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Publié le 5 mai 2013 | Physique

Les simulations numériques PhET : un solide outil pédagogique pour l’apprentissage de la physique

C’est dans le cadre d’un projet PREP (Programme de recherche et d’expérimentation pédagogiques) que l’enseignant Pascal Larouche a constaté l’effet cognitif non négligeable des activités de simulation interactives (PhET) dans l’apprentissage des notions de physique, notamment lors d’expérimentations où l’étudiant explore un phénomène et interagit avec un objet.

Le matériel développé par Carl Wieman

Lorsque Carl Wieman obteint le prix Nobel en 2001 (avec Eric Cornell et Wolfgang Ketterle) pour ses travaux sur les condensats de Bose-Einstein, il profita des récompenses financières accompagnant la distinction pour établir une fondation pour l'enseignement de la physique. L’une des réalisations importantes du PhET™ project animé par un groupe de chercheurs de l’Université du Colorado aura été de produire des simulations informatiques destinées à l’apprentissage de la physique et des autres sciences de la nature.

Les PhET (Physics Education Technology) sont le résultat d’un long processus d'élaboration passant par la définition des objectifs d'apprentissage, le design, la mise à l’épreuve par des étudiants des versions préliminaires et plusieurs utilisations en classe.

Principales qualités du matériel et sujets couverts

Les principales qualités de ces simulations sont :

  1. Être accessibles sans contrainte sur le web
  2. Pouvoir être utilisées en classe avec un minimum d'encadrement
  3. Permettre à l’étudiant de poser certaines actions lors de l’exécution de la simulation et d'obtenir une réponse immédiate
  4. Les défis que les simulations posent ne sont ni trop faciles, ni trop difficiles.

L’illustration ci-dessous donne un exemple d’une simulation portant sur les circuits électriques. L’étudiant peut reproduire les caractéristiques d'authentiques circuits électriques avec les outils fournis et plusieurs composantes.

Exemple d'une simulation PhET permettant de réaliser des circuits électriques

Exemple d'une simulation PhET permettant de réaliser des circuits électriques

Plus d’une centaine de simulations sont offertes en français sur des sujets aussi divers que la loi de Beer-Lambert, l’électricité statique ou l'induction de Faraday. Elles peuvent être facilement exécutées sur la plupart des ordinateurs, car elles emploient la technologie Java.

Leur utilisation dans mes cours

Les PhET ont été employées régulièrement pendant des cours de la session d’automne 2011 et d’hiver 2012. Elles accompagnèrent mes présentations théoriques, puis elles ont été employées lors de plusieurs activités virtuelles. Ces activités se déroulaient au laboratoire et elles étaient structurées un peu à la manière d'une expérience, mais avec une simulation plutôt que du matériel. Au début de la séance, chaque équipe recevait un document comportant 3 types de questions visant à atteindre les objectifs suivants :

  1. Appropriation du vocabulaire : les premières manipulations servaient à illustrer des phénomènes que les étudiants devaient décrire en complétant un texte troué. L'objectif est d'inciter les étudiants à s'approprier le vocabulaire pertinent.
  2. Exécution de calculs et formulation d’observations : par la suite, des problèmes complexes leur étaient présentés. Les animations leur permettaient d’exécuter des calculs. Ces problèmes ressemblent à ceux qu'il est possible de trouver dans les manuels de physique employés au niveau collégial.

Corpus de recherche

Un bassin de 57 étudiants provenant de trois groupes-classes ont participé à la recherche.

  • Groupe 1 : 23 étudiants de technologie de radiodiagnostic
  • Groupe 2 : 16 étudiants de technologie de radiodiagnostic
  • Groupe 3 : 8 étudiants inscrits au programme Sciences, lettres et art

Le questionnaire CLASS a été passé au début et à la fin des cours. Il est constitué de 42 énoncés touchant la perception que les étudiants ont de la physique. À chaque énoncé, les étudiants doivent inscrire un pointage variant entre 1 et 6, ce dernier impliquant que l'étudiant est totalement en accord avec l'énoncé. Le questionnaire est construit de telle sorte qu'un expert en physique inscrirait systématiquement le pointage 6. Voici un exemple d'énoncé: Lorsque j'étudie quelque chose, je ne suis réellement satisfait que lorsque je comprends comment il fonctionne.

En combinant le pointage obtenu aux différents énoncés, il a été possible d'évaluer des aspects cognitifs de l'apprentissage, soit la rétention, la qualité de la compréhension et des habilités cognitives générales. L'évolution de ces aspects a été évaluée en comparant les réponses fournies au début et à la fin de la session.

Impact des simulations PhET

Le graphique suivant montre la variation moyenne pour chaque énoncé entre le début et la fin des cours visés. On voit qu'à la plupart des questions, l'évolution est positive.

Variation moyenne pour chaque énoncé entre le début et la fin des cours visés

Variation moyenne pour chaque énoncé entre le début et la fin des cours visés

En analysant ces résultats, on peut montrer que les simulations semblent avoir eu un impact modeste sur la motivation. Par contre, en ce qui concerne la qualité de la compréhension et le développement des habiletés cognitives, l'effet est marqué. Cet impact positif a été évalué en soumettant aux étudiants des questions complexes dont les thèmes abordés avaient été étudiés avec et sans les simulations. Le graphique suivant montre le résultat moyen à ces questions.

Résultats moyens à des problèmes complexes

Résultats moyens à des problèmes complexes

Faites-vous usage d’activités de simulation interactives dans votre enseignement des sciences?

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