SIMULATION, MODELES ET INFORMATIQUE
EN BIOLOGIE
Première Partie: M. DUPONT UER de Didactique des
Disciplines Paris VII, Lycée F. Villon Paris,
N. SALAME, INRP
Deuxième Partie: N. HUBERT VAN BlVENBURG
Université de Genève
MOTS CLEFS:
Partie 1 : raisonnement - strategie logique - vérification d'acquis Partie 2 :
Résume
L'ateher avait pour but de confronter diverses expériences d'utihsation de l'ordinateur en Eiologie, et plus particulièrement dans les domaines mettant en jeu des modeles de fonctionne ment:
- controle hormonal de la métamorphose chez les Batraciens ( première partie)
- génétique des popula tions ( deuxième partie)
Abstract
The working-group was meant to compare several expreriments in the use of the computer specialized in biology. and especially in so far as ideal worl<ing processes are involved:
- hormonal control of the metamorphis of the Eatrachians 11 st part> - genetics of the popula tians (2nd part).
L'eventail des utilisations pOSSibles de l'informatique dans l'enseignement de la Biologie est Immense. Dans la pratique, on constate que son utilisation s'~tenJ de plus enplus, et tout particulièrement dans les domaines de la simulation et de la modelisation, le traitement des donn~es.l'expérience
assistée par ordinateur en labora toire, les nouvelles imageries.etc ..
Dans le cadre desIX èmes de Chamonix, l'accent a ét~ mis sur le thème de
b simulotion etde la modélisationenBiologie.
L'analyse de l'~volution des logiciels dans ces domaines met en eVldence un certain nombre d'observations:
- les phenomènes scientifiques simules ontété de plus en plus complexes. - le traitement technique et pédagogique des situations problèmes retenues montre un usage de plus en plus fréquent des graphiques, et un intéret croissant pour l'analyse des actlvltes des éleves, et&ilparticulier pour le raisonnement ex périment.. l.
PREHIERE PARTIE: "BIOL"
L'etude technique dece logiciel estel:posée dans la communication:
" SIMULATION D'EXPERIENCES ET CONTROLE DU RAISONNEMe:NT. UN EXEMPLE EN BIOLOGIE".
Au niveau de l'atelier l'accent a surtout été porté sur l'aspect pédagogique de l'emploi du logiciel, pour montrer toute la spécificité et la performance de l'outil ordinateur dans un cas der~solutionde problème.
En effet. quelles que soient les conceptions qu'un enseignant peut aVOIr sur les mécanismes de l'apprentissage, et quelles que soient les méthodes etles pratiques pédagogiques qu'il a retenueS' pour faire acquérir
a
ses ~lèves.les relations existant dans un modele de fonctionnement.cetenseignant est amené,a
un moment oua.
un autre de sa stratégie pédagogique. à verifier l'acquisition et l'assimilation de ce modele chez ses elèves. L'évaluation de la maîtrise d'une connaissance. est un acte qui fait pol'tie de toute pra tique pédagogique.I. DONNEES SCIE NTI FlGUES. L Modèle de fonc1ionnement.
Le modèle est réduit aux quelques relations suivantes. Cetter~duction
était indispensable si l'on voulait repérer les erreurs au niveau des seules capacites d'~taL1ir des relations entre les I!ll!ments fonctionnels. 11 était techniquement impossible de gl!rer dans ce sens, un réseau plus proche du réel. mais par conséquent, beaucoup plus complexe.
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2. Pathologies liéesAun trouble du fonctionnement.
- Deux grandes catégories de troubles sont envisag~sdans ce logiciel: - des métamorphoses pr~coces,liées à une):c~sde thyrQ):ine
- des métamorphoses retardées, liées à une insuffisance de l'hormone.
- Une même pathologie peut avoir quatre origineii difHrentes: - un trouble de la. thyroide seule
- un tr'ouble de l'hypophyse seule
- un trouble des deux glandes conjointement - l'influence d'un facteur extérieur ( iode J.
- Seules les combina.isons dedysfonctionnement. vraisemblables bIOlogiquement, ontété retenues.
3. Méthodes d 'e>:plora tian ex périmentales possibles.
Les élèves peuvent proposer:
- ablation ou greffe isolée de chacune deu:< glandes - ablation ou greffe des deu>: glandes en meme temps - ablation suivie de greffe dechacune des deu>: glandes - ablatio/l suivie de greffe des deux glandes à la fois - n~cherche de facteurs externes spécifiques.
Dans le cas deI 'hypophyse, la gre He peut être remplacée par une injection de thyréos timuline.
II. LES RAISONNE ME NTS LOGIGUES
Q.uelle actlvlté Intellectuelle, un Eleve, ayant assimile les relations du modèle et les consequences fonctlOnnelIes qu'elles impliquent ainsi que les methodes d',,"ploratlon qUI s'y rapportent. peut-il mettre en oeuvre',
l. Type de raisonnement attendu.
Prenons le cas d'une métamorphose precoce. Les élèves sont informés que quatre origines seulement sont a envisager ( vaIr 1. 2 l. Il lui faut donc,
successivement, tester chacune de ces possibilités. Mais plusieurs strategies logiques sont PQssIbles, l'ordre des differentes expérimentations à réaliser
étant independant. Par e:(emple:
a. première possIbliIte
L'eléve envIsage. par e>:emple, que le trouble est du a. l'hyperfonctionnement de la thyrOlde seule.
On peut attendre. dans ce cas, qU'Il procede dela façon suivante:
- e>:perimentation: on elimlne la thyroide imtiale on 1a re mplace
- resultat: dew: resultats pOSSIbles Ri ouR2 Ri: patholngu~ellmlnee
R2: pathologie maintenue - conclUSIOn:
si Rt alors le trouble est dua. un hyperfonctlonnement de la thyroide seule
SI R2alors Il faut envIsager une autre cause.
b. Suite de la strategIe
L'éleve ptèut alors passer a. l'une ou des trois questIOns restantes. - Est-ce un h)'perfonctlonnement de l'hypophyse seule - Est-ce un hyperfonctlonnement des deux glandes'
Est-ce lié à un facteur e>:terieur,' Lequel? Cette recherche. indépendante des troubles fonctionnels des dew: glandes peut se placer, au début ou à la finde ses essais.
c. Analyse de cette activité
La rigueur avec laquell l'eleve conduit cette recherche, l'économie des e>:périmentatlons propo~ees ou, au contraIre, les redondances constatées, sont autant d'indIces sur la maltrlse qu'il possède du modèle, mais aussI de la methologle e::pérlmentale.
La pertinence de la conclUSIOn qu'Il propose, ou son inadequation, compte tenu des résultats qU'Il a obtenus, donne, par ailleurs, des Indications sur ses capacités logiques si ces resultats pE"rmettent effectivement de conclure. Si l'élève propose une conclUSIon, sans disposer des résultats e:-:périmentaux necessaires, cette erreur permet de reperer d'autres' points faibles méthodologIques.
2. Types d'erreurs les plus fréquentes
La communica tion:
.. SIMULATION D'EXPERIENCES ET CONTROLE DU RAISONNEMENT. UN E:XEMPLE EN BIOLOGIE ..
présente les techniques d'ana.lyse des réponses. Nous nous contenterons, iCl, d'insister seulement sur quelques aspects pédagogiques.
a. Injection de thyro>:ine
C'est l'erreur , de loin la plus fréquente, en début de kavall. Les
aller-retour posc;ibles du programme permettent aux élèves de réaliser pleinement la différence qu'l1 y a entre, corriger un trouble, et en déterminer l'origine.
b. Greffe sans ablation de l'une ou l'autre des deux glandes
On retrouve, ici aussi, la meme confusion entre suppression de l'anomalie,et déterminisme de son origine.
c. Ablation des dew: glandes suivie de la double greffe
Dans cette proposition, l'expérimentation est rorrecte, mais certains elevE5 n'hesitent pas à conclure en raisonnant sur ces seuls résultats: l'erreur se situe, dans ce cas, au niveau de la conduite de la stratégie logique dans son ensemble.
III. PERFORMANCE: DE L'OUTIL INFORMATIQUe:
Il est difficile de s'assurer qu'un élève est capable de mettre en oeuvre un tel modèle, qu'l1 est capable d'élaborer une telle stratégie logique, avec des el:el'Clces de type classique; l'interactivité est indispensable.
Les activités habituellemment demandées aux élèves sont beaucoup mOinS complexes:
- prévoir le résultat d'une e>:périmentation - donner la hste des causes possibles d'un trouble - raisonner sur un résultat
- proposer une expérimentation adéquate.
Le logiciel "BIOL" comprend plusieurs mises en rela tians, et il propose a l'eleve une situation où il peut rechercher, avec méthode et rigueur, une relation défaillante. 11 permet une individualisation de la démarche intellectuelle, le dialogue el:périence résultat,à un rythme que l'élève adapte lui-me me à ses capacités. L'ordinateur parait etre, dans ce cas, un ouhl
III. LES OUTILS DE CONCEPTION
Il serait 50uhaitable évidemment que le5 en5eignants 50ient capable5 d'extraire des logiciels existants, les passages qu'ils jugent interressants, adaptés à leur5 objectifs et à leur propre stategle pédagopgique. C'e5t ce
qu'il~ font couramment avec les manuels scolaires: pourquoi pas avec des productions informatiques? Mai5 la formation informatique des enseignants est-elle suffisante pour leur permettre ce tte adapta tian de logiciels au>: be50in5 de leur enseignement?
l.Les langages informatiques.
Les participants ont alors abordé le problème que pose la multiplicité des langages informatiques, et donc leur adéquation au:: différents appareils: ne serait-elle pas un autre frein à la généralisation de l'outil informatique.
Doit-on envisager d'en favoriser les plus simples, au détriment éventuellement de leur puissance informatique, en vue d'une appropriation plus facile par les en5eignants et les utilisateurs en général'
2. Adapter les structures des logiciels à la f~rmation des enseignants.
Ne pourrait-on -pas envÎ!.ager de construire un certain nombre d'outils adéquats comme, par e>:emple, des modules Indépendants utilisables dan5 un programme, selon les besoins de l'enseignant concepteur: Modules d'analyse de répom:ies, de réalisation graphiques ( courbes et dessins), de calculs différentiels, de traitements statistiqUtèsJ Ne pourrait-on pas généraliser certains langages, comme DYNAMO, faCiles .a utili5er, et pr~sentéspar l'un des participants comme outil adéquat pour une mod~lisation·)
3. La conception des logiciels.
Cependant, n'est ce pas un mythe de croire que, si on diminuait l'aspect hétéroclite des appareils et des langages, si on modifiait la structure des didacticiels, on favoriserait l'appropriation de l'outil informa tique par les enseignants? Les obstacles ne sont-ils pas à un autre niveau?
La formation informatique des enseignants est sans doute une condition necesaire pour ~tendrel'emploi de l'ordinateur à l'école, mais ce n'est pas une condition suffisante pour assurer une conception efficace des logiciels. La capacité des enseignants à réaliser eu:,-memes leur programme, n'est pas une garantie pour la généralisation de l'E.A.O.
La conception d'un logiciel ne peut pas etre un trava~1de solitaire. E:Ue suppose, si l'on veut ahnutir à un produit pédagogique de qualité, une doculHl:!nta tian scientiflque solide, une conceptualisa tion du problème scientifique abordé, une définition précise des objectifs pédagogiques retenus et des stratégies pédagogiquesà mettre en oeuvre. Il s'agit donc d'une activité pluridicipl.iÎuire, et il apparait urgent de refléchirà l'organisation qu'il serait souhaitable de mettre en place pour répondre à ces préoccupations. Le choi:{ des langages et des supports éhnt un travail d'Informaticiens.
Les deux lugiciels que j'ai présentés avant la discussion sur le thème de "Simulation en Biologie" ont faits l'objet d'une eomlllunication et d'un pusta lors des Journées Internationales sur l'Education Scientifique 1987. Pour avoir de plus amples informations sur ces deux didacticiels, k lecteur est prié de se rcporter aux articles qui ont été tirés de ces présentations. Le premier s'intitule "Gêne Dans l'Enseignement de la Génétique" et constitue un logiciel d'aide
à
l'enseignement de la génétique des populations au niveau universitaire (simulateur de populations). Le second s'intitule "Perception du Telllps ct Evolution" ct a été réalisé pour faciliter la compréhension de la notion de la durée du temps en évolution (sonde ternpon:lle).
Les deux logiciels sont des outils tout à fait originaux car ils exploitent ks possibilités pédagogiques nouvelles offertes par l'ordinateur. Le logiciel qui traite de la durée du temps en évolution est coupléà un projecteur di<lpositives ce qui a permis de rendre l'utilisation de cc logiciel plus parlant ct plus stimulant. Nous avons apporté un soin particulier
à
leur présentation ct simplifié au maximum lc.:ur utilis<.ltion. Ces deux uidaeticicls ont été conçus comme des aides au processus d'assimilation ct d'appropriation d'un savoir par les élèves. L'évaluation d'une séance de travail avecle simu1:.lteur de population a pClIlIis Je Illontrer l'efficacité de ce genre d'outil dans l'enseignement de cette branche de la génétique.L'utilisalion de "informatique pour enseigner d'autres branches que celle de la programmation n'est possible que dans certaines conditions. OUlre les points qui ont déjà été évoqués Jans la première partie Je cct article, il l11'a scmblé néœssairc de rajouter les réflexion qui suivent.
Il est illusoire Je croire que ks enseignants vont développer leurs prüpres aulib d'Enseignement Assisté par Ordinalèur. Seuls ceux qui portent un intérêt particulier à l'infannatique sont prêts à consacrer un peu de leuf temps au développement de nouveaux outils. Il faut donc offrir à l'enseignant des programmes "clé en main" qui ne Jemandent ni un temps d'<ldaptalion ni (h;s connaissances particulières Cil informatique pour être utilisés. Seuls dcs logiciels simples, traitant d'ull problème précis ct utilisahks dans des situatiuns péHticulièrcs sont susceptibles J'être bien accueillis par le corps profesMHalclles apprenants.
nouveaux didacticiels se fasse dans des environnements qui offrent un maximum de confort à l'utilisateur. Cette convivialité est offerte par des intégrateurs comme ceux qui existent sur le Macintosh d'Apple ou comme cclui développé par Microsoft pour les mM compatihles (Windows). Outre le fait que les intégrateurs simplifient considérahlement l'utilisation de l'ordinateur, ils ont encore pour avantage d'homogénéiser la présentation des programmes et d'offrir lil possibilité de montrer simultanément plusieurs applications.
Laréalisation de ce type de logiciels ne peut se faire. comme cela a été déjà dit, que dans la mesure où il est possihle de développer une collaboration entre des personnes qui réunissent des compétences scientifiques, didactiques et informatiques. Ccci nécessite un investissement considérahle en temps et en argent mais c'est dans ces conditions seulement que l'ont peut espérer voir l'EAO dépasser le stade du simple bricolage...
DISCUSSION
On peut résumer l'ensemble de la dIscussion qui a suivi la présentatlon des deux logiciels, en regruupant les débats autour de trois points princlpau,:.
1.DIFFUSION DES LOGICIELS DANS LES ETABLISSEMENTS
Des enseign<rnts, intéressés par l'outil ordinateur, mais ~>:terleurs au circuit informatIque actuel, ont insisté sur les difficultés qu'ils rencontrent pour, non seulement, connaitre les logiciels réalisés, mais aussi, quand ils ont eu l'Çlccasionde les voir tourner, pour les obtenir.
De"$ échanges qui ont eu heu, 11 s'est dégagé le fait qu'il e;;iste en reallte beaucoup de logICiels. Une petIte partie se trouve répertoriée dan!O les cataloques des éditeurs, maIs la majorité des logiciels S()nt conçusetréalIses spontanément par des enseignants, avec des objectifs 'précis ne permettant souvent qu'une utilisation locale par les auteurs; ils sont donc disperses et mal recensés, ce qui les rend dlfficllen",,,,t accltpsibles.
Les circuits de diffusion sont aInsi un premier obstacle a l'e:den!OlOn de 1 EAO dans les établissements.Ne serait-il pas nécessaire de creer une structure d'échange de tous ces loglcielsÎ
II. FORME ET PRESENTATION DES LOGICIELS -'
1.Présentation des logiciels.
D'autres collé gues ont regrette la tendance actuelle Qui accorde trop de place a l'apparence du logiCIel; couleur, dessin, ou animatlon, ne sont pas des eléments qui contribuent fondamentalement aux qualités d'un logiciel comme outl1 d'apprentissage. Compte tenu des forces de production qui e>:istent, ceCl ne faVOrise pas l'e:denslOn de l'Informatique a l'école.
En effet, les logiciels sophIstiqués, nécessitent beaucoup de travail et
reviennent chers. De tout petits programmes, centrés sur des objectifs bIen définis scientlflquemntetpédagogiquement, suffisent souvent a cerner un modèle intére ssant.
2. Les logiciels sont fermés.
Les logiciels diffusés en France sont fermés, c'est-a-dire qu'il n'est pas pOSSible pour un utill,sateur de le modifier ou d'en copier certaines partIes: ils sont protégés; l~enseignant ne peut pas l'adapter'a sa propre démarche pédagogique. Cette pratique est a l'opposé de celle de certains concepteurs etrangers (entreprises de logiciels) qUI laissent leurs logiciels" ouverts" et donc copiables, pour que les utilisa teurs les llIodifient et les adaptent a leurs besoins: les fabriquants ygagneraIent en définitive.