INFORMATIQUE DANS L’ENSEIGNEMENT DE SCIENCES :
LA PROPOSITION D'UN COURS DE PHYSIQUE UTILISANT
LES MILIEUX DE LA RÉALITÉ VIRTUELLE
Guilherme BROCKINGTON(1), Mario Abbud FRANCO LAPIN(2) Maxwell SIQUEIRA(1), Milton SCHIVANI ALVES(1)
(1) Université de São Paulo – Brésil, (2) Virgo Réalité Virtuelle
MOTS-CLÉS : ENSEIGNEMENT DE PHYSIQUE – INFORMATIQUE –
RÉALITÉ VIRTUELLE
RÉSUMÉ : L'objectif de ce travail est de présenter un cours de Physique au Lycée composé de
divers objets d'apprentissage appliquant la réalité virtuelle. La particularité de ce cours réside dans l'union entre la structure théorique des recherches pour l’enseignement de la Physique et la connaissance technique nécessaire pour la réalisation de Réalité Virtuelle (RV), visant à la production de matériel didactique adaptée à un pays en voie de développement, comme le Brésil.
ABSTRACT : The objective of this work is to present a course in Physics at the Middle school
level composed of various learning objects using virtual reality. The particularity of this course is the union between the theoretical structure search for teaching physics and technical knowledge necessary for the achievement of Virtual Reality (VR) to the production of teaching materials adapted to a developing country, like Brazil.
1. INTRODUCTION
Entre les années 1990 et 2000 (Rogers, 1996 ; Marino, Violino et Carpignano, 1996 ; Martins, Pereira et Martins, 1996 ; Zoechling, 1996 ; Brizzi, 2000), beaucoup de choses ont été discutées sur les limites et les possibilités de l'utilisation de logiciels en classe. D’innombrables recherches ont été réalisées à propos de l'utilisation de l'informatique dans l’enseignement de Sciences. Il est possible de trouver des études sur des langages de programmation, l'utilisation de ressources multimédia et hypertextes, et même des recherches qui analysent l'impact de la grande pénétration d'Internet dans la vie de la société.
Des diverses ressources multimédias qui peuvent être utilisées, l'utilisation de simulations et d'animations sont considérées comme instruments capables d'assister l'enseignement et l'apprentissage de différents concepts. Il est important de considérer que les simulations informatiques vont au-delà des animations, permettant différents degrés d’interactivité entre l'étudiant, l'enseignant et l'ordinateur (Gaddis, 2000).
La plus importante de ces ressources, dans l’enseignement de la physique, est la possibilité de mise en contact avec des phénomènes d’accès, autrement, difficiles, voire même impossibles d'être manipulés au quotidien. C'est le cas des collisions entre voitures, des lancements de projectiles et des effets de la micro-gravité sur le mouvement des corps.
Ainsi, le traitement de contenus qui impliquent des situations à risque, ou qui nécessitent un équipement expérimental cher et inaccessible, constitue le moment où se présente un fort potentiel pour l'utilisation de simulations informatiques en classe (Snir et al, 1996).
Néanmoins, pour traiter ce sujet dans des pays en voie de développement, comme le Brésil, il est nécessaire de considérer les profondes inégalités sociales et économiques qui dictent leurs réalités. Au Brésil, il est rare de trouver des institutions avec des équipes qui intègrent des professionnels ayant des connaissances techniques dans le secteur de l’informatique et des chercheurs en éducation. De plus, il est important de préciser que le processus de structuration et d’amélioration de laboratoires informatiques dans les écoles publiques de niveau basique en est encore à son début. Ceci limite encore davantage l'utilisation potentielle de différentes ressources informatiques.
Ainsi, l'objectif de ce travail est de présenter une proposition de cours de Physique au Lycée, fruit d'un partenariat entre la Faculté d'Éducation de l'Université de São Paulo et l’entreprise Virgo Réalité Virtuelle. Composé de divers objets d'apprentissage impliquant la réalité virtuelle, la particularité de ce cours réside justement dans l'union entre la structure théorique des recherches dans l’Enseignement de la Physique et la grande connaissance technique nécessaire pour la réalisation de Réalité Virtuelle (R.V). Ce travail vise à la production de matériel didactique adapté aux pays en voie de développement, comme le Brésil.
2. LA PROPOSITION
La proposition, ici présentée, est bâtie autour de 5 blocs qui couvrent toute la Mécanique Classique présente dans le cursus scolaire brésilien. Dans ces blocs, nous créons diverses situations d'apprentissage que nous appelons des « Contextes de Simulation » (CsSim), articulés en séquences didactiques qui utilisent un environnement contrôlé par des algorithmes de simulation mécanique en temps réel. Ces contextes ont été élaborés par des chercheurs en enseignement de la physique, utilisant comme référentiel théorique l'enseignement par résolution de problèmes et par recherche. Ci-dessous la séquence élaborée :
Bloc 1 – Lois de conservation
Bloc 2 – Étude
des mouvements Bloc 3 – Gravitation
Bloc 4 – Énergie et puissance Bloc 5 – Équilibre et déséquilibre 01.1 – Chocs 02.1 – Mission ONU 03.1 – Lancement de satellites 04.1 – Arc et flèche II 05.1 – Serveur physique 01.2 – L’Astronaute - promenade dans l’espace 02.2 – Arc et flèche I 03.2 – Lance-pierres gravitationnel 04.2 – Montagne russe II 05.2 – Construire des Ponts 01.3 - Accouplement dans l’espace 02.3 – Freinages 01.4 – Montagne russe I 02.4 – Gravité
artificielle
Ces blocs ont été prévus à partir d'orientations préconisées par le Cursus National (Brésil, 2002). Chaque CSim est accompagné par des guides, conçus pour l'enseignant et l'élève, qui contiennent les problèmes à résoudre et les recherches à conduire qui permettent une meilleure approche des contenus fournis. Dans cette stratégie, les simulations sont utilisées pour travailler de manière contextuelle, les phénomènes et les concepts physiques qui leur sont associés. Les CsSim fournissent un scénario proche du réel, permettant que la connaissance scientifique soit alors utilisée comme instrument pour la compréhension du monde.
Le Guide de l'élève a pour objectif de contribuer au processus de recherche et, par conséquent, aider l'apprenant dans la construction du concept scientifique abordé, permettant que la simulation ne devienne pas seulement un jeu, mais aussi, un outil d'enseignement. Avant tout, le Guide de l'enseignant a pour objectif de l'assister dans la conduite de sa pratique et dans la discussion théorique des concepts engagés. L'objectif principal est de permettre qu'il puisse travailler de sa propre façon, de manière que la simulation devienne le lien entre le plus d'activités diverses possibles. Ainsi, l'enseignant peut se reconnaître dans ce processus, facilitant l'insertion d'une ressource peu explorée par ce dernier.
L'élaboration de ces guides repose sur le fait que la simple utilisation de simulations ne permettra pas l'amélioration de l'apprentissage. Si l’on considère le programme scolaire brésilien, ces guides ont été créés en pensant aux divers changements pédagogiques nécessaires pour lesquels l'utilisation de l'informatique devient réellement un instrument didactique. Parmi ces changements, le principal peut être le manque de familiarité des enseignants avec l'utilisation de logiciels pendant leurs cours. Comme la majorité d'entre eux ne possède pas d'orientations pédagogiques, leur utilisation est guidée simplement par l'intuition, ce qui empêche une analyse plus rigoureuse des erreurs et des exactitudes obtenues avec l'utilisation des ordinateurs.
Vouloir moderniser l'éducation, avec l'insertion de l'ordinateur n'aurait aucun sens, sans, en même temps, fournir des conditions pour que l'enseignant transforme sa conception d'enseigner la Physique. Sans ce changement, il est peu probable de trouver des pratiques réellement formatrices, de manière que l’on puisse affirmer que les ressources informatiques contribuent effectivement à la qualité du processus scolaire. Ainsi, plus que l'utilisation de simulations, l'objectif de la proposition, ici présentée, est la création d'environnements d'apprentissage, dans lesquels l'élève construit sa connaissance, à l'inverse de la simple transmission d'informations ou du simple maniement d'un ordinateur.
3. LES CsSIM
Nous avons élaboré les CsSim de sorte qu'ils soient travaillés à des moments spécifiques pour chaque cours, vu qu'ils sont inclus dans une séquence didactique bien définie. Dans cette forme, les simulations commencent à faire partie des ressources pédagogiques utilisées par le professeur pour la construction de la connaissance scientifique. Nous voyons ici le rôle important joué par le guide du professeur dans la planification et le développement du cours, car il y est décrit des suggestions pour les différents moments didactiques, comme la problématique, l'utilisation du CSim, la systématisation et l'utilisation des activités complémentaires. Ils orientent les discussions autour des phénomènes et des concepts abordés. Les séquences didactiques sont constituées par des questions présentes dans le quotidien de l’élève, les amenant, ainsi, aux discussions à propos d'une situation ou d'un phénomène qui doit être traité.
Avec cela, l'utilisation de la simulation fait partie du contexte éducatif, puisque, grâce à elle, il est possible d’approfondir la connaissance physique existante pour ce qui était initialement seulement discuté. Ainsi, il est possible de construire un environnement dans lequel les concepts scientifiques surgissent pour permettre aux élèves de faire une nouvelle lecture du monde.
Par exemple, dans le CSim 01.1 - Chocs, nous proposons que le professeur commence les cours en invitant les élèves à parler de « choses qui se meuvent ». À partir des réponses obtenues, il est alors discuté ce qui produit ces mouvements, focalisant sur l’interaction entre les corps. Après cette première phase, les élèves prennent contact avec la simulation. Dans ce CSim, l'objectif est la construction du concept de quantité de mouvement et de sa conservation. Alors, l’élève pourra prendre des données à partir de la collision de deux véhicules. Il devra modifier les vitesses et les masses de ces véhicules, observant leurs états avant et après chaque collision, lui étant alors demandé de répondre à certaines questions qui le guident vers la construction du concept abordé. Les guides sont des suggestions de démarches, cherchant principalement à révéler la nécessité d’insérer les simulations dans un contexte éducatif. Par leur conception la séparation en bloc, a rendu les CsSim indépendants les uns des autres, de sorte que le professeur garde la liberté d’élaborer sa propre séquence didactique, prenant en compte les désirs des élèves, les adaptant à son univers.
4. SIMULATION VS RÉALITÉ
Il reste à se questionner sur le niveau de réalisme des simulations informatiques. Jusqu’où pouvons-nous affirmer que ces simulations s'approchent de la phénoménologie présente dans le monde réel ? Il est nécessaire d'expliquer clairement que les situations réelles sont constituées d'innombrables variables, de manière que le modèle physique qui se base sur la simulation possède des limites. Ainsi, les CsSim cherchent à représenter tri-dimensionnellement une partie de la réalité, et pas nécessairement une copie fidèle de celle-ci.
La capacité de prise en considération de la réalité à travers des modèles est insuffisamment étendue. Ainsi, il est primordial de mettre en avant qu'un système réel est souvent très complexe. Les simulations, de manière générale, le décrivent seulement sur des modèles qui contiennent, nécessairement, des simplifications et approches de la réalité. Si ce processus n'est pas clair pour les enseignants et les élèves, si les limites de validité du modèle ne sont pas explicites, les dommages potentiels causés par de telles simulations peuvent être énormes.
Néanmoins, comme exposé précédemment, la particularité du travail présenté réside principalement dans les guides de l'élève et de l'enseignant, vu que dans ces derniers, les questionnements concernant les corrélations entre modèle et réalité sont explicites, contribuant ainsi à une meilleure compréhension du fait scientifique.
5. LES PAYS EN VOIE DE DÉVELOPPEMENT
Pour traiter de l'utilisation d'objets d'apprentissage avec l'utilisation de simulations informatiques dans des pays en voie de développement, comme le Brésil, nous rencontrons quelques obstacles qui peuvent rendre difficile la mise en œuvre de propositions traitées dans ces ressources.
Parmi les différents problèmes trouvés, le manque d'équipements appropriés (par exemple, ordinateurs rapides, avec une quantité de mémoire RAM suffisante pour des logiciels plus performants ; l'accès à Internet, utilisé dans la plupart des écoles, qui limite son utilisation due aux vitesses de connexion extrêmement basses), le nombre insuffisant d'ordinateurs, l'espace physique inadéquat et, principalement, le manque de professionnels qualifiés pour l’emploi de ces ressources dans les écoles.
Bien que l'informatisation de l'Éducation Basique fasse partie de l'ensemble des discours politiques les plus différents, le Brésil est encore en phase initiale de démocratisation de l'informatique. Pour être un sujet qui éveille l'attention de la population, les politiques publiques, ici mises en œuvre, en grande partie, se restreignent à la construction d'espaces scolaires spécifiques pour l’utilisation de ces ressources multimédia, les laboratoires informatiques. La logique qui pointe derrière ces actions est de présenter aux électeurs des vitrines qui, apparemment, attestent de la modernisation de l'éducation brésilienne. Il peut ainsi être présenté des indices qui revendiquent un grand pourcentage d'écoles équipées avec des ordinateurs.
Néanmoins, sans l’entretien approprié des ordinateurs ni la formation nécessaire pour que des enseignants travaillent avec ces nouvelles ressources, ces chiffres baissent de manière drastique au long des premiers mois de mise en place, révélant les illusions statistiques. Ainsi, malgré l’arrivée de divers ordinateurs dans les écoles, leur utilisation se résume à la réception et à l'envoi de courrier électronique, l'accès à des sites de chats et l'utilisation d'éditeurs de textes.
6. CONSIDÉRATIONS FINALES
Différemment des pays développés, des pays comme le Brésil, où la différence sociale et les difficultés économiques arrivent à des indices alarmants, l'accès à l'informatique est encore restreint. Néanmoins, dans ces deux réalités, il est nécessaire de développer des projets qui visent à la formation des enseignants afin que l'utilisation d'ordinateurs dans les écoles devienne effective. Des propositions comme celle présentée ici, indiquent des possibilités pour une mise en œuvre appropriée de ces ressources. Des partenariats qui unissent des professionnels compétents en Informatique et des chercheurs dans l’enseignement de Sciences semblent être des solutions
prometteuses. Mais associer des techniciens capables de mettre sous formes appropriées les ressources utilisées, des concepteurs de logiciels impliqués dans la réalité brésilienne, ainsi que des éducateurs qui fournissent le contenu nécessaire est indispensable pour que cette insertion soit la plus optimale possible. À ces conditions ces ressources pourront contribuer efficacement au processus d’enseignement-apprentissage.
7. BIBLIOGRAPHIE
BRÉSIL. PCN + Enseignement au Lycée : Orientations Scolaires Complémentaires aux Paramètres du Cursus National pour l’Enseignement au Lycée. Sciences de la nature, Mathématiques et ses technologies. MEC/SEMTechnologique, Brasília, 2002.
BRIZZI, Maristela Luisa Stolz. L'Éducation en Physique Mesurée par Ordinateur. Dissertation en Master. UNIJUÍ. Ijuí : 2000
GADDIS, B. (2000). Learning in a Virtual Lab : Distance Education and Computer Simulations. Dissertation en Doctorat. University of Colorado.
KOCIJANCIC, S. Collection of Computer Based Experiments. Proceedings of the GIREP-ICPE-ICTP International Conference : New Ways of Teaching Physics. Ljubjana, Slovénie, 1996. MARINO, T., VIOLINO, P. et CARPIGNANO, G. A New Interface Card for the Physics Lab.
Proceedings of the GIREP-ICPE-ICTP International Conference : New Ways of Teaching Physics. Ljubjana, Slovénie, 1996.
MARTINS M., PEREIRA, M. et MARTINS, N. Computer Based Training in University Education. Proceedings of the GIREP-ICPE-ICTP International Conference : New Ways of Teaching Physics. Ljubjana, Slovénie, 1996.
ROGERS, L. The Use of Software to Explore Experimental Data. Proceedings of the GIREP-ICPE-ICTP International Conference : New Ways of Teaching Physics. Ljubjana, Slovénie, 1996. SNIR, J. et al (1988). The Truth, but Not the Whole Truth : An Essay on Building TRAMPUS, M.
et VELENJE, G. Let computers compute - Mathcad and world in secondary school physics. Proceedings of the GIREP-ICPE-ICTP International conference : New way teaching physics. Ljubjana, Slovénie, 1996.