Objectifs.

Parmi les quelques domaines d'application où les ordinateurs peuvent apporter un réel progrès pédagogique, les simulations d'expériences me semblent depuis toujours constituer l'une des démarches les plus profitables.

Il existe de nos jours de nombreux produits multimédia qui se veulent éducatifs. La plupart d'entre eux n'apportent en fait pas grand chose d'autre que de la documentation.
Or, même si elle est très bien présentée, même si elle réunit l'image, le texte, le son en une synthèse parfois superbe, la documentation ne constitue jamais qu'un accessoire pédagogique.

S'ils veulent enseigner des démarches intellectuelles, des raisonnements, des méthodes de travail, les professeurs souhaiteront nécessairement utiliser d'autres outils que ces encyclopédies, aussi perfectionnées soient-elles.

L'ordinateur mérite mieux que d'être compris seulement comme une sorte de livre animé dont les pages tournent toutes seules. C'est en fait un outil tout à fait nouveau et fantastique, auquel il est possible de communiquer une sorte de comportement, une certaine capacité de réagir aux interventions de son utilisateur en fonction d'une logique prédéterminée, comme le ferait un organisme biologique, un avion, un appareil de mesure ou une machine.

Lorsqu'il est programmé ainsi, l'ordinateur peut devenir un véritable partenaire pour l'exploration d'un domaine du savoir, une sorte de miroir qui renverra à son utilisateur l'image de sa propre intelligence.

Le logiciel véritablement didactique devra donc être imaginé plutôt comme une mission d'exploration dans un pays inconnu : un "micro-monde", dans lequel l'utilisateur pourra se promener à sa guise, tenter des expériences, résoudre des énigmes. Chargé d'un travail de recherche, l'utilisateur devra disposer d'un maximum de liberté pour décider lui-même sa démarche, chercher un fil conducteur, émettre des hypothèses, mesurer, faire des essais ... et donc aussi des erreurs.

Le droit à l'erreur devrait être une composante essentielle de tout processus d'apprentissage.

Or, si nous sommes persuadés que l'avènement des micro-ordinateurs peut réellement améliorer la pratique pédagogique, c'est à la condition que les programmes tournant sur ces ordinateurs soient conçus de manière à stimuler un véritable travail d'investigation chez l'élève qui est amené à les utiliser.

Les professeurs qui enseignent des branches scientifiques savent bien que les méthodes pédagogiques les plus efficaces sont celles qui mobilisent au maximum l'activité de l'élève en classe, comme c'est le cas lors de séances de travaux pratiques, par exemple. L'élève effectuant une expérimentation apprend en effet bien davantage une démarche plutôt que des notions; il doit directement réaliser une certaine performance, concrète, d'une manière relativement autonome; il doit donner des preuves de sa compréhension du langage scientifique, il doit communiquer avec ses condisciples, il doit chercher des renseignements, il doit rédiger un rapport - et donc produire son propre texte - décrivant ce qu'il a fait, ce qu'il a compris, etc.
Tous ces apprentissages sont des acquis bien plus durables et bien plus utiles que les notions péniblement mémorisées à la suite de leçons magistrales "traditionnelles".

La simulation d'expériences scientifiques sur ordinateur propose à son utilisateur une démarche similaire, avec une différence importante : Lors de travaux pratiques concrets, l'instructeur est généralement forcé de fournir à ses élèves des directives techniques extrêmement précises, sous peine d'aboutir à un désastre (destruction de matériel, gaspillage, blessures même ...). Dans une simulation d'expérience, par contre, il est possible d'accorder à l'expérimentateur une totale liberté d'action, et donc ce droit à l'erreur que nous estimons si important.

Conception d'un logiciel de simulation.

Il existe de nombreuses manières de simuler une expérimentation scientifique, et le risque est grand de présenter, dans une simulation mal conçue, une image de la réalité trop simpliste, déformée, ou même carrément fausse. Il faudra donc choisir méticuleusement les données et les modèles intervenant dans la simulation.

D'autre part, il n'est pas souhaitable que l'utilisateur d'un logiciel pédagogique doive au préalable étudier un langage de programmation, un jargon technique laborieux, ni même un mode d'emploi compliqué. Il faut que le "pilotage" d'un programme didactique reste une opération aussi naturelle que possible.

De notre point de vue, un bon programme de simulation expérimentale à but pédagogique doit réunir les caractéristiques suivantes :

• En premier lieu, il ne doit pas remplacer l'expérimentation concrète, si celle-ci est réalisable. Le contact avec l'être vivant, l'utilisation d'instruments et de techniques, la prise de conscience de la complexité naturelle qu'apportent les manipulations expérimentales réelles, sont irremplaçables. On simulera donc plutôt des expériences qui sont trop longues, trop coûteuses, trop délicates, trop dangereuses, etc. pour pouvoir être menées concrètement en classe. La simulation d'une expérience concrètement réalisable peut cependant trouver sa place en complément de travaux pratiques réels, si cette simulation permet d'éviter la répétition d'opérations de routine fastidieuses.
• Le programme de simulation doit être simple à utiliser, mais son objet doit être relativement complexe : il faut que le système soumis à expérimentation résiste suffisamment à une analyse superficielle, pour que l'utilisateur soit véritablement forcé de mener une recherche, qu'il soit poussé à se poser des questions, à effectuer des essais. L'étudiant doit comprendre d'emblée que l'on attend de lui un travail d'une certaine importance.

• Il doit placer l'utilisateur dans une situation de travail aussi proche que possible des conditions expérimentales réelles, exploitant à cet effet les possibilités graphiques étendues que présentent les ordinateurs modernes. Le rôle de l'image est primordial. L'utilisateur doit pouvoir poser des actes semblables à ceux qu'il accomplirait dans un véritable laboratoire. Il doit voir les instruments scientifiques ainsi que l'objet d'expérience. Il doit pouvoir manipuler.
  Les résultats d'une expérience doivent lui être montrés, et non décrits.
  C'est l'expérimentateur qui doit observer et interpréter des résultats : un logiciel qui le ferait à sa place ne serait pas un bon logiciel didactique.

• L'expérience simulée doit l'être avec suffisamment de détails et de réalisme, pour ne pas masquer la complexité du réel, dont on n'explore en fait qu'un modèle. L'utilisateur doit pouvoir garder à l'esprit qu'une expérience scientifique consiste toujours à faire abstraction d'une multitude de paramètres pour étudier le rôle d'un seul ou de quelques-uns d'entre eux seulement. Même dans une simulation, il faut que l'expérimentateur soit confronté au problème du repérage des paramètres significatifs. Cela suppose donc qu'un nombre suffisant de ces paramètres soient accessibles, laissant à l'utilisateur la liberté de choisir une stratégie expérimentale, de faire des erreurs, et de réfléchir, surtout ...

  Le concepteur d'un logiciel de simulation se trouve ainsi devant un choix difficile : dans quelle mesure doit-il simplifier, ou au contraire compliquer le modèle mis en oeuvre ?
  

  • S'il choisit de simplifier sa représentation de la réalité, il permet à l'élève de centrer son attention sur l'essentiel, en lui évitant donc de se laisser distraire par des considérations accessoires. Mais cela signifie aussi que la situation analysée n'est peut-être plus qu'une image grossière de la réalité, sans valeur pédagogique véritable.
    
  • S'il choisit de construire un modèle plus complexe, il fournit à l'élève une image plus fidèle de la réalité, ce qui constitue un objectif honorable; mais cela entraîne souvent la conséquence que le programme devient difficile à utiliser, et/ou s'exécute trop lentement. L'utilisateur laissé à lui-même devant un trop grand choix d'options hésite devant le nombre de décisions à prendre, ne parvient pas à définir un cheminement expérimental, se fourvoie dans des opérations inutiles, ne comprend plus l'objet même du travail.
  
  Equilibrer ces préoccupations contradictoires est affaire délicate. La seule méthode satisfaisante consiste à tester le logiciel en classe, avec des élèves d'origines diverses, et à le modifier en fonction de l'expérience acquise.

• La structure du programme ne doit pas être trop linéaire, de telle sorte que l'utilisateur puisse cheminer à son gré dans la simulation, qu'il puisse se tromper, se perdre même, dans une certaine mesure, s'il ne travaille pas avec méthode. Ceci est nécessaire, afin de promouvoir un objectif pédagogique important, qui est d'apprendre à l'élève à élaborer une stratégie expérimentale. Je pense que la simulation d'expériences sur ordinateur présente le grand avantage, par rapport à des techniques pédagogiques plus traditionnelles, y compris au laboratoire, qu'elle permet de mieux enseigner cette étape nécessaire de la démarche scientifique, que nous sommes bien souvent contraints de négliger par manque de temps. Grâce à l'ordinateur, en effet, on peut véritablement se permettre de faire aborder un problème aux élèves par la méthode des essais et erreurs, les laisser recommencer de nombreuses fois la même chose, leur apprendre à tester un seul paramètre à la fois, etc. Cela devient possible parce que les actions simulées sont réalisées très rapidement, et que la machine est évidemment dotée d'une patience sans limite ! Reconnaissons qu'au laboratoire, nous n'avons pratiquement pas le temps de procéder ainsi, et qu'à cause de cela, nous fournissons généralement à nos élèves des modes opératoires très (trop) directifs.

• Le logiciel de simulation peut en outre guider l'élève dans sa démarche, et mémoriser son travail. L'aide fournie doit cependant lui laisser un maximum de liberté de manoeuvre. C'est l'élève qui doit interpréter ce qu'il voit, et décider ce qu'il expérimente. Cela suppose aussi que l'on accepte de lui en laisser le temps. L'expérience montre qu'une bonne simulation occupe l'élève pendant au moins deux heures de cours. Si l'on veut qu'il puisse véritablement cheminer à son propre rythme, progressant à coups d'essais et d'erreurs, il faut lui donner le temps d'explorer un peu ... Il faudra donc que le programme de simulation soit conçu de telle sorte que l'on puisse l'utiliser de manière interrompue, par étapes, en plusieurs séances de travail successives. Il faudra que l'on puisse sauvegarder l'état du système sur disquette, à la fin d'une séance, pour reprendre le travail la fois suivante, à l'endroit exact où on l'avait interrompu. Il faudra aussi que le programme puisse mémoriser les principales actions entreprises par l'utilisateur, et lui en restituer un résumé à la demande.

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  Université de Liège