Memoire Online - La simulation en sciences physiques

Ce Cd-rom est une application qui prend la forme d'un simulateur de mouvement. Elle simule le mouvement réel d'une particule soumise à une force constante (son poids) et le mouvement d'une charge soumise à un champ électrostatique uniforme.

Les simulations présentées dans ce Cd-rom sont adaptées au contexte et au programme marocains. Elles sont tirées du 4^ème chapitre ("Mouvement d'une particule soumise à une force constante") du manuel scolaire des sciences physiques pour les élèves de la 2^ème année du baccalauréat scientifique. Dans ce chapitre plusieurs notions et principes sont mobilisées, ils sont considérés comment pré-requis pour les apprenants : notion de repère, vitesse, accélération, centre d'inertie, relation fondamentale de la dynamique, théorème de l'énergie cinétique. Deux expériences sont programmées dans la partie des travaux pratiques de ce chapitre :

· Etude du mouvement d'une bille lancée avec une vitesse initiale horizontale.

· Les contraintes matérielles et naturelles dans la 1^ère expérience ne permettent pas de modifier les paramètres du mouvement (la vitesse initiale et l'angle initiale du lancement et la gravité) pour tester leur effet sur la trajectoire de la bille.

· L'expérience proposée ne permet de visualiser que la phase de la chute du projectile, car le lancement se fait toujours avec une vitesse initiale horizontale.

· La deuxième expérience ne montre pas la trajectoire de l'électron en dehors du champ électrostatique (une trajectoire rectiligne).

Les simulations que nous proposons dans ce Cd-rom sont directement tirées de ces expériences programmées dans le manuel scolaires. Elles sont complètement et aisément paramétrables. Leur objectif général est de remédier aux limites que connaissent les expériences réelles. Ces simulations permettent donc, d'illustrer les expériences de chute libre parabolique dans un champ gravitationnel ou dans un champ électrostatique uniforme, et montrer l'effet des conditions initiales sur la trajectoire de la particule.

Le sommaire permet de naviguer dans le Cd-rom, il donne la possibilité d'accéder directement à n'importe quelle partie du Cd-rom et un accès séquentiel (en utilisant les deux boutons en bas du menu)

Dans cette expérience l'enseignant doit s'appuyer sur l'expérience réelle qui va faire référence pour les élèves dans la suite du cours.

ü Deuxième simulation : lancer une projectile avec une vitesse initiale quelconque.

Cette simulation permet d'illustrer l'expérience de chute libre parabolique d'une particule dans un champ gravitationnel. Elle permet de visualiser la trajectoire du projectile et de déduire l'effet des conditions initiales sur son mouvement.

Ainsi, il est possible de lancer et de visualiser plusieurs projectiles (qui ont des formes et des couleurs différentes) avec des paramètres de lancement différents, et de comparer l'effet du changement des paramètre sur les caractéristiques de la trajectoire (par exemple : l'effet de la vitesse initiale [fig.2] ou l'effet l'angle de lancement [fig.1] sur la porté ou sur le sommet). Il est possible d'imprimer les résultats du mouvement sur papier.

Dans la fig.1, en modifiant l'angle du lancement on peut remarquer que l'angle 45° donne la meilleure porté et que plus l'angle est grande plus le sommet est grand. Dans la fig.2, en modifiant la vitesse initiale on peut remarquer que plus la vitesse est grande plus le sommet et la portée sont importants.

1- les paramètres du mouvement (la vitesse initiale, l'angle de lancement, la
gravité)

3- pour voir les résultats du lancement (les coordonnées du sommet et la
portée)

6- pour afficher des boutons supplémentaires de paramétrage de l'interface
(voir fig.3 ci-dessous).

7- axe des ordonnées (la hauteur maximale affichée dans cet exemple est
de 12m)

ü Troisième simulation : mouvement d'un électron dans un champ électrostatique uniforme

Cette simulation permet d'illustrer l'expérience du mouvement d'un électron dans un champ électrostatique uniforme. Elle permet de remédier aux limites de l'expérience réelle. En effet l'expérience réelle montre seulement la trajectoire des électrons au sein de champ électrostatique, qui est une trajectoire parabolique. Les élèves doivent donc imaginer la trajectoire des électrons en dehors du champ électrostatique (une trajectoire rectiligne). Cette simulation montre bien ce phénomène en mettant en deux couleurs différentes (rouge et noire, voir fig.4) les deux parties de la trajectoire (au sein et en dehors du champ électrostatique).

Cette simulation peut donc être bénéfique aux apprentissages des élèves, notamment si son utilisation a lieu après l'expérience réelle.

1- les deux plaques entre lesquelles est créé un champ électrostatique uniforme (E).

3- pour introduire la valeur de la vitesse initiale des électrons (l'utilisateur peut introduire directement la valeur dans la zone de texte comme il peut utiliser le curseur pour sélectionner la valeur désirée).

4- pour introduire la valeur du champ électrostatique entre les plaques (l'utilisateur peut introduire directement la valeur dans la zone de texte comme il peut utiliser le curseur pour sélectionner la valeur désirée).

5- la trajectoire des électrons au sein du champ électrostatique (trajectoire parabolique en couleur rouge).

6- la trajectoire des électrons en dehors du champ électrostatique (trajectoire rectiligne en couleur noire).

Dans l'algorithme de calcul de la trajectoire dans toutes les simulations, les frottements entre la particule en mouvement et l'aire sont négligées.

L'usage interactif des Supports Multimédia Pédagogique (SMP) se généralise dans une multiplicité de disciplines. Chacun de ces usages posera des problèmes particuliers pour la création des interfaces afin de tenir compte de la spécificité de la tâche, des profils des utilisateurs ainsi que des conditions d'utilité et d'utilisabilité.

Les critères concernant un SMP dédié à l'enseignement et à l'apprentissage ont été étudiés par Sadiq (2005)^16(*). Dans le cadre de cette recherche, il a élaboré un Cd-rom intitulé « Multimédia module d'évaluation ». Cet environnement a été conçu pour assister les concepteurs dans l'évaluation de prototypes ou pour guider les enseignants dans le choix de didacticiels multimédia.

Ainsi, pour évaluer notre outil multimédia, on a fait appel à cette grille d'évaluation interactive. Toute évaluation nécessite au moins de poser les trois questions classiques:

Dans notre cas l'évaluateur sera l'utilisateur ou le concepteur de supports multimédia; L'évaluation se veut généraliste et se base sur des dimensions, ergonomiques, multimédia et pédagogique ; l'évaluation est appliquée essentiellement au produit fini ; et porte directement sur le support multimédia (et non sur son impact a posteriori).

Les critères et les sous critères que nous allons évaluer dans notre SMP sont les critères, ergonomique (guidage, homogénéité, navigation, charge de travail), Interaction Homme Machine (design graphique), environnement pédagogique (activité). Les définitions que nous allons donner à chacun de ces critères sont ceux adoptées par le Cd-rom d'évaluation :

Ensemble des moyens mis en oeuvre pour conseiller, orienter, informer et conduire l'utilisateur lors de ses interactions avec l'ordinateur.

On remarque que notre SMP est assez bien^17(*) en ce qui concerne le guidage : l'utilisateur est guidé tout au long de sa navigation sur le Cd -rom par des icônes significatives et des interfaces traditionnelles.

Maintien dans l'ensemble du SMP d'une charte graphique et fonctionnelle assurant l'union et la cohérence.

L'homogénéité est un critère très présent dans notre SMP, puisque la charte graphique est maintenue dans toutes les pages du Cd-rom, et il y a une cohérence entre les éléments de la charte graphique et leur fonction.

Ce concept regroupe à la fois la navigation à l'intérieur d'une page et, bien entendu, la navigation entre les différentes pages du SMP. Le système de navigation adopté doit aider l'utilisateur à suivre un chemin qu'il comprend. Ce système de navigation doit notamment permettre à l'utilisateur de :

Selon cette grille d'évaluation, la qualité du système de navigation adopté dans notre SMP est moyenne, car : l'utilisateur ne peut pas se situer par rapport à ce qu'il a déjà vu et ce qu'il peut encore aller voir, en plus, notre SMP ne contient pas de liens extérieurs.

Ce critère permet de concevoir un produit multimédia attractif et facilement compréhensible par l'utilisateur.

Selon cette grille d'évaluation le design graphique est assez bien. Cette partie de l'évaluation se réfère aux éléments de design graphique (couleur, typographie) ainsi qu'aux éléments multimédia (tels que le texte l'image et le son et la vidéo) pouvant être les plus adaptés pour un support multimédia pédagogique.

A fin d'améliorer le processus d'apprentissage, il est pertinent d'introduire dans un support multimédia pédagogique plusieurs types d'activités pédagogiques comme par exemple, les activités de résolution de problèmes, la communication, les expérimentations, le suivi des apprenants pendant le processus d'apprentissage. etc.

Pour mesurer le degré d'activité, cette grille se base essentiellement sur la présence des outils d'évaluation, de communication et des activités de résolution de problèmes. Ce qui n'est pas présent dans notre SMP. Car selon notre conception, ce support est un outil didactique, c'est à l'enseignant de concevoir le scénario de son utilisation dans des situations bien précises.

Pour conclure cette partie, nous proposons donc comme perspectives de recherche, concernant ce SMP, l'amélioration de ce support multimédia pédagogique.

Cette amélioration doit reposer davantage sur l'environnement pédagogique en proposant plus d'activités pédagogiques. Elle doit aussi viser l'Interaction Homme Machine (IHM) et plus particulièrement le design graphique qui peut rendre le SMP plus attractif, et faciliter la mémorisation et l'appropriation du savoir étudié.

L'objectif de ce travail de recherche est de montrer la pertinence de l'intégration des technologies de l'information et de la communication dans l'enseignement des sciences physiques et plus précisément, l'intégration des simulations comme base de la pratique et de l'expérimentation dans la matière.

Pour cela, nous avons proposé une stratégie adéquate pour assurer une intégration efficace de l'outil informatique dans l'enseignement. Cette stratégie se base sur trois axes :

Ainsi, dans le cadre de ce troisième axe, nous avons pensé à la conception et la réalisation d'un document multimédia interactif, qui a pour objectif d'illustrer les expériences programmées dans le chapitre « Mouvement d'un point matériel soumis à une force constante » (pour les élèves de la 2^ème bac scientifique) en montrant l'effet des conditions initiales sur la trajectoire du point matériel.

L'aspect ergonomique et technique de ce Cd-rom a été évalué en utilisant une grille d'évaluation conçue par Sadiq (2005). Cependant l'évaluation de l'apport didactique et pédagogique de l'apport de ce Cd-rom à l'enseignement et à l'apprentissage des sciences physique n'a pas été faite, par conséquent nous proposons comme perspective de la continuité de cette recherche, de mener une analyse de cet outil.

- d'analyser comment les élèves s'approprient le contenu du logiciel lorsqu'ils naviguent librement et comment les enseignants l'exploitent dans l'élaboration de leur cours

- de l'utiliser pour construire des séquences d'enseignement et d'analyser l'impact de ces séquences auprès des élèves, tant sur le plan de l'apprentissage des concepts et des démarches que sur celui de l'image de la science et de la motivation vis-à-vis des cours des sciences physiques.

- de réinvestir les résultats de ces recherches dans des modules de formation des enseignants (initiale ou continue).

Nous proposons aussi comme perspective, de travailler sur les simulations en physique nucléaire. Puisque c'est une partie du programme qui propose un savoir nouveau pour les élèves, des phénomènes complexes et aucune expérience réelle n'est programmées dans le cette partie du cours.

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* ¹⁶ Une recherche pour l'obtention d'un DESA en « pédagogie de l'enseignement supérieur et technologie de l'éducation et de la formation » à l'université Hassan II Mohammedia Faculté des Sciences Ben M'Sik Casablanca.

* ¹⁷ La note subjective est donnée par l'évaluateur lui-même. La note calculée est la moyenne des réponses de l'évaluateur aux questions de la grille.

La simulation en sciences physiques

III. Présentation de l'outil