ARTheque - STEF - ENS Cachan | Résolution de problèmes de chimie avec ordinateur

RESOLUTION DE PROBLEMES DE CHIMIE

AVEC ORDINATEUR

M. SCHWOB, FM. BLONDEL, M. TARRIZZO Institut National de Recherche Pédagogique (DP5)

MOTS CLES : chimie, résolution de problèmes, tutoriels intelligents

RESUME : La plus grande partie des exercices de chimie du secondaire exploitent les données d'une réaction chimique avec des méthodes de résolution, en principe assez simples.

Les difficultés des élèves pour résoudre ces problèmes sont principalement liéesà - des problèmes d'ordre conceptuel de chimie ou de mathématiques,

- la compréhension d'énoncé,

- la mise en oeuvre de stratégies de résolution.

Apprendre à résoudre ces problèmes l'aide d'un logiciel suppose, dans un premier temps, qu'une méthode de résolution faisant appelàdes heuristiques ait été définie et implantée, et que la solution soit explicable quelque soit le problème posé.

Dans un deuxieme temps, il sera nécessaire de mettre au point un module de conseil pédagogique, susceptible de prendre en compte les problèmes spécifiques de chaque élève.

Nous présentons les lignes directrices de cette réflexion et les principales étapes de ce travail, tant du point de vue informatique que didactique.

ABSTRACT : Quantitative chemistry problems offered at secondary school level generally use simple solving methods, based on a chemical reaction. Student diificulties are often related ta : misconceptions in chemistry and mathematics, understanding the way problems are expressed in print form and wrong solving strategies.

This paper describes a research project of an intelligent tutoring system stressing in particular : solving methods and tools , tutarial knowledge.

1.

INTRODUCTION

Les problèmes de chimie quantitative constituent l'une des difficultés majeures de l'enseignement de la chimie au niveau du secondaire, bien qu'ils ne représentent théoriquement qu'une faible partie d'un enseignement en principe centré sur l'expérience. Il est pourtant probable que cette incompréhension de l'aspect quantitatif d'une réaction chimique constitue un obstacle fondamental la structuration des connaissances de chimie.

C'estàpartir de ces réflexions que nous avons développé un projet sur la résolution de problemes de chimie, dans le cadre d'une orientation de recherche de l'INRP portant sur "les méthodes de l'intelligence artificielle dans l'enseignement".

Ce projet concerne principalement la phase de résolution du problème quantitatif lui-même qui se prête plus aisement à une formalisation et à une implantation sur ordinateur, plutôt qu'à l'analyse de l'énoncé pour laquelle les techniques de compréhension du langage naturel, même limitées à un domaine scientifique restreint, sont encore peu efficaces.

2. UN LOGICIEL POUR RESOUDRE

L'objectif de ce projet est de concevoir un logiciel d'aide à la résolution, en ajoutant aux fonctions de résolution plus classiques, des fonctions d'évaluation de l'activité de l'élève et de guidage en cas de difficultés, conception qui se rapproche de celle des tutoriels intelligents. [1]

Une première réalisation en ce sens, centrée principalement sur la résolution, a été développée par D. Cabral sous le terme de "partenaire de résolution de problèmes". [2, 3] .

La principale caractéristique de l'outil que nous proposons est de s'adapteràla méhode de résolution proposée ou amorcée par l'élève, et non de lui imposer une solution-type. Ceci implique les fonctions suivantes:

- l'échange d'informations entre le logiciel et l'élève doit être le plus compréhensible possible, sans être trop rigide : l'élève doit avoir la possibilité de traduire son raisonnement ou ses ébauches de solution de façon assez naturelle, le formalisme étant reduit au minimum.

- le logiciel doit être capable d'évaluer la solution proposée par l'élève quelle qu'elle soit, et de diagnostiquer les erreurs éventuelles (données, relations, calculs ...).

- en cas de difficultés majeures, un guidage doit pouvoir être proposéàl'élèveàpartir des résultats corrects qu'il a pu amorcer, sans lui imposer une méthode systématique prédeterminée.

- pour remplir ces fonctions le logiciel doit évidemment être susceptible de trouver lui-même une solution àtout problème posé (dans une classe detenninée), de choisir une solution parmi plusieurs et de l'expliciter, c'est dire de détailler, de façon intelligible tout ou partie des relations utilisées et des calculs effectués.

Un tel outil ne pourrait que difficilement être réalisé avec les outils procéduraux de la programmation habituelle. C'est pourquoi nous envisageons d'utiliser des méthodes et des techniques développées en Intelligence Artificielle, qui permettent une plus grande adaptabilité du logiciel aux problèmes traités et aux stratégies pédagogiquesàmettre en oeuvre.

En plus de la fonction de résolution proprement dite, ilimporte donc que le logiciel prenne en compte deux ensembles de connaissances relativement indépendantes: - une expertise chimique adaptée aux problèmes posés,

- une expertise pédagogique susceptible de prendre en charge l'évaluation et le guidage de l'élève.

Le développement du projet se poursuit donc sur trois plans:

- la réalisation informatique d'un "resolveur" muni d'une interface conversationnelle avec l'utilisateur,

- l'explicitation de l'expertise chimique indispensable,

- l'analyse pédagogique des méthodes de résolution possibles, et des difficultés des élèves.

3. LE RESOLVEUR

Dans un premier temps, nous avons éaboré un logiciel qui assure les fonctions suivantes:

- l'entrée des données du problème sous forme de menus déroulants simplesàutiliser; - l'équilibragede l'équation-bilan partir des données fournies,

- la résolution du problème quantitatif posé,

- l'édition de la trace des étapes de la résolution sous une forme explicite.

Le prototype actuel de ce resolveur, écrit en LISP, met en oeuvre un système de propagation de contraintes qui constitue une bonne représentation d'un réseau de relations entre grandeurs [4,5].

Il permet actuellement de résoudre la plupart des problèmes classiques de chimie quantitative du début du second cycle (calcul du nombre de moles, masse ou volume d'un produit ou d'un réactif, avec ou sans excès).

En ajoutant des informations sur la nature du problème, le résolveur permettra de plus de choisir une solution parmi un ensemble de solutions possibles, et de gérer des données insuffisantes, redondantes ou contradictoires.

Les fonctions de guidage et d'évaluation des solutions des élèves requièrent également de la part du logiciel un certain nombre de "connaissances chimiques" qu'il faut répertorier. Il peut s'agir:

- de connaissances de base :

. classification périodique, symboles, masses molaires de certains éléments ... . volume molaire des gaz,

· charges d'ions, valences d'éléments, formules de certains corps ..., · masses volunûques de certains corps pursn'

- de procédures de calculs élémentaires :

· calcul de la masse molaire d'un corps composé, · calcul du volume molaire en fonction des conditions

- de connaissances chimiques relatives à certaines reactions, permettant de contrôler l'équation-bilan utilisee et de lever l'implicite de certains ensembles de données (réactions pouvant être considérées comme totales par exemple).

- de connaissances relatives aux differentes méthodes de résolution possibles : de la méthode la plus generale, applicable dans tous les cas (y compris les dosages acide-base ou redox ou les équilibres chimiques) qui consiste à écrire une relation entre les quantités de matière (nombre de moles) jusqu'aux méthodes applicables seulement dans certains cas particuliers mais plus "economiques" (relations directes entre volumes dans le cas de gaz, entre volume et concentration dans le cas de dosages, etc...).

Un premier travail consiste donc à identifier cette expertise chimique etàrechercher les moyens de la représenter pour la rendre accessible au système de résolution, sous le contrôledel'expert pédagogique.

4. L'EXPERTISE PEDAGOGIQUE

C'est évidemment la partie la plus importante du système, et elle nécessite une étude préalable de l'activité de résolution de problèmes telle qu'elle est menée collectivement en classe, et individuellement par chaque élève.

Cette analyse porte sur plusieurs points :

Les méthodes de resolution

Nous avons dejà evoqué l'existence de différentes méthodes de résolution possibles. La comparaison entre les méthodes enseignées et les méthodes mises en oeuvre par les élèves avant ou apres l'enseignement, l'argumentation sur les avantages et les inconvenients de telle ou telle méthode avec les enseignants ou les élèves, la recherche de critères de choix d'une méthode en fonction de l'exercice posé, ces diverses approches devraient nous permettre d'approfondir notre connaissance du problème. Rappelons qu'en principe le logiciel devra être capable d'adapter le guidage en fonction du problème posé et de la situation de l'élève un instant donne, et non d'imposer une solution prédeterrninée, ce qui necessite une tres bonne connaissance des diverses méthodes possibles. En particulier, la connaissance des méthodes mises en oeuvre par les élèves avant ou après l'enseignement est indispensable.

La

Malgré leur simplicité apparente, les exercices de chimie du secondaire font appel à des relations et des conditions tres variables d'une réactionàl'autre, et cette diversité est sans doute une des causes des difficultes de résolution.

Une première classification des réactions étudiées peut être établie suivant: - la réaction chimique sur laquelle est basée l'exercice ;

· réaction totale ou partielle (équilibre ou rendement inferieur 1);

· etat des corps qui interviennent (avec ou sans changement d'état au cours de la réaction, avec ou sans composé en solution ...) ;

· appartenanceà un type de réactions déterminé (synthèse, décomposition, combustion, neutralisation, précipitation), . cas de plusieurs réactions superposées (mélanges) ou successives;

- le type de questions posées à l'élève:

· stoechiométrie : est-on ou non dans les conditions de l'équation, est-ce explicite ou non?

· nature des quantités mises en jeu dans l'enoncé (nombre de moles, masses, volumes) ; y a-t-il tranformation?

· rôle des conditions expérimentales, de l'état des corps ...

Si la relation entre cette typologie et les méthodes de resolution est relativement facile àétablir, il importe d'en tenir compte également dans l'analyse des erreurs ou des conceptions erronées des élèves.

Les erreurs et les difficultés des élèves

Les outils utilisés pour cette étude sont essentiellement l'analyse de copies et de comptes-rendus deTP que nous complèterons par des observations et des interviews d'élèves.

La repartition des erreurs en trois grandes catégories apparait rapidement:

- erreurs mathématiques (manipulation de la proportionnalité, fractions, calculs

numériques ...) .

- erreurs chimiques élémentaires (calcul d'une masse molaire, relation entre masse et mole, masse et volume ...)

- erreurs chimiques plus fondamentales (aspect dynamique d'une réaction, confusion réactif - produit. loi de conservation, notion de stoechiométrie ...).

Une analyse plus fine est indispensable car chacune de ces erreurs prend une forme tres differente d'un exercice au suivant, d'un élève à l'autre, et selon le contexte de résolution. De plus une erreur apparente masque souvent un dis fonctionnement dans un raisonnement parfois tres eloigné de l'erreur eUe-même.

Il importe donc de constituer un corpus de données detaillées sur ces erreurs afin de pouvoir ensuite les représenter, les analyser et fournir un diagnostic fiable.

Sans aboutir nécessairement à un véritable "modèle de l'élève", il est évident que la capacité de guidage du systeme sera en grande partie conditionnée par la pertinence de cette analyse.

5. CONCLUSION

En matière de logiciels d'enseignement, les outils empruntés à l'intelligence artificielle permettent la conception de produits très souples et tres adaptables pour résoudre plusieurs classes de problèmes.

La question principale réside dans la connaissance approfondie des modes de raisonnement et des conceptions erronées des élèves dans le domaine particulier de la chimie. C'est sur ces connaissances judicieusement modélisées qu'on peut espérer réaliser un veritable guidage pédagogique.

Une étape importante derecherche didactique et de modélisation est un préalable indispensable à la conception de logiciels d'enseignement.

Bibliographie

[Il - SLEEMAN D., BROWN 1.S., Intelligent Tutoring System, Academie Press, 1982.

[2] - CABROL D., CACHET

c.,

[3] - CACHET

c.,

Physiques,Nancy 21- 22 Avril 1986, p. 136-140.

[4] - ABELSON H., SUSSMANN G J., Structure and interpretation of computers

programs. MIT Press - MaeGraw hill, 1985, p. 230- 240.

[5] - BLONDEL FM., SCHWOB M., TARIZZO M., Un logiciel pour résoudre des problèmes de chimie. 3emes Journees Informatique et Pedagogie des Sciences