LOGICIELS PROFESSIONNELS, BANQUES DE
DONNEES, IMAGES NUMERIQUES: DE NOUVELLES
AIDES DIDACTIQUES POUR L'ENSEIGNEMENT DE LA
BIOLOGIE
Naoum SALAME INRP- DP5
MOTS-CLES : LOGICIELS PROFESSIONNELS - BANQUES DE DONNEES - IMAGES NUMERIQUES - AIDES DIDACTIQUES.
RESUME : L'enseignement de la biologie et de la géologie est confronté au renouvellement et à l'accroissement des connaissances scientifiques. L'informatique peut être mise à contribution pour intégrer les évolutions scientifiques et techniques dans la formation des élèves. Dans cette perspectives, il est suggéré de développer prioritairement dans l'enseignement les utilisations que l'informatique connaît dans les milieux professionnels et dans la recherche. Les orientations de travail que constituent l'aideà la décision et au diagnostic, l'approche quantitative des problèmes, etlareprésentation des phénomènes biologiques avec des images numériques, sont présentés.
SUMMARY : Teaching biology and geology have to take into account the increase in scientific knowledge. New information technologies can help to introduce technical and scientifical evolutions in the education, and to implement new laboratory activities. Main directions of work are suggested : the use of professional softwares for decision making and diagnosis, large scale numerical data bases processing, digital modelisation and graphical representation.
1 INTRODUCTION
Jusqu'à une époque récente, la participation des élèves à la mise en évidence des explications relatives aux phénomènes étudiés, le contact avec le vivant, la manipulation des objets physiques et la connaissance des instruments, étaient considérés comme des conditions pour l'acquisition de savoirs intellectuels et opératoires et des supports de la motivation. Or, étant donné l'évolution des connaissances scientifiques en biologie et en géologie (1), l'intérêt porte actuellement sur des notions et des concepts difficiles à observer et à illustrer: ni les écosystèmes, ni les mécanismes biochimiques, ni les contraintes économiques ne peuvent être mis aisément à la portée des élèves, sans parler de la difficulté de réalisation de travaux pratiques en géologie. De plus, la liste des instruments nécessaires à un enseignement en rapport avec l'évolution technologique devient de plus en plus longue, et son indisponibilité entraîne vers un enseignement plus théorique (2). Enfin, l'expérimentation sur le vivant soulève des hostilités, et l'attitude globale des chercheurs en didactique des sciences à l'égard des manipulations concrètes devient plus réservée.
Il s'agit de savoir maintenant comment faire accéder les élèves, en fonction de leur âge et de leurs capacités, aux explications et aux activités scientifiques actuelles, à quels procédés etàquelles aides didactiques faire appel.
2. LES CONTRIBUTIONS RECENTES DE L'INFORMATIQUE
Le recours à l'informatique, pour outiller et améliorer l'enseignement, constitue un des domaines d'investigation possibles. Au cours des deux dernières décades, diverses modalités ont fait l'objet d'expérimentationsàpetite échelle:
- La simulation a été illustrée par de nombreux exemples (génétique, mécanismes régulés, phénomènes métaboliques, ete.), mais, malgré ses avantages évidents, elle a rencontré jusque là des réticences dans les disciplines expérimentales.
- Quelques ensembles de données ont été réunis pour initier aux méthodes statistiques : données biologiques et physicochimiques sur le lac Leman, analyses d'éléments du milieu intérieur (cholestérol, urée, glucose, etc.), données sur les séismes. Peu de recherches sont poursuivies dans cette direction. - L'essor de la micro-informatique a rendu possible l'étude de phénomènes biologiquesàl'aide de capteurs connectésàdes ordinateurs. Les données mesurées au laboratoire sont utilisées comme support à l'enseignement de la physiologie et de l'anatomie (cardiaque et respiratoire), ou intégrées dans une démarche d'investigation: étude du métabolisme respiratoire, de la photosynthèse, de la respiration au niveau cellulaire, ete. Cette orientation est actuellement en plein développement.
- Récemment, des outils ayant leur origine dans la télédétection spatiale sont devenus accessibles. Avec des radiomètres simplifiés, on peut maintenant étudier au laboratoire les réponses spectrales des végétaux; le traitement des images numériques prises par les satellites permet d'identifier les formations végétales, d'établir l'occupation des sols, d'évaluer les surfaces cultivées, de suivre l'évolution de certains phénomènes (déforestation, désertification, incendies, etc.) (3).
Ces travaux ont été l'occasion de mettre au point des solutions techniques. la télédétection. seule. confrontant directement au problème du transfert des nouvelles connaissances dans l'enseignement. L'utilisation des nouvelles technologies dans l'avenir doit prendre explicitement en compte l'intégration des évolutions scientifiques et techniques dans la fonnation des élèves. Nous exposons ici quelques orientations de travail sur lesquelles on peut particulièrement s'appuyer.
3. A LA RECHERCHE DE NOUVELLES AIDES DIDACTIQUES
Pour étudier les apports des nouvelles technologies dans cette perspective. il faut identifier les connaissances qui constituent maintenant le "réel". les méthodes qui permettent d'y accéder. les outils et les savoir-faire devenus nécessaires pour le traiter. Les nouvelles technologies nous semblent des instruments qui pennettent d'opérer un rapprochement avec les applications que la biologie et la géologie connaissent actuellement, et d'introduire dans l'enseignement les méthodes d'approche des phénomènes et les outils utilisés dans la recherche et dans l'industrie. Cette orientation devrait permettre de rattacher les connaissances abordées à des finalités précises. et d'examiner comment les moyens techniques peuvent aider à suppléer l'instrumentation inaccessible. à concrétiser certains concepts, à proposer aux élèves des activités en relation avec les pratiques actuelles. A cette fin.ilest indispensable d'entrer en contact avec les milieux professionnels et les équipes de recherche. d'identifier avec eux les savoirs actuels. d'analyser les pratiques innovantes. de détecter les nouvelles activités pratiques qui peuvent être conçues.
Cette exploration peut être menée dans des domaines centraux de l'enseignement de la biologie et de la géologie, tels que la gestion des ressources renouvelables. la transmission de l'infonnation dans l'organisme (mécanismes chimiques et électrochimiques des messages honnonaux et nerveux, action des molécules au niveau cytologique et membranaire), ou les conséquences de la dynamique du globe terrestre. Dans tous ces domaines. on observe. d'abord. une utilisation croissante des ordinateurs pour la modélisation, la visualisation et le traitement des phénomènes. On constate en outre une convergence relative entre les types de matériels utilisés dans l'enseignement et ceux utilisés dans la recherche et les milieux professionnels (les ordinateurs compatibles PC).
A cause de ces deux facteurs favorables. de nombreuses applications dans ces domaines sont devenuesàla fois disponibles et accessibles. Parmi les outils et les démarches remarquables. l'utilisation de l'information pour l'aide à la décision et le diagnostic. la constitution et le traitement de banques de données quantitatives. et la représentation des phénomènes avec des images numériques. nous semblent porteuses de perspectives particulièrement intéressantes pour une exploitation pédagogique.
3.1. L'aide à la décision et au diagnostic
Dans les secteurs d'application de la biologie. les ordinateurs. après avoir servi au calcul. au stockage etàla gestion des données, sont actuellement en train de se transfonner en outils d'aide à la décision. de diagnostic et de prévision (4). Un grand nombre de ces logiciels "professionnels" peuvent être trouvés en agriculture. particulièrement dans le domaine de l'amélioration des rendements végétal (choix de variétésà cultiver. des engrais àapporter. des rotationsàrespecter) ou animal (alimentation, suivi des troupeaux. etc.). dans celui de la gestion des parcelles et de l'optimisation des travaux. Cependant, le concept de
logiciel professionnel peut être étendu aux multiples réalisations spécialisées qui existent également dans les centres de recherche ou dans les universités: un premier repérage montre qu'en géologie (structurale et appliquée), comme en neuro-physiologie (transfiÙssion de l'information nerveuse), ou en biochifiÙe (activité enzymatique), de nombreuses applications peuvent fournir de nouveaux supportsà des activités scientifiques dans l'enseignement.
Tous ces logiciels comportent, dans l'ensemble, des modélisations très proches de la réalité; certains d'entre eux sont connectésà des systèmes de mesure automatiques (stations météorologiques, contrôle de paramètres physico-chimiques dan,s les serres, etc.), d'autres, de plus en plus nombreux, intègrent une "expertise" du domaine : c'est notamment le cas des logiciels de diagnostic en médecine (SESAM-DIABETE) comme en pathologie animale et végétale (voir les réalisations en cours de l'INRA).
Laquestion des modalités de transfert de ces logiciels dans l'enseignement secondaire se pose avec acuité. En effet, ces logiciels spécialisés ont des finalités techniques précises: s'agissant de l'amélioration des rendements, par exemple, ce sont les arguments d'efficacité économique, de facilité d'approvisionnement, d'optimisation des travaux, etc., qui sont naturellement privilégiés, plutôt que des considérations d'ordre scientifique ou écologique. II en est de même en ce qui concerne les logiciels développés dans les centres de recherche: vu les préoccupations de leurs concepteurs et utilisateurs, la qualité des modèles scientifiques et des résultats y est plus importante que les qualités formelles des outils.
De plus, tous ces logiciels supposent que l'utilisateur a une très bonne compréhension des phénomènes considérés, et qu'il est à même d'apprécier les prévisions et de prendre des décisions, ce qui peut être vrai en ce qui concerne le professionnel, le chercheur, mais pas l'élève.
Pour que l'approche pratique soit accompagnée d'une maîtrise des fondements scientifiques (ce qui est l'objectif dans l'enseignement général), il faudra associerà ces outils des fonctionnalités pédagogiques d'explication et de justification, examiner également "l'interface utilisateur" pour tenir compte des besoins et des capacités des élèves, leur associer des exemples comportant des données réelles. Plus généralement il faudra étudier dans quelle mesure l'utilisation pédagogique de ces logiciels appelle des adaptations ou des simplifications, etàquelles conditions ces outils peuvent être utilisés tels quels, en recherchant une stratégie d'exploitation appropriée, ce qui présente des avantages incontestables.
3·2. L'approche quantitative des problèmes biologiques
Bien que les données soient abondantes en biologie et en géologie, elles donnent rarement lieu, dans l'enseignement, àune exploitation détaillée. Leur analyser visuelle ne porteleplus souvent que sur l'appréciation de résultats évidents. Exploiter les nombreuses banques de données existantes pour aborder les problèmes biologiques, mettre en évidence des phénomènes et des relations, ou pour rechercher des explications, peut constituer une dimension importante de l'évolution de l'enseignement, et avoir un impact considérable sur les activités proposées aux élèves ainsi que sur leur raisonnement.
En effet, le traitement statistique des données, qu'elles soient issues de l'observation ou de l'expérimentation, est une des méthodes qui permettent de tester des hypothèses et d'analyser les résultats avec rigueur. Plusieurs secteurs qui intéressent l'enseignement de la biologie et de la géologie recueillent et traitent des données pour progresser: c'est en particulier le cas en épidéfiÙologie avec les travaux conduits par les unités spécialisées de l'INSERM et certains services hospitaliers. C'est également le cas en zootechnie et en phytotechnie, avec les expérimentations systématiques que mène l'INRA. L'existence de
banques de données est en outre considérée comme une condition indispensable pour le développement des recherches en biochimie et en biologie moléculaire (5). De nombreuses banques de données sont ainsi constituées et publiées par des laboratoires du CNRS et des universités(6),ou par des organismes tels que leBRGM.
La maîtrise par les enseignants et par les élèves des méthodes de traitement statistique, de représentation graphique et d'interprétation des résultats, est devenue aujourd'hui d'autant plus importante qu'elle conditionne dans une certaine mesure la compréhension des approches dans des domaines tels que la télédétection, la génétique, l'économie et la gestion.
Pour les besoins de l'enseignement, on peut maintenant ne s'intéresser qu'aux banques de données informatisées et s'appuyer exclusivement sur celles qui ont été traitées et publiées par les chercheurs: du point de vue pédagogique, il est indispensable de pouvoir se référer à des données et à des interprétations fiables, tout en ayant la possibilité de situer ces données dansleprocessus qui a conduit à leur collecte.
S'il fallait précédemment des manipulations et des calculs fastidieux même pour les traitement simples, ce handicap est levé depuis longtemps: de multiples logiciels professionnels de gestion des données, de traitement statistique et de visualisation graphique sont disponibles sur micro-ordinateur (7). Quant aux notions de statistiques nécessaires, elles sont dans les programmes de mathématiques, mais ne sont pas toujours enseignées. Il y a lieu, par conséquent, de préciser les méthodes de traitement dont la biologie a besoin, ainsi que les moyens de les introduire dans la pratique quotidienne de l'enseignement, sans en faire un cours isolé de statistique.
3.3. La simulation avec des images numenques
Il est maintenant bien connu qu'une partie importante de ce qu'on appelle les nouvelles images (notamment dans le domaine scientifique) ne peut être obtenu sans l'intermédiaire des ordinateurs. Un numéro du Courrier du CNRS (8) en a présenté un large éventail il y a plus d'un an. L'enseignement de la biologie qui fait usage d'une iconographie importante, est concerné par l'évolution des supports qui permettent de stocker ces images et de les restituer avec une grande qualité (plus grande capacité des disques magnétiques sur les micro-ordinateurs, apparition de disques compacts (CDROM».
Au-delà de l'illustration ou de la visualisation d'informations qui ne pouvaient jusque là être montrées, qui constituent des apports importants, ce sont les possibilités de traitement des images numériques qui nous paraissent potentiellement les plus riches. Nous ne reviendrons pas sur les images satellite que nous avons déjà évoquées, ni sur les images médicales qui fournissent un très grand nombre de documents de référence. Par contre, la numérisation permet aussi de visualiser des structures telles que celles des neurotransmetteurs et des récepteurs membranaires, de modéliser des phénomènes et des objets comme le développement des végétaux et les structures foliaires (9). Répandue principalement en physique et en chimie, cette modélisation pourrait ouvrir la voie en biologie à des utilisations similaires à celles que permettent les simulations, avec des actions sur des images numériques réalistes et des résultats également sous forme d'images. Pour le moment, les travaux dans cette direction sont encore du domaine de la recherche, mais leurs progrès nous semblent mériter d'être suivis avec une attention particulière dans les prochaines années.
4. CONCLUSIONS
Nous avons essayé de montrer que les utilisations des moyens informatiques dans la recherche et dans l'industrie pourraient apporter un renouvellement significatif de l'enseignement de la biologie et de la géologie. Ce renouvellement n'est cependant pas simpleàobtenir, et des interrogations importantes subsistent: dans quelle mesure ces orientations apportent-elles des méthodes appropriées à l'étude des nouveaux contenus? De quelle manière sont-elles susceptibles de transformer les activités qui peuvent être proposées aux élèves et quelles en sont les conséquences en termes de savoir-faire nouveaux? Quelle perception des problèmes biologiques et géologiques, et des fmalités de leur enseignement induisent-elles?
On sait par ailleurs qu'il ne suffit pas de concevoir de nouveaux outils et d'en démontrer l'intérêt, et que l'utilisation des ordinateurs reste marginale, calquée surleschéma de fonctionnement traditionnel des classes.Lecoût élevé des innovations force aussiàrechercher une meilleure utilisation des matériels, età examiner à quels moments les manipulations individuelles et la recherche autonome sont indispensables, et à quels autres les activités collectives sont efficaces. Ces différentes questions peuvent impliquer des remises en cause.ilest possible de penser que les nouvelles technologies pourraient apporter une meilleure contributionà l'enseignement si elles sont utilisées pour le faire évoluer (10).
5. BIBLIOGRAPHIE
(1) BERKALOFF (A), NAQUET (R),ET DEMAILLE(J.), 1987.-Biologie 1990. Enjeux et problénnatiques.C~S
(2) Infornnation technologies and basic learning. Scientijic and technological concepts.1986.OCDE, CERI
(3)Du satelliteàla classe. Imagesdetélédétection en physique, géographie, sciences naturelles.1987.
Rencontres Pédagogiques, 17, INRP, Paris
(4) ATTONATY (J.-M),. 1985.- La gestion et les nouveaux moyens informatiques. Annales de Gembloux, 91,231-244 .
(5) Europe1995,mutations technologiques et enjeux sociaux.Rapport FAST. Futuribles, 1983.
(6) Les banques de données des universités et du CNRS.DBMIST, 1986.
(7) ROUA NET (H), LEROUX (B), et BERT (M.-C), 1987. -Statistiques en sciences humaines. Procédures naturelles.Dunod, Paris.
(8) Courrier du CNRS,66-67-68. 1987.
(9) Végétation assistée par ordinateur.Microsystèmes,81, 1987.
