Memoire Online - L’enseignement des systèmes techniques automatisés.

Après cette brève présentation sur la notion des modèles, nous passons au développement de deux concepts qui lui sont associés : la modélisation et la simulation. Vu leur importance dans les recherches scientifiques et didactiques, l'Institut National de Recherche Pédagogique (IRRP) a réservé tout un numéro Aster N°43 (2006) présentant notre ressource majoritaire puisqu'elle touche profondément notre domaine d'intervention et de recherche ; ce numéro est relatif au traitement de la modélisation et la simulation ; d'ailleurs il portait leur nom comme titre et sous la coordination de Maryline Coquidé et Jean-François Le Maréchal. Ils ont commencé leur article présentatif par ce qui suit :

« La modélisation et la simulation représentent un vaste champ pour les recherches relatives à l'enseignement scientifique et technologique, exploré depuis plusieurs décennies déjà (Giordan & Martinand, 1987). Les travaux les plus anciens concernant la modélisation en sciences ont été listés par Drouin (1992) qui proposait près de 250 références basées sur l'épistémologie, sur la psychologie cognitive ou sur la didactique des sciences. Plusieurs outils didactiques ont été élaborés : outil d'analyse didactique basé sur la modélisation considérée comme pouvant catégoriser savoir savant, savoir enseigné et fonctionnement de l'élève face à ces savoirs (Tiberghien, 1994), schéma distinguant des registres et modélisant des contraintes pour un projet d'enseignement de la modélisation (Martinand, 1992, 1994) »

Ce paragraphe introductif, montre que la modélisation et la simulation ont été l'objet de recherches scientifiques et techniques et qui ont intéressé pas mal de chercheurs didacticiens et scientifiques (Giordan & Martinand, 1987), (Droun, 1992), (Tiberghien, 1994), (Martinand, 1992, 1994)...Cette exploration est basée sur l'aspect épistémologique, psychologique et cognitif ainsi que didactique de la modélisation. Ils ont montré que plusieurs outils, basés sur la modélisation, ont été élaborés pour catégoriser savoir savant, savoir enseigné et fonctionnement de l'élève face à ces savoirs (Tiberghien, 1994).

De plus, apprendre par le biais de la modélisation dans l'enseignement des sciences a été le thème d'un numéro spécial de l'International Journal of Sciences Education (2000) comme l'évoquaient Maryline Coquidé et Jean-François Le Maréchal dans leur article. Elle disait que dans cette revue des questions sur les apports de la technologie informatique pour l'enseignement des sciences réalisée par Linn (2003). Deux principaux domaines parmi d'autres ont été abordés par l'auteur à savoir « la visualisation de phénomènes scientifiques » et « les modèles scientifiques et la simulation ».

La contribution des auteurs des articles figurant dans Aster (2006) orientait l'écriture « pour mieux connaitre la manière dont on peut enseigner et faire apprendre en concevant, en construisant, en manipulant et en adaptant des objets (réel ou virtuel) dans un but de modélisation scientifique ». Ainsi, la distinction entre enseigner la modélisation ou enseigner la modélisation et la simulation n'est pas toujours aisé comme l'annonçait Maryline Coquidé et Jean-François Le Maréchal. Dans cette optique, nous pouvons signaler la spécificité de notre recherche qui essaye de traiter la simulation au service de l'enseignement de la modélisation, d'où l'importance de montrer les fonctions de ces deux concepts tout en s'inspirant l'idée du même article.

Selon la même revue Aster (2006), le statut de la simulation a été un débat contradictoire entre les scientifiques et les épistémologues (Parrocha, 2000 ; Varenne, 2006). Ils le présentent comme étant « sorte d'expérience, outil intellectuel ou théorique d'analyse, ou bien intermédiaire entre théorie et source d'information sur la nature des choses ».Nous pouvons remarquer qu'il s'agit d'un outil expérimental associant ou non la théorie à la pratique (expérience) d'une part, et une source d'apprentissage (information) d'autre part. (Gilbert, 2004) signale que la modélisation et la simulation peuvent fonctionner comme « un pont entre théorie scientifique et monde réel et être soumis à l'expérience ». Mise à part le statut de la modélisation et de la simulation et si l'on aborde leurs fonctions, nous indiquons que Muriel Ney dans son article (intitulé : une typologie des fonctions des modèles formels : l'exemple de la biologie) propose une vision élargie sur la notion d'expérience en discutant de « différentes fonctions

pédagogiques des modèles et des simulateurs, et l'importance théorique d'une composante « expérientielle » dans ces enseignements ».Ainsi Muriel les considère comme instruments permettant l'exploration de la réalité, la description, l'explication, la prévision et l'aide à la prise de décision dans une remarquable diversité de rôles. Relativement à la simulation, nous confirmons ce qu'ont développé Maryline Coquidé et Jean-François Le Maréchal, en disant : « De même, les fonctions de la simulation peuvent varier dans chaque domaine concerné et dans chaque cas». Dans le cas de notre recherche, nous indiquons que le rôle de la simulation est d'aider les élèves de la première année secondaire à s'exprimer sur le modèle relatif à l'étude fonctionnelle d'un système technique (automatisé) pour pouvoir remplir et décrire les différentes composantes proposées par le schéma normalisé du système. Etant donné que les fonctions de la simulation varient selon le domaine d'usage et le champ concerné, et vu l'intérêt que donnent les chercheurs à ces notions, un numéro spécial de clefs CEA (2002), revue de commissariat à l'énergie atomique a été consacré à la simulation. Ainsi, elle suggère les titres des articles suivants : « simuler pour comprendre », « simuler pour concevoir » et « simuler pour agir ». Dans cette perspective, on peut dire que la simulation est un outil qui participe à l'acquisition du savoir chez les élèves d'une façon socioconstructiviste tout en les impliquant dans le processus d'apprentissage et la construction du savoir. Dans le même enchainement, nous pouvons dire que la simulation permet de faire évoluer les modèles mentaux des élèves vers des modèles plus scientifiques et ce, selon le model-based learning de la littérature anglophone Aster 2006.

Toujours en se référant à la même revue Aster (2006), nous avons choisi ce sous-titre vu la place qu'occupent la modélisation et la simulation dans la situation enseignement-apprentissage. Les auteurs montrent que « Dans l'enseignement par la modélisation et la simulation l'objectif pédagogique principal est que les élèves construisent des savoirs en modélisant des phénomènes scientifiques » ; comme déjà signalé, nous pouvons insister sur le processus social de l'apprentissage. Dans le même ordre d'idée, Maryline Coquidé et Jean-François Le Maréchal disent : « L'utilisation de

la simulation en classe peut aussi remettre en question l'idée que l'on se fait de la notion d'étayage ou échafaudage (scaffoling) ».A titre de rappel et selon les auteurs, l'étayage genre de soutien, notion issu du modèle socioconstructiviste vygotskien l'apprentissage, doit permettre « à l'élève ou à l'étudiant d'exercer une activité cognitive au-delà de capacités acquises ». Avec l'innovation et le développement exponentiel des technologies informatiques et leurs exploitations dans le milieu scolaire, une question se pose : Dans quelle mesure la simulation en tant qu'outil informatique favorise-elle la contribution à cet étayage au court de l'apprentissage ? Plusieurs chercheurs (Guzdial, 1995 ; Linn, 1995 ; Bell & Davis, 2000) ont proposé des éléments de discussions à ce propos.

Un parmi les points qui nous parait primordial à traiter dans notre recherche, est l'impact de la simulation et la modélisation sur l'apprentissage des élèves dans le domaine technologique en particulier sur les modèles des systèmes techniques (automatisés). Dans notre ressource (Aster, 2006), les auteurs ont annoncé dans un paragraphe intitulé (Evaluer un impact) ce qui suit : «Il peut s'agir de mieux connaitre les usages scolaires de l'enseignement, et l'impact sur les apprentissages, de la modélisation et de la simulation »

En ce qui nous concerne, nous nous posons la question suivante :Comment la simulation influe-elle la modélisation, autrement dit, sur la façon avec laquelle les élèves s'expriment pour remplir le modèle d'un système étudié ?A ce propos de longues études ont comparé les effets sur l'enseignement basé sur l'emploi de la simulation dans l'apprentissage par rapport à celui assuré par méthode transmissive sous forme d'exposé. Ces études ont touché beaucoup de disciplines à savoir la biologie (Riversb & Vockell, 1987), la mécanique (Riebert, Boyce & Assad, 1990) et l'électricité (Carlsen & André, 1992). Les travaux de (Jong et al, 1999) ont montré que l'emploi de la simulation dans l'enseignement est plus efficace ce qui offre: « les possibilités d'investigation et de découverte ».

Parler des simulations fait rappeler l'environnement informatique, par conséquent impliquer les logiciels utilisés pour concevoir une animation servant comme simulation. De point de vue technique, confectionner et concevoir une simulation nécessite une maitrise rigoureuse de l'outil informatique à savoir les logiciels adéquats tels que : Flash, Solid Works, 3DS MAX, Power Point... Certains enseignants chevronnés utilisent les applets Java et d'autres programmes permettant la création de leurs propres animations. De plus des phases demeurent importantes pour aboutir à la réalisation d'une simulation. Nous pouvons les résumer comme suit :

Une fois la simulation est achevée, nous passons à son exploitation didactique lors d'une séance d'enseignement et apprentissage en classe.

Au cours de la 4ème conférence international : Sciences de l'électronique, technologies d'information et de télécommunication (4th International Conference : Sciences of electronic, Technologies of Information and Telecommunications) Organisé en Tunisie en 2007, un article publié par (Ammar Brika & Amar Balla, 2007) décrit les différentes étapes nécessaires pour exploiter pédagogiquement une animation. Ils indiquent ce qui suit :

créer et préparer les conditions d'apprentissage : concevoir des activités d'apprentissage ,
·

mettre l'apprenant en situation d'apprendre, gérer et réguler les démarches d'apprentissage,

gérer et réguler le fonctionnement en groupe organisation, répartition, réalisation des tâches et des rôles.

Avant, pendant et après l'usage des animations. Ainsi nous résumons ces phases

Avant l'utilisation de la simulation.	Pendant l'utilisation de la simulation.	Après l'utilisation de la simulation.
C'est une phase de conception et d'anticipation	C'est la phase de l'exécution et d'apprentissage	C'est la phase de l'analyse et de remédiation.

Tableau 01 : Phases d'utilisation de la simulation. s. Types et natures des simulations :

Suite à nos recherches établies sur les simulations utilisées dans le domaine de l'enseignement scientifique et technique, et selon les études que nous avons suivies lors du Mastère des nouvelles technologies éducatives (NTE), nous avons rencontré une panoplie de catégories de simulations. Cette diversité de supports est définie majoritairement par les objectifs spécifiques fixés avant les séances d'apprentissage d'une part et par la nature et les caractéristiques associées à chaque discipline d'autre

part, ceci est remarquable dans les sciences de l'environnement et de la terre, des sciences physiques et mécaniques...

Des simulations passives ou inertes : elles décrivent le phénomène à étudier sans impliquer l'apprenant dans le processus d'apprentissage. Elles servent comme éléments introductifs sollicitant l'attention des apprenants et ses premières réflexions. Cela les aide à entamer le thème à étudier et avoir une idée sur ses prérequis et/ou ses pré-acquis ou comme une aide didactique qui résume et récapitule le sujet étudié ou qui explique un phénomène abstrait ou difficile à imaginer comme la solution qu'a proposé Jalel Saadi dans sa thèse pour expliquer la notion du vecteur de Fresnel et son fonctionnement dans ce qu'il a appelé « une simulation modélisante » comme nous avons déjà signalé.

Des simulations interactives ou actives : elles impliquent l'apprenant dans le processus d'apprentissage. Il intervient directement et à son propre rythme dans le processus d'apprentissage, comme il peut collaborer avec ses paires pour contribuer à l'acquisition des savoirs. Cette catégorie de simulation favorise l'apprentissage selon une approche socioconstructiviste.

Des simulations que nous appelons « puzzle » : Elle est composée de plusieurs éléments détachés et indépendants constituant le système à étudier et c'est à l'apprenant de les réunir les organiser pour confectionner le système et le savoir à acquérir. Cette catégorie de simulation a les mêmes caractéristiques que la précédente avec l'ajout de la possibilité de fabrication des supports propres et spécifiques à l'apprenant ou d'établir un diagnostic pour proposer des solutions et améliorer le système. Nous avons rencontré ce type de simulation surtout dans la discipline des sciences de la vie et de la terre qui est devenue sciences de l'environnement et sciences de la vie.

Parmi les concepts clefs utiles et centraux pour notre recherche est celui des conceptions appelées encore représentations. Ce concept est nomade, on le trouve dans

pas mal de champs disciplinaires tels que la sociologie, la psychologie cognitive, la psychologie sociale....). (Astolfi & Al, 1997) explique que les conceptions d'un sujet désignent le « déjà-là au moment de l'enseignement d'une notion, et susceptible d'influencer l'apprentissage ».Il est à signaler que cette explication est relative aux apprenants, mais dans notre étude nos traiterons celles qui intéressent les enseignants. « Le commun » ou encore le « déjà connu », même s'il n'est pas juste, influence le processus d'enseignement et apprentissage. Il constitue chez les élèves un système explicatif, organisé, personnel et fonctionnel. C'est Jean Migne qui fut parmi les chercheurs à introduire le terme conception en didactique. Il écrit : « une représentation (conception) peut être considérée comme un modèle personnel d'organisation des connaissances par rapport à un problème particulier ». Donc c'est une façon de penser sur un savoir selon ce que possède l'apprenant comme connaissances antérieures. C'est aussi l'exploitation de ces connaissances face à un problème rencontré lors de l'apprentissage. Dans son cours « La didactique des sciences physiques », Jalel Saadi présente les conceptions comme un ensemble d'informations, d'attitudes et d'opinions, formant un système explicatif personnel, structuré et organisé ayant comme fonction principale l'appréhension du monde physique. Ces conceptions disposent de certaines caractéristiques à savoir :

Contextuelle ténacité

Résistance Transversalité Cohabitation mentale Caractère évolutif

Savoir scolaire Conceptions

Dans une annexe relative au cadre didactique nous allons déposer un support qui développera d'avantage ces notions ainsi que d'autres nécessaires pour la compréhension de ce concept didactique intéressant.

L’enseignement des systèmes techniques automatisés.

12. Modélisation et simulation :