ARTheque - STEF - ENS Cachan | Simulation d'expériences et contrôle du raisonnement : un exemple en endocrinologie

SIMULATION D'EXPERIENCES ET CONTROLE

DU RAISONNEMENT: UN EXEMPLE EN

ENDOCRINOLOGIE

M.DUPONT

UER de didactique des DiscIplines Université Paris

VII - Lycée F. Villon, Paris

N. SALAME, INRP

Mots-clés SIMULATION, RAISONNEMENT DIAGNOSTIQUE, RESOLUTION DE PROBLEMES.

Résumé : La simulation présentée propose aux élèves de Terminale de trouver l'origine d'un certain nombre d'anomalie dans le déclenchement de la métamorphose chez des Batraciens. Elle vise principalement

à

étudier le raisonnemenent des élèves face

à

une situation de,type raisonnement dia~nost~que, utilisé en mé~ecine.

En vue de decouvrlr le trouble presente par un lot de tetards, deux activités principales sont demandées aux élèves : donner une série d'interventions

à

réaliser sur des échantillons d'individus tirés de ce lot, puis formuler des conclusions. Le logiciel fournit les résultats des expériences simulées et demandées, sans porter de jugement sur la pertinence des demandes, mais il analyse la validité des conclusions formulées, en fonction des résultats que l'ordinateur a fournis.

Abstract: Simulation presented offers the pregraduate students the opportunity ta find origin of sorne disfunctions in metamor-phosis with Batracians. Its main objective is to study the chain of reasoning of the students faced to a situation similar to medical diagnosis. In order to find the trouble presented for a population of tadpoles, two principal activities are required from the students: they are supposed propose sorne interventions ta be fulfilled on samples of tadpoles within the population, then they must set conclusion illto words. The program provides

Pour rendre possible l'observation de dimarches de risolution de problèmes par les eleves, l'utilisation de simulations constitue une solution int~ressante. Cependant, mime quand il s:agit de phénomènes bien exp loris et parfois modélisés, la reallsation de simulations permettant de proposer aux élèves des activités relativement élabories, soulève de multiples problèmes et appelle des choix scientifiques, pidagogiques et techniques.

Pour illustrer les implications d'une telle approche, nous présentons

à

titre d'exemple la conception d'une simulation d'expérimentation en vue de résoudre un problème pr~cis se rapportant au mécanisme endocrinien du diclenchement de la métamorphose chez les têtards de grenouille rousse. Après une présentation des activités proposies aux ~lèves, nous analyserons les simplifications opiries dans les contenus scientifiques qui sous-tendent la simulation, puis nous fournirons une description ditaillie du logiciel, mettant en évidence les types de problèmes rencontrés et les solutions adoptées.

l - Activitis proposees aux élèves

L'objectif pédagogique poursuivi est de faire raisonner les élèves devant un problème à risoudre nouveau pour e~x, qui leur demande d'utiliser des outils méthodologiques deJa connus. L'activité attendue est de rechercher l'origine fonctionnelle d'une anomalie, alors qu'habituellement on s'intiresse plutôt

à

la manière de corriger un trouble qu'à la découverte de ses causes iventuelles. Po~r effectuer cette recherche, l'ilève doit proposer diverses experimentations, raisonner a partir des résultats obtenus et faire ainsi la preuve de la maîtrise d'une méthodologie scientifique et du raisonnement qui l'accompagne.

Des documents préliminaires fournissent un certain nombre d'informations sur la métamorphose et son mécanisme endocrinien, présentent la tâche qui va itre assignée et avancent quelques recommandations pratiques sur le déroulement du programme.

Ensuite, le _logiciel propose d; rechercher l'ori9ine du trouble ~ans le declenc~ementde la met!morpho!e, observe ~u~ un lot de tetards. Pour resoudre ce probleme, l'eleve peut ut~l~ser des outils classiques d'investigation. Sont ainsi prévues des interventions expérimentales (ablations, greffes, injections, ... ) et des demandes d'information concernant le milieu (dosages, recherche d'élèments particuliers, .•• ).

Par convention, une "expérience" peut ètre considérée comme une combinaison "d'interventions": l'élève peut donc cumuler plusieurs actions , comme par exemple une hypophysectomie accompagnée d'une greffe ou d'un apport d'hormones hypophysaires. Après l'obtention du résultat de l'expérience (effet de celle-ci sur le déclenchement de la métamorphose), l'élève peut soit en réaliser une autre, sur un nouvel échantillon issu du même lot, soit demander

i

conclure s ' i l le souhaite.

Les conclusions (origine du trouble) enoncees par l'élève sont analysées (par le programme) en fonction des expériences qu'il a réalisées. Lorsqu'une conclusion définitive a été trouvée (ou la solution donnée), l'étude d'un nouveau lot présentant la même anomalie ou une autre peut commencer, et ainsi de suite sur autant de lots que prévu dans le programme.

II - Simplifications, réductions, implicites.

Par rapport au phénomène biologique réel de la métamorphose, la conception du logiciel repose sur un certain nombre de simpli-fications, dont certaines sont explicitées alors d'autres restent plus ou moins implicites. De même, un certain nombre de diffi-cultés théoriques ou techniques sont court-circuitées.

La majeure pa~tie de ces simpl~fic~t~on peuvent être justifiées par la necessité de fournir aux eleves une situation où le nombre d'hypothèses

i

considérer et de décisions

i

prendre restent suffisamment limités. Cependant, il appartient

à

l'utilisateur du logiciel d'apporter aux élèves des compléments d'information et des précisions, en particulier s'il souhaite associer

à

l'objectif d'activité logique de l'exercice, l'acqui-sition par les élèves de connaissances relatives aux mécanismes hormonaux de la métamorphose, par exemple.

a - simplifications au niveau des phénomènes physiologiques : Parmi les nombreux troubles possibles, un nombre limité de situations tranchées et simples

à

analyser, a été prévu. Ainsi, sept anomalies différentes sont disponibles quatre correspon-dent

i

un déclenchement retardé de la métamorphose (hypothyroï-die primaire, hypofonctionnement de l'hypophyse, de la thyroïde et de l'hypophyse, et hypothyroïdie par manque d'iode) et trois

à

un déclenchement précoce (hyper-fonctionnement de la thyroïde ou de l'hypophyse). N'ont pas été considérées d'autres origines possibles, telles que la production d'hormones inefficaces, la rupture des connections entre les différentes glandes endocrines

Pour tous les cas retenus. il est bien preclse au préalable qu'il s'agit de trouhles artificiels (thioriques ou iventuelle-ment provoqués par l'expérimentateur). Il est indiqui en outre. que l'on travaille sur de jeunes titards, sans que leur ige exact soit indiqui. Ajoutons que l'on parle d'hypophyse en sous-entendant le complexe hypothalamo-hypophysaire. La variabiliti des riponses individuelles des titards aux diffirents traitements n'est p~s_prise en_comp~e. On co~sidèr7 que l'ex~iriencedéfinie par l'eleve est realisee sur un echantliion de tetards issus du lot en cours d'étude, et que les résultats fournis sont statisti-quement significatifs.

b simplifications au niveau des outils méthodologiques et des techniques expérimentales

Pour réaliser les expériences. sont

les interventions possibles

- l'ablation de la thyroide ou de l'hypophyse, - la greffe de l'une ou l'autre des deux glandes.

- l'apport d'hormones thyroidiennes et hypophysaires (par injection, ingestion, immersion ••.. )

- l'augmentation ou la diminution du taux de l'iode dans le milieu,

Il n'est pas prévu par exemple. de prélever une glande chez des titards qui présentent une anomalie, pour la greffer sur des têtards normaux. ce qui constitue une méthode correcte d'opérer. On ne peut pas non plus procéder

à

des ligatures sur des vaisseaux efférents. qui auraient des conséquences en partie similaires

à

celles des ablations. De même, l'aspect quantitatif de l'apport hormonal n'est pas traité.

Les informations qui peuvent itre demandées. sont limitées au dosage de l'iode et

à

la recherche de toxiques antithyroidiens. Les informations issues de dosages internes sont omises. Les demandes concernant la température et la lumière sont reconnues mais on indique que les têtards sont élevés dans des conditions normales. On ne fait donc pas varier ces deux facteurs.

Les difficultés techniques des expérimentations ne sont jamais prises en compte. Il est admis que les ablations sont toujours totales, et les greffes, dont le lieu n'est pas précisé, toujours possibles et réussies. Ajoutons qu'il est entendu que l'ablation porte sur la glande initiale (et jamais sur une éventuelle glande greffée). et que la greffe apporte une nouvelle glande saine mais n'inclut pas l'ablation (l'ablation suivie d'une greffe iquivaut

à

deux actions différentes

à

demander).

A ces simplifications vont s'ajouter d'autres réductions dues

à

des raisons techniques. qui apparaîtront mieux

à

travers la description des différentes fonctionnalités du logiciel.

I I I - La conception de la simulation

Le logiciel reprend l'approche utilisée pour l'entraînement au raisonnement diagnostique en médecine, développée au CHU Cochin, Université Paris V : celle-ci distingue dans le raisonne-ment deux phases importantes: la demande d'informations (inter-rogatoire du sujet, examen clinique, explorations complémen-taires, etc) et la formulation de conclusions (diagnostics inter-médiaires ou terminaux).

L'adaptation de cette approche au problème traité aboutit

à

une structuration en trois parties: la première gére les expériences décidées par les élèves (elle en assure la reconnais-sance et en fournit les résultats), la seconde évalue ces expériences, sans les commenter, et en retient les élèments significatifs en vue d'une conclusion ultérieure, la dernière

~ère _ la reconnaissance et ,la discuss~on des conclusions enoncees. Chacune de ces partles est competente pour l'ensemble des anomalies prévues. Il est tout a fait possible de dissocier l'expérimentation des deux autres (évaluation et conclusion), si l'on souhaite par exemple que l'énoncé et la discussion des conclusions soient différés et gérés par le professeur.

Les interactions entre l'élève et le logiciel, inspirées elles aussi de la réalisation citée ci-dessus, obéissent aux principes suivants: la formulation des requêtes (expériences, informations, conclusions) par les élèves en langage libre, le rappel systématique des demandes constituant l'expérience avant la fourniture d'un résultat, et la justification systématique du jugement porté sur les conclusions.

l - La gestion des expériences.

a - La reconnaissance des messages

Du point de vue technique, la reconnaissance des interven-tions est réalisée en utilisant un système de mots-clès, et la combinaison booléenne de ces mots. Ce système est simple et suffisant pour reconnaître la majorité des requêtes dans un contexte bien délimité comme le nôtre. Il a néanmoins des incon-vénients: en particulier, il ne permet pas de reconnaître d'un seul coup toutes les interventions qui composent une expérience, deux interventions différentes pouvant utiliser en commun certains mots-clès, ou leurs synonymes. Sauf exception, les interventions doivent donc être énoncées séparément (greffe d'une thyroïde puis injection de tsh par exemple).

La tolérance orthographique et la reconnaissance assez large de formulations synonymes mais plus ou moins précises, sont tempérées par l'affichage d'une forme canoni9ue de la requête, forme qui peut être une précision ou une genéralisation. Par exemple, une demande telle que 'Ajouter de l'iode dans le milieu' est équivalente

à

'Augmenter le taux de l'iode dans le milieu'

Cette reformulation assure plusieurs fonctions: elle permet de donner

à

l'élève le vocabulaire adéquat qu'il convient d'utiliser (indéeendament des problèmes de reconnaissance), de précIser les requetes effectivement reconnues et prises en compte (ceci est indispensable dans tous les cas ou une forme ouverte de la réponse est sollicitée), de lever les ambiguités éventuelles dans certains cas.

Suivant les anomalies, les expériences que les élèves sont susceptibles de réaliser peuvent être plus ou moins complexes. De manière générale, on considère qu'une expérience est la combinai-son d'un certain nombre d'interventions (ablations

+

greffes + injections + ••• ); elle peut cumuler l'emploi de tous les outils d'investigation

à

la disposition de l'élève. Il faut néanmoins distinguer les requêtes qui fournissent un résultat immédiat (un dosage par exemple) de celles qui sont des interventions sur l'animal et qui se combinent entre elles pour donner lieu

à

un résultat global (il y en a sept, dans l'état actuel du logiciel).

Dans les combinaisons, ne sont pris en considération ni l'ordre dans lequel les interventions sont demandées ni la répétition d'une même intervention plusieurs fois. Ainsi, à titre d'exemple, une ablation portera toujours sur la glande initiale, quelle que soit sa position dans la définition d'une expérience.

Un niveau élémentaire de contrôle permet de signaler qu'une information a déjà été demandée, de refuser deux demandes contra-dictoires ou une demande techniquement illégitime (par exemple demander de diminuer le taux de l'iode dans le milieu, sans Information sur ce taux, devant un retard de la métamorphose). Par contre, étant donné les objectifs du logiciel (étude du raisonnement), la pertinence des expériences décidées, compte tenu de l'anomalie étudiée, n'est pas évaluée.

b - L'analyse d'une expérience et l'affichage du résultat.

Comme nous dIsposons de sept interventions qui peuvent étre combinées entre elles, 127 (2 -1) expériences différentes sont théoriquement possibles pour chacune des sept anomalies prévues. Cependant, étant donné que l'on va s'intéresser exclusivement à l'effet de ces expériences sur le déclenchement de la métamor-phose, seulement une dizaine de résultats différents sont possibles, que l'on peut regrouper en cinq classes:

- l'absence de déclenchemment de la métamorphose, - le déclenchement normal de la métamorphose,

- le déclenchement variable de la métamorphose, conditionné par les taux des hormones éventuellement apportées.

- la conservation de l'anomalie, - l'agravation de l'anomalie,

Un algorithme spécifique de chaque anomalie permet de fournir les résultats de toutes les expériences possibles, avec une dizaines de conditions.

Exemple analyse et résultats des expériences dans le cas d'un déclenchement retardé de la métamorphose.

Le schéma général de l'analyse tenant compte des relations entre la thyroïde et l'hypophyse est décrit ci dessous en un langage presque clair. Il faut noter que dès qu'une condition s'avère vraie et que le résultat de l'expérience est fourni, on passe a la suite du programme, sans examiner les autres possibilités. si l'expérience (combinaison des interventions) comporte une diminution du taux de l'iode dans le milieu (que l'anomalie soit un déclenchement retardé ou précoce), alors:

si l'expérience comporte un apport d'hormones thyroïdiennes alors fournir le résultat: déclenchement retardé , normal ou précoce en fonction des doses d'hormones apportées.

si l'expérience est réalisée sur des manque la thyroïde ou l'hypophyse alors pas de déclenchement de la métamorphose.

têtards auxguels il fournir le resultat : Dans tous les autres cas, fournir le résultat: déclenchement conditionné par le degré de diminution de l'iode.

Sinon, alors :

si l'expérience comporte un apport d'hormones thyroïdiennes ou d'hormones hypophysaires et que la thyroïde et l'hypophyse sont normales alors fournir le résultat déclenchement normal ou précoce en fonction des doses d'hormones.

si l'expérience comporte un apport d'hormones thyroïdiennes alors fournir le résultat: déclenchement retardé, normal ou précoce en fonction des doses d'hormones thyroïdiennes.

si l'expérience est réalisée avec une thyroïde normale et un apport d'hormones h~pophysaires, ~lors fournir ~e résultat: declenchement retarde, normal ou precoce en fonctlon des doses d'hormones hypophysaires.

si dans l'expérience, la thyroïde et l'hypophyse sont normales alors fournir le résultat déclenchement normal de la métamorphose.

si l'expérience est réalisée sur des têtards auxquels manque la thyroïde ou bien l'hypophyse, alors fournir le résultat: pas de déclenchement de la métamorphose.

Dans tous

conservee : déclenchement retardé de la métamorphose.les autres cas, fournir le résultat

anomalie Les interventions qui rétablieront

Après l'obtention du résultat d'une expérience, l'élève peut choisir de réaliser de nouvelles expériences sur d'autres lots de têtards ou de formuler une conclusion.

2 - La gestion des conclusions. a - La reconnaissance

Tech~iquement, celle-ci se fait de manière similaire icelle des experiences. Il-y-a autant de conclusions prévues que d'anomalies différentes possibles.

Une conclusion sans ambiguités devrait préciser l'anomalie (hypo ou hyperfonctionnement) ainsi que le facteur qui en est i l'origine (une ou plusieurs glandes, un facteur extérieur) et une relation de causalité claire entre les deux. A priori, une conclusion comportant toutes ces précisions a été jugée assez difficile

à

formuler par les élèves. Des facilités ont été introduites, telle la réduction des exigences dans certains cas: on peut par exemple reconnaître une conclusion mettant en cause un élément du milieu extérieur sur la seule évocation du nom de cet ,é!èment. Ce~endant, la r~gle gé~é:ale adoptée est de conslderer que des le moment ou deux elements sont reconnus (l'anomalie et une ou plusieurs causes possibles), on applique une procédure de confirmation demandant à l'élève de préciser ce qu'il veut dire.

Par exemple, si la conclusion comporte une notion de déficit et slmultanément des synonymes de 'iode', de glande thyroïde et de glande hypophyse, on demandera i l'élève d'abord s'il veut dire qu'il s'agit d'un hypofonctionnement dû

à

une carence en iode. et s'il répond par la négative, on lui demandera s'il conclut

à

un hypofonctionnement dû

à

la thyroïde et

à

l'hypophyse, et ainsi de suite, jusqu'à l'élimination de toutes les conclusions comportant l'un ou l'autre des termes reconnus. Le refus de toutes les propositions est interprété comme une non reconnaissance de la conclusion.

b - L'analyse des conclusions

Il est clair qu'une conclusion ne peut être considérée comme correcte au seul examen de son énoncé. La conclusion n'est pas un pari sur la solution du cas, elle doit reposer sur des informa-tions issues des expériences réalisées. En outre les résultats de plusieurs expériences peuvent être indispensables pour conclure. Aucune conclusion par exclusion des autres éventualités n'est prévue. Par contre, une conclusion peut être exclue si une autre est retenue.

Toutes les expériences réalisables n'apportent pas des infor-mations permettant d'avancer vers une conclusion. De manière générale, les expériences intéressantes sont celles où on agit sur un facteur dont on soupçonne le rôle, en l'isolant des autres facteurs qui pourraient intervenir.

Pour pouvoir discuter les conclusions proposées par les élè~es, il faut avoir mémorisé tout au long du travail, les experiences qui ont apporté des résultats significatifs permet-tant de retenir telle conclusion ou d'exclure telle(s) autre(s). Les résultats concluants dépendent de l'anomalie étudiée.

Exemple mémorisation des expériences permettant de discuter les conclusions, dans le cas d'un hypofonctionnement de la thyroïde et de l'hypophyse.

On reut schématiser les conditions permettant de conclure, de la maniere suivante

- La greffe de la seule glande thyroïde, sans intervention sur l'hypophyse, ni sur le taux d'iode et sans apport d'hormones thyroïdiennes, ne modifie pas l'anomalie. L'expérience ainsi réalisée et son résultat permettent d'éliminer un hypofonctionne-ment qui serait du

à

la seule thyroïde. L'apport d'hormones hypophysaires, sans ablation de la thyroïde, a aussi peu d'effets et permet de tirer la même conclusion.

- Le remplacement de l'hypophyse par une glande sai~e, sans autre intervention sur la thyroïde et sur l'iode, est egalement inefficace. Ceci permet d'éliminer un hypofonctionnement isolé de la glande hypophyse.

- Le remplacement de la thyroïde accompagné soit de la greffe d'une nouvelle hypophyse ou de l'apport d'hormones hypophysaires, modifient le moment du déclenchement de la métamorphose. Ceci élimine l'intervention d'un facteur extérieur. L'efficacité de cette double greffe ne permet de conclure

à

un hypofonctionnement de la thyroïde et de l'hypophyse que si on sait par ailleurs gue ni la thyroïde ni l'hypophyse ne sont en cause de manière isolee. L'intervention du milieu extérieur peut être éliminée également de façon directe, avant ou apres, par divers dosages.

Une fois formulée par l'élève et reconnue par le système, une conclusion est d'abord examinée sur le critère de l'anomalie: si celle-ci associe un hypofonctionnement

à

un déclenchement précoce de la métamorphose, ou un hyperfonctionnement

à

un déclenchement retardé, l'incompatibilité de cette association amène au rejet de la conclusion proposée. Si la conclusion est compatible avec le type d'anomalie que présentent les têtards du lot étudié, la procédure de discussion est engagée.

Trois situations peuvent se présenter

- l'élève ne dispose pas d'informations pour avancer cette conclusion; dans ce cas, un message signalant cette carence lui est délivré,

- la réalisées conclusion

conclusion est éliminée; par l'élève, et dont les sont rappelées.

toutes les expériences résultats excluent cette c - L'enchaînement des expériences et des conclusions

Un élève peut pratiquer autant d'expériences qu'il le souhaite et essayer de conclure quand il le juge utile, même s ' i l n'a réalisé aucune expérience. Par contre, des décisions sont

à

prendre sur la poursuite du dialo~ue, après une conclusion. Lorsque celle-ci est exacte, l'encha~nementse fait naturellement sur une nouvelle anomalie tirée dans une liste constituée au départ. Sinon, il faut faire en sorte que l'élève arrive dans tous les cas

à

la solution du problème.

L'orientation du dialoque après une conclusion inexacte est conditionnée

à

la fois par un nombre arbitraire de tentatives de conclusion laissées

à

l'élève et par les informations en sa possession. Tant que les possibilités de conclure ne sont pas épuisées, l'élève peut faire de nouvelles expériences. Dès que le nombre de conclusions inexactes atteint le maximun d'essais prévu, l'élève est forcé d'aboutir

à

une conclusion définitive. Ceci est réalisé de deux manières :

- si les experlences réalisées ont permis de mettre en évidence l'origine de l'anomalie, alors on indique a l'élève qu'il a toutes les information nécessaires pour conclure, puis on lui demande une dernière conclusion.

- si tel n'est pas le cas, alors on lui signale qu'il lui manque des informations, on lui fournit les expériences qu'il aurait pu faire et dont les résultats permettent d'établir une conclusion, et enfin on lui demande de conclure.

si la dernière conclusion est inexacte, correcte est fournie et argumentée.

IV - Disponibilité et utilisation du logiciel

alors la conclusion

Le logiciel a été développé d'abord sur le système d'ensei-gnement assisté par ordinateur de Paris V et a bénéficié des outils de mise au point qui existent sur de tels systèmes conservation automatique d'informations concernant le déroulement du programme, édition et traitement des réponses, etc. Quelques dizaines d'élèves ont pu l'utiliser sur les postes de travail de l'Hopital Cochin. Des versions provisoires ont ensuite été élaborées sur les différents matériels disponibles dans les lycées. Ces versions sont utilisées de manière régulière sur divers sites; elles ne disposent cependant d'aucun procédé permettant de conserver des traces du dialogue et d'analyser les données ainsi recueillies. Sur les équipements plus puissants qui sont maintenant disponibles, une version complète peut être réalisée. Elle devrait permettre d'analyser l'activité de raisonnement des élèves devant les problèmes posés, et de mettre en évidence les apprentissages qui en résultent.