Transcript modélisation

Comment intégrer une simulation aux
activtiés d’apprentissage scientifique
?
F. Lombard
D’après une présentation de A. Conti
Il n’y a pas de compréhension sans modèle.
Pour apporter une observation de
quelque valeur ... Il faut avoir
décidé ce qui est possible, grâce à
une certaine idée de ce que peut
bien être la réalité, grâce à
l'invention d'un monde possible.
(Jacob, 1981)
... Un enseignement dogmatique où les
modèles sont présentés comme des
évidences non questionnées, non
rattachées à des problèmes, [...],
(Martinand, 1996 p.1)
Cellule au microscope
Ampoules « gourmandes »
Propriétés matières – atomes é. (2061)
La modélisation du réel au cœur de la démarche
scientifique
• Modélisation: activité d'élaboration/modif. de modèles.
• Utilisation de modèle: instrument pour représenter et
explorer le monde réel
• N’est pas le réel
• Nécessaire pour tirer quoi que ce soit de l’observation
• Hypothétique, modifiable, pertinent pour un problème,
validité limitée.
• Expérimentation: activité de mise à l'épreuve du modèle face
au « réel »
• Allers retour hypothèses tirés du modèle obs analyse
discussion
• Simulation: artefact permettant des activité mise à l'épreuve
du modèle face au modèle incarné dans l’artefact.
... on pourrait enseigner et faire
apprendre la modélisation, c’est-àdire la construction, l’adaptation,
l’utilisation des modèles.
(Martinand, 1996 p.1)
Martinand, J. L. (1996). Introduction à la modélisation. Actes du séminaire de didactique des disciplines
technologiques., Cachan Paris
Le modèle n'est pas la réalité
les interactions entre modèles les font évoluer
Expérimentation ---> confrontation du modèle avec le « réel »
Simulation
---> Confrontation d’un modèle avec un artefact
conceptuel exprimant le modèle de ses auteurs (abstraction
accrue, confusion avec le réel, etc.)
Conséquences :
1) la simulation ne peut se substituer à l'expérimentation. La
confrontation au réel doit être aménagé dans un va-et-vient
fréquent.
2) L'usage d'une simulation permet à l'apprenant de tester de manière
active la pertinence de son modèle mental
Un modèle a une portée et une pertinence limitée
Tout modèle est modifiable et de pertinence limitée :
Une carte qui représenterait un territoire à l'identique et à la même échelle ne servirait
à rien. Au contraire, une carte ne rassemble que les informations jugées utiles pour
une utilisation déterminée.
Un modèle représente un aspect particulier d'un système étudié, pour permettre de
répondre à un ensemble de questions précises.
La question n'est pas de savoir si un modèle est correct, mais
d'apprécier sa pertinence à un problème.
Un processus de compréhension progressive et dynamique du
système étudié
-> exemple simulation de la friction
Point de vue pédagogique (1)
Au delà du simple affichage de documents fixes ou animés, au-delà
de la présentation active de processus scientifiques ...
utiliser une simulation comme un outil d'apprentissage permet à
l'élève :
•
•
•
•
•
de faire intéragir les élèves avec un système dynamique;
de confronter les élèves des paramètres échappant à leur observation (
temps, taille, nature etc.)
d'augmenter sa capacité à tester des scénarios multiples:
de créer des occasions de négocier le sens avec des camarades
permet à l'enseignant :
•
•
•
•
de découvrir les conceptions des élèves
d'augmenter la complexité des situations proposées
de multiplier les interactions avec les modèles
de favoriser l'implication des élèves dans une démarche d'investigation
Point de vue pédagogique (2)
Devant un ordinateur, on observe que l'élève est motivé... car il agit de
manière autonome en cliquant sur des boutons. (mais moitvé vers quoi ?
Motivation-vecteur)
... mais y a-t-il une confrontation de ses modèles mentaux ?
Viser l'activité intellectuelle des élèves
• Importance des tâches qui lui sont assignées.
La production attendue, la responsabilité.
Un questionnaire trop tatillon/ trop long peut empêcher un élève de s'immerger dans la
simulation.
• Travailler à deux peut susciter une négociation ( conflit cognitif) .
• Bien évaluer la surcharge cognitive (simulation abstraite vs
métaphorique).. mais ne pas sous-estimer la capacité des élèves à
maitriser un rapidement une interface ---> proposer une phase
d'exploration de l'interface, suivi d'un échange dans la classe
Choix de l'artefact (1)
Privilégier un usage de la simulation qui permet une vraie
manipulation du modèle
Expliciter le modèle mental
Confronter
Hypothèses
Contrôle des paramètres par les élèves
--> se méfier de la simple reproduction d'expériences en
laboratoire (procédures et manipulations) ex.
antibiogramme (flash)
Comment intégrer l'activité de simulation dans une séquence ?
--> éviter si possible de commencer une séquence d'enseignement par la
présentation d'une situation déjà modélisée.
Commencer la séquence en montrant la simulation, c'est prendre le risque de la
confusion entre le modèle et la réalité.
L'usage de la simulation doit se faire en relation avec le monde des objets
matériels. Maintenir un rapport entre le modèle et le réel
• Présenter le phénomène à étudier vérifier empiriquement le modèle
par des mesures ou des observations directes.
En biologie, le rapport entre le modèle et le réel est délicat à tenir
exemple 1: croisement de drosophiles
(modélisation mathématique d'un phénomène testable en classe/ laboratoire)
1. modélisation (imaginer comment les caractères se transmettent selon une
théorie chromosomique de l'hérédité)
2. --> tester le modèle (simulation par tirage aléatoire... ou par un logiciel)
3. --> expérimentation sur des mouches
4. --> analyse de l'écart entre prédictions du modèle et les données réelles
recueillies.
exemple 2: rapports proie-prédateurs et influence du milieu
(processus non testable en classe/ laboratoire)
1. analyse de données réelles (à travers un article / des données sur la pullulation
cyclique de lièvre...
• ---> modélisation: proposer un modèle explicatif (pour un facteur donné)
• ---> tester le modèle (simulation par tirage aléatoire... ou par un logiciel
présenté comme équivalent)
• ---> comparer les résultats entre prédictions du modèle et les données de
départ.
Comment intégrer l'activité de simulation dans une séquence ? (2)
Prendre conscience des modèles de l’enseignant
Faire expliciter leurs modèles aux élèves
==> Demander aux élèves d'anticiper une action en s'efforçant de mettre
en œuvre les règles du modèle, puis d'observer les résultats de cette
action par la mise en fonctionnement de la simulation.
ex. théorie cinétique des gaz
Connaissance
Activités individuelles
Légender Lister, énumérer des caractéristiques Quiz avec des fiches Passer un questionnaire d'auto-évaluation sur le
vocabulaire Donner les définitions issues des manuels scolaires
Compréhension
Activités individuelles
Décrire un processus avec vos propres mots, sans le copier à partir d'un livre ou d'une autre source, Fournir des exemples
d'un processus Composer une phrase avec le terme étudié. Donner des exemples d'un processus
Activités de Groupe
Discuter un terme ou d'autres contenus avec ses pairs A tour de rôle poser des Questions (Quiz) sur les définitions à vos pairs
et faire vérifier les réponses par les autres.
Application
Activités individuelles
Examiner chaque processus que vous avez appris et demandez-vous: Qu'arriverait-il si
vous augmentiez ou
diminuiez la quantité d'un composant dans le système ou ce qui arriverait si vous modifiez
l'activité d'un composant dans le système?
Si possible, faire le graphique d'un processus et créer des scénarios qui changent la forme et la
pente de la courbe
Activités de Groupe
S'exercer à écrire au tableau des réponses aux questions d'anciens examens et faire vérifier par les pairs que la réponse est
complète et concise.
Tour à tour, expliquer à vos pairs un processus et le groupe discute le contenu de la présentation
Crowe, A., Dirks, C., & Wenderoth, M. (2008).Biology in bloom: implementing Bloom's taxonomy to enhance student learning
in biology. Life Sciences Education, 7(4), 368. Edutechwiki
En résumé
objectifs
pédagogiques
Tâches possibles
représentation
d'une expérience
de laboratoire
sans action sur
les paramètres
mémorisation d'un - répondre à un questionnaire
vocabulaire/
- produire un commentaire audio
compréhension des - faire des hypothèses sur le rôle
étapes d'un
de chaque étape
dispositif
-...
expérimentale
Output possible
- mise en ordre
- repérer étapes
manquantes
- prévoir le problème si
une étape est non
respectée
- faire une hypothèse sur l'effet - expliquer/illustrer les
d'un paramètre.
effets de chaque
- Effectuer une série de test
paramètre.
Comprendre le
isolant le paramètre étudié.
- représenter les relations
fonctionnement
- Comparer le résultat issu de la au sein du modèle.
d'un modèle donné. simulation et son hypothèse
- identifier des situations
- Décrire le modèle (dessin, écrit) réelles où le modèle est
applicable
simulation d'un
phénomène avec Utiliser un modèle
nombreux
donné pour prédire
paramètres
une situation
nouvelle
- justifier l'issu d'un phénomène
à partir des données de départ.
- Paramétrer la simulation et
vérifier sa prédiction
- confronter la prédiction
avec des données réelles.
- évaluer les limites de
validité du modèle