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-L'ORDINATEUR COMME AIDE A LA RESOLUTION DE PROBLEME
Michel CAILLOT
LIRESPT
Université PARIS 7
2, Place Jussieu
75251 PARIS Cedex 05
Résumé La recherche actuelle sur l'étude de la résolution de problème en physique est passée d'une étude descriptive à une étude
pres-criptive; à savoir, comment améliorer les performances de l'élève lors de la résolution. L'ordinateur peut aider à cette tâche. Il peut isoler les erreurs de procédures des élèves et y remédier. Dans ce cas, il ne se contente pas seulement d'évaluer si la réponse est juste ou fausse, il joue le rôle d'un tuteur. Des exemples d'emplois possibles de l'ordinateur sont présentés en mécanique et électricité.
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-Jusque lù, l'E.A.O. c:.ppliqu~ "' l'cnscigncr:.cnt scientifique s 'est li~ité aux
trois obj eetjfs sui vante (1) : - le contrôle des connaiss~nces
l'acquisition de connaissances et üe rnêtliodcs (y compris m6ti-:odes expérimentales) - et le traitement de donne'es (c-} l rordina"Gcur est alors consiJér;:; comme un outil).
Pour atteindre ces objectifs, les lOGiciels existo.ntD présentent soit la simu-lation d'un phénomène physique, soit des exercices d'entr.:1înement ou de révision. Les O-uteurs de l'article déjà cité .3ignalent que dans le clomair:e des sciences phy-siques, il existe'~eude logiciels d'enseignement tutoriel traditionnel, (c'est-à-dire qui ont pour but de pr6senter une séquence de C01.lr.:?·I l . S'il existe donc peu de logiciels d'enseignement tutoriel traditionnel, il existe encore moins de lo-giciel d'enseignement tutoriel à la résolution de problème.
Le but de ce papier est d'ouvrir le déb~t en posant la question suivante: est-ce que l'ordinateur peut être une aide à l'élève ou l'étudiant pour résoudre des problèmes? Seul sera abordé ici le cas de la physique, mais il est clair que
laréflexion engagée pourra s'étendre aux mathématiques ou il la chimie.
Par problèmes, nous considererons les problèmes des manuels, situÉs en géné-ral à la fin d'un chapitre. Ces problèmes, ind6pendaJlllTIent d'une fonction eventuelle d'évaluation et de contrôle des connaissances, sont considérés par tous les ensei-gants cowne faisant partie intégrante de l'enseignement.
Or, il est clair qu'à l'heure actuelle, il n'existe pas d'enseignement spé-cifique à la résolution de problème, c'est-à-dire un enseigne~ent spécifique des procedures. A côté du savoir déclarati.f ("l es connaissances" au sens traditionnel du terme), il existe un savoir procédural pratiquement jamais enseigné. LI ordina-teur dans l'enseignement pourrait aider à y rem':·dier.
Ce papier sera divisé en trois parties : l~ première présentera ce que l'on sait du comportement de l'élève ou de l'étudiant, résolvant un problème de physi-que. Dans la seconde partie, nous !:lontrerons corrunent l tordinateur peut ir:tervenir
dans illle résolution de problème. Enfin, d2.:'s la troisiène p2.rtîe, nous donnerons
deu...x exemples possibles dlemploi è.'1.1."'1 ordinatcur-tutt:'1..lr en mécc:..:lique et en élec-trocinétique.
?2'
-1. CO:1Dortement de l'élÈve et de l'expert résolvant un problème èe physique
Les recterches actuelles (2) ont essayé de voir quel était le co~porteDent de If:ilève ccnsidt:rê comme novice face à un problème de physique et celui d'W1 physicien e::.,;périIT,enté considéré comme expert. Le novice s'engage toute de suite dans la recherche d'une équation. Sa stratégie n'est pas spécifique au domaine considéré: il emploie une straté[ie générale, appelée aralyse fins-moyens. Cette stratégie est avant tout régressive: i l part de la grandeur demandée, cherche en mémoire une équation contenant cette grandeur, regarde si les autres variables de la relation sont Connues. Si tel est le cas, le problÈme est immédiatement résolu. Dans le cas contraire, i l se donne des sous-buts pour trouver les g~an
deurs manquantes de la première êquation choisie. Sa procédure est de nouveau semblable à la démarche initiale: recherche d'une nouvelle équation contenant l'inconnue intermédiaire, etc. Il procède ainsi jusqu'à trouver une relation où
toutes les variables sont connues, sinon c'est l'échec ou l'abandon. Cette pro-cédure est avant tout mathématique. On peut dire que l'élève a une représenta-tion ma~hêmatiquedu problème. Souvent, aucune analyse physique n'est faite.
Par contre, l'expert, avant de s'engager dans une rêsolution mathématique d'équations successives, fait une description physique du probl~~e. Il a une
àémarche progressive à partir des dOnnées de l'énoncé. Il constitue peu à peu une bonne description physique du problème où les grandeurs recor.nues nécessaires sont évoquées les ~~es après les autres. C'est seulement une fois faite cette
analyse, qu'il s'engage dans un calcul mathéraatique. Le savoir de l'expert est
à la fois de ~ype déclaratif et procédural (3).
Si l'on considère la méc2.nique, il côté de la forr.:;ulation des principes, (savoir dêcl~ratif),l'expert con~aît aussi les conditions d'utilité (qua~d appliquer tel ou tel principe ?) et d!applicatio~de ces pri~cipes (savoir
procédUTS:). Par exer.'lple, l ' exper:. SEit SIil faut rê-sou~ire le prcclème à l'aide
du prirlcipe f2ndéllëJental de la dYI1e..:llique (problème où le ter.lps ESC, p,-=rtinent) au ~ l'aide du principe de conservation de 1'~nErcie (prcbl~Ine e~~re etats
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-l'expert es~ bieL mcd[lis6 par d~s -yst~~e~
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~ Condition2. L'ordir:o::-;teur cœ"l.rle tuteur
nC\"lc:::-
per-met i~e tt.~nt r d1êlvoir \in E'lodèle ~~escrip:,if ,j~-'
lTlQtique:rjlen~ les conditions d'utilitt, ct cl'3p~:ljC'2t~cnq:li ccnstîtucr:!t une p2.rt du savoir p:-s'cédure.l, entraîner les élèves à fc;.irt-" unE: description p):YSiqUè du
pro-blèn~e cn ~-ulantdu qualitatif vers le ClLlé~nti t['~tif (er. tC'1"!!ICS è.'':'qu:'.t,icns). nous penson;::, q'J.e l ' ordin8.teur peut 2.lG.'2r éi cet e:-::seiCDe:cent, llH.Ü.s l ' ordiI1.:.lteu.r cO:1si dé::'; COI!l.r:1e Lm tuteur. Les cG:jditions de cet.te intervêDtion sont triples
- l'ordinateur doit comprendre le probl~me et le clc!:r::.ine auquel il se r2~tQche
- l'ordinateur doit avoir un modèle de l'&l;:ve en COi.:.rs de r6~olution
- l'ordinateur intervient corune ur. guide pour l'2l~ve.
La première cC!1di tian nécessite Qüe 11ordina::eur cor:naisse le savoir
d~clare.-t i f ed~clare.-t procédW"'al associé a un dCl:,.z:.ine part~ic'.llier ,ie ln pn.ysique , ce qui r:~cessitè
une analyse' précise de la matière enseignée et de~ pl'C'ct"dl..U"e~ efficaces. Le sa'loir stocké par l'ol"dinateur est senb12ble à cell.,;,i de l ' ex:;)ert. L1cr\"iinClteur est [~lors
UJ1 ;:Y-lsten:e s..'L<.'rt. La deuxiÈI:le cc:---.:dition est remplie dès lors que l Ion tient co;npte des recherches citées prCcéder:.:..".!ler.t E.:tu· le ccmrorteI:::=:!lt c1{-"> ~:~s81ution de}' ':,lève. Si on veut que l!él.::3ve ait un.e d;;':..:~aTcl1e yrOf:Tt'ssive .:: p~u·-ti:r alune ~orme
desc:-ip-"Cion ,lu prcblème, :1 faut savoir, Hve.r--;t, '::.lue ~:on cC'::~-portcm.2nt de novice 11 entr2.în·2ra
, /
.
cerne.rCile de type rCgressif à ~~rtir de la Questiol1 FosGe sans ~u'il r~e
Donc. dans Ce C2.S, l ' ordinatet:.r in-cer\ri.;::'r:t, pc'~~' c:orricer ~-.-. G1.~idcr l rélÈ"ve, besoin
d'enseignement tutoriel (SOPHIE l, II, et III). De même, Goldstein
(5)
a conçu un programme de jeu (W~~pus) destiné aux enfants, où la machine dialogue aVec l'enfant pour lui faire prendre conscience de certains dangers possibles rencon-trés au cours de la partie.3. Deux exemples
Nous venOns de voir que llordinateur-tuteur peut aider l'élève à rÉsoudre un
problème en l'aidant au niveau procédural. Nous allons considérer deux exemples où
l'ordinateur pourrait intervenir: l'un en mécanique, l'autre en électrocinétique élémentaire.
3-1 ~~.':~!2i:g~~
Considérons un problème classique de mécanique où il faut décrire le mouve-ment d'un objet lancé (balle detennis, ballon, etc ) après avoir sÙJi une impulsion de départ (coup de raquette, coup de pied, etc ).
Si l'élève commence à chercher une formule contenant l'inconnue demandée, l'ordinateur suggérera de procéder avant à une analyse physique du problème: une représentation possible est le diagrarlille de forces. Or, l'élève aura tendance à indiquer une force supplémentaire (COLp de raquette ou coup de pied initial). L'or-dinateur pourra aider l'élève en simulant le mouvement, résultat de son analyse.
Ce mouvement sera evidemment diffÉrent du mouvement réel. Si l'élève détecte E.1ors
de lui-même son erreur: pas de problème. Sinon, l'ordinateur pourra lui suggérer de faire une analyse qualitative du mouvement (par exemple, analyse des vitesses
et des accélérations à différents instants successifs), de déduire l'accélération et de comparer sa direction et son sens avec le sens et la direction de la résu~ tante des forces établies par l'élève. Ainsi, une procédure ef:icace sera progres-sivement mise en place :
- analyse initiale qualitative du mouvement
- déduction de l'accélération; - analyse des forces extérieures
- comparaison de la résultante des forces et de l'acc;'lération (les deux doivent être colinéaires ou parallèles).
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-3.2. Elcctro~~~§~~2~~_~~~~~~~~~~~
Dans cet exe:'"lplc, la cumrr~jl('n~iond'un ~;crlGm':~ ;>C'-J;"~riqu'2 '::::·-;'lppO~(' que l'~l;'ve
ct 12. pcssitili~& de rl.'El}ÜU-CCr tC''-ltc partie ù'un circuit (nssoci<:::.tion de résistances
ou de piles) par Un circuit pll~s siLple. ':~ettebO[1nè de~;;2J:'iptior.d'un problème
per-met alor~ de considérer LktL'\. proc<'-:L~l.:..r('S : sé":.ti::::;faction et propacation des
contrates. Les contraintes ct.'nsidé·rées ici étant cellet"'i imposées sur les valeurs dF.:S
in-tensités et des différences de potentiel (lois de Eirch}'loff). L'ordinateur peut
aider l'élève Jors de 1.:1. ré~~olL:tion 2i. prendre en conpte la satislElction des con-traintes : les i~tensit6sou les teT:sions ne peuveIlt pas prendre n'irnporte quelles valeurs. De r::ênc, il peut aider l'élève à considérer comment Se propagent ces COn-tr2.întes. Si, p2..T exer:::ple, les contr2.intes imposent telle valeur de l'intensité
dans une partie du circuit, alors, l'intensit€ dans lille Qutre portion est détermi-née par cette valet:r. 8o.tisf:J.ction et propag3.tion des contraintes sont jeux
heuris-tiques puisse.ntes que le physicien expérimenté emploie coura.J!'l..ment dans 1
tanalyse
de circuits plus complexes : elles peuvent être ainsi enseignées a~~ élèves dans des
cas simyles.
4.
Conol:lsionr;ous avons essay~ de mcrltrt'r qLle' l'o:::dinateur l'eut être une aide u~ileà
l'éla-bora'tion de p~oc~dures correctes lors de la r;2::.:.o1ution de problème en physique. Ce
type d'enseignement tutorit.'l 2>Urpose la mise au point en Intelligence Artificielle de Syst~ne-Expert.
Cela ne pourra s!effcctll(~rque fr~ce} la collaboration ~troitede sp~cialistes
ensei ?r: ensei
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aup,
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