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 Numéro 21, Février 1998 
Apprentissage de la physique à distance : de nouveaux outils informatiques Version Imprimable  Version imprimable


Louis Normand
Marc Desbiens  (CCFD)

Voyant la demande grandissante pour des cours de sciences en formation à distance, le CCFD (Centre collégial de formation à distance) s'est engagé dans la conception du premier cours de physique du secteur général en sciences de la nature : le cours de mécanique 203-101. Sa conception a soulevé certaines problématiques. On peut assez facilement imaginer un cours de philosophie ou de techniques administratives à distance, mais un cours de physique ! Nos efforts de réflexion ont d'abord dû porter sur la façon de faire des expériences avec du matériel généralement disponible à la maison. Aussi, l'utilisation potentielle d'outils informatiques a été envisagée comme support pédagogique alternatif aux expériences conventionnelles.

Une première question nous vient alors à l'esprit : est-il envisageable que le recours à de tels outils puisse se substituer à la salle de classe ou au bon vieux laboratoire ? Une chose est sûre, c'est qu'en réfléchissant à la faisabilité d'un cours de physique à distance grâce à des logiciels, il nous est apparu que leur utilisation comportait des avantages pédagogiques incontournables, même dans le cadre d'un cours donné en présentiel 1 , à condition, bien sûr, que l'on respecte certaines conditions minimales. Avant de revenir sur ce qu'a retenu le CCFD comme outils informatiques pour développer à distance le cours de physique 101, voyons les conditions minimales que doivent respecter les logiciels de physique et en quoi consiste leur apport pédagogique.


De l'expérimentation avant toute chose

Peut-on développer un cours de physique sans recourir à l'expérimentation tout en espérant, pour se faciliter la tâche, que des exposés théoriques bien conçus puissent pallier son absence ? Bien sûr que non. Même en formation à distance, la non-accessibilité à des laboratoires ne saurait dispenser l'élève d'effectuer des expériences.

Sans entrer dans les détails, précisons d'abord que le fait d'expérimenter permet à l'élève de vérifier concrètement une loi ou un principe physique en même temps qu'il lui donne l'occasion de confronter ses fausses préconceptions avec la réalité : c'est ce qu'on appelle le conflit cognitif. Ajoutons que l'expérimentation, grâce à la dynamique d'essais et d'erreurs qui en sont le lot, permet l'acquisition et la mise en application d'une méthode scientifique rigoureuse.

Un logiciel d'apprentissage de la physique qui se veut efficace, surtout dans le cadre de la formation à distance, doit donc être un outil permettant de simuler des expériences.


Apport pédagogique des logiciels de simulation

Autre question : en supposant que de tels logiciels de simulation existent déjà, et de fait il en existe, qu'y a-t-il de si avantageux à les utiliser, même lorsque des salles de classe et des laboratoires sont à notre disposition ? Disons que les logiciels de simulation partagent certains avantages pédagogiques avec les expériences faites en classe, mais qu'ils en possèdent d'autres...

Premier avantage : une affaire de sous

Pas très pédagogique, direz-vous, que d'invoquer d'emblée des arguments de nature économique pour justifier le recours à l'informatique. Et surtout pas très nouveau. Cependant, l'enseignement de la physique, comme d'autres sphères d'activités, n'échappe pas à des contraintes budgétaires. Il faut souligner, entre autres, le coût élevé de l'équipement de laboratoire et les ressources financières limitées qui découragent souvent les responsables d'un département à s'équiper autant qu'ils le souhaiteraient. Ces contraintes ont des incidences pédagogiques indirectes : elles limitent l'élaboration d'expériences utiles à la formation scientifique des élèves. Il devient alors avantageux d'envisager l'utilisation de logiciels de simulation qui peuvent remplacer du matériel trop coûteux. La plupart des établissements d'enseignement collégial possèdent des ordinateurs convenables sur lesquels il est possible d'installer des logiciels de cette nature.

Deuxième avantage : l'élimination des parasites et « l'accès à Jupiter »

Les expériences faites en classe peuvent parfois introduire des phénomènes parasites qui viennent altérer les résultats : par exemple, l'éternel frottement entre une surface et un mobile dont on étudie le déplacement. Lors d'une expérience qui comporte trop d'imprécision, la perception que les élèves peuvent avoir de l'activité scientifique est faussée et se concrétise par un laisser-aller puisque, de toute façon, ils n'obtiendront pas « la bonne réponse ». Cela peut démotiver les élèves et confirmer ce qu'ils pensent en général des sciences : « la chimie ça pue, la biologie ça grouille, et la physique ça ne marche jamais ! ». C'est là que la simulation par ordinateur peut donner le meilleur d'elle-même. Il est possible de programmer des logiciels pour simuler des conditions idéales impossibles à contrôler dans une situation réelle en classe.

En plus, l'élève peut aussi vérifier des lois dans des situations tout à fait impossibles à obtenir dans la réalité. Par exemple, comment étudier le comportement d'un projectile proche de la surface de Jupiter ? Tout en pouvant représenter une telle situation, le logiciel stimule la curiosité de l'utilisateur.

Troisième avantage : contrôle des paramètres et mise à l'épreuve de la méthode scientifique

Enfin, le logiciel de simulation permet à l'élève de contrôler facilement les paramètres d'une expérience et d'obtenir rapidement les mesures voulues. Par conséquent, l'élève peut rapidement analyser les résultats obtenus et faire des parallèles avec la théorie. Grâce à un tel outil, il pourra alors mettre à l'épreuve la méthode scientifique minimale : hypothèses, vérification dans les faits.

Le logiciel a tout de même ses limites

Toutefois, il faut bien le reconnaître, un logiciel de simulation ne peut remplacer complètement l'expérience de laboratoire conventionnelle. En effet, il y a tout un savoir-faire que les élèves doivent développer pour parfaire leur formation scientifique. Dans une expérience, il faut être minutieux, travailler en équipe de façon méthodique et avec précision, manipuler des instruments de mesure ou maîtriser des techniques qui devront être acquises en vue d'études supérieures ou d'une carrière scientifique  : l'utilisation du microscope en biologie, de la technique du titrage en chimie, du multimètre et de l'oscilloscope en physique en sont quelques exemples. Ces habiletés peuvent difficilement (du moins pour le moment) être développées à l'aide d'un logiciel. Lorsqu'il s'agit de bâtir un cours de formation à distance, c'est là un obstacle qui semble insurmontable.


Un cours de physique de niveau collégial à distance !

Du stylo à bille... au micro-ordinateur

Bien sûr, tout n'est pas perdu. Si certaines manipulations sont pour le moment hors de portée lorsqu'on est à distance, d'autres restent possibles. Par exemple, l'élève pourra, à la maison, vérifier les équations du mouvement rectiligne uniformément accéléré grâce à une planche de bois, un petit bloc de bois, une bille, une dizaine de pailles en plastique, une règle de 30 cm, un rapporteur d'angle ainsi qu'une montre servant de chronomètre. Un autre exemple est la vérification de la conservation de l'énergie à l'aide d'un stylo à bille rétractable avec un mécanisme à ressort. Toutefois, ces expériences simples sont limitées en nombre. C'est là que l'informatique prend normalement le relais : des logiciels qui, jumelés à des supports pédagogiques écrits, permettront l'analyse de phénomènes difficilement accessibles avec le matériel disponible à la maison. Il faut cependant espérer que l'étude de ces phénomènes ne nécessite pas trop de manipulation, ce qui est heureusement le cas dans un cours comme celui de mécanique.

Des aspects importants : coût et convivialité

Nous avons mentionné précédemment que des logiciels de simulation existent déjà. Cependant, nous avons opté pour la conception de logiciels maison, parce que les logiciels disponibles (par exemple, Interactive Physics) représentent des coûts trop élevés. Pour en faire l'acquisition, un élève aurait vu le coût de son cours augmenter considérablement. On nous a alors parlé de logiciels du type Mathématica ou Maple V. Ces derniers offrent des possibilités fort intéressantes dans le cadre d'un cours avancé de physique et permettent à l'enseignant (ou à l'auteur du cours) de produire quelques simulations en guise de démonstration. Toutefois, la convivialité leur fait défaut et il serait peu pédagogique d'imposer aux élèves des logiciels qu'ils ne pourront maîtriser qu'après la lecture systématique d'un guide d'une centaine de pages. Il est clair que l'élève inscrit en formation à distance, et donc se retrouvant le plus souvent seul devant son écran, doit avoir accès à une assistance, la plus constante possible, qui viendra l'appuyer dans sa démarche d'apprentissage. En ce sens, le CCFD entend développer des logiciels qui, en plus de comporter les avantages décrits plus haut, se voudront simples d'utilisation, bref, conviviaux.

Le projectile... et les autres

Concrètement, trois logiciels sont en développement pour le cours de physique 101. Le premier est presque terminé et traite du problème du projectile. Les deux autres logiciels, quoique encore embryonnaires, porteront sur les lois de Newton et sur la rotation.

Sans en faire une description détaillée, soulignons que le logiciel de simulation du projectile permettra à l'élève d'analyser plusieurs aspects du mouvement. Le logiciel pourra fonctionner sur tout IBM PC d'une génération supérieure ou égale à 386 et équipé d'une version du système d'opération Windows supérieure ou égale à 3.1. Le logiciel Le projectile permettra à son utilisateur d'obtenir une simulation en temps réel du mouvement d'une particule dans un plan vertical. Le logiciel fournit un tableau des mesures, des graphiques (voir figure 1) et des données importantes sur le mouvement tels le temps de vol, l'apogée et la portée.


Figure 1 Figure 1
Schéma représentant l'aspect graphique du logiciel de simulation Le projectile.


L'utilisateur pourra donc, en changeant les paramètres initiaux du mouvement (vitesse initiale, position initiale, angle de lancement, etc.), étudier l'impact de ces derniers sur la trajectoire de la particule. Les données générées par le logiciel permettront à l'utilisateur de faire des graphiques dans le but d'étudier les relations mathématiques existant entre certaines grandeurs physiques pertinentes au mouvement du projectile.


Il ne manque... que la réalité virtuelle

Lorsqu'on envisage de développer un cours de physique à distance, il semble donc que la meilleure stratégie consiste en une combinaison d'informations théoriques, d'expériences concrètes et de logiciels de simulation. L'aventure sera tentée très bientôt par le CCFD pour le cours 101 et il nous fera plaisir d'écrire à nouveau sur le résultat de cette expérience. Une seule ombre au tableau : la maîtrise de certaines techniques et l'utilisation d'appareils qui, comme nous l'avons vu, sont encore hors d'atteinte avec les moyens informatiques dont nous disposons. Présentement, seul le contexte d'une expérience faite en présentiel peut permettre l'atteinte de ces compétences.

Au rythme où s'effectuent les progrès informatiques, on peut cependant espérer (ou craindre, c'est selon) que les logiciels de simulation pourront, dans un avenir rapproché, se substituer complètement au bon vieux laboratoire...et peut-être même au bon vieux professeur de physique. Reste à savoir si de tels bouleversements sont souhaitables. À notre avis, il s'agit là d'un autre débat.

 


Note

     

  1. Nous utilisons le terme « présentiel » par opposition à « formation à distance » pour désigner tout enseignement dispensé dans un contexte conventionnel (en présence d'étudiants, de laboratoires, de techniciens, etc.) à l'intérieur d'un établissement. Retour

Creative Commons License Cette création est mise à disposition sous un contrat Creative Commons. Dernières mises à jour : 10/04/2015