MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 1

MeTAH Leibniz SEED

Conception d’un protocole expérimental avec un

logiciel dédié

Isabelle Girault, Cédric d’Ham et Mustafa Ergun

MeTAH, Université Joseph Fourier, Grenoble

MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 2

MeTAH Leibniz SEED

Les travaux pratiques et la tâche de conception de protocole

Educaffix : un prototype pour la conception de protocole en chmie Description

Evaluation

Le projet COPEX : conception de protocoles en biologie, chimie, physique et sciences de la terre

Plan

MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 3

MeTAH Leibniz SEED

La démarche expérimentale

Modèle - ThéorieMonde du réel

Concevoir une expérience

Réaliser l’expérience

Conclure

Suggérer des hypothèses

Définir le problème

Traiter les résultats

Interpréter les résultats

MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 4

MeTAH Leibniz SEED Objectifs d’apprentissage

Contenu

1 - Identifier des objets et des phénomènes et devenir familier avec eux

2 - Apprendre un fait

3 - Apprendre un concept

4 - Apprendre une relation

5 - Apprendre une théorie / un modèle

Procédure

6 - Apprendre à utiliser un instrument classique de laboratoire ou un appareil

7 - Apprendre à exécuter un protocole

8 - Apprendre à planifier une investigation pour répondre à une question ou un problème spécifique.

9 - Apprendre à traiter des résultats

10 - Apprendre à utiliser des données pour proposer une conclusion

11 - Apprendre à communiquer les résultats du travail

Tiberghien et al. – Science Education 2001

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MeTAH Leibniz SEED Structure des travaux pratiques

Concevoir une expérience

Réaliser l’expérience

Conclure

Suggérer des hypothèses

Définir le problème

Traiter les résultats

Interpréter les

résultats

MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 6

MeTAH Leibniz SEED

Tâche principale : résoudre le problème

T1.1T1.2

T1.3

Le protocole expérimental :un arbre des tâches

T2.1

T2.3

T2.2

T2.4

T2.5

T2.6

T2.7

T3.1

T3.2

T3.3

T3.4

T3.5

T3.6

T3.7

T3.8

T3.9

T3.10

Action

Objectif

Paramètres

Méthode Equipement

Procédure gestuelle

MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 7

MeTAH Leibniz SEED

Concevoir un protocole : une tâche complexe

Les difficultés rencontrées

L’assistance

Les apprentissages

3 questions de recherche

1 hypothèse

La conception de protocole aide les élèves à s’approprier l’ensemble de la démarche expérimentale

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MeTAH Leibniz SEED

Educaffix

Internet

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MeTAH Leibniz SEED Scenario pédagogique

Evaluation du protocole par le

logiciel

Demande d'évaluation

Modification du protocole

Arrêt de la manipulationpar l’élève

Manipulation et rapatriement des

données

Evaluation positiveDémarrage de la

manipulation

Fin de la manipulation

robotisée

Présentation des objectifs du TP

Conception du protocole

Traitement des données

MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 10

MeTAH Leibniz SEED

Pré-structurer le protocole expérimental dans Educaffix

Déterminer la concentration du colorant rouge dans le sirop de grenadine

T1.1T1.2

T2.1

T2.3

T2.2

T2.4

T2.5

T3.1

T3.2

T3.3

T3.4

T3.5

T3.6

T3.7

T3.8

T3.9

T3.10

Etapes Etc.

Actions-Objectif-Paramètre-Equipement

MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 11

MeTAH Leibniz SEED

Interface de conception de protocole

MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 12

MeTAH Leibniz SEED Le tuteur artificiel

Cohérence interne des actions Cohérence entre les paramètres Adéquation du matériel choisi Conformité de la sécurité

Cohérence entre les actions par rapport aux objectifs du TP Le protocole répond-il au problème posé ?

Le protocole conduit-il à un résultat significatif ?

• Actions et leur arrangement

• Paramètres

MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 13

MeTAH Leibniz SEED

Interface des rétroactions du tuteur

MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 14

MeTAH Leibniz SEED

Evaluation du logiciel :questions de recherche

Question (1) Evaluation de la capacité des élèves à concevoir un protocole

cohérent par rapport au problème initial

Hypothèse : ils ont des difficultés liées :

• aux concepts (conceptions, contrat didactique)

• à la déportation de la manipulation

Question (2) Evaluation des apprentissages associés à la conception de

protocole.

Hypothèse : la conception de protocole favorise l’apprentissage de connaissances procédurales.

MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 15

MeTAH Leibniz SEED

Carte conceptuelle

Détermination de la concentration d'une substance par spectrophotométrie

Utiliser un spectrophotomètre

Choisir la référence

Choisir le domaine de concentration de la GE

Réaliser une gamme étalon (GE)

Choisir l'étalon

Faire une dilution

Rincer le matériel

Homogénéiser la solution

Choisir la longueur d'onde

Lumière

Longueur d'ondeAbsorbance

Spectre d'absorbance

Additivité des absorbances

Loi de Beer-Lambert (BL)

Espèce en solution

Concentration

Homogénéité d'une solution

Quantité de matière

Solvant Composé chimique

Savoirs procéduraux

Savoirs théoriques (Concepts)

Domaine de validité de la loi de BL

MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 16

MeTAH Leibniz SEED Méthodologie

Conception du protocole avec

Educaffix

5 semaines 4 semaines

Post-testPré-test

56 étudiants (binôme), 2 classes de terminale S

Interviews des enseignants

• Protocole final• Traces logicielles• Enregistrements

audio

Questionnaire :• 6 savoirs

théoriques• 5 savoirs

procéduraux

Questionnaire :• 6 savoirs

théoriques• 5 savoirs

procéduraux

Evaluation du contrat didactique

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MeTAH Leibniz SEED Résultats (1)

Des étudiants réussissent totalement la tâche(90 minutes) 14 / 28 groupes parviennent à la fin du protocole

7 / 28 groupes conçoivent un protocole valable (>95%)

Q1: Evaluation de la capacité des élèves à concevoir un protocole cohérent par rapport au problème initial

MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 18

MeTAH Leibniz SEED Résultats (2)

Difficultés rencontrées : 5 conceptions détectées

13 / 28

4 / 28C4 : la longueur d’onde n’a pas d’influence sur l’absorbance d’une solution

13 / 26C3 : le domaine de validité de la loi de Beer-Lambert est illimité

11 / 28C2 : dans une solution, la concentration en soluté est homogène

17 / 28C1 : l’eau n’a pas d’influence sur le système chimique

Des difficultés identifiées comme un problème de contrat (rincer le matériel, choisir la longueur d’onde)

Des difficultés identifiées comme une conséquence de la manipulation déportée dans le temps

C5 : la solution de référence est constituée de la solution mère

MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 19

MeTAH Leibniz SEED Résultats (3)

Pré-test et post-test Connaissances théoriques

Q2 : Evaluation des apprentissages

T1 : Concentration molaire

T2 : Homogénéité

T3 : Longueur d’onde

T4 : Spectre d’absorbance

T5 : Loi de BL

T6 : Additivité des absorbances

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

T1 T2 T3 T4 T5 T6

Connaissances théoriques

%pré-test

post-test

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MeTAH Leibniz SEED Résultats (4)

Pré-test et post-test Connaissances procédurales

Q2 : Evaluation des apprentissages

P1 : Rincer le matériel

P2 : Faire une dilution

P3 : Homogénéiser

P4 : Application de BL

P5 : Choisir la référence

010

20304050

607080

90100

P1 P2 P3 P4 P5

Connaissances Procédurales

%pré-test

post-test

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MeTAH Leibniz SEED Résultats (5)

Pré-test et post-test

Conception de protocole avec Educaffix Tâches liées à des connaissances procédurales : + 7% à + 67%

Hypothèse : une connaissance procédurale est construite lorsque l’apprenant met en relation le problème expérimental avec les connaissances théoriques associées

=> Interactions verbales

Q2 : Evaluation des apprentissages

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MeTAH Leibniz SEED Educaffix: conclusions

Le logiciel permet de concevoir un protocole d’expérience

Limitations du robot sur le scénario d’apprentissage

Acquisition de connaissances procédurales

Stratégie “essai-erreur” possible avec le tuteur

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MeTAH Leibniz SEED

Le projet COPEX

Concevoir des protocoles en biologie, chimie, physique et sciences de la

terre

MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 24

MeTAH Leibniz SEED COPEX: 3 étapes

Caractérisation des protcoles expérimentaux dans les TP actuels (terminale, L1 et L2)

Construire et évaluer des séances de TP dans lesquelles les apprenants conçoivent un protocole

Spécifications pour un environnement informatique dédié à la conception de protocole en sciences expérimentales

MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 25

MeTAH Leibniz SEED

Structure possible de l’EIAH

Module de conception de protocoles> apprenant

Module de suivi> enseignant

Contenus

Module de spécification des TP > enseignant

Scénario

Simulations

TP labo

Tuteur artificiel

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