D’après une présentation de A. Conti   Comment intégrer une simulation aux activités d’apprentissage scientifique ? F. Lombard D’après une présentation de A. Conti

Il n’y a pas de compréhension sans modèle. Pour apporter une observation de quelque valeur ... Il faut avoir décidé ce qui est possible, grâce à une certaine idée de ce que peut bien être la réalité, grâce à l'invention d'un monde possible. (Jacob, 1981) ... Un enseignement dogmatique où les modèles sont présentés comme des évidences non questionnées, non rattachées à des problèmes, [...], (Martinand, 1996 p.1) Cellule au microscope Ampoules « gourmandes » Propriétés matières – atomes é. (2061)

« We define a scientific model as an abstract, simplified representation of a system that makes its central features explicit and visible and that can be used to generate explanations and predictions » (Harrison & Treagust, 2000) in Schwarz, C. V., Reiser, B. J., Davis, E. A., Kenyon, L., Achér, A., Fortus, D., . . . Krajcik, J. (2009). Developing a learning progression for scientific modeling: Making scientific modeling accessible and meaningful for learners. Journal of Research in Science Teaching, 46(6), 632-654. doi: 10.1002/tea.20311

... on pourrait enseigner et faire apprendre la modélisation, c’est-à-dire la construction, l’adaptation, l’utilisation des modèles. (Martinand, 1996 p.1) Martinand, J. L. (1996). Introduction à la modélisation. Actes du séminaire de didactique des disciplines technologiques., Cachan Paris

Les usages des modèles Constructing models consistent with prior evidence and theories to illustrate, explain, and predict phenomena; Using models to illustrate, explain, and predict phenomena; Comparing and evaluating the ability of different models to accurately represent and account for patterns in phenomena and to predict new phenomena; and Revising models to increase their explanatory and predictive power, taking into account additional evidence or aspects of phenomena. Schwarz, C., Reiser, B. J., Acher, A., Kenyon, L., & Fortus, D. (2012). MoDeLS Learning Progressions in Science (pp. 101-137): Springer.

Un modèle a une portée et une pertinence limitée Tout modèle est modifiable et de pertinence limitée : La question n'est pas de savoir si un modèle est correct, mais d'apprécier sa pertinence à un problème. Il constitue un milieu qui permet des interactions cognitives nouvelles -> exemple simulation de la friction

Un modèle en science est… Hypothétique Modifiable Domaine de validité Pertinent pour certains problèmes ≠ Vrai ni « scientifique » ! Martinand, J. L. (1996). Introduction à la modélisation. Actes du séminaire de didactique des disciplines technologiques., Cachan Paris

Quel modèle viser ? Modèles des chercheurs Complexité Modèles des chercheurs Modèle(s) à institutionnaliser Pertinence aux problèmes Adéquation au public Modèles naïfs Puissance explicative

« Comprendre ?» un modèle ? Comprendre (mental) => compétence Etre capable de prédire / expliquer (observable) Comprendre un modèle => mesure Savoir utiliser un modèle pour prédire / expliquer => productions mesurables. Enseigner = induire le changement de modèle ? Changement conceptuel (Posner) Posner, G. J., Strike, K. A., Hewson, P. W., & Gertzog, W. A. (1982). Accommodation of a scientific conception: Toward a theory of conceptual change. Science Education. Science Education, 66, 211-227.

Iteration 2 Wiki revision N°: 2 23/01/16 13:44 possible allergen A lands on mucous tissue near-infinity of B lymphocytes captured by at least one reactive to a1 APC – dendritic cell, etc specific B lymphocyte for epitope a1 digests allergen A into Iteration 2 protein fragments of A : a1, a2, … activates presented by MHC- II (double) activated B specific for a1 APC presenting MHC-a1 produce near-infinity of T4 Ig-E isotype antibody migrates to Wiki revision N°: 2 23/01/16 13:44 « (…) les allergies (…) sont des réactions de notre système immunitaire face à certaines substances (…). Les causes de ces allergies sont appelées allergènes.» repeated exposure to allergen A at least one reactive to a1 lymph nodes If T4 TH2 migrate and link strongly to activate cross-links IgE anti a1 activates mast cells allergic persons eosinophils specific T4 lymphocyte for a1 sensitized (no visible effect) produce free radicals and inflammatory mediators against mast cells degranulate preferential activation of TH2 activated release isotype switching histamine and other inflammatory mediators helminths and other parasites If T4 TH1 produce is trigger specific B lymphocyte produces IgG vasodilatation, mucous production, etc. is perceived as normal response to innocuous antigen normal response to helminths and other parasites allergic symptoms

possible allergen A lands on mucous tissue near-infinity of B lymphocytes captured by at least one reactive to a1 APC – dendritic cell, etc specific B lymphocyte for epitope a1 digests allergen A into protein fragments of A : a1, a2, … activates presented by MHC- II (double) activated B specific for a1 APC presenting MHC-a1 produce near-infinity of T4 Ig-E isotype antibody migrates to Wiki revision N°: 2 23/01/16 13:44 « (…) les allergies (…) sont des réactions de notre système immunitaire face à certaines substances (…). Les causes de ces allergies sont appelées allergènes.» repeated exposure to allergen A at least one reactive to a1 lymph nodes If T4 TH2 migrate and link strongly to activate cross-links IgE anti a1 activates mast cells allergic persons eosinophils specific T4 lymphocyte for a1 sensitized (no visible effect) produce free radicals and inflammatory mediators against mast cells degranulate preferential activation of TH2 activated release isotype switching histamine and other inflammatory mediators helminths and other parasites If T4 TH1 produce is trigger specific B lymphocyte produces IgG vasodilatation, mucous production, etc. is perceived as normal response to innocuous antigen normal response to helminths and other parasites allergic symptoms

Iteration 4 Wiki revision N°: 4 23/01/16 13:56 possible allergen A lands on mucous tissue near-infinity of B lymphocytes captured by at least one reactive to a1 APC – dendritic cell, etc specific B lymphocyte for epitope a1 digests allergen A into Iteration 4 protein fragments of A : a1, a2, … activates Wiki revision N°: 4 23/01/16 13:56 «Dès le premier contact entre l'allergène et le système immunitaire, (…) la réponse immunitaire est (…) mise en route par les macrophages, ce qui cause la production d'anticorps IgE par les plasmocytes. Ils se réunissent sur les mastocytes au niveau des récepteurs.» presented by MHC- II (double) activated B specific for a1 APC presenting MHC-a1 produce near-infinity of T4 Ig-E isotype antibody migrates to repeated exposure to allergen A at least one reactive to a1 lymph nodes If T4 TH2 migrate and link strongly to activate cross-links IgE anti a1 activates mast cells allergic persons eosinophils specific T4 lymphocyte for a1 sensitized (no visible effect) produce free radicals and inflammatory mediators against mast cells degranulate preferential activation of TH2 activated release isotype switching histamine and other inflammatory mediators helminths and other parasites If T4 TH1 produce is trigger specific B lymphocyte produces IgG vasodilatation, mucous production, etc. is perceived as normal response to innocuous antigen normal response to helminths and other parasites allergic symptoms

Iteration 4 Wiki revision N°: 4 23/01/16 13:56 Wiki revision N°: 4 possible allergen A lands on mucous tissue near-infinity of B lymphocytes captured by at least one reactive to a1 APC – dendritic cell, etc specific B lymphocyte for epitope a1 digests allergen A into Iteration 4 protein fragments of A : a1, a2, … activates Wiki revision N°: 4 23/01/16 13:56 «Dès le premier contact entre l'allergène et le système immunitaire, (…) la réponse immunitaire est (…) mise en route par les macrophages, ce qui cause la production d'anticorps IgE par les plasmocytes. Ils se réunissent sur les mastocytes au niveau des récepteurs.» presented by MHC- II (double) activated B specific for a1 APC presenting MHC-a1 produce near-infinity of T4 Ig-E isotype antibody migrates to repeated exposure to allergen A at least one reactive to a1 lymph nodes If T4 TH2 migrate and link strongly to activate Wiki revision N°: 4 23/01/16 13:56 «En cas de deuxième contact, l'allergène se fixe sur les mastocytes (sur les IgE) et des ponts entre molécules d'IgE se créent. Les mastocytes libèrent de l'histamine et cela déclenche les symptôme allergiques.» cross-links IgE anti a1 activates mast cells allergic persons eosinophils specific T4 lymphocyte for a1 sensitized (no visible effect) produce free radicals and inflammatory mediators against mast cells degranulate preferential activation of TH2 activated release isotype switching histamine and other inflammatory mediators helminths and other parasites If T4 TH1 produce is trigger specific B lymphocyte produces IgG vasodilatation, mucous production, etc. is perceived as normal response to innocuous antigen normal response to helminths and other parasites allergic symptoms

Wiki revision N°: 4 23/01/16 13:56 Wiki revision N°: 4 23/01/16 13:56 possible allergen A lands on mucous tissue near-infinity of B lymphocytes captured by at least one reactive to a1 APC – dendritic cell, etc specific B lymphocyte for epitope a1 digests allergen A into protein fragments of A : a1, a2, … activates Wiki revision N°: 4 23/01/16 13:56 «Dès le premier contact entre l'allergène et le système immunitaire, (…) la réponse immunitaire est (…) mise en route par les macrophages, ce qui cause la production d'anticorps IgE par les plasmocytes. Ils se réunissent sur les mastocytes au niveau des récepteurs.» presented by MHC- II (double) activated B specific for a1 APC presenting MHC-a1 produce near-infinity of T4 Ig-E isotype antibody migrates to repeated exposure to allergen A at least one reactive to a1 lymph nodes If T4 TH2 migrate and link strongly to activate Wiki revision N°: 4 23/01/16 13:56 «En cas de deuxième contact, l'allergène se fixe sur les mastocytes (sur les IgE) et des ponts entre molécules d'IgE se créent. Les mastocytes libèrent de l'histamine et cela déclenche les symptôme allergiques.» cross-links IgE anti a1 activates mast cells allergic persons eosinophils specific T4 lymphocyte for a1 sensitized (no visible effect) produce free radicals and inflammatory mediators against mast cells degranulate preferential activation of TH2 activated release isotype switching histamine and other inflammatory mediators helminths and other parasites If T4 TH1 produce is trigger specific B lymphocyte produces IgG vasodilatation, mucous production, etc. is perceived as normal response to innocuous antigen normal response to helminths and other parasites allergic symptoms

Iteration 29 Wiki revision N°: 29 25/01/16 20:52 possible allergen A lands on mucous tissue near-infinity of B lymphocytes captured by at least one reactive to a1 APC – dendritic cell, etc specific B lymphocyte for epitope a1 digests allergen A into Iteration 29 protein fragments of A : a1, a2, … activates presented by MHC- II (double) activated B specific for a1 APC presenting MHC-a1 produce near-infinity of T4 Ig-E isotype antibody migrates to repeated exposure to allergen A at least one reactive to a1 lymph nodes If T4 TH2 migrate and link strongly to activate cross-links IgE anti a1 activates Wiki revision N°: 29 25/01/16 20:52 «Pour une personne normale le circuit est tel que si l'intrus passe les premières barrières du corps (mucus, peau,...) à l'intrusion de l'allergène (…), les macrophages sont mobilisés puis vont gagner les ganglions par le système lymphatique et des ganglions vont emerger des lymphocytes (…) qui vont entrer en contact avec des lymphocytes B pour leur faire produire des immunoglobulines» mast cells allergic persons eosinophils specific T4 lymphocyte for a1 sensitized (no visible effect) produce free radicals and inflammatory mediators against mast cells degranulate preferential activation of TH2 activated release isotype switching histamine and other inflammatory mediators helminths and other parasites If T4 TH1 produce is trigger specific B lymphocyte produces IgG vasodilatation, mucous production, etc. is perceived as normal response to innocuous antigen normal response to helminths and other parasites allergic symptoms

Wiki revision N°: 29 25/01/16 20:52 Wiki revision N°: 29 possible allergen A Wiki revision N°: 29 25/01/16 20:52 «Pour une personne allergique, lors du premier contact avec l'allergène, le même circuit va se produire sauf que les lymphocytes B vont cette fois-ci secréter des lgE. Ces dernières se fixent sur des cellules contenant de l’histamine, les mastocytes, (…) qui vont (…) provoquer une dilatation des vaisseaux sanguins ce qui facilite le passage dans le tissus des substances tel que l'histamine qui vont provoquer des symptômes : oedeme, rougeurs et parfois des réactions plus graves» lands on mucous tissue near-infinity of B lymphocytes captured by at least one reactive to a1 APC – dendritic cell, etc specific B lymphocyte for epitope a1 digests allergen A into protein fragments of A : a1, a2, … activates presented by MHC- II (double) activated B specific for a1 APC presenting MHC-a1 produce near-infinity of T4 Ig-E isotype antibody migrates to repeated exposure to allergen A at least one reactive to a1 lymph nodes If T4 TH2 migrate and link strongly to activate cross-links IgE anti a1 activates Wiki revision N°: 29 25/01/16 20:52 «Pour une personne normale le circuit est tel que si l'intrus passe les premières barrières du corps (mucus, peau,...) à l'intrusion de l'allergène (…), les macrophages sont mobilisés puis vont gagner les ganglions par le système lymphatique et des ganglions vont emerger des lymphocytes (…) qui vont entrer en contact avec des lymphocytes B pour leur faire produire des immunoglobulines» mast cells allergic persons eosinophils specific T4 lymphocyte for a1 sensitized (no visible effect) produce free radicals and inflammatory mediators against mast cells degranulate preferential activation of TH2 activated release isotype switching histamine and other inflammatory mediators helminths and other parasites If T4 TH1 produce is trigger specific B lymphocyte produces IgG vasodilatation, mucous production, etc. is perceived as normal response to innocuous antigen normal response to helminths and other parasites allergic symptoms

Wiki revision N°: 29 25/01/16 20:52 Wiki revision N°: 29 possible allergen A Wiki revision N°: 29 25/01/16 20:52 «Pour une personne allergique, lors du premier contact avec l'allergène, le même circuit va se produire sauf que les lymphocytes B vont cette fois-ci secréter des lgE. Ces dernières se fixent sur des cellules contenant de l’histamine, les mastocytes, (…) qui vont (…) provoquer une dilatation des vaisseaux sanguins ce qui facilite le passage dans le tissus des substances tel que l'histamine qui vont provoquer des symptômes : oedeme, rougeurs et parfois des réactions plus graves» lands on mucous tissue near-infinity of B lymphocytes captured by at least one reactive to a1 APC – dendritic cell, etc specific B lymphocyte for epitope a1 digests allergen A into protein fragments of A : a1, a2, … activates presented by MHC- II (double) activated B specific for a1 APC presenting MHC-a1 produce near-infinity of T4 Ig-E isotype antibody migrates to repeated exposure to allergen A at least one reactive to a1 lymph nodes If T4 TH2 migrate and link strongly to activate cross-links IgE anti a1 activates Wiki revision N°: 29 25/01/16 20:52 «Pour une personne normale le circuit est tel que si l'intrus passe les premières barrières du corps (mucus, peau,...) à l'intrusion de l'allergène (…), les macrophages sont mobilisés puis vont gagner les ganglions par le système lymphatique et des ganglions vont emerger des lymphocytes (…) qui vont entrer en contact avec des lymphocytes B pour leur faire produire des immunoglobulines» mast cells allergic persons eosinophils specific T4 lymphocyte for a1 sensitized (no visible effect) produce free radicals and inflammatory mediators against mast cells degranulate preferential activation of TH2 activated release isotype switching histamine and other inflammatory mediators helminths and other parasites If T4 TH1 produce is trigger specific B lymphocyte produces IgG vasodilatation, mucous production, etc. is perceived as normal response to innocuous antigen normal response to helminths and other parasites allergic symptoms

Changement conceptuel Modèle classique Posner Faire prendre conscience de leurs modèles mentaux Montrer la diversité des modèles dans la classe Mettre en défaut ces modèles Montrer la puissance explicative supérieure du modèle à institutionnaliser Travaux récents : Shtulmann (2012) / Ohlsson (2013)

Modélisation : aider l’élève à construire/ acquérir les modèles à instutionnaliser Artefacts Mental … Modèles naïfs Pédagogies Modèle à institutionnaliser Expression des modèles Dessins, formules, schémas Interactions : propos, schémas, textes, formules, etc. Représentation ≠ usage du modèle à institutionnaliser

Point de vue pédagogique (1) Au delà du simple affichage de documents fixes ou animés, au-delà de la présentation active de processus scientifiques ... utiliser une simulation comme un oartefact conceptuel permet à l'élève des allers-retour entre son modèle interne et l’empirie : de faire intéragir les élèves avec un système dynamique; de confronter les élèves des paramètres échappant à leur observation (temps, taille, nature etc.) d'augmenter sa capacité à tester des scénarios multiples: de créer des occasions de négocier le sens avec des camarades  permet à l'enseignant : de découvrir les conceptions des élèves d'augmenter la complexité des situations proposées de multiplier les interactions avec les modèles de favoriser l'implication des élèves dans une démarche d'investigation

Choix de l'artefact (1) Privilégier un usage de la simulation qui permet d’expliciter leurs modèles / de susciter des allers-retours empirie-modèles / de confronter leurs modèles  Expliciter le modèle mental Confronter modèles (avec empirie, interélèves, avec ressources) former des hypothèses -> Contrôle des paramètres pertinents par les élèves --> se méfier de la simple reproduction d'expériences en laboratoire (procédures et manipulations) ex. antibiogramme  (flash)

Comment intégrer l'activité de simulation dans une séquence ? Modéliser --> éviter si possible de commencer une séquence d'enseignement par la présentation d'une situation déjà modélisée. Commencer la séquence en montrant la simulation,  c'est prendre le risque de la confusion entre le modèle et la réalité. L'usage de la simulation doit se faire en relation avec le monde des objets matériels. Maintenir un rapport entre le modèle et le réel Présenter le phénomène à étudier faire vérifier empiriquement le modèle par des mesures ou des observations directes.

Comment intégrer l'activité de simulation dans une séquence ? (2) Prendre conscience des modèles de l’enseignant -> (MàI)…à Institutionnaliser. Faire expliciter leurs modèles aux élèves -> suivre progression des modèles employés Favoriser allers-retour entre modèle et empirie ( prédiction-vérification) Mesurer capacité à utiliser pour prédire ≠ énoncer.   ==> Demander aux élèves d'anticiper une action en s'efforçant de mettre en œuvre les règles du modèle, puis d'observer les résultats de cette action par la mise en fonctionnement de la simulation.   ex. théorie cinétique des gaz  

Mise en œuvre en classe (2) Devant un ordinateur, on observe que l'élève est motivé... car il agit de manière autonome en cliquant sur des boutons. (Mais moitvé vers quoi ? Motivation-vecteur) ... mais y a-t-il changement de ses modèles mentaux ? Viser l'activité intellectuelle des élèves Importance des tâches qui lui sont assignées. La production attendue, la responsabilité envers les autres . Guidage sur des tâches qui obligent à confronter les modèles ( à l’empire, aux autres é) . Travailler à deux peut susciter une négociation ( conflit cognitif) . Bien évaluer la surcharge cognitive (simulation abstraite vs métaphorique).. mais ne pas sous-estimer la capacité des élèves à maitriser un rapidement une interface ---> proposer une phase d'exploration de l'interface, suivi d'un échange dans la classe

Nouvelles perspectives IRMf et conceptions préalables : une affaire d'inhibition ? Shtulman, A., & Valcarcel, J. (2012). Scientific knowledge suppresses but does not supplant earlier intuitions. Cognition, 124(2), 209-215. doi: 10.1016/j.cognition.2012.04.005 - Changement / savoir convoquer le modèle selon contexte problème L’utilité cognitive détermine le changement ? Ohlsson, S. (2013). Beyond Evidence-Based? Belief Formation: How Normative Ideas Have Constrained Conceptual Change Research. Frontline Learning Research, 1(2), 70- 85. http://doi.org/10.14786/flr.v1i2.58 L’usage satisfaisant et répété du concept induit le changement