Conception d’un protocole expérimental avec un logiciel dédié Isabelle Girault, Cédric d’Ham et Mustafa Ergun MeTAH, Université Joseph Fourier, Grenoble - diapo 19 mettre un autre exemple - diapos 26 et 27 revoir l'ordre - diapo 28 : commentaires de Claire - Diapos 29 et 31 répondre aux questions et commentaires de Nicolas

Plan 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

La démarche expérimentale Monde du réel Modèle - Théorie Définir le problème Concevoir une expérience Suggérer des hypothèses Réaliser l’expérience Interpréter les résultats Traiter les résultats Conclure

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

Structure des travaux pratiques Définir le problème Concevoir une expérience Suggérer des hypothèses Réaliser l’expérience Interpréter les résultats Traiter les résultats Conclure

Le protocole expérimental : un arbre des tâches Tâche principale : résoudre le problème T1.1 T1.2 T1.3 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

Concevoir un protocole : une tâche complexe 1 hypothèse La conception de protocole aide les élèves à s’approprier l’ensemble de la démarche expérimentale 3 questions de recherche Les difficultés rencontrées L’assistance Les apprentissages

Educaffix Internet

Scenario pédagogique Demande d'évaluation Evaluation du protocole par le logiciel Présentation des objectifs du TP Conception du protocole Modification du protocole Arrêt de la manipulation par l’élève Evaluation positive Démarrage de la manipulation Manipulation et rapatriement des données Fin de la manipulation robotisée Traitement des données

Pré-structurer le protocole expérimental dans Educaffix Déterminer la concentration du colorant rouge dans le sirop de grenadine Etapes T1.1 T1.2 Etc. T2.2 T2.1 T2.3 T2.4 T2.5 T3.1 T3.2 T3.3 T3.4 T3.5 T3.6 T3.7 T3.8 T3.9 Actions Objectif Paramètre Equipement T3.10

Interface de conception de protocole

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

Interface des rétroactions du tuteur

Evaluation du logiciel : questions de recherche 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.

Carte conceptuelle Savoirs procéduraux Détermination de la concentration d'une substance par spectrophotométrie Utiliser un spectrophotomètre Réaliser une gamme étalon (GE) Faire une dilution Choisir la référence Choisir la longueur d'onde Choisir le domaine de concentration de la GE Choisir l'étalon Rincer le matériel Homogénéiser la solution Domaine de validité de la loi de BL Homogénéité d'une solution Additivité des absorbances Spectre d'absorbance Loi de Beer-Lambert (BL) attention peu lisible, penser à un commentaire précis pour accompagner (cela peut prendre du temps) Cf Cédric Concentration Absorbance Longueur d'onde Espèce en solution Quantité de matière Savoirs théoriques (Concepts) Composé chimique Lumière Solvant

Méthodologie 56 étudiants (binôme), 2 classes de terminale S Conception du protocole avec Educaffix Pré-test Post-test Interviews des enseignants 5 semaines 4 semaines Questionnaire : 6 savoirs théoriques 5 savoirs procéduraux Protocole final Traces logicielles Enregistrements audio Questionnaire : 6 savoirs théoriques 5 savoirs procéduraux Evaluation du contrat didactique

Résultats (1) Q1: Evaluation de la capacité des élèves à concevoir un protocole cohérent par rapport au problème initial 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%)

Résultats (2) Difficultés rencontrées : 5 conceptions détectées C1 : l’eau n’a pas d’influence sur le système chimique 17 / 28 C2 : dans une solution, la concentration en soluté est homogène 11 / 28 C3 : le domaine de validité de la loi de Beer-Lambert est illimité 13 / 26 C4 : la longueur d’onde n’a pas d’influence sur l’absorbance d’une solution 4 / 28 C5 : la solution de référence est constituée de la solution mère 13 / 28 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

Q2 : Evaluation des apprentissages Résultats (3) Q2 : Evaluation des apprentissages Pré-test et post-test Connaissances théoriques T1 : Concentration molaire T2 : Homogénéité T3 : Longueur d’onde T4 : Spectre d’absorbance T5 : Loi de BL T6 : Additivité des absorbances

Q2 : Evaluation des apprentissages Résultats (4) Q2 : Evaluation des apprentissages Pré-test et post-test Connaissances procédurales P1 : Rincer le matériel P2 : Faire une dilution P3 : Homogénéiser P4 : Application de BL P5 : Choisir la référence

Q2 : Evaluation des apprentissages Résultats (5) Q2 : Evaluation des apprentissages 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

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

Le projet COPEX Concevoir des protocoles en biologie, chimie, physique et sciences de la terre

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

Structure possible de l’EIAH Contenus Module de spécification des TP > enseignant Scénario Tuteur artificiel Simulations TP labo Module de conception de protocoles > apprenant quelle base pour le tuteur artificiel, quelle prise en charge de la simulation (ie quel modèle et protocole de communication), quid du module de suivi Cette vision de la structure peut conduire à des questions informatiques et didactiques, je partirais donc de là Module de suivi > enseignant