Patricia Marzin et Muriel Ney

1. Concevoir des protocoles expérimentaux à distance : Quelle valeur ajoutée? Quelles difficultés? Patricia Marzin et Muriel Ney Laboratoire d’Informatique de Grenoble Equipe MeTAH (Modèles et Technologies pour l’Apprentissage Humain) Claire Wajeman, Isabelle Girault, Cédric D’Ham Clément Maisch, François N’Ziengue, Tinh Ha Truong, Gwendaël Chapel

2. Plan • Un scénario d’usage • Questions et objectifs de recherche • Un exemple : TP bac SVT • Un EIAH : COPEX

3. Un scénario d’usage

4. 1. Un scénario d’usage • Un élève de terminale prépare son bac à Canton (Chine). • Pour préparer les épreuves de TP de physique-chimie et SVT, il va utiliser le logiciel COPEX

5. 1. Un scénario d’usage Sujet 24 (Banque 2008) Sujet : Dosage du colorant E124

6. 1. Un scénario d’usage CoPEX

7. 1. Un scénario d’usage CoPEX

8. 1. Un scénario d’usage CoPEX

9. 2. Recherche

10. Le protocole au coeur de la démarche expérimentale Définir le probleme Laboratoire Concevoir le protocole Poser des hypothèses Réaliser l'expérience Rapport Conclure Traiter les données/résultats Interpréter les résultats Modèles & Théories

11. Protocole expérimental : définitions • Les instructions écrites que l'on prépare pour celui/celle qui va refaire l'expérience…

12. Protocole expérimental : définitions Liste ordonnée de tâches expérimentales (éventuellement conditionnelles) dont l’objectif est de déterminer des valeurs spécifiques en relation avec les hypothèses scientifiques qui sous-tendent le protocole. Chaque tâche est caractérisée par une intention explicite, par une procédure et par un ensemble de paramètres dont les valeurs doivent être fixées. Les niveau de détail donné pour décrire le protocole est lié au niveau de connaissance de la personne devant exécuter le protocole expérimental.

13. Recherche : questions • Quel est le rôle de la conception de protocole dans la démarche d’investigation ? • Que recouvre, en terme didactique, l’activité de conception de protocole expérimental pour les élèves et pour les enseignants ? • Modéliser l’activité de l’élève : les types de résolution que l’élève est susceptible d’engager.

14. Recherche : objectifs • Elaborer, mettre en œuvre et analyser des TP dans 4 disciplines expérimentales, centrés sur la conception de protocoles par les élèves. • Identifier les difficultés et prévoir des aides pour que élèves réalisent cette tâche. • Concevoir, réaliser et évaluer un EIAH qui aident les élèves à préparer des TP par la conception de protocole et les enseignants à concevoir ces TP.

15. Recherche : collaborations COPEXACI Education et formation 2005 - 2007LIG MeTAHINRP Eric Sanchez et 4 Enseignants associés LSE Erica de Vries CIEL - Equipe de recherche européenne (Kaleidoscope) 2006 et 2007 - Projet Européen (IP, avril 2007) Pays-Bas, Norvège, Italie, Allemagne, France

16. Expériences (projet COPEX) Terminale : • TP Chimie : « Indicateur coloré » • TP Géologie : « Appartenance à la lignée humaine » • TP Biologie : « Liaison antigène-anticorps » • TP Physique : « Identification d’un dipôle inconnu » Licence 1 : • TP Chimie : « dosage du colorant E124 »

17. 3. Un exemple de TP (SVT)« critères d’appartenance à la lignée humaine »

18. Un T.P. évalué au Bac • Dans le cadre de l’évaluation des capacités expérimentales au Baccalauréat • Les critères d’appartenance à la lignée humaine

19. En quoi consiste le T.P. ?

20. Vous allez, au cours de cette séance élaborer un protocole de mesure d’angle facial pour évaluer le prognathisme effectuer une mesure d’angle facial. Cette mesure d’angle facial est utilisée par les paléontologues pour identifier un crâne.  Consigne donnée

21. Projection des points de références sur un transparent à l’aide d’un laser Transparent Point de référence Crâne Aquarium

22. Comment caractériser les crânes de 4 espèces de la lignée humaine ? Déterminer la catégorie d'un crâne Evaluer le prognathisme Evaluer le volume crânien Déterminer l'angle facial Calculer les rapports hauteur longueur largeur Tracer les droites sur le transparent Marquer le point sur le transparent Déterminer les critères distinctifs Détermination des points de mesure Mesure d'angle au laser Matérialiser le point sur un plan Placer le crâne dans l'aquarium profil face au transparent Placer le laser perpendiculairement par rapport au transparent Viser un des points choisis Fixer le transparent sur la paroi de l'aquarium Identifier de points de mesure possibles Choisir des couples de points à utiliser Mesurer les angles au rapporteur Décoller le transparent

23. Eléments de la situations • Variables didactiques : présence de la mandibule, inclinaison du crâne dans l’aquarium, aide pour la mesure de la perpendicularité (carreaux sur la paillasse). • Objets de connaissances • Mathématiques : angles, segment, projection. • Biologiques : au cours de l’évolution l’angle facial régresse. • Biologiques : au cours de l’évolution le volume crânien diminue. • Retour du milieu • Diversité de crânes (forme, présence ou non de mandibule). • Plusieurs situations de communication : rétroactions sur le choix des points et sur la rédaction du protocole.

24. Analyse TP crâne Les élèves ont à leur charge des tâches de nature différentes: • déterminer le nombre de points à sélectionner pour mesurer leur angle; • choisir les points sur crâne (sans critère a priori); • placer le crâne en position vitale dans l’aquarium; • vérifier pour chaque mesure de point la perpendicularité du crayon laser/potence et /vitre de l’aquarium; • vérifier que l’axe de symétrie longitudinal du crâne est // aux vitres de l’aquarium.

25. Principales difficultés des élèves • Pour réaliser le T.P. • Choix des points : difficultés à trouver des points qui indiquent un angle facial. • Non connaissance de l’anatomie du crâne et du nom des points. • Notion d’angle : 1 point à la rencontre des deux segments et non l’inclinaison entre deux directions. • Contrôle de la perpendicularité (positions du crâne et du laser par rapport à l’aquarium) : gestion de la précision de la mesure.

26. Des aides pour réaliser le T.P. • Introduction d’éléments qui donnent des informations en retour de l’action des élèves : • différentes formes de crânes, • crânes avec et sans mandibules, • situations de communication. • Allégement du T.P. : le contrôle de la perpendicularité est à la charge de l’enseignant. • Introduction d’une fiche présentant l’anatomie des crânes.

27. Des aides pour rédiger le protocole • Une formalisation variée : du texte, des schémas à compléter, des schémas libres, des dessins, des tableaux, … • Le destinataire de l’écrit est spécifié • L’écrit est préstructuré

28. 4. COPEX : un environnement informatique pour l’apprentissage humain (EIAH)

29. Transfert vers l’EIAH • Des retours vers l’élève spécifiques des contenus travaillés : • Simulations basées sur des modèles conceptuels ou opératoires • Retours du « tuteur  intelligent » • Des retours vers l’élève non spécifiques des contenus travaillés : • Formalisation structurée d’un protocole prise en charge par l’EIAH • Aménager des situations de travail collaboratifs

30. Les développements en cours • CoPEX-Chimie : un EIAH en chimie, actuellement utilisé en L1 à l’UJF • CoPEX : une maquette, un prototype fin 2007

31. COPEX Q TP My protocol | My data sheet Question : are you going to cut the forest ? Task1 Task1.1 – In the quadra 12, I select a treerandomly. I record the diameter in my sample 2. Task1.2 Task2 Task2.1 Task2.2 Task3 (…) Task1 blblblblblb bblblblblblb Task1.1 – Add trees to a sample Task1.2 Task2 Task2.1 Task2.2 Task3 Usable material | Material of my protocol Liste et état du matériel utilisé, au niveau de l’action sélectionnée du cadre de gauche Informations about my protocol dans une action : l'adéquation entre les attributs et les objets utilisés ex : impossible de mettre 20 mL de liquide dans un bécher de 10 mL entre actions : les vérifications de précédence entre les actions, au niveau des objets utilisésex : rincer une fiole jaugée avec la solution qui va être préparée ultérieurement au niveau du protocole : la similitude avec un ensemble de protocoles défini par l'enseignant EIAH COPEX : Maquette de l'interface élève Question posée Zone de Commentaires(protocole) Protocole Zone de construction de l'Arbre des tâches Volet Matériel utilisé Volet Matériel disponible Zone de Rétroactions

32. COPEX Q TP My protocol | My data sheet Question : are you going to cut the forest ? Task1 Task1.1 – In the quadra 12, I select a treerandomly. I record the diameter in my sample 2. Task1.2 Task2 Task2.1 Task2.2 Task3 (…) Task1 blblblblblb bblblblblblb Task1.1 – Add trees to a sample Task1.2 Task2 Task2.1 Task2.2 Task3 Usable material | Material of my protocol Liste et état du matériel utilisé, au niveau de l’action sélectionnée du cadre de gauche Informations about my protocol dans une action : l'adéquation entre les attributs et les objets utilisés ex : impossible de mettre 20 mL de liquide dans un bécher de 10 mL entre actions : les vérifications de précédence entre les actions, au niveau des objets utilisésex : rincer une fiole jaugée avec la solution qui va être préparée ultérieurement au niveau du protocole : la similitude avec un ensemble de protocoles défini par l'enseignant EIAH COPEX : maquette de l'interface élève Construction d'une action option 2 Add trees to a sample Area that contains the trees option 1 Add trees to a sample Tree(s) to add Detailed action a tree randomly selected all trees a tree according to its number : marked trees trees according to a law : Comments Parameters to be saved diameter x-pos y-pos OK Cancel To the sample Comments OK Cancel

33. … vers des collaborations Pour la formation à distance aux capacités expérimentales …