« MATÉRIEL » ET « VIRTUEL » SUR LA COMPRÉHENSION
D'UN PHÉNOMÈNE BIOLOGIQUE :
CAS DE LA FLEXION - EXTENSION DU BRAS
Berktan BODUR
UMR STEF, ENS Cachan
MOTS-CLÉS : BIOLOGIE – VIRTUEL – MATÉRIEL – IMAGE
RÉSUMÉ : Dans quelle mesure pourra-t-on envisager d'utiliser le virtuel lorsqu'il s'agit de faire apprendre aux enfants et aux adultes les notions relatives à notre corps et/ou au vivant ? La stratégie que je propose est une sorte de reconstitution virtuelle du phénomène biologique. Le bras devient un objet virtuel et l'apprenant le manipule devant un écran via un outil multimédia.
ABSTRACT : In which circumstance do we envisage the use of virtual when we need to teach the notions related to human body and/or living beings. The strategy I propose is a kind of virtual reconstitution of the biological phenomena. The arm becomes a virtual object and the student manipulates it in front of a screen via a multimedia support.
1. INTRODUCTION
L'enseignement des sciences de la vie est principalement fondé sur la manipulation et l’expérimentation directe des objets réels. Le recours à l'observation et à l'expérimentation du réel s'avère indispensable dans la compréhension des phénomènes biologiques à tous les niveaux d'enseignement (Guichard, 1998). Malgré cette réalité, il n'est pas toujours possible d'observer et d'expérimenter directement en classe, surtout lorsqu'il s'agit d'êtres vivants, en raison des contraintes éthiques et pratiques (Coquidé, 2000).
Nous nous sommes donc intéressé à un sujet qui concerne le vivant et qui est difficilement réalisable en situation d'expérimentation et de manipulation directe."Qu'est-ce qui se passe dans mon bras lorsque je le plie ?", telle est la question que j'ai posée aux élèves de cycle 3 et aux adultes. Les réponses recueillies mettent en lumière un certain manque de compréhension du mode de fonctionnement des os et des muscles dans le mouvement du bras. Nous avons ainsi identifié une problématique récurrente chez les apprenants qui est : "le point d'attache des muscles". Pour qu'une articulation soit fonctionnelle, il faut la présence de certains éléments et un bon point d'attache pour permettre réaliser des mouvements.
2. DÉMARCHE
Il nous a semblé donc nécessaire d'aider les apprenants (élèves ou adultes) à s'approprier la compréhension de ce phénomène biologique – flexion, extension du bras – par différents moyens : matériel et/ou virtuel.
2.1 Modèle matériel du bras
En Sciences de la Vie et de la Terre à l'école, l'observation du réel est très importante et également difficile eu égard à la nécessité de manipuler concrètement, en particulier lorsqu'il s'agit du vivant. Notre idée consistait à se concentrer sur le point d'attache des muscles et à essayer ensuite de rechercher et/ou proposer des activités. Le programme du cycle 3 suggère une modélisation très simple afin de rendre capable les élèves de concevoir et construire un modèle matériel simple rendant compte de façon approchée le rôle des muscles antagonistes dans le mouvement d'une articulation. L'observation de l'objet réel n'est pas toujours suffisante, il faut passer par des modélisations (Martinand et al., 1992) qui sont en rapport avec la réalité, par exemple un modèle mécanique du bras grâce à des morceaux de cartons et de ficelles (Guichard, 1997).
L'une de ces activités, déjà présente dans les programmes, était une modélisation avec des morceaux de cartons et de ficelles. Les cartons simulaient les os, les ficelles les muscles. Cette activité a été suivie d'une confrontation avec le réel, c'est-à-dire l'observation d'une vraie aile de poulet ou d'une cuisse de lapin.
Cette option s'avère limitée et constitue la cause des incompréhensions. Les élèves ont des difficultés à établir la transposition entre le phénomène et leur propre corps.
2.2 Simulation informatique du phénomène
L'arrivée des nouvelles technologies de l'information et de la communication a aussi bousculé la vie scolaire. Il est désormais possible de réaliser une multitude d'activité via des supports numériques. Les avantages sont multiples (Guichard & Martinand, 2000) : l'attractivité, le déclenchement de la curiosité, le gain de temps, l'interactivité.
À première vue, toutes ces qualités semblent être suffisantes pour utiliser davantage ces technologies dans les activités scolaires. Les ordinateurs font de plus en plus partie de notre vie quotidienne. Les enfants sont familiarisés à ces machines dès leur plus jeune âge. L'ordinateur ne se résume plus à une simple console du jeu mais également à un outil de communication, de consommation et de formation. Nous nous sommes alors posé la question suivante : est-il possible de reproduire la modélisation mécanique du bras sur « écran »?
Le renforcement de l’apprentissage en sciences est créé par l’image de la réalité. Les fonctions de l'image dans l'enseignement sont nombreuses (Mottet, 1995) : susciter l'intérêt, illustrer, apporter un témoignage, présenter une notion, observer, s'exprimer, lancer un débat, faciliter la mémorisation, comparer, récapituler.
Nous avons conçu, en partenariat, un petit logiciel utilisant 3 types d'images et proposant une activité par « essai-erreur » centrée sur les points d'attache des deux muscles du bras, biceps et triceps. Nous avons élaboré trois types de séquences, chacune avec un autre type d'image à manipuler :
• Logiciel 1 (V1) : simulation utilisant des images des morceaux de cartons (comme le modèle mécanique).
• Logiciel 2 (V2) : simulation utilisant un schéma (figure schématique du bras avec les os, les muscles et les tendons)
• Logiciel 3 (V3) : simulation utilisant des images transformées (image numérique d'un membre postérieur d'un animal)
Tableau 1. Différence d'impact entre différents type d'images utilisées 0% 20% 40% 60% 80% 100% V1 V2 V3
Compréhension imm. Mémorisation 3. MÉTHODOLOGIE
3.1 Protocole de recueil des données
Trois types de protocoles ont été adoptés : Virtuel seul (V) ; Matériel (M) puis Virtuel (V) en complément ; Virtuel (V) puis Matériel (M) en complément.
3.2 Population
Notre recherche a été effectuée dans trois écoles parisiennes. Des entretiens semi-directifs ont été réalisés par nos soins auprès de 160 élèves de cycle 3. Les séances se sont déroulées dans ces écoles avec un ordinateur portable et le matériel pédagogique nécessaire pour la modélisation mécanique. L'outil multimédia enregistrait la durée et les erreurs commises. Nous observions à l'aide d'une grille adaptée les gestes et les modes d'utilisation de l'interface. Les élèves étaient totalement autonomes devant l'ordinateur et nous n'intervenions qu'à leur demande uniquement.
4. RÉSULTATS : « Le point d'attache des muscles »
Les résultats exposés ne concernent que les réponses données à l'un des critères étudiés (« Les muscles sont-ils attachés aux os ? »). Les résultats nous donnent les pourcentages des réponses justes à cette dernière question. Il faut bien noter que tous les tableaux ont été construits à partir des réponses justes données par les enfants suite à une compréhension immédiate et à la mémorisation : • la compréhension immédiate est le résultat de tests de connaissance réalisé juste après l'activité. • la mémorisation consiste en un test de connaissances postérieur de 4 à 6 mois à l'activité.
4.1 Différence d’impact entre différents types d’images utilisées Le premier protocole consistait à l'utilisation le seul
logiciel avec 3 types d'images comme support. Il faut préciser que chacune des versions a été testée auprès d'un échantillon d'élèves différents.
Les résultats nous montrent (tableau 1) qu'il n'existe pas une très grande différence significative entre les différentes versions du logiciel. L'utilisation du virtuel seul ne permet donc pas d'appréhender la notion d'attache, le taux de réussite à la
4.2 Complémentarité entre matériel et virtuel La complémentarité, peut-elle amener quelque chose de plus ? Si oui, est-ce que le fait de commencer par le virtuel et enchaîner ensuite avec le matériel et dans le cas contraire présente-t-il des différences ? Pour étudier ce point, nous avons proposé aux apprenants deux autres protocoles : le premier, matériel-virtuel et le second, virtuel-matériel.
L'activité qui commence par la réalisation du modèle matériel suivi de la manipulation du virtuel via un ordinateur nous montre une meilleure réussite totale en compréhension immédiate. Le fait d'utiliser différents types d'images ne change rien (tableau 2). Par contre, pour ce qui est de la mémorisation, la version 1, c'est-à-dire le logiciel utilisant les images des morceaux de carton identiques à la modélisation mécanique aide les élèves à mieux mémoriser la notion d'attache. La version utilisant les images numériques des vrais membres antérieurs d'un animal n'atteint pas nos attentes, le taux de réussite ne dépasse pas les 80 % dans ce cas-là.
Dernièrement, la même activité a été proposée à un
autre groupe, mais dans l'autre sens, en commençant par le virtuel d'abord. Les résultats sont présentés dans le tableau 3. Quand on commence par le virtuel, le taux de la compréhension immédiate diminue considérablement pour l'image 1. L'image seule de cette modélisation ne permet pas aux enfants de transposer le phénomène biologique. Cela reste très abstrait. Les enfants comprennent et mémorisent totalement la notion d'attache à l'aide du logiciel utilisant l'image 2 suivi de la modélisation mécanique. Encore une fois, contre toute attente de notre part, l'image 3 ne conduit pas les enfants à une bonne mémorisation.
En résumé, si nous regardons les résultats relatifs à la mémorisation (tableau 4), nous voyons clairement que les enfants réussissent beaucoup mieux quand on utilise le modèle matériel et la simulation virtuelle en complément. Il semble que le fait de commencer par la simulation sur ordinateur soit plus apprécié par les enfants et les aident à mémoriser bien plus facilement.
Tableau 3. Complémentarité Virtuel puis Matériel 0% 20% 40% 60% 80% 100% V1 M V2 M V3 M
Compréhension imm. Mémorisation
Tableau 4. Comparaison à la mémorisation entre différents supports
60% 71%
74% 77% 79% 80%
88% 93%
100%
V1 M V3 V1 V2 M V2 M V3 V3 M M V1 V2 M
Tableau 2. Complémentarité Materiel puis Virtuel
0% 20% 40% 60% 80% 100% M V1 M V2 M V3
5. CONCLUSION
En conclusion, nous pouvons confirmer que la complémentarité apporte une meilleure compréhension ainsi qu'une meilleure mémorisation. La connaissance devient plus solide. Les résultats nous montrent que le multimédia (virtuel) seul n'est pas suffisant, mais qu’il apporte de nombreux et intéressants soutiens pédagogiques. Par exemple, les enfants sont très motivés par l'attrait de la nouveauté. En commençant par le virtuel, leur curiosité apparaît plus grande et les résultats sont nettement meilleurs. Le virtuel permet aussi de bien visualiser le mouvement du bras. Il permet également de pouvoir manipuler les choses que l'on ne peut facilement réaliser en réel en raison de plusieurs questions éthiques ou pratiques. L'étude plus détaillée des résultats après l'utilisation de ces deux types d'outils auprès des élèves de cycle 3 et aussi des étudiants de licence nous permettront, d'une part, de regarder en quoi ces outils aident à la compréhension du phénomène ou créent des obstacles et, d'autre part, de voir les différents intérêts et limites par rapport à la compréhension et la mémorisation du phénomène.
BIBLIOGRAPHIE
COQUIDÉ M. (2000). Le rapport expérimental au vivant. Mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches, Université Paris-Sud, Orsay. 198 pages.
GUICHARD J. & GUICHARD F. (1997). Des objets muséologiques pour aider à traiter des obstacles en sciences et techniques. Aster, 24, 113-139.
GUICHARD J. (1998). Observer pour comprendre les sciences de la vie et de la terre. Paris : Hachette.
GUICHARD J. & MARTINAND J.-L. (2000). Médiatique des sciences. Paris : PUF
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MINISTERE DE LA JEUNESSE, DE L'ÉDUCATION NATIONALE ET DE LA RECHERCHE. (2002).
Documents d'application des programmes, Fiches Connaissances cycle 2 et 3 : CNDP, 19-23 MOTTET G. (1996). Images et activités scientifiques, Réintégrer l'image, Aster, 22, 3-13.
MOTTET G. (Dir.) (1995). Volcans et tremblements de terre : Des images pour apprendre des
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