APPLICATIONS DE l'INFORMATIQUE A L'ENSEIGNEMENT DE LA CHIMIE
Jacques WEBER
Jean-Jacques COMBREMONT Michel ROCH
Laboratoire de Chimie Théorique Appliquée Université de Genève
30 quai Ernest Ansermet 1211 GENEVE
Résumé : Dans cet article, nous décrivons les applications possibles de l'infographie en chimie, en faisant ressortir avant tout les avantages qui en découlent pour l'enseignement. L'accent est mis en particulier sur la représentation àes processus dynamiques dans les molécules, tels les interconversions et réarrangements.
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-1. INTRODUCTION
Parmi les nombreux aspects que revêt l'Enseignement Assisté
par Ordinateur (E.A.O.) en chimie, l'infographie, ou ensemble
des techniques de représentation sous forme graphique de
l'in-formation traitée par ordinateur, est appelée à prendre une
place importante. En effet, et c'est la première application
infographique à la chimie qui vient à l'esprit, il est essentiel
pour pouvoir comprendre le comportement chimique d'un composé,
et évaluer par la suite sa réactivité, de se représenter la
structure géométrique tridimensionnelle (3D) de l'édifice
molé-culaire. Les chimistes ayant toujours été des constructeurs de
modèles, on a utilisé dans ce but de très nombreux procédés dont les plus connus sont encore en usage dans tous les
labo-ratoires: bâtonnets en plastique ou fil de fer pour simuler les
liaisons chimiques, boules pour simuler les atomes, etc ... Bien
qu'ayant fait leurs preuves depuis longtemps dans l'enseignement
de la chimie, ces modèles mécaniques présentent deux
inconvé-nients majeurs:
i l devient très difficile, sinon impossible,
de les construire et de les manier pour les
grosses molécules d'intérêt biologique (par
exemple les protéines, l'ADN, etc .. . );
- ils sont par définition statiques et ne
per-mettent pas de représenter les mouvements et déformations internes qui animent le composé
à température aniliiante ou sous l'effet d'un
apport d'énergie (vibrations,
interconver-sions, réarrangements, etc ...J.
L'utilisation de ressources infographiques pour la
représenta-tion tridimensionnelle de systèmes moléculaires (1) permet de
surmonter ces difficultés et, selon notre expérience, un
équi-pement infographique interactif se révèle être un outil de travail incomparable pour l'enseignement de la stéréochimie.
En effet, l'interactivité permet à l'étudiant de visualiser un
édifice moléculaire de taille quelconque sous tous ses angles et d'en saisir pleinement toutes les caractéristiques
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-raIes. En outre, si l'on dispose d'un équipement offrant des
possibilités d'animation suffisantes, les processus dynamiques
tels vibrations, interconversions, etc . . . pourront également
être représentés, ce qui constitue la deuxième application
infographique à la chimie. A nos yeux, ce type d'application
est d'une importance au moins égale à la première, car les
pro-cessus dynamiques sont à la base de nombreux mécanismes réac-tionnels essentiels en chimie et i l est grand temps que
l'en-seignement de ces concepts fasse appel à des techniques
d'ani-mation infographiques (2). En effet, seule une représentation
graphique dynamique peut décrire complètement et de façon didac-tique des processus de ce type, par opposition à des techniques audiovisuelles statiques telles les transparents pour rétro-projecteurs ou les diapositives qui ne peuvent fournir qu'une succession de vues figées.
Parmi les autres applications de l'infographie à la chimie, citons la visualisation de propriétés moléculaires calculées
par les méthodes de chimie théorique, telles les densités
élec-troniques, surfaces d'énergie potentielle, etc •.. (3);
l'illus-tration des mécanismes de synthèse organique (4), et enfin la
représentation 3D des interactions de composés d'intérêt
biolo-gique avec divers récepteurs (5). Notons qu'il est parfois
dif-ficile de faire une distinction nette entre celles de ces
applications qui concernent plus particulièrement l'enseignement
et celles qui ont trait à la recherche. Toutefois, les deux
premières applications (représentation 3d de structures
culaires et simulation de processus dynamiques dans les molé-cules) ont des caractéristiques nettement orientées vers l'E.A.O. en chimie.
(2) J. Weber, G. Bernardinelli, J.J. Combremont and M. Roch,
Proceedings of Eurographics 80, C.E. Vandoni (ed.),
North-Holland, Amsterdam, 19&0, p. 139.
(3) M. Roch, J.J. Combremont and J. Weber, à paraître dans Chimia.
(4) S.C. Stinson, Chem. & Eng. News 58 (24), 24 (198~).
2. DESCRIPTION DE L'EQUIPEllliNT
Nous disposons depuis trois ans d;un système infographique composé d'un mini-ordinateur hôte PDP 11/60 et d'un écran calligraphique 3D Vector General 3404 (fig. 1).
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Fig. l Diagramme représentant la configuration de notre équipement
Par opposition au système dit "à balayage de trame" (raster scan) basé sur le principe de la télévision, notre équipement se distingue par la qualité du trait dans le dessin, une grande facilité à réaliser des dessins animés et un haut degré d'in-teractivité matérialisé par de nombreux moyens d'Entrée/Sortie conversationnels: potentiomètres, touches de fonction, manche-à-balai, tablette graphique. Ce système graphique permet de réaliser très rapidement par hardware des transformations telles que translations, rotations, facteur d'échelle, etc .. d'images 3D. Les programmes d'application sont écrits habi-tuellement en FORTRAN et font usage d'une librairie graphique fournie par le constructeur.
5J -3. APPLICATIONS
Dans cette présentation, nous voudrions mettre l'accent sur l'application qui nous semble la plus inédite dans le domaine de l'enseignement de la chimie, à savoir la représentation de pro-cessus dynamiques dans les molécules. Les réarrangements molécu-laires internes tels l'interconversion du cyclohexane ou l'in-version de l'ammoniaque (1) font partie des mécanismes de réac-tion parmi les plus simples de la chimie. Au cours de ces pro-cessus, la structure géométrique des composés est modifiée progressivement, sous l'effet d'un apport d'énergie (le plus souvent sous forme thermique), de façon à les faire passer d'une forme stable à une autre en franchissant une barrière d'énergie. La représentation simultanée du mécanisme de réar-rangement 3D et de la courbe d'énergie qui lui est associée constitue le plus souvent une description complète et détail-lée du processus et en fait un enseignement basé sur des moyens audiovisuels modernes devrait tendre à ce but.
Les caractéristiques de notre équipement infographique étant surtout axées sur les possibilités de dynamisme, nous avons développé plusieurs programmes d'application simulant sur l'é-cran graphique de tels mécanismes et l'accueil qu'ils ont rencontré de la part des étudiants et des enseignants a été encourageant. A titre d'exemple, la figure 2 représente une photographie de l'écran prise lors de la simulation de l'in-version de la molécule d' armnoniaque (NH3).
Les principaux problèmes rencontrés lors de la mise au point d'applications de ce type sont les suivants:
Préparation de la base de données définissant les géomé-tries successives du composé lors de son réarrangement; un modèle théorique doit le plus souvent être utilisé car les structures intermédiaires ne sont en général pas accessibles par l'expérience.
- Choix d'un point de vue esthétiquement et didactiquement convenable pour la représentation.
Fig. 2 La molécule d'ammoniaque représentée au cours de son mode d'inversion, dans sa conformation plane correspondant au maxi-mum de la barrière d'énergie séparant les deux formes pyramidales. Au bas de l'écran, on note l'affichage des caractéristiques de ce point de la courbe
d'un moyen adéquat pour transmettre! en direct ou en différé, les images dans les auditoires. Le plus souvent, nous utilisons une caméra vidéo placée devant l'écran et reliée à un projecteur (6).
Il est toutefois clair que, pour les étudiants, la façon optimale d'utiliser ces applications consiste à en commander le déroulement en temps réel après s'être placés devant l'équipe-ment graphique. En effet, ils disposent à ce moment de toutes
(6) J.J. Cambremont, M. Roch and J. Weber, à paraître dans les Pyoceedings d'Eurographics 82.
les corllildnde~ interactives qui leur permettent d'arrêter le
réarrangement, de visualiser les intermédiaires sous n'importe
quel angIe, de faire ressortir les dét:ails du mecanisme, etc ...
A condition de disposer d'une base de données adéquate, ce type de représentation dynamique peut s'appliquer égaIement à des mécanismes beaucoup plus compliqués, teIs les réarrangements de carbocations polycycliques ou d'hétérocycles substitués. Ces mécanismes ont fait récemment l'objet de deux thèses de doctorat dans notre Département de chimie organique et les candidats ont utilisé ce procédé comme moyen audiovisuel pour présenter leurs
résultats. En plus des grandes possibilités qu'eIle offre pour
l'enseignement de la chimie, l'infographie peut donc aussi bien
être considérée cOIT~e un outil idéal pour présenter de façon
