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La simulation en sciences physiques

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par My Mohamed Elyaakoubi
Université Hassan II Mohammedia - Faculté des sciences Ben M'Sik Casablanca - Diplôme d'études supérieures approfondies (DESA) 2005
  

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ROYAUME DU MAROC

UNIVERSITE HASSAN II - MOHAMMEDIA

FACULTE DES SCIENCES BEN M'SIK

CASABLANCA

 

U.F.R. Pédagogie de l'Enseignement Supérieur & Technologie de l'Éducation

et de la formation « PESTEF»

Mémoire

Présenté pour obtenir le

DIPLÔME D'ETUDES SUPERIEURES APPROFONDIES

Spécialité: Pédagogie de l'Enseignement Supérieur & Technologie de l'Éducation et de la formation

LA SIMULATION EN SCIENCES PHYSIQUES

Cas de l'étude du mouvement d'un point matériel soumis à une force constante

Par

My Mohamed ELYAAKOUBI

Soutenu le : 10 décembre 2005, devant le jury composé de:

Pr M. BOUMAHMAZA

Professeur à l'ENS de Casablanca

Président

Pr S. ELJAMALI

Professeur au CPR Derb Ghalef Casablanca

Examinateur

Pr M. KABBAJ

Professeur à la faculté des sciences Ben M'Sik Casablanca

Examinateur

Résumé

Le développement des technologies de l'information et de la communication a mis à la portée du secteur éducatif, une très importante diversité de ressources et de supports. De ce fait, exploiter ces différentes ressources nécessite une étude des besoins pour déterminer leur forme d'utilisation.

Ce travail d'investigation s'insère dans le courant de recherche en didactique des Sciences Physiques qui s'intéresse à l'étude des pratiques expérimentales dans la classe. Ainsi, on se propose de traiter quelques difficultés rencontrées pendant la réalisation des expériences en classe et de montrer la pertinence de l'intégration des simulations informatiques comme base de la pratique et de l'expérimentation dans la matière.

Dans le but de concrétiser les recommandations de cette recherche et en s'inspirant des directives de la charte nationale de l'éducation et de la formation nous avons pensé à la réalisation et à l'évaluation d'un document multimédia interactif, qui illustre les expériences programmées dans le chapitre « Mouvement d'un point matériel soumis à une force constante » pour les élèves de la 2ème baccalauréat scientifique.

Åä ÊØæÑ ÊßäæáæÌíÇ ÇáÅÚáÇã æÇáÊæÇÕá ÞÏ æÖÚ í ãÊäÇæá ÇáÞØÇÚ ÇáÊÑÈæí ÊäæÚÇ ÌÏ ãåã ãä ÇáãæÇÑÏ æÇáÏÚÇÆã. ãä åäÇ Çä ÇÓÊËãÇÑ ãÎÊá åÐå ÇáãæÇÑÏ íÓÊáÒã ÏÑÇÓÉ ÇáÍÇÌíÇÊ áÊÍÏíÏ ÔßáåÇ í ÇáÇÓÊÚãÇá.

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æãä Ìá ÊÒßíÉ åÐÇ ÇáÈÍË æÇáÇÓÊÇÏÉ ãä ÊæÌíåÇÊ ÇáãíËÇÞ ÇáæØäí ááÊÑÈíÉ æÇáÊßæíä ÅääÇ ßÑäÇ í ÊåíÆ æÊÞæíã ÞÑÕ ãÊÚÏÏ ÇáæÓÇÆØ ÇáÅÚáÇãíÉ ÐÇÊ ÇáÇÚáíÉ ÇáãÊÈÇÏáÉ æÇáÐí íãËá ÇáÊÌÇÑÈ ÇáãÞÑÑÉ í Õá(ÍÑßÉ äÞØÉ ãÇÏíÉ ÎÇÖÚÉ áÞæÉ ËÇÈÊÉ (áÊáÇãÐÉ ÇáÓäÉ ÇáËÇäíÉ ÈÇßáæÑíÇ Úáæã.

Abstract

The development of information and communication technologies has provided the educational sector with a wide and important diversity of ressorces and supports. Thus, exploiting these varied ressources requires a study of the needs which determine the way to be used.

This investigation work fits in resaerch dealing with the didactic of the physical sciences studying the experimental practices in the class. Hence, we need to study the difficulties encountered while carrying ont the experiment in class and to show the relevance of the integration of data-processing simulations as the backbone of practice and experimentation in the subject.

With an aim of concretizing the recommendations of this research and while taking as a starting point the the directives of the national charter by education and training we thought of the realization and with the evaluation of an interactive multi-media document, which illustrates the experiments programmed in the chapter "Movement of a material point subjected to a constant force" for the pupils of the 2nd scientific baccalaureat.

Introduction

Depuis 1999, le secteur éducatif marocain tient à mettre l'accent sur les technologies de l'information et la sensibilisation des enseignants à leurs applications dans le domaine éducatif, en particulier dans le cadre de l'enseignement des sciences.

Dans cette optique, le Ministère de l'éducation nationale déploie d'importants efforts financiers et humains pour équiper les établissements en matériel informatique. La généralisation de l'accès à ces technologies est l'un des leviers principaux de la Charte Nationale d'Education et de Formation (CNEF) : « Considérant que la technologie pédagogique joue un rôle déterminant et croissant dans les systèmes et méthodes d'enseignement ..., les autorités d'éducation et de formation veilleront à intégrer ces technologies dans la réalité de l'école », levier 10 article 121 de la CNEF (Voir Annexe 1).

En outre, le Ministère de l'Education Nationale (MEN) a sollicité les chercheurs, les compétences des académies régionales et les enseignants, afin de répondre aux questions sur l'intégration des Technologies de l'Information et de la Communication Educative (TICE) dans l'enseignement. Nous constatons donc que le MEN a l'intention d'intégrer les TICE dans l'enseignement tout en ayant conscience que cette intégration n'est pas simple et nécessite des recherches au niveau didactique.

Ce présent travail d'investigation s'inscrit dans un flux de travaux sur l'intégration des TICE dans l'enseignement des sciences physiques. Son objectif est de montrer la pertinence de l'utilisation des TICE et plus précisément l'utilisation des simulations informatiques en sciences physiques, pour remédier au déficit que connaissent les établissements en matériel destiné aux expériences et pour exploiter les différentes ressources dont dispose l'établissement.

D'un point de vue méthodologique, nous pensons qu'il est indispensable de travailler, sur un cas concret, pour cela nous avons donc pris comme exemple, le quatrième chapitre : « Mouvement d'une particule soumise à une force constante » pour les élèves de la 2ème année baccalauréat scientifique.

A partir de cette étude expérimentale nous espérons pouvoir dégager des concepts généraux valables pour des applications dans d'autre chapitres ou même pour des disciplines connexes. Ainsi, ces différents points seront analysés dans ce document, à partir du plan suivant :

o Dans une première partie nous exposerons et analyserons notre problématique de recherche ;

o Dans la deuxième partie, nous exposerons des concepts, ayant trait à la didactique des sciences expérimentales et aux applications pédagogiques de l'ordinateur ;

o Enfin, nous présenterons en détail les résultats de notre recherche puis les conclusions que l'on peut en tirer.

Ce travail est conclu par la proposition d'un outil multimédia qui peut servir comme aide didactique pour l'enseignement du chapitre : « Mouvement d'une particule soumise à une force constante ».

Problématique

L'enseignement ne donne pas les résultats attendus. Le " rendement didactique1(*) " est très faible, voire parfois nul. Un certain nombre d'"erreurs" de raisonnements ou d'idées "erronées" reviennent avec une reproductibilité déconcertante chez les élèves, même après plusieurs séquences successives d'enseignement. Pourtant, quand on observe la classe, l'ensemble du cours semble cohérent et logique. Les leçons sont globalement apprises.

Comment interpréter cela ?

Les situations d'apprentissage sont toujours circonscrites entre les trois pôles constitutifs du triangle didactique (schéma, page : 9): l'apprenant, l'enseignant et le savoir. Les difficultés qui empêchent la finalisation du processus d'enseignement-apprentissage s'expliquent généralement par l'interaction entre ces trois pôles. Il est ici impensable d'expliquer un processus didactique en se référant à un seul pôle du triangle. L'erreur d'un élève, par exemple, s'explique, dans cette perspective, par l'interaction entre sa conduite, celle de l'enseignant et la nature de la connaissance scientifique. Il en est de même pour ses difficultés d'apprentissage.

En se basant sur le triangle didactique, nous disons que, les difficultés d'apprentissage s'articulent autour de trios axes :

· Les représentations : la connaissance des idées des élèves, de leurs façons de raisonner permet à l'enseignant d'adapter l'enseignement, ou du moins de proposer une approche pédagogique plus efficace.

· L'histoire et la nature du savoir : Les phénomènes étudiés en sciences physiques sont, dans la plus part des cas, de structures et de formes complexes, difficiles à observer et véhiculent, parfois, des obstacles (épistémologiques), dus à une conception erronée. Celle là même, à laquelle étaient confrontés les savants anciens (trouver dans le retour à l'enfance de la science une science pour l'enfance).

· La démarche et les outils didactiques : A cause de la nature des phénomènes étudiés, les enseignants adoptent avec leurs élèves une attitude dogmatique axée sur la transmission des connaissances scientifiques, comme des vérités absolues  (Fourez ; 1994 ). Puisque les phénomènes sont difficiles à observer et se prêtent peu à l'expérimentation en classe (l'expérimentation est parfois coûteuse en matière de temps ou de matériels). Le recours à l'abstraction est donc souvent de mise dans l'enseignement de certaines parties des programmes. Ces difficultés d'apprentissage peuvent se résumer alors, dans l'impuissance des élèves à se représenter le phénomène tel qu'il leur est décrit dans l'énoncé, puisqu'ils n'ont pas la possibilité, dans plusieurs cas, de procéder à l'expérimentation ou à l'observation directe.

En particulier en mécanique, on remarque que les élèves prouvent des difficultés dans l'étude des phénomènes liés à la dynamique. Les phénomènes et les concepts étudiés nécessitent un niveau d'abstraction2(*) très évolué, ils sont de formes et de structures complexes difficiles à observer et se prêtent peu à l'expérimentation en classe.

Dans ce contexte, les documents photos ou schémas que l'enseignant présente aux élèves peut constituer des obstacles à la compréhension de ces phénomènes et ne permettent souvent pas aux élèves de se construire des représentations correctes. En plus, une telle pratique ne favorise évidemment pas la motivation des élèves, qui se montrent souvent peu intéressés par les matières scientifiques en général.

Il en résulte une conceptualisation difficile et erronée, laquelle peut conduire à des difficultés scolaires à plus ou moins long terme. Des représentations erronées peuvent ainsi perdurer dans le cursus d'enseignement comme dans la future vie d'adulte des élèves, rendant la remédiation difficile et délicate.

Nous pensons que les Technologies de l'Information et de la Communication Educatives (TICE), plus précisément les simulations informatiques peuvent faire objet d'alternatif adéquat pour remédier à cette problématique et rendre l'apprentissage des élèves plus efficaces. Comme le soulignent plusieurs chercheurs qui mènent leur recherche sur les nouvelles technologies, les programmes d'enseignements montrent une forte volonté pour l'intégration des nouvelles technologies; les logiciels de simulation des expériences peuvent gagner plus de place dans les programmes des sciences physiques. D'autant plus que ce sont des outils quotidiens du monde actuel et ils sont particulièrement bien adaptés à l'enseignement des sciences (Chaachoua et al, 2000). Offrant une grande variété de supports, de logiciels et de moyens de communications, les TICE permettent ainsi de développer des contenus pédagogiques et d'enrichir le travail tant des élèves que des enseignants.

En outre, le Ministère de l'Education Nationale (MEN) déploie d'importants efforts financiers et humains pour équiper les établissements en matériel informatique et généraliser l'accès à ces technologies. Cependant l'apprentissage par la technologie ne se résume pas à installer des ordinateurs dans une salle. Il est, bien sûr, essentiel d'offrir aux élèves un meilleur accès à la technologie, mais cette technologie risque de ne pas servir à grand chose si les élèves et les enseignants ne savent pas comment en tirer partie ou ne l'utilisent pas à des fins d'apprentissage.

* Questionnement

La question qui se pose donc est :

Comment, assurer une utilisation efficace des TICE, pour résoudre le problème de l'assimilation de quelques notions et concepts des Sciences physiques chez les élèves?

La réponse à cette question dépasse largement le cadre de cette étude, c'est ainsi que nous avons choisi de travailler sur le chapitre «Mouvement d'une particule soumise à une force constante» pour les élèves de la deuxième année du baccalauréat. Pour spécifier cette question, nous avons (dans une première étape) posé des questions qui permettent de dresser un état des lieux, de la situation des lycées concernant le matériel nécessaire pour les expériences et le matériel informatique ainsi que leur utilisation à des fins pédagogiques. Cette étape est primordiale vu qu'elle permettra de mieux cibler les actions qui seront menées. Donc, de façon plus précise, notre travail cherchera à répondre aux questions suivantes :

1. Quelles sont les difficultés rencontrées dans l'enseignement du chapitre : « Mouvement d'une particule soumise à une force constante »?

2. Les expériences relatives à ce chapitre sont-elles réalisées  en classe?
Dans le cas échéant, pour quelles raisons ces expériences ne sont pas réalisées ?

3. Une stratégie basée sur l'intégration des logiciels de simulation peut-elle faire objet d'alternatif adéquat pour remédier à cette problématique et rendre l'apprentissage des élèves plus efficaces ?

4. Si oui, compte tenu de la place centrale des expériences réelles dans l'enseignement de sciences physiques, que peut être la place de l'utilisation des logiciels de simulation par rapport aux expériences réelles ?

* Hypothèses de la recherche:

1. Le déficit que connaissent les établissements scolaires en matériel destiné aux expériences, est l'une des contraintes qui entravent le bon déroulement de l'enseignement des sciences physiques.

2. Le recours à l'outil informatique et particulièrement à la simulation des expériences, peut aider à dépasser ces contraintes.

3. L'intégration de l'outil informatique dans l'enseignement des sciences physiques nécessite la production d'outils pédagogiques informatisés adaptés au programme marocain et appropriés aux besoins des élèves.

Première partie : Aperçu sur la didactique des
sciences expérimentales

I. Introduction

II. Conceptions et représentations

III. Concept et conceptualisation

IV. Pratiques sociales de référence et transposition didactique

V. Aides didactiques

Deuxième partie : Applications pédagogiques de

l'ordinateur (APO) 

I. Histoire de l'enseignement assisté par ordinateur (EAO)

II. Impact des courants de pensées en psychologie

III. Différentes formes de l'utilisation des TIC dans l'enseignement:

IV. Conception d'outil multimédia

V. TICE dans l'enseignement des sciences expérimentales

VI. Etat des TICE au Maroc

I. Introduction

La didactique des sciences expérimentales s'intéresse aux processus d'acquisition et de transmission des savoirs dans un champ conceptuel donné. Ainsi, articule-t-elle trois familles de réflexions: psychologique, épistémologique et pédagogique. Elle a été conduite à construire ces propres concepts, soit à partir d'emprunts aux champs voisins (pédagogique, psychologique, épistémologique ...), soit par élaboration interne spécifique.

Différents concepts ont émergé et sont devenus classiques : celui de conception ou représentation introduit par MIGNE en 1970, celui de la transposition didactique (CHEVALLARD, 1985), celui de trame conceptuelle (ASTOLFI et al. 1985), celui d'objectif-obstacle et de pratique sociale de référence (MARTINAND, 1986), puis celui du contrat didactique (BROUSSEAU, 1986).

Le schéma ci-dessous vise à situer ces différents concepts dans le champ de la didactique qui considère les relations entre l'apprenant, le savoir, et l'enseignant :

Les objectifs-obstacles

L'apprenant

Le savoir à enseigner

L'enseignant

Le pôle psychologique

Le pôle épistémologique

Le pôle pédagogique

Le contrat didactique

Les conceptions ou représentations

Les pratiques sociales de référence

La transposition didactique

Le savoir savant

Les situations didactiques

Fig.1 : le triangle didactique

Dans ce premier chapitre nous allons définir quelques concepts clés de la didactique des sciences et qui nous seront utiles pour la suite de ce travail de recherche.

II. Conceptions, et représentations

Les conceptions ou les représentations des apprenants, selon Jean Migne (1970), qui fut l'un des premiers à introduire ce terme, sont des modèles personnels d'organisation des connaissances. Ils représentent donc, l'écart entre la pensée des apprenants et la pensée scientifique, c'est le « déjà-là », c'est un savoir acquis en dehors de la science, qui peut faire obstacle à l'acquisition du savoir scientifique.

1. Les conceptions : moteur ou obstacle à l'apprentissage

Ces définitions renvoient à une représentation où l'apprentissage doit rectifier les "mauvaises" conceptions des apprenants, dans ce cas, les conceptions sont des obstacles qui s'opposent à l'objectif d'apprentissage puisqu'elles sont ce qui empêche de l'atteindre rapidement.

Dans une vision plus dynamique, les conceptions sont définies comme des explications fonctionnelles pour l'élève. Les conceptions ne sont plus alors ce qui s'oppose à l'objectif, mais elles se situent au coeur même du projet didactique et des transformations que l'enseignant s'efforce de provoquer. Il faut "faire avec pour aller contre" selon l'expression d'André Giordan. Dans ce cadre les conceptions ne sont pas ce qui nous empêche d'enseigner, mais c'est sur quoi l'enseignant et les élèves peuvent s'appuyer pour progresser. C'est alors :

· Un déjà là conceptuel,

· Un univers construit de significations, mettant en jeu des savoirs accumulés plus ou moins structurés, proches ou éloignés des connaissances scientifiques qui leur servent de référence.

· Ce sont des outils, des registres de fonctionnement, des stratégies de pensée, les seules dont dispose l'apprenant pour appréhender la réalité, les objets d'enseignement ou les contenus informationnels.

· C'est un décodeur qui permet à l'apprenant de comprendre le monde qui l'entoure.

· C'est une explication fonctionnelle qui pour l'élève, "marche" depuis longtemps.

Les conceptions sont liées au cotexte.

Les conceptions ce sont "un modèle personnel d'organisation des connaissances par rapport à un problème particulier" (Astolfi et al., 1997, p : 148) .

De nombreuses recherches, ont en effet montré que si l'on pose la même question aux mêmes élèves, placés dans des contextes différents, alors les productions d'élèves pourront être significativement différentes d'un contexte à l'autre.

2. Conception et apprentissage

Apprendre, c'est procéder à une synthèse indéfiniment renouvelée entre la continuité et la nouveauté (Inhelder et al., 1974). L'apprentissage est donc un processus permettant le passage d'une conception à une autre, plus pertinente par rapport à la situation proposée. L'apprenant construit un système de représentations qui intègre à la fois des connaissances nouvelles et ses conceptions antérieures. Apprendre ne consiste donc pas à empiler des informations les unes sur les autres, mais à transformer ses conceptions pour passer d'une cohérence à une autre. Parfois des conceptions différentes, ou contradictoires, peuvent cohabiter, on parlera alors d'incohérence.

Pour Balacheff (1994 [b]), un état de connaissance est incohérent s'il contient deux conceptions contradictoires, c'est-à-dire fausse l'une par rapport à l'autre sur un ensemble de problème. La modification d'un état de connaissance est un apprentissage si elle constitue un progrès. Le passage d'une conception à une autre implique une réorganisation des processus cognitifs, une "mutation intellectuelle". En cela il est possible de faire un parallèle entre l'apprentissage personnel et la construction des connaissances scientifiques, ce que Kuhn (1972) a appelé « les révolutions scientifiques ».

Pour Astolfi (1997, p :149) "le facteur majeur qui détermine un apprentissage nouveau c'est l'état antérieur de la structure cognitive du sujet. Les apprentissages scolaires seront d'autant plus efficaces qu'ils permettront d'établir des liens entre ce que l'élève sait déjà". Il introduit ici la notion de ponts cognitifs. Ainsi, apprendre c'est acquérir de nouvelles notions, c'est faire de nouveaux liens entre des notions qui n'étaient pas liées auparavant. Donc, enseigner c'est aider à faire ces liens.

Pour Giordan (1994), l'apprentissage se fait selon un modèle allostérique, pour lui c'est le réseau des relations qui constitue la trame de son système de pensée et non l'ordre d'enregistrement des données. Pour être intégrée aux connaissances de l'élève, la connaissance nouvelle doit avoir une forme spécifique, comme les enzymes qui s'accrochent aux sites actifs des protéines. Si cette forme est trop différente de la forme du site actif alors la connaissance nouvelle est rejetée. Par ses conceptions l'apprenant construit un modèle connexionniste3(*) dont les unités sont les concepts assimilés et la structure est la trame conceptuelle.

III. Concept et conceptualisation :

1. Concept 

Un concept est une "représentation mentale, générale et abstraite d'un objet qui, appliquée à une réalité permettra de la comprendre et de l'expliquer" (Le Petit ROBERT).

Un concept est alors envisagé comme une représentation intellectuelle d'un certain aspect de la réalité provenant de l'observation d'un phénomène, c'est à la fois une généralisation et une abstraction d'une réalité empirique.

Le concept est parfois emprunté au vocabulaire courant ou construit de toute pièce pour désigner des phénomènes de la réalité. Cependant le concept en milieu scientifique et le même terme utilisé dans le langage courant ne représentent pas exactement la même réalité. Par exemple, les mots « poids » et « masse » (et les mots «  », « » en Arabe) font référence à une même réalité dans le langage courant, mais ne véhiculent pas les mêmes informations dans le milieu scientifique.

Le concept a-t-il une signification théorique ou empirique ?

La réponse à cette question peut nous conduire à retomber dans le conflit entre rationalistes et empiristes, entre les tenants de la déduction et ceux de l'induction.

Ce qui importe pour les rationalistes c'est la définition abstraite du concept qui lui confère le caractère de généralité. Pour les empiristes le concept tire sa signification de l'expérience, c'est-à-dire de l'ensemble des observations d'où l'on abstrait les propriétés communes. Cette dialectique (entre rationalistes et empiristes) a engendré des concepts de degré d'abstraction plus ou moins complexe. Par exemple le concept de la liquidité d'un corps est considéré comme plus simple puisqu'il se prêtera plus facilement à l'observation directe, alors que le concept de la pesanteur est plus complexe parce qu'il est moins accessible à l'observation directe. Dans ce cas les chercheurs doivent construire des moyens qui permettent de faciliter la conceptualisation et l'assimilation de ces concepts.

2. Conceptualisation

La conceptualisation, c'est l'assimilation d'un concept, l'apprivoisement du concept par l'individu, elle permet une future adaptation du concept aux besoins évolutifs de l'individu.

« On n'acquiert jamais définitivement un concept, [...] on ne le domine pas, on s'efforce plutôt de l'apprivoiser patiemment. La richesse de l'apport d'un concept se mesure à la richesse et au suivi de la relation entre le concept et l'individu, de leur vie commune. » (Peytard et al. ; 1984 ; p 72-73)

Peytard et al. (1984) Ont distingué plusieurs phases de cette vie commune :

· Savoir utiliser le concept : consiste à l'appliquer à la spécialité où on l'a rencontré la première fois (reformulation pratique).

· Savoir diffuser le concept, consiste à l'utiliser dans des domaines différents de ceux où on l'a rencontré et à en diffuser une version adaptée à des destinataires de niveaux d'accueil des informations différents (reformulation didactique).

· Arrivé au stade de maîtrise du concept attesté par la capacité de l'individu à le rediffuser, on découvre généralement que le concept se trouve défini par le champ croisé de ses relations (efficacité, utilité, réorganisation des savoirs, etc.) avec les différentes sciences, techniques, disciplines, spécialités dans lesquelles l'individu peut l'utiliser (...).

Plus il y a eu activité de l'individu à reformuler le concept tel qu'il l'a rencontré de façon transversale aux disciplines établies, plus riches sont les liens de cet ordre. C'est la toile d'araignée des reformulations tissée par l'individu autour du concept d'origine qui va définir le mieux possible et de mieux en mieux dans le temps le concept dans ce qu'il a d'indispensable et d'utile.

Certains concepts peuvent être représentés de diverses façons ; les concepts scientifiques encore plus facilement, car ils peuvent être modélisés ou encore traduits en langage mathématique. Par exemple, le concept de fleur peut être représenté d'une façon concrète par un dessin, un schéma, une photographie ou un objet réel, comme il peut être défini en termes abstraits on parle donc des niveaux d'abstraction des concepts.

La représentation d'un concept peut se faire suivant plusieurs niveaux d'abstractions. Ces derniers permettent l'adaptation aux niveaux de complexifications conceptuelles des élèves. De cette façon, la diversité des représentations permet de rejoindre divers styles cognitifs des élèves.

Gagné (1976 cité dans Brien, 1984), dans sa taxonomie, parle de la capacité à reconnaître un schéma, un dessin ou un objet réel comme la maîtrise du niveau concret d'un concept, tandis que la capacité à reconnaître des exemples ou des contre-exemples à partir de descriptions ou de définitions ou à définir un concept dans ses propres termes est considéré comme la maîtrise du niveau défini d'un concept. Certains auteurs parlent aussi du concept défini comme du niveau discursif. Selon des chercheurs en psychologie cognitive (Tardif, 1992), les concepts semblent être représentés en mémoire sous diverses formes : épisodiques (lieux, moments), sémantiques (proposition) et imagées (informations visuelles et spatiales).

Develay (1993) et d'autres didacticiens conscients des divers aspects ou niveaux de représentation d'un concept, parlent de la dimension figurative et de la dimension opérative. La dimension figurative peut s'apparenter au concept concret de Gagné ou au niveau concret ; la dimension opérative, quant à elle, serait le niveau procédural

En plus des niveaux concret et discursif, il est aussi possible de représenter un concept de façon abstraite, par exemple en utilisant un langage mathématique ou graphique : force , vitesse d'un corps en chute libre, etc. La capacité à reconnaître les concepts de vitesse, d'accélération, à partir d'un graphique serait typique de ce niveau conceptuel. Le schéma suivant représente les divers niveaux d'abstraction : niveaux concret, procédural, abstrait et discursif.

Fig.2 : Les niveaux d'abstraction des concepts scientifiques

(La revue scientifique Pistes ; http://www.pistes.org)

En ce qui concerne les divers niveaux conceptuels (discursif, abstrait, procédural et concret), nous pouvons dire qu'en règle générale, le niveau concret est un niveau conceptuel qui semble s'acquérir plus facilement. Par exemple, un enfant est capable de reconnaître et de nommer un objet pouvant appartenir à la classe des chaises (niveau concret) bien avant de pouvoir en donner une définition (niveau discursif). De même, il est possible de pouvoir utiliser adéquatement certains concepts dans un algorithme ou un processus de résolution de problème bien avant de pouvoir en donner une définition dans ses propres mots. On sent que l'on sait, mais on ne trouve pas les mots pour le dire. Dans le même ordre d'idées, on peut effectuer certaines opérations de transformation sur un graphique sans pouvoir en donner une définition : c'est le niveau tacite ou procédural.

Il est à noter qu'un élève peut être capable de calculer l'accélération à l'aide de la pente d'une courbe sans vraiment comprendre pourquoi la tangente ou la pente représente l'accélération. En effet, si on inverse les axes, l'élève ne sait plus comment faire et ne peut transposer. Cela peut indiquer qu'il maîtrise le niveau procédural, c'est-à-dire qu'il peut effectuer des calculs en suivant un algorithme (protocole), mais que le niveau abstrait n'est pas maîtrisé.

IV. Pratique sociale de référence et transposition didactique

L'idée de pratiques sociales de référence consiste à examiner de quelle manière des activités de production, d'ingénierie, voire des activités domestiques, etc., peuvent servir de référence à des activités scientifiques scolaires. Ce concept, introduit par Jean-Louis Martinand, se situe en regard de celui de transposition didactique, introduite par Yves CHEVALARD, qu'il complète. On sait que l'idée de transposition didactique décrit le parcours et les étapes du savoir, entre le moment de son introduction dans le « savoir savant » et celui de son insertion dans un programme d'enseignement. Elle met l'accent sur les ruptures théoriques, sur les décontextualisations et recontextualisations du savoir, qui s'opèrent le long de cette « chaîne de transposition », avec les transformations épistémologiques qui en résultent entre sa signification « initiale » et sa signification « finale ».

Savoir à enseigner

Savoir savant

Transposition didactique

Fig.3 : La transposition didactique

Pour ASTOLFI (1997) « Parler de pratiques sociales de référence signifie que la construction des contenus d'enseignement ne saurait s'en tenir à une simple réduction descendante d'un savoir universitaire survalorisé », p : 131. Il existe une grande variété des pratiques sociales qui mettent en oeuvre diversement une même notion scientifique. De ce point de vue, le savoir savant n'est qu'une pratique de référence parmi d'autres et il est utile d'explorer aussi les autres, pour parvenir à une formulation diversifiée des concepts. (Voir Fig.4).

Pratique sociale de référence

Transposition didactique

Savoir savant

Savoir à enseigner

Fig.4 : Transposition didactique et pratiques sociales de références

Dans une perspective de généralisation, on voit qu'on peut faire appel à des pratiques sociales de référence variées :

· Recherche scientifique.

· Ingénierie,

· Production industrielle ou artisanale,

· Activités domestiques.

· Activités culturelles ou idéologiques, politiques...

V. Aide didactique

Le terme d'aide didactique désigne des instruments, sélectionnés ou élaborés par l'enseignant pour constituer des facilitateurs, à différents moments des activités didactiques. A travers une grande diversité de supports, qui va des documents imprimés sur papier aux didacticiels multimédia en passant par les divers types d'audiovisuels. La conception et l'utilisation de ces instruments répondent à une triple finalité (Astolfi, et al.,1997, p :15) :

· Solliciter l'activité et la réflexion personnelle des élèves (on peut parler d'instruments interactifs) ce qui correspond pleinement à la notion d'aide : aider à l'appropriation des savoirs et savoir-faire ;

· Rendre possible (aux élèves)... un travail autonome en leur permettant d'évoluer selon des rythmes différenciés ;

· Familiariser les élèves avec des outils de communication plus ou moins spécialisés dans le domaine scientifique.

En quoi ces auxiliaires d'apprentissage peuvent-ils être l'objet d'une réflexion didactique ?

On peut s'intéresser à l'analyse de leurs fonctions et à celle de leur forme, pour mieux saisir divers aspects qui peuvent être sources des difficultés pour les élèves.

La réflexion a essentiellement porté sur les sources documentaires que les élèves sont susceptibles de rencontrer en classe comme au laboratoire de sciences ou à domicile, des encyclopédies aux revues de vulgarisation, outils multimédia,... . Mais les manuels scolaires constituent la forme quasi-institutionnelle des aides didactiques: des documents descriptifs et explicatifs, des exercices, des glossaires... y sont rassemblés et organisé. Le manuel scolaire constitue ainsi souvent l'instrument d'apprentissage privilégié s'adressant à l'élève.

Fonctions et formes des aides didactiques :

Les aides didactiques répondent à différentes fonctions correspondant à différentes phases de la démarche d'apprentissage scientifique, de ce fait on peut en établir une typologie (Astolfi, et al. ,1997, P :16) :

· Des instruments de motivation destinés à susciter l'émergence d'un problème, d'un sujet d'étude...

· Des instruments d'information proposant des données à analyser (observations ou expériences), qui peuvent avoir une fonction substitutive par rapport aux activités pratiques. On peut inclure dans cette catégorie des planches anatomiques, des compte rendus d'expériences, historiques, etc.

· Des instruments de guidage dont les guides techniques de travaux pratiques constituent le type le plus représentatif pour les sciences expérimentales.

· Des instruments d'évaluation formative ou d'auto-évaluation permettant aux élèves de faire le point sur leurs acquisitions de savoirs et savoir-faire.

Les aides didactiques doivent non seulement répondre à une fonction, elles doivent aussi être adaptées à leurs destinataires. Se pose alors le problème de leur forme et de leur contenu, c'est-à-dire la recherche des conditions pour qu'ils soient facilement compréhensibles par les élèves. Car de leur forme ergonomique et de leur contenu pertinent dépend leur efficacité. Par exemple un document écrit, c'est du texte et de l'illustration dans une mise en page qui n'est pas quelconque. Au niveau du contenu, « ... il faut particulièrement veiller à éviter les implicites, à doser les éléments de redondance, à introduire raisonnablement les nouveautés lexicales par rapport à une ''connaissance supposée partagée'' avec le lecteur (équilibre entre le déjà là connu et les informations nouvelles) » (Astolfi et al. ,1991 p : 17).

Ainsi, chacun des éléments constituants l'aide didactique présente des caractéristiques spécifiques qui peuvent être source d'obstacles pour les élèves.

I. Historique de l'enseignement assisté par ordinateur :

II faut toujours un certain temps, après l'invention pour découvrir les potentialités du produit nouveau et pour lui donner sa forme et son usage plus au moins définitif. Cette constatation est vraie pour les ordinateurs en général et pour l'Enseignement Assisté par Ordinateur (EAO) en particulier.

Les ordinateurs ont été inventés vers les années 40 pour accélérer les processus de calcul, en automatisant les procédures manuelles. On visait l'augmentation de la productivité: faire plus de choses en moins de temps, grâce à l'automatisation et plus précisément en remplaçant l'homme par la machine.

Ce n'est guerre qu'à partir des années 70 que l'on se rendit compte que l'on pouvait faire plus et mieux. En plus de l'automatisation totale de certaines fonctions, on se mit à analyser chacun des postes de l'entreprise depuis le guichetier jusqu'au PDG pour y déceler la partie susceptible d'être automatisée. C'est ainsi qu'apparurent le guichet assisté par ordinateur, la conception assistée par ordinateur, la fabrication et la production assistée par ordinateur, etc.

Le but n'était plus d'augmenter la productivité en remplaçant l'homme par la machine mais d'augmenter l'efficacité de chacun en mettant à sa disposition le ou les outils adéquats pour l'assister dans son travail. Cette même évolution vers l'efficacité se retrouve dans la brève histoire de l'Enseignement Assisté par Ordinateur (EAO).

Les premières expériences d'utilisation de l'informatique pour l'enseignement remontent à plus de quarante ans. Les premiers logiciels éducatifs sont issus de la conjonction entre les travaux des psychologues et le développement des premières générations d'ordinateurs.

II. Impact des courants de pensée en psychologie :

1. Le courant comportementaliste ( Pressy, Skinner, Crowder)

Vers les années 1925, bien avant l'apparition des premiers ordinateurs, le psychologue américain L. Pressy inventa une petite machine qui corrigeait automatiquement des tests constitués de séries de questions aux choix multiples.

Pour Skinner, le moteur de processus d'apprentissage est le renforcement, c'est-à-dire, acte de récompenser, d'une manière ou d'une autre, le comportement d'un organisme. L'activité d'apprentissage consiste alors à organiser, à programmer l'environnement de l'apprenant par progression à petits pas, en mettant en scène le maximum de renforcement tout en laissant l'individu étudier à son propre rythme. Tous les élèves passent les mêmes étapes le même cheminement: ce type de programmation est dit « programmation linéaire » (fig.1, p:x).

(Fig.1) Programmation linéaire : Méthode de Skinner

(l'élève progresse de manière linéaire de module en module4(*))

S'il est vrai que le modèle présenté par Skinner (la programmation linéaire) met en relief l'importance de la rétroaction et l'individualisation, ces deux acquis ne sont que faiblement utilisés : la rétroaction n'est importante qu'après une réponse correcte, et le seul degré d'individualisation que l'élève obtient se limite à pouvoir fixer son propre rythme d'apprentissage.

En 1959, A. Crowder, dans la continuité des travaux de Skinner, affirma que le problème essentiel est celui du contrôle du processus de communication par la rétroaction. La réponse de l'élève est utilisée non seulement comme moyen pour déterminer l'efficacité du processus de communication mais aussi pour déclencher une action corrective appropriée (fig.2, p:x).

Contrairement à Skinner, Crowder accorde un rôle important à l'exploitation de l'erreur dans le processus de l'apprentissage. Il proposa alors une nouvelle approche, la « programmation ramifiée » laquelle, tout en restant à l'optique de Skinner, mettait l'accent sur la nécessitée de répondre à tout instant, aux besoins de l'élève ce qui implique une analyse de ses réponses. L'individualisation ne concerne plus, comme pour la programmation «linéaire », le seul rythme de l'apprenant mais aussi le contenu : pour une même séquence il existe plusieurs cheminements possibles.

(Fig.2) Programmation ramifiée : Méthode de Crowder

Le cheminement de l'apprentissage des élèves est déterminé par :

· Les réponses de l'élève ( fig.2 (a) ) : dans le premier schéma de la fig.2, selon la réponse de l'élève, il passe de l'étape 1 à l'étape 2, l'étape 1.1 ou à l'étape 1.2.

· Selon le nombre d'erreurs commises ( fig.2 (b) ) : dans le deuxième schéma, le nombre d'erreurs commises déterminent l'étape suivante. Par exemple à la 4ème étape si l'élève a commis un totale des erreurs supérieur à 2, alors automatiquement il va refaire toutes les étapes précédentes. Si le nombre des erreurs est supérieur à 2, alors il passe directement à la 7ème étape. Et si l'apprenant a commis exactement 2 erreurs, alors il doit passer les étapes 5 et 6 pour arriver à la 7ème étape.

· Ou à la demande de l'élève ( fig.2 (c) ) : l'élève peut à chaque fois choisir de refaire une étape ( refaire la 2ème et la 3ème étape) ou de faire des étapes intermédiaire avant de passer à l'étape suivante ( faire les étapes 5.1 et 5.2 avant de passer à la 6ème étape).

2. Le courant génétique (Piaget, Papert)

Skinner et Crowder représentent ce qu'il est convenu d'appeler le courant comportementaliste (behavioriste) en théorie de l'apprentissage. Pendant plus de 50 ans, l'épistémologue, psychologue et biologiste suisse Jean Piaget, s'opposa au modèle comportementaliste en psychologie. Pour Piaget les opérations cognitives qui marquent les stades du développement ne sont pas de simples performances locales s'ajoutant les unes aux autres.

L'enfant est mis dans une situation d'apprentissage totalement différente : construction, exploration de connaissances. Selon Piaget, les fonctions essentielles de l'intelligence sont comprendre et inventer, c'est-à-dire, construire des structures en modelant la réalité, et réorganiser d'une manière spontanée des schèmes5(*) antérieurs en les adaptant à des situations nouvelles par "assimilation réciproque".

Une concrétisation de ces travaux est la naissance du langage Logo (Picard et Braun, 1987), le premier langage : informatique à vocation pédagogique et psychologique, développé à partir de 1970 au M.I.T (Massachussetts Institute of Technology) sous la direction de S. Papert. Ce dernier se propose d'offrir à travers Logo un environnement permettant à l'enfant d'acquérir spontanément les concepts mathématiques. Grâce à une de ces composantes de ce langage, on peut créer sur l'écran, à partir des commandes très simples, des figures géométriques. Logo possède en outre, toutes les structures et les potentialités des langages informatiques les plus sophistiqués. "Mon propos est de démontrer comment l'informatique, bien utilisée, pourrait modifier non seulement la pédagogie des mathématiques, mais encore d'une manière plus vaste, notre vision d'ensemble de la connaissance et de l'apprentissage" (Papert, 1981, p :34)

Logo a connu rapidement un succès mondial. Beaucoup d'études et de nombreuses expérimentations ont été menées sur l'utilisation et l'impact de ce langage.

Les psychologues du 20ème siècle (comportementalistes et génétiques) ont donc très bien marqué le processus d'intégration des TIC dans l'enseignement. Leurs travaux ont été concrétisé par la réalisation de plusieurs projets ( La machine des QCM de Pressy, le langage Logo par Papert...) . Le tableau comparatif suivant résume les différences entre les deux approches (comportementaliste et génétique):

Approche comportementaliste

Approche génétique

· Centrée sur l'enseignant.

· Impose une démarche à l'apprenant.

· Guide l'apprenant.

· Vérifie l'acquis et propose des exercices
de renforcement.

· Transmet des connaissances.

· L'erreur est pénalisante.

· L'apprenant acquiert des connaissances.

· Centrée sur l'apprenant.

· L'apprenant est placé dans une situation de découverte.

· Laisse l'apprenant libre de sa démarche.

· Exploite par la curiosité et l'intérêt de
l'apprenant son potentiel cognitif.

· Permet l'auto - construction des savoirs grâce à l'activité.

· Expérimentation, tâtonnements: il n'y a pas d'échec total.

· L'apprenant élabore ses propres structures mentales.

L'approche comportementaliste est centrée sur l'enseignant qui impose la démarche de l'apprentissage, transmet les connaissances, guide l'apprenant, vérifie ses acquis, propose des exercices de renforcement, et le sanctionne en cas d'erreurs commises. Le rôle de l'apprenant se réduit donc à l'assimilation passive des connaissances.

Tandis que dans l'approche génétique l'apprenant est mis dans une situation de découverte, elle permet l'auto - construction des savoirs grâce à l'activité. Cette approche est donc centrée sur l'apprenant, elle favorise l'apprentissage à son propre rythme et sa propre démarche. Le tâtonnement, et l'expérimentation sont les bien venus et les erreurs ne sont pas pénalisées mais au contraire elles sont exploitées. Ainsi, l'apprenant élabore ses propres structures mentales, et exploite son potentiel cognitif.

* 1 C'est le savoir acquis par rapport au temps passé (GIORDAN, 1995)

* 2 Voir Conceptualisation p:x

* 3 Dans les sciences cognitives, c'est un modèle en réseau qui met en liaison les différentes unités tout en considérant leurs interactions.

* 4 Ensemble de petites étapes soigneusement préparées et regroupée dans un ordre qui facilite la compréhension et la mémorisation.

* 5 Les schèmes sont les structures communes qui se construisent pendant l'apprentissage, ce sont les opérations mentales qui se créent par l'assimilation. Construire un schème, c'est mettre un ensemble d'éléments qui ont un lien.

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