Apports de l’expérimentation virtuelle en sciences

Les logiciels d’expérimentations virtuelles (simulations, laboratoires virtuels) permettent aux élèves d’observer des phénomènes dangereux, coûteux ou inacessibles, qui seraient difficiles, voire impossible, à réproduire dans un laboratoire scolaire. Lorsqu’ils sont utilisés en association avec les expérimentations réelles, ils améliorent les résultats d’apprentissage. Combiner les deux méthodes est la clé du problème.

Avec les développements technologiques et l’introduction des TICE dans les milieux éducatifs, les logiciels d’expérimentations virtuelles se sont multipliés et développés. Leur intégration dans les programmes officiels des disciplines scientifiques témoigne de la place importante qu’ils occupent dans l’enseignement et l’apprentissage en sciences. Ces logiciels permettent d’expérimenter des phénomènes dangereux, tels que les réactions chimiques polluantes, ou inaccessibles, comme le mouvement des électrons lors du fonctionnement d’un circuit électrique. Ils sont sécurisés, rendent les phénomènes plus visibles à petite échelle, facilitent la répétition des expériences et sont accessibles à tout moment même en dehors de l’école. Une revue de littérature publiée par des chercheurs de l’université de Loughborough (Royaume-Uni), en 2011, montre le rôle important de ces logiciels dans l’apprentissage des concepts scientifiques, dans l’évolution des compétences des élèves et dans leur implication dans une démarche d’investigation.

Par logiciels d’expérimentations virtuelles, les chercheurs désignent à la fois :

• les simulations, qui contiennent un modèle manipulable d’un système réel ou théorique, comme l’exemple présenté sur le site d’Eduscol du ministère de l’éducation nationale pour l’apprentissage de la théorie de l’évolution
• les laboratoires virtuels, qui permettent de reproduire des expériences d’un laboratoire réel. En chimie, par exemple, des logiciels permettent aux étudiants de choisir leurs solutions, de les mélanger et d’obtenir des informations détaillées concernant les manipulations virtuelles réalisées.

Les recherches récentes se sont tournées vers l’étude de l’impact de la combinaison des expérimentations réelles et virtuelles au sein d’une même séquence pédagogique. Nous présentons ici trois exemples d’études menées dans cette perspective en sciences physiques et en sciences de la vie et de la Terre.

En sciences physiques :

Zacharias Zacharia, chercheur au département des sciences de l’éducation de l’université de Chypre, a examiné le cas du fonctionnement des circuits électriques. Son expérience consistait à réaliser une étude comparative des performances de deux groupes d’étudiants en licence ayant suivi un cours en physique. Le premier groupe (43 étudiants) a utilisé le laboratoire réel (batteries, résistances et ampoules) pour conduire les expériences. Le deuxième groupe (45 étudiants) a eu recours au laboratoire dans la première partie du cours puis à l’expérimentation virtuelle (logiciel permettant de créer des circuits, de déplacer ses éléments et d’observer le mouvement des électrons lors de leur fonctionnement) dans la seconde partie. Le temps total passé sur les expériences était le même dans les deux groupes. Des tests de connaissances leur ont été appliqués avant, pendant et après l’intervention des enseignants pour évaluer la compréhension des étudiants du fonctionnement des circuits électriques. Les pré-tests révèlent que les étudiants avaient quasiment les mêmes connaissances initiales concernant les circuits électriques. Cependant, lors du post-test, les résultats du deuxième groupe ont été supérieurs à ceux du premier groupe. Cela permet de pointer un effet positif de l’usage de l’expérimentation virtuelle sur les connaissances des étudiants.

Des résultats similaires ont été obtenus par Mohammed Farrokhnia et son équipe de l’université de Téhéran, dans une étude comparant trois groupes d’étudiants en licence qui abordent les circuits parallèle et en série : un groupe (30 étudiants) utilisant des circuits physiques dans le laboratoire, un autre (35 étudiants) des simulations interactives et un troisième (35 étudiants) une combinaison des deux types de matériels. Les étudiants du troisième groupe ont eu de meilleures performances et un meilleur apprentissage conceptuel. En effet, ils ont pu profiter des avantages simultanés du matériel réel et virtuel dans la construction de circuits en parallèle et en série et la compréhension du fonctionnement des circuits électriques.

En sciences de la vie :

Une étude de Joseph Akpan et de son collègue Thomas Andre (université de l’Iowa, États-Unis) a examiné l’impact de l’utilisation d’un logiciel de simulation de dissection sur les performances des élèves de collège et leur compréhension de l’anatomie de la grenouille. L’étude compare les résultats de trois groupes d’élèves : le premier a réalisé la simulation informatique avant l’expérience réelle, le deuxième a effectué la dissection de grenouille avant de visualiser la simulation alors que le troisième a travaillé uniquement sur une dissection réelle. Le logiciel employé reproduit la dissection et fournit des informations sur les fonctions physiologiques des différents organes disséqués. Les expériences ont été menées sur 101 élèves de 13 à 15 ans ayant déjà effectué des dissections mais n’ayant jamais utilisé de simulations interactives de dissection. Les trois groupes ont répondu au même test de connaissances anatomiques avant et après la dissection. Le nombre total de réponses correctes au post-test était plus élevé chez le groupe ayant réalisé la simulation avant la dissection alors que les deux autres groupes avaient des résultats quasiment identiques. De plus, les élèves devaient enlever quinze organes au cours de la dissection et les placer dans la position appropriée sur une feuille de travail blanche. Les résultats du groupe dont la simulation a précédé la dissection étaient significativement supérieurs aux deux autres groupes.

Les résultats de ces recherches montrent que l’utilisation des simulations avant la dissection améliore les performances des élèves. En effet, selon les chercheurs, les simulations offrent aux élèves un environnement d’étude cognitif et constructif et leur permettent de mieux comprendre les structures et les fonctions anatomiques. Ces résultats ont été confirmés par Joseph Akpan quelques années plus tard avec une étude menée sur la dissection du ver de terre.

En conclusion, ces études montrent que la combinaison de l’expérimentation réelle et virtuelle pourrait promouvoir l’apprentissage des élèves et leurs performances plus que l’utilisation d’un seul type d’expérimentation. De plus, il apparaît que, selon les thèmes abordés, l’apport des logiciels d’expérimentations virtuelles est lié à l’ordre de présentation des activités réelles et virtuelles aux élèves.

Les résultats présentés ci-dessous montrent bien que le recours aux logiciels d’expérimentations virtuelles ne constitue pas une méthode de substitution des expérimentations réelles, mais un complément à ces expérimentations. L’expérimentation virtuelle implique également certaines limites.

Sufen Chen, chercheur à l’université de Taiwan, a réalisé une analyse de contenu de 300 logiciels d’expérimentations virtuelles en physique disponibles en ligne. Son étude révèle que les conditions idéales d’expérimentations sont utilisées par défaut dans la plupart des logiciels étudiés. Cependant, 20 % de ces logiciels permettent aux apprenants de fonder eux-mêmes les conditions expérimentales. De plus, 99 % des logiciels ne laissent pas aux élèves l’occasion de se tromper ni de réfléchir sur la conception expérimentale. Les logiciels étudiés sont configurés dans une logique linéaire basée sur la formulation d’hypothèses, l’expérimentation et la conclusion qui confirme ou réfute les hypothèses initiales. Les élèves ne sont pas guidés pour faire des évaluations, des inférences, des explications, des modifications d’expériences ou d’examens des données alors que ces tâches font partie intégrante du travail expérimental. Tout le raisonnement scientifique reste à faire et il nécessite l’interaction entre l’enseignant et ses élèves, le développement de l’argumentation et des débats au sein de la classe.

Les logiciels d’expérimentations virtuels sont aujourd’hui d’une importance considérable dans l’enseignement scientifique. Les recherches récentes se sont dirigées vers l’étude des bénéfices à dégager de la combinaison des deux types d’expérimentations : réelles et virtuelles. Les résultats des travaux présentés dans cet article montrent que leur association est très utile pour l’apprentissage scientifique. Le prochain pas des recherches consiste à mesurer l’impact de l’association des deux approches réelles et virtuelles dans des domaines et des contextes différents. Enfin, les logiciels d’expérimentations virtuelles ne peuvent pas se substituer complètement aux manipulations réelles et il est nécessaire de rester vigilant quant à leur utilisation étant donné l’image qu’ils peuvent véhiculer de la démarche scientifique.

Hanaà Chalak - Docteur en sciences de l’éducation et attachée temporaire d’enseignement et de recherche à l’IUFM des Pays de la Loire

date de publication : 01/06/2012

• Privilégier des approches « hybrides », réelles et virtuelles, de l’expérimentation afin de profiter de leurs apports simultanés.
• Selon le thème abordé, il est plus intéressant d’utiliser le logiciel avant, pendant ou après l’expérience de laboratoire.
• Encourager les élèves à développer leur raisonnement scientifique, en s’appuyant sur les logiciels d’expérimentation, mais aussi sur l’interaction enseignant-élèves, l’argumentation et les débats au sein de la classe.

• Abdulwahed M., Zoltan K. Nagy (2011), « The TriLab, a Novel ICT Based Triple Access Mode Laboratory Education Model », Computers & Education, nº 56, p. 262-274.
• Akpan J. Andre T. (1999), « The Effect of a Prior Dissection Simulation on Middle School Students’ Dissection Performance and Understanding of the Anatomy and Morphology of the Frog », Journal of Science Education and Technology, Vol. 8, nº 2, p. 107-121.
• Akpan J. (2002), « Which Comes First: Computer Simulation of Dissection or a Traditional Laboratory Practical Method of Dissection », Electronic Journal of Science Education, Vol. 6, nº 4 : http://wolfweb.unr.edu/homepage/crowther/ejse/akpan2.pdf.
• Chen S. (2010), « The View of Scientific Inquiry Conveyed by Simulation-Based Virtual Laboratories », Computers & Education, nº 55, p. 1123-1130.
• Crosier J.K., Cobb S., Wilson J.R. (2002), « KeyLessons for the Design and Integration of Virtual Environments in Secondary Science », Computers & Education, nº 38, p.77-94.
• Donnelly D., McGarr O., O’Reilly J. (2011), « A Framework for Teachers’ Integration of ICT into their Classroom Practice », Computers & Education, nº 57, p. 1469-1483.
• Educnet (2009), « La théorie de l’évolution et les TICE. Outils et ressources, logiciels »
• Farrokhniaa M. R., Esmailpour A. (2010), « A Study on the Impact of Real, Virtual and ComprehensiveExperimenting on Students’ Conceptual Understanding of DC Electric Circuits and their Skills in Undergraduate Electricity Laboratory », Procedia Social and Behavioral Sciences, nº 2, p. 5474-5482.
• Nonnon P. (1998), « Intégration du réel et du virtuel en science expérimentale », 8^es Journées Informatique et Pédagogie des Sciences physiques : http://tecfa.unige.ch/tecfa/teaching/staf11/textes/Nonnon.pdf.
• Gervasi O., Riganelli A., Pacifici L., Laganà A. (2004), « VMSLab-G: a Virtual Laboratory Prototype for Molecular Science on the Grid », Future Generation Computer Systems, nº 20, p.717-726.
• Zacharia Z.C. (2007), « Comparing and Combining Real and Virtual Experimentation: an Effort to Enhance Students’Conceptual Understanding of Electric Circuits », Journal of Computer AssistedLearning, nº 23, p.120-132.