles possibles pour rendre compte d'un système technologique permet de faire fonctionner les misesen correspondance à plusieurs niveaux d'abstraction: la vue éd::Jtée d'un mécanisme avec un tracé des frontières des sous-ensembles, un mode opératoire Je montage-démontage avec une schématisaLion des liaisons, une réalisation matérielle de l'opération de démontage avec llne notice d'entretien, de.
L'élève dispose alors de plusieurs situations qui pt'rmeHent de comprendrl.': la spécificité de chaque modèle el leurs points commUllS. Mais cette des enséignl'mcnts tcchniques suppose que J'approche t.:chnicicnne n'exclut ni l:.1 pralique professionnelk. ni la dimension technique, ni l'approche technologique. A Cl"Ul" condition, de la ("cpi.lSe ii la fois sur la manipulation. ks diverses l'ormes dl' schématisation et sur l'abSli"UctillIl Et c'est la
de cene glühaliLé qui raiL la richesse-fnnnJlIiœspécillqUl' d-:,<, ellscî,gncmcl1l'; tcrhniqucs. Les technologies offrenL un (](ll1lainc olt d'emblée. il r:.1UL introduire des cocilicients d'incertitude, une pri,<,e en compte des inLervallesLIe L(l!L"r:.1nCc 4ui LÜIque deux pièces (iL"
différente correspondent au modèle défini. Une expérience unique ne permet pas d'affmner quoi que cesoit d'opérationnel. L'usure de l'outil dans une fabrication de séries fait que deux pièces, du seul point de vue dece paramètre. nc peuvent être isomorphes. Le modèle delapièce réelle n'existe pas. s'il n'intègrepas d'entrée les modifications engendrées par l'évolution du système.
L'enseignement du dessin technique vise à rendre l'élève capable de construire des modèles d'interprétation et d'action. Johsua parvient aux mêmes conclusions à partir d'expériences sur les pratiques de modélisations en physique: "Didactiquement, le problème se résume à passer de la gestion du modèle par le professeur.à son utilisation (pratique ou conceptuelle) par l'élève et la classe" (page 21). On rejoint ici les constations faites sur les apprentissages articulés de la le<::tureel de l'écriture.
L'action joue aussi un rôle important dans cet apprentissage de la modélisation. La lecture d'un dessin technique rend difficile la décentration de l'élèveparrapportà la "vue" proposée par un dessin technique. L'activité opératoire permetà l'élève de se centrer sur la "projection" de l'objet sur une surface de dessin,cequi est plus proche de l'activité d'un dessinateur(3).
Lechoix des projections par les élèves construisant leur modélisation favorise la multiplicité des points de vue; la gestion sociale d'un groupe d'élèves conduit alors à personnaliser les propositions et rend nécessaire socialement autantquecognitivement l'articulation des divers modèles proposés.
BIBLIOGRAPHIE
(1)JOHSUA (S.), DUPIN(J.-J .), 1989. - Représentations et modélisations: le débat scientifique Je classeell'apprenlissage de la physique, Berne: Peter Lang.
(2) WALLISER (R), 1977. -Systèmes et modèles. Introduction critique à l'ofUllyse des systèmes, Paris: Seuil.
(3) WEILL-FASSINA (A.), 1987. - Complexité figurale et complexité opératoire dans la compréhension et l'utilisation des graphismes techniques, in.Bulletin de Psychologie, XLI, 386.
DISCUSSION
Compte rendu de la discussion rédigé par: Emmanuelle PELTIER
Laboratoire de Pédagogie Expérimentale
Faculté de Psychologie et des Sciences de l'Éducation CU .c.L.)
Suiteàla présentation des animateurs, lesparticipanLSontétéinvitésàposer leurs questions,à préciser leurs attentes, leurs souhaits par rapportàl'atelier afin d'orienter la discussion.
1. DÉFINITION
LeMODÈLEaété défmi comme un intermédiaire entre les systèmes théoriques et tes éléments issus de la réalité. Il a un caractère dynamique c'est-à-dire qu'il est non seulement composé d'éléments qu'il faut décrire mais aussi de entre ces éléments d'où l'importance de "faire fonctionner" les modèles (intérêt de la simulation ou modélisation infonnatique). Enfin, il faut refuser la distinction cntre "bon - mauvais" modèle, d'où l'importance de la notion de point de vue qui explique la validité du modèleet seslimites.
Au départ de ces éléments de définition, le débat a pris une première orientation autour de- la problématique de validité et limite du modèle.
2. VALIDITÉ ET LIMITES DES MODÈLES ...
Avant tout une distinction s'impose entre l'aspect prédictif du modèle(enrelation avec l'action) etson aspect exnlicatif (permet d'arriveràune théorisation).
Le modèle doit être prédictif, c'est cela qui pennet de le valider et de voir ses limites. De plus, le domaine de validité doit être précisé pour comprendre le modèle. Lemodèle dépend en fait de la question que l'on se pose au dépan : il sera d'abord explicatif puis prédictif pour le valider. De plus, le modèle doit être "borné" c'est-à-dire limitéàdes champs d'application spécifiques.
Ainsi, on peut distinguer quatre niveaux opérationnels des modèles, qui correspondent par exemple dans le cas d'une machine, aux questionnements suivants: il s'agit de comprendre comment la construire, comment s'cn servir, comment la réparer et comment elle fonctionne. Ceci a des implit:ations pédagogiques. il faudrait commencer par "commcn! s'cn servir".
Au nivcau pédagogique, il est également important de présenter aux élèvcs un modèle "supérieur" au niveau auquel on veut les mener afin de prép:lrcr aux apprentissages ultélieurs.
en définitive qui modélise: l'enseignant ou l'élève? Celui-ci a-l-ille droit d'inventer des modèles?
3. QUI MODÉLISE?
C'està nouveau leur aspect prédictif qui pennet de valider les modèles des élèves; ce qui présente l'avantage des modèles existants. Ainsi apprendreàmodéliser, c'est apprendreàdé<:oder des modèles proposés, analyser leurs limites, leur relativité; il s'agit d'apprendre que chaque modèle a sa justification, sa raison d'être, son domaine restreint de validité.
D'autre part, élève et enseignant peuvent "modéliser", les deux sont possibles. Ainsi deux exemples ont été proposés. Dans le premier, suite à l'expérimentation que font les élèves (construction d'échelles de mesure), la modélisation vient comme synthèse élaborée par les élèves, à la limite on se passe alors de théorie. Dans le second, le modèle est proposé aux élèves sous fonne de simulation infonnatique : l'ordinateur gère différentes situations-problèmes (quantité de mouvement), proposant ainsi différentes "portes d'entrée" dans les apprentissages. Dans le même sens l'intérêt de faire fonctionner les modèles à différentes niveaux d'abstraction a été souligné. la multiplicité des modèles proposés permet à tous les élèves de "rentrer" dans les concepts.
Un retour à la définition intervient alors: parle-t-on de modèles construits et proposés comme tels aux élèves ou parle-t-on de modèles spontanés des élèves (conceptions, représentations)? Une distinction s'impose donc.
4. MODÈLES CONSTRUITS OU SPONTANÉS...
Ladifférence fondamentaJe enlre modèle et représentation est la suivante: la représentation est quelque chose d'i.n.Q.W1 que l'on tente de reconstruire au départ du discours des élèves par exemple. Elle a donc un statut différent du modèle qui est quelque chose de construit, explieitable, tmnsmissible. Le modèle est quelque ehose d'observable et est caractérisé par une multiplicité de modes de fonctionnement.Le modèle scientifique est caractérisé par la cohérence des relations entre les éléments alors que le modèle spontané contient des îlots de cohérence et d'incohérence.
Cependant, on ne peut opposer modèle scientifique et spontané: il existe une part de spontané dans les modèles scientifiques et tout modèle spontané deviendra scientifique s'il est validé. Ainsi les modèles spontanés, "simplistes" doivent être exploités; ce qui importe c'est de voir les points de rupture: c'est ce qui pennet le choix d'un modèle plutôt qu'un autre. Il s'agit de voir quand utiliser quel modèle et quand en changer.
Enfin, une série J'informalions ont été données quant à l'utilité du S.A.D.T. (Analyse Structurelle Descendante Technologique ou "modèle de la modélisation "). Une sériede remarques ont également été soulevées quant à la modélisation !elle qu'clic est proposée dans les manuels scolaires. Enfin certains participants ont souligné la difficulté voire "l'angoisse" de la modélisation gui eSl nécessaire pour simplilïcr, pour rendre les choses accessibles mais qui implique des choix quant aux élémenL<; à garder ou à éliminer. Un parallèle a alors été étahli avee la démarche scientifique: finalemenl, c'est à panir de leurs limites que sont élaborés les nouveaux modèles, afin de rendre comple d'un nomhre de plus en plus grand de phénomènes, façon de plus cn plus pertinente.
