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.
Combiner les expérimentations virtuelles et réelles
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...
