SIM.ULATTON
SUR
ORDH1ATEUR
ET
PEDAGOGIE
DES
SCIENCES
EXPERIMENTALES
Présentation: Jacques BAUDE
Professeur de Sciences ~aturelles
Lycée Pierre-Corneille, La Celle - Saint Cloud
252.
L'article étant écrit par un enseignant de Sciences Naturelles, les exemples sont pris dans cette discipline.
Je ne développerai pas dans ce bref article les différents aspects de la simulation, mais seulement ce qui concerne cer-tains types de simulation actuellement pratiqués dans le cadre de l'expérience française dite des "58 lycées" et son extension. Les logiciels cités ont tous été conçus et réalisés, dans le cadre de l'I.N.R.P., par le groupe Informatique et Sciences Naturelles. Ils ne représentent qu'une partie des logiciels produits ou en cours de production.
A - Quelques exemples de simulation en pédagogie
Au départ d'une simulation se trouve nécessairement un modèle. Un modèle n'étant pas forcément mathématique ,au sens strict du mot, avec mise en jeu d'équations plus ou moins complexes. C'est, de la façon la plus générale qui soit, la description, par
toutes les techniques possibles, d'un ensemble de relations dyna-miques entre des connaissances.
SUL l~ plan pédagogique, q~i nous intér~sse i~i, l~ modèl€ pourr~ être connu de l'élève ou inconnu de lui. Dans ce deuxième cas, le modèle pourra rester globalement hors de sa portée (le but de la simulation n'étant pas la décourverte du modèle) ou bien devra être découvert par lui. Il peut être possibl~, dans cer-tains cas, de faire concevoir et mettre au point le modèle
(en totalité ou en partie) par les élèves eux-mêmes.
Prenons quelques exemples concrets pour éclairer notre propos l - ~e modèle a été programmé par l'enseignant, c'est une loi~ un mécanisme, une méthode reconr.ue par la communauté scientifi-que. Le modèle est connu par l'élève au départ, ou non.
Les objectifs sel~n les lagi utiliser dans
éèagcgiques recherchés sont no~~reux et variablès iels utilis6s. selon également la façon de les e cadre de la démar~he de chaque enseign~nt.
Ai~si, l'accent pourra être mis
Sur la notion de modèle, son adéquation à la réalité, l'affine-ment progressif du modèle.
L'élève peut comprendre l'aspect inachevé, caricatural de certains modèles trop simples qui ne correspondent à l'évidence pas à la réalité biologique toujours complexe. Il peut compren-dre aussi que le modèle simple n'est qu'une étape qui peut être dépassée. Il est bon que certains logiciels sans prétentions excessives permettent de prendre contact avec la notion fonda-mentale de modèle et les limites des modèles utilisés. (POP2) Sur la recherche des différents niveaux de complexité d'un , modèle et la perception de la richesse des interactions entre les différents paramètres.
Jé prends l'exemple du logiciel PKAI2 qui simule le fonction-nement d'un système écologique et plus spécialement les relations prédateurs-cerfs-prairie. Je cite son auteur
(C. BRAVARD in Education & Informatique, N°) pages 20 - 21) "La simulation permet d'obtenir sous forme de tableaux de
chiffres ou de-graphiques l'évolution du système compte tenu de valeurs initiales affectées par l'utilisateur à certaines variables {par exemple : surface du domaine considéré, ration nécessaire à chaque cerf, nombre initial de cerfs, taux de chasse de l'homme sur les prédateurs, etc . . . .
J.
Sur le plan pédagogique, cette étude permet aux élèves de mieux percevoir la complexité des interactions entre les êtres vivants. De plus, ils sont contraints de développer une démar-che scientifique: phase inductive
-+
élaboration d'un modèle, phase déductive ~ lors de la simulation, l'élève met en oeuvre une stratégie expérimentale.Au cours de cette séquence, l'élève est totalement libre dans le choix des paramètres à manipuler. La possibilité d'inter-vention sur le système simulé et la difficulté de prévision des résultats en dehors de la simulation motivent l'utilisa-teur. Ce logiciel, intégré de façon harmonieuse dans le dééou-lement d'un cours permet à l'élève d'élaborer et/ou de conso-lider des "outils méthodologiques".
Sur la découverte du modèle qui ne devra donc pas être connu de l'élève au départ.
Cet objectif est réalisable avec des logiciels co~~e èlENDEL ou NUTRIT, et avec d'autres encore.
Plusieurs programmes de génétique permettent aux élèves, pa~ simulation d'expériences de leur choix, de dégager les prin-cipales lois de la transmission des caractères héréditai~es, c'est-à-dire en fait de retrouver le modèle sous-jacent. Suivant les niveaux des élèves et des classes, une aide plus ou moins ponctuelle de l'enseignant sera nécessaire.
Pour ce qui concerne le programme NUTRIT (dont il existe actuellement plusieurs versions), il s'agit de placer l'élève en situation de recherche dans le domaine très motivant des besoins alimentaires de l'homme. En faisant varier à volonté les caractéristiques d'un individu et ses activités sur 24 heures, l'élève peut appréhender les relations ayant pré-sidé à l'élaboration du modèle.
Sur le développement par l'élève d'une stratégie expérimentale. Ainsi, dans le programme PAVLOV, après un travail d'analyse préalable à partir des textes de PAVLOV, l'élève doit conce-voir un prpcessus expérimental lui permettant de conditionner un animal. Il fixe la nature des excitants à appliquer, leur ordre d'application, l'intervalle de temps entre les stimula-tions . . . . Il doit concevoir ensuite la méthode lui permettant de vérifier si le réflexe conditionnel est acquis.
"Dans ce type d'exercice, l'élève voit rapidement les consé-quences de ses choix; la recherche est active, méthodique. L'aspect ludique est stimulant. Il pourra acquérir à la fois connaissances et méthode" .
(J.Y. DUPONT in Education et Informatique N°3/1980) Dans le cas du programme BIOL,
"l'élève est placé devant un problème biologique a Sa ?ortée mais suffisamment à la lisière des programmes offic~els peur que les réponses ne soient pas connues a priori. Il s'agit. dans le programme cité en exemple, d'étudier le déterminisme de la métamorphose du tétard de grenouille (cas normal et cas pat!"lologiques) .
L'élève est mis en situation de recherche. Des doc~ments précis posent le problème de façon suffisamment claire et apportent certaines ccnnaissance~nécessaires ~ la r~f:exicn. Ll§lève doit mettre au ooint sa propre méthode de recherc~e~. I] a le libre choix jes· expériences en fonction des hypothèses émises oar lui. A tout moment, i l peut ~efaire une eXDé~:e~c2
déjà ré~lisée ~u en ?ro?oser de no~velles. L'erreur e~t
tou-jours permise et non sanctionnée (voir document 4). La ~&~hode des réponses" libres" ?e:-~r.et. une grande souplesse dans le dialogue. De plus l'ordinateur per~et, en stockant i'ense~22
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de la démarche suivie par l'élève, de contrôler le degré de ~aîtrise de la méthode,de recenser les types d'erreur et les blocages.
Le programme BIOL, et un certain nombre de programmes du même ty?e en cours de mise au point, obligent l'élève à
3ffrontcr une situation nouvelle oour lui. Il doit décider
Ln cert~i~ nombre d'actions et ex~miner très rigoureusement
leurs conséquences. La mise au point d'une stratégie expéri-mentale (formation d'hypothèses, conception et réalisation d'expériences, interprétation, conclusion) prend le pas sur l'acquisition de connaissances qui ont été néanmoins acquises et: incorporées dans un ensemble structur,é".
(In Education et: Informatique N°3/l980 pages 20-21) Sur l'acquisition de mécanismes peut être moins ambitieux, CO'11e la réalisation et l'interprétation rigoureuse de courbes, la compréhension rigoureuse de textes et documents écrits ... Certains logiciels, à côté d'une partie simulation (à partir de résultat expérimentaux extraits de documents scientifiques faisant autorité), comportent un dialogue relativement direc-tif. De tels logiciels peuvent faciliter, aux élèves comme aux enseignants, une première prise de contact avec l'ordina-teur comme outil pédagogique. C'est dans cet esprit que des logiciels comme GRSAN (Groupes Sanguins) et GLYCM (Glycémie) ont été conçus.
Il va de soi que plusieurs objectifs pédagogiques peuvent être envisagés par l'enseignant à propos de l'utilisation d'un logiciel déterminé.
~ 2 - Le modèle est conçu par l'élève, avec l'aide de l'ensei-gnant.
Ecrire comme on le trouve parfois, que ,d'une part, les phénomènes biologiques sont toujours complexes et,d'autre part,que les modèles doivent être conçus par les élèves, porte en soi une certaine contradiction. La démarche modélisante ne serait-elle qu'une résurgence de la méthode de "redécouverte" ?
Comment tenter de résoudre ce problème de modélisation par les élèves eux mêmes ?
Sans développer ici, compte tenu de la place disponible, l'en- • semble des voies actuellement explorées, signalons deux
approches possibles.
Après l'étude, sur documents ou expérimentalement, d'un
mécanis-me ~iologique é8el, les élèves sont amenés à se poser (plus ou
moins sponta~ément !) un certain nombre de problèmes. Au cours d'une phase de travail collectif, et avec l'aide plus ou moins géande de l'enseignant, ils élaborent une péemière esquisse de modèle qui pourrait éépondre à certaines des questions soulevées.
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La suite dépend des logiciels disponibles et des notions de programmation que les élèves peuvent avoir par ailleurs
- Dans l'expérience des "53 lycées", certains élèves de Première, qui ont suivi l'année précédente une initiation à l'informatique, sont tout à fait capables de rédiger en quelques lignes une esquisse de logiciel pouvant "tourner" très efficacement et donner, à l'ensemble de la classe, des indications sur le modèle proposé.
Mais,compte tenu, des contraintes horaires, des problèmes de programmation et surtout de la complexité de la plupart des modèles qui tentent de décrire la réalité biologique, i l est impossible d'aller plus loin dans cette voie.
Néanmoins, le simple fait pour les élèves de participer à l'élaboration d'un modèle, même trop simple, est une démarche très enrichissante. De plus, ils seront mieux à même de compren-dre les limites de validité d'un modèle et de ne pas prencompren-dre pour argent comptant les modèles plus complexes qui leur seront proposés. Leur esprit critique sera d'autant mieux à même de s'exercer qu'il aura été sollicité dès la première partie du travail.
- Les élèves disposent d'un système de simulation c'est-à-dire d'un logiciel complexe conçu de telle sorte qu'il libère l'uti-lisateur des tâches de programmation. Je n'ai pas personnellement l'expérience de tels logiciels, je ne peux que renvoyer à la bibliographie et en particulier à l'article de C. BRAVARD (in Bulletin de l'E.P.I. N° 17 - 1978). Les recherches du Groupe Informatique et Sciences Naturelles, dans cette direction, ont été en grande partie interrompues. Il serait souhaitable qu'elles reprennent.
Ces deux approches débouchent donc, après une phase modélisante, sur la simulation. Celle ci permet à son tour le retour au modèle et à son affinement par un ensemble "d'allers et retours" successifs qu'il est bien difficile de démêler, sinon a postériori A ce propos, je pense que le ~arallélisme parfois évoqué entre les couples "induction-déduction" e~ "modélisation-simulation" n'est pas conforme à la réalité et trop formel. Il me semble que au cours de la modélisation, comme de la simulation les deux activités inductives et déductives sont largement ollici-tées, avec bien d'autres activités de l'esprit. Ce sera t
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B - Les apports pédagogi~esde la simulation
La simulation permet d'aborder, de façon concrète et très moti-vante, des problèmes pour lesquels il est impossible d'expéri~en ter, ou pour lesquels l'expérimentation complète est trop longue à mettre en oeuvre dans le cadre des horaires. Libéré provisoire-ment des contraintes expériprovisoire-mentales, l'élève.peut se consacrer
à ce qui es~ aussi l'activité du chercheur l'analyse du pro-blème à résoudre, le choix des expériences à réaliser, leur en-chainement logique . . . etc.
Le comportement actif de l'élève est continuellement sollicité. Il peut tâtonner, redemander plusieurs fois la même expérience, revenir en arrière autant de fois qu'il le désire dans le cadre. de l'horaire dont il dispose. L'élève voit rapidement les consé-quences de ses choix. Si le modèle est reconnu comme suffisam-ment crédible, la simulation va permettre de faire varier les différents paramètres (et en particulier la variable temps), de tester différentes hypothèses, d'effectuer des choix débouchant sur une prise de décision.
Grâce aux possibilités de stockage en mémoire, la démarche suivie par l'élève est repérable; elle peut être ensuite analy-sée par l'enseignant qui peut éventuellement y déceler erreurs de méthode et blocages.
Toutes les fois que cela est possible, i l semble souhaitable que l'élève acquiert au cours de sa démarche un certain nombre de cOlli~aissances structurées.
C - Les précautions à prendre
L'<nseignant de~ra toujours s'assurer que l'élève comprend bien que les résultats de la simulation ne sont pas la réalité avec un grand R. Ces résultats doivent toujours, toutes les fois que· c'est ?ossi~le. être comparé~s avec la ~éalité observable.
S'il y a coincidence, une certaine validité peut être ~econnue au modèle et celui ci pourra avoir une certaine valeur prédic-tionnelle. La plus grande ?rudence dans l'interprétation étant requise à chaque étape de la simulation. C'est l'acquisition de cet état d'esprit qui a peut être la plus grande valeur pédagogique.
Quitte à lasser, je répèterai une fois de plus ce que le Groupe Sciences Naturelles et Informatique répète depuis sa création: La simulation ne doit pas conduire à rejeter l'expé-rience réelle: c'est même le contraire qui doit se produire, l'élève prenant conscience de la nécessité du retour à l'interro-gation des phénomènes naturels.
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Je pense également qu'il serait dangereux d'abuser de modèles trop simples (et de la simulation en général) qui risquent de donner des phénomènes biologiques et géologiques une idée trop simpliste. Je pense que tous les naturalistes peuvent facilement tomber d'accord sur ces quelques affirmations.
~ous abordons là ,en fait. le problème de la formation des ensei-gnants susceptibles d'utiliser ce puissant moyen pédagogique qu'est la simulation.
Bien formé, disposant de temps pour sa réflexion, l'enseignant pourra apprécier la valeur de ce nouvel outil et l'insérer au mieux dans sa propre démarche pédagogique.
27 janvier 1981.
Jacques BAUDE Groupe Informatique et Sciences Naturelles.
Fiches pédagogiques INRP - SNl â SN38 Bulletins APBG N° ] et 4/1978 et ~o 4/19;9
Fascicule CRDP-Toulouse. Informatique et Biologie - ~ov. 1979 L'in:ormatique au Lycée - Direction des Lycées - 1980
La simulation - C. BRAVARD - Bulletin EPI - N°17 - 1976 Simulation et Enseignement des Sc. Naturelles - J. BAUDE -C. BRAVARD - J.Y. DUPONT - Education & Informatique - N°] -1980 Bulletins de Liaison de l'INRP Informatique et Enseignement dont le numéro spécial - Déc. 1976
Bip-Bip Oct. 1977 - F. NEYNARD
Brochure SNES L'informatique dans l'enseignement Déc. 1980 Méthodes et perspec~ivesde l'EAO - J. HEBENSTREIT - Revue Automatismes N°8/9 - 1975
possibilités, rôle, limites, de l'utilisation de l'ordinateur dans l'enseignement desSciences Biologiques - J. FISZER - 1973
(et èe nombreux articles du même auteur + collègues OPE -PARIS 7)
Entrainement au raisonnement logique et â une méthodologie expérimentale par l'emploi de l'ordinateur dans l'enseignement. des sciences biologiques (collectif - OPE - PARIS 7 - 1975)
L'auteur de cet article se tient â la disposition des ?ersonnes intéressées pour les mettre en rapport avec les différents auteurs de logiciels en Sciences Naturelles.
