Conception et mises à l'essai d'un environnement d'apprentissage intégrant l'expérimentation assistée par ordinateur et la simulation assistée par ordinateur
Résumé
To make science laboratory sessions more instructive, we have developed a learning environment that will allow students enrolled in a mechanics course at college or university level to engage in a scientific modelization process by combining computer-simulated experimentation and microcomputer-based laboratories. The main goal is to assist and facilitate both inductive and deductive reasoning. Within this computer application, each action can also be automatically recorded and identified while the student is using the software. The most original part of the environment is to let the student compare the simulated animation with the real video by superposing the images.
We used the software with students and observed that they effectively engaged in a modelization process that included both inductive and deductive reasoning. We also observed that the students were able to use the software to produce adequate answers to questions concerning both previously taught and new theoretical concepts in physics. The students completed the experiment about twice as fast as usual and considered that using the software resulted in a better understanding of the phenomenon.
We conclude that this use of the computer in science education can broaden the range of possibilities for learning and for teaching and can provide new avenues for researchers who can use it to record and study students' path of reasoning. We also believe that it would be interesting to investigate more some of the benefits associated with this environment, particularly the acceleration effect, the improvement of students' reasoning and the equilibrium between induction and deduction that we observed within this research.
We used the software with students and observed that they effectively engaged in a modelization process that included both inductive and deductive reasoning. We also observed that the students were able to use the software to produce adequate answers to questions concerning both previously taught and new theoretical concepts in physics. The students completed the experiment about twice as fast as usual and considered that using the software resulted in a better understanding of the phenomenon.
We conclude that this use of the computer in science education can broaden the range of possibilities for learning and for teaching and can provide new avenues for researchers who can use it to record and study students' path of reasoning. We also believe that it would be interesting to investigate more some of the benefits associated with this environment, particularly the acceleration effect, the improvement of students' reasoning and the equilibrium between induction and deduction that we observed within this research.
En considérant que les séances au laboratoire de sciences pouvaient être plus formatrices et que la conservation d'un lien strict avec la réalité pouvait influencer l'apprentissage du processus de modélisation scientifique, nous avons conçu et développé un environnement d'apprentissage permettant d'assister les élèves dans la réalisation d'un ensemble d'étapes de raisonnement inductif et déductif. Nous avons utilisé pour cela certaines des potentialités que peut offrir le couplage d'un système d'expérimentation assistée par ordinateur et d'un système de simulation assistée par ordinateur. D'un point de vue didactique, l'environnement développé permettait aussi d'identifier les actions posées par les élèves lors de leur implication dans un processus de modélisation. Ce qui est le plus novateur dans cet environnement, c'est de permettre à l'élève, après avoir extrait des mesures à partir d'une séquence vidéo et les avoir modélisées, de réaliser ensuite une simulation, en animation, de manière à comparer celle-ci, par une superposition directe des images, avec la réalité filmée.
Lors des mises à l'essai faisant intervenir des élèves de physique mécanique au collégial, nous avons observé qu'ils se sont engagés dans un processus de modélisation faisant intervenir des étapes de raisonnement inductives et déductives qui ont été identifiées automatiquement et avec une relative fidélité par l'environnement d'apprentissage. Nous avons aussi observé que les élèves ont réussi à utiliser l'environnement d'apprentissage pour obtenir des réponses satisfaisantes à des questions dont certaines concernaient des éléments de théorie vue en classe et d'autres concernaient des éléments nouveaux. Les élèves ont complété l'expérience plus de deux fois plus rapidement que normalement et se sont montrés d'avis que l'environnement d'apprentissage permettait de mieux comprendre le phénomène physique que les expériences précédentes de la même session.
Nous en concluons que cette nouvelle façon de concevoir l'utilisation de l'ordinateur dans l'enseignement et l'apprentissage des sciences que nous avons mise en œuvre et mise à l'épreuve à travers ce développement structuré d'un outil didactique enrichit vraisemblablement l'éventail des possibilités offertes aux élèves et aux professeurs, qui pourraient utiliser l'environnement pour apprendre et faire apprendre, mais aussi aux didacticiens, qui pourraient utiliser l'environnement pour suivre les cheminements d'élèves engagés dans un processus de modélisation. Il serait aussi, à notre avis, intéressant d'explorer, par des expérimentations contrôlées avec de grands échantillons, certains mérites propres associés à cette nouvelle façon de concevoir l'utilisation de l'ordinateur, dont certains comme l'accélération temporelle, l'enrichissement du raisonnement et l'équilibre entre l'induction et la déduction, ont été observés dans nos échantillons.
Lors des mises à l'essai faisant intervenir des élèves de physique mécanique au collégial, nous avons observé qu'ils se sont engagés dans un processus de modélisation faisant intervenir des étapes de raisonnement inductives et déductives qui ont été identifiées automatiquement et avec une relative fidélité par l'environnement d'apprentissage. Nous avons aussi observé que les élèves ont réussi à utiliser l'environnement d'apprentissage pour obtenir des réponses satisfaisantes à des questions dont certaines concernaient des éléments de théorie vue en classe et d'autres concernaient des éléments nouveaux. Les élèves ont complété l'expérience plus de deux fois plus rapidement que normalement et se sont montrés d'avis que l'environnement d'apprentissage permettait de mieux comprendre le phénomène physique que les expériences précédentes de la même session.
Nous en concluons que cette nouvelle façon de concevoir l'utilisation de l'ordinateur dans l'enseignement et l'apprentissage des sciences que nous avons mise en œuvre et mise à l'épreuve à travers ce développement structuré d'un outil didactique enrichit vraisemblablement l'éventail des possibilités offertes aux élèves et aux professeurs, qui pourraient utiliser l'environnement pour apprendre et faire apprendre, mais aussi aux didacticiens, qui pourraient utiliser l'environnement pour suivre les cheminements d'élèves engagés dans un processus de modélisation. Il serait aussi, à notre avis, intéressant d'explorer, par des expérimentations contrôlées avec de grands échantillons, certains mérites propres associés à cette nouvelle façon de concevoir l'utilisation de l'ordinateur, dont certains comme l'accélération temporelle, l'enrichissement du raisonnement et l'équilibre entre l'induction et la déduction, ont été observés dans nos échantillons.