Micromondes et simulations

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1 Micromondes et simulations
TECFA Technologies pour la Formation et l’Apprentissage Micromondes et simulations Constructivisme et cognitivisme Micromondes : les concepts de base, l’efficacité Simulations : modèles et conditions d’utilisation Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

2 L ’approche béhavioriste
Stimulus Réponse R = f (S) Apprentissage = association entre une situation et un comportement Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

3 Les illusions d ’optique
Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

4 Quelle est la couleur de ces mots ?
vert bleu rouge Effet stroop qui démontre que le traitement sémantique est irrépressible. jaune Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

5 Le constructivisme Au départ était l’action…
et la réflexion sur l’action. Voir la métaphore de Rieber assimilation accommodation Faire évoluer une structure de connaissances nécessite de provoquer des conflits cognitifs = remise en cause des modèles qui semblent marcher. La seule façon de faire évoluer ce type de représentation c ’est de faire mettre en défaut le vieux modèle et construire par l ’apprenant lui-même le nouveau modèle. Vs. Instructiviste : il faut donner à l’apprenant tous les éléemnts ainsi que le chemin à suivre. Ex classique de la balance : instructivistes donnent la loi et demandent de l’appliquer, constructivistes mettent en place une situation où l’élève doit trouver lui-même la loi. Principes de base les plus connus du constructivisme : Connaissances construises par l’interaction avec l’environnement et non par transmission langagière Le développement cognitif est un processus autonome, universel et consiste en stades de stades de développement de shèmes logiques indépendants du langage L’assimilation n’est possible que si la structure de pensée est prête Le raisonnement logique est indépendant Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

6 L’approche cognitiviste
Mémoire L ’approche cognitiviste Perception Traitement Sélection Organisation Réponse Noë ! attention régulation émotion ?? Input Output Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

7 Architecture de la mémoire
Mémoire à long terme Connaissances Baddeley, 1983 ; 2002 Centre exécutif Boucle articulatoire Calepin visuo-spatial Mémoire de travail Les développements actuels des modèles de mémoire s’orientent vers les faits suivants: une plus grande perméabilité entre mémoire de travail et mémoire à long terme (cf. Ericson 6 kintsch,) l’importance des processus métacognitifs (le planificateur devient central) L’importance des émotions dans le processus de stockage, de récupération mais aussi d’oubli et de déformations de traces mnésiques Module intégrateur Buffer sensoriel Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

8 Les différents types de mémoire
Connaissances déclaratives épisodiques sémantiques Connaissances procédurales Connaissances heuristiques ou décisionnelles Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

9 Schéma de l ’architecture cognitive
Informations Représentations matérielles et symboliques Raisonnements épistémiques pragmatiques Connaissances générales spécifiques construction de connaissances Résolution de problèmes Activitation de règles Activités automatisées Suites d ’actions Evaluation Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

10 Les micromondes Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

11 Seymour Papert “ Most of his [Piaget's] followers in education set out to hasten (or at least consolidate) the passage of the child beyond concrete operations. My strategy is to strengthen and perpetuate the typical concrete process even at my age. Rather than pushing children to think like adults, we might do better to remember that they are great learners and to try harder to be more like them.” (Papert, 1993, p. 155) Dans le constructivisme, la connaissance est une construction à partir d’actions et de retour sur ces actions. Dans le constructionisme, l’accent est mis sur la construction d’un artefact personnellement signifiant et les manipulations concrètes : ce qui est construit à l’extérieur pourra être internaliser et les représentations internes pourront être externalisées (Papert). L’écran et l’objet construit, visualisable, constitue une sorte de « prothèse cognitive » : les hypothèses et manipulation ont un effet direct sur la visualisation de l’artefact, qui agit alors comme un support aux activités métacognitives. Objectif de logo : faire acquérir des opérations logico-mathématiques abstraites et transversales. 3 caractéristiques de Logo : capacité de modifier le comportement du programme en entrant des conmmandes simples et combinables entre elles ; ces commandes jouent le rôle des schèmes piagétiens ; capacité pour l’enfant de simuler le mouvement de la tortue avec son corps les procédures créees par l’enfant reflète sa pensée et son raisonnement Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

12 Le constructionisme Logo puis Lego-Logo
Epistemology and Learning Group, MIT, Boston. Lego-Logo : philosophe constructioniste encore plus basé sur le sensori-moteur et l’action concrète, puisqu’un objet réel est construit. Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

13 Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

14 Les micromondes spécialisés
Le plus connu : Cabri-géomètre Voir les projets faits avec le logiciel Micromonde Pro Exemple les plus connus : Cabri-géomètre MicroMondes Pro, une version du langage Logo aux caractéristiques insurpassées, permet aux étudiants de créer des projets dynamiques et interactifs pour l’école et pour le Web. Les étudiants deviennent ainsi des créateurs sur l’Internet au lieu d’être de simples utilisateurs. Ils peuvent créer des projets interactifs en format HTML pour diffusion sur l’Internet ainsi que des hyperliens vers le Web. Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

15 Logo et les autres « Outils à penser  » (réification de représentations mentales) Apprendre en construisant et à partir de ses erreurs Pédagogie de type ‘projet’ Environnement passionant (surtout lego-logo) Philosophie constructiviste Possibilité d’utilisation sur de longues périodes Découverte intelligente de l’informatique Quelques principes de base L'expérience ne crée pas nécessairement de la connaissance, c'est la réflexion sur cette expérience qui est source d'apprentissage Un système cognitif distribué inclut les individus et les outils qu'ils utilisent, y compris l'outil suprême, leur langage. Ce qu’on apprend : résoudre un problème Un environnement d'apprentissage comprend des aides à l'apprentissage qui n'existent pas dans l'orthodoxie des micromondes. 4. Le concept piagetien de schème se retrouve à la base de la conception de LOGO. Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

16 Arguments contre Capacités de réflexion sur l’action difficiles et non spontanées Sans un tutorat léger mais pertinent, les élèves progressent peu. Logo : passage par un langage qui nécessite d’autres compétences que logique conception techniquement difficile, utilisation couteuse en termes de temps Transfert sur d’autres types de problèmes ? « La philosophie est devenue religion, le penseur est devenu gourou. » (Pierre Dillenbourg) 5. Le transfert distant des apprentissage constitue un point faible des systèmes éducatifs. 6. L'écran constitue une prothèse cognitive 7. L'acquisition de compétences intellectuelles générales, notamment la résolution de problème, a été remise en cause par les détracteurs de LOGO. 8. Les représentations du raisonnement de l'apprenant permettent une réification de sa stratégie de résolution du problème. 9. Le constructionisme traduit dans l'environnement physique certains principes de base du constructivisme. Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

17 Les micromondes pourquoi, comment ?
Stratégie pédagogique Activités constructivistes Apprentissage par la découverte mais avec étayage Pédagogie par projet Domaines d’application Raisonnement de type résolution de problèmes Règles formelles qui peuvent être inférées d’un résultat visible Exemple les plus connus : Cabri-géomètre MicroMondes Pro, une version du langage Logo aux caractéristiques insurpassées, permet aux étudiants de créer des projets dynamiques et interactifs pour l’école et pour le Web. Les étudiants deviennent ainsi des créateurs sur l’Internet au lieu d’être de simples utilisateurs. Ils peuvent créer des projets interactifs en format HTML pour diffusion sur l’Internet ainsi que des hyperliens vers le Web. Résultat Un apprentissage fortement ancré dans l’action et l’expérience Une représentation opératoire du domaine Des stratégies de raisonnement Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

18 Apprentissage et cognitivisme
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19 Une bonne représentation mentale
Importance des informations reçues en entrée Dans l’approche cogntiviste, = se construire une représentation mentale (schéma ou model mental) qui permet de comprendre, prédire un situation nouvelle par inférence et agir de façon adéquate. Les recherches ont montré que le format de présentation des information en entrée (et notamment le média texte ou image….) a ne forte influence sur la façon dont les informations vont être représentées, retenues et utilisées ultérieurement. Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

20 La résolution de problème
Les principes d ’apprentissage Le paradigme préféré des cognitivistes est la résolution de problème. Selon eux, c’est lorsque l’on est confronté à un problème que l’on doit générer des hypothèses de règles que l’on doit tester par la manipulation réelle ou symbolique. C’est par le raisonnement et la création de nouvelles règles que l’on se construit de nouvelles connaissances. Vous voyez déjà le parallèle avec les simulations : on doit chercher à deviner les règles qui gouvernent le système en utilisant une démarche hypothético-déductive. Comme dans le constructivisme, on apprend en interagissant avec l’environnement, mais ici le comportement doit amener à découvrir des règles de fonctionnement selon une démarche systématique, et pas par tatônnement. La Tour de Hanoï Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

21 Apprendre en contexte Expérience de Baddeley sur la mémorisation en condition terrestre et sous-marine Les principes d ’apprentissage Les connaissances ne sont pas indépendantes de leur contexte d’acquisition. De façon anecdotique, on sticke des connaissances épisodiques qui sont reliés à des expeériences d’apprentissage et on les retrouve en même temps que les dites connaissances. Plus fondamentalement, le concept de cognition située signifie qu’une connaissance ne s’active que dans certains contextes, ce qui est éveidemmment un problème pour l’éducation. Pour remédier à ça, certianes pédagigies proposent un apprentissage par problème ou à partir de cas le plus proche possible de situations réelles, et le plus variées possibles. L’idée des simulation est aussi de donner plus de sens et de contexte à des règles formelles. Notion de cognition située Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

22 Effet d ’attention Murdock (1965) Les principes d ’apprentissage
Mémorisation de carte pendant tâche de tri (Murdock (1965) Les perfomances de rappel diminuent quand la difficulté de la tâche de tri augmente Les principes d ’apprentissage Expé qui montre l ’effet d ’attention. Autre expé qui montre que l ’on se rappelle très peu des pubs que l ’on entend 1000 fois sans y penser, ou que l ’on a très peu de rappel d ’infos apprises pendant le sommeil. Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

23 D’autres concepts plus récents
Cognition distribuée L’outil utilisé prend en charge une partie des fonctions cognitives Métacognition Mise à distance, prise de conscience, régulation. Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

24 Principes nés du cognitivisme
Utiliser des situations de résolution de problème Organiser le matériel en unités signifiantes Maintenir l’attention Donner des contextes réalistes et signifiants Utiliser des formats de présentation riches et expressifs (multimédia, interactivité) Les principes d ’apprentissage Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

25 Animations et simulations
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26 Animations et simulations
Démonstrations - presentation: used with or without an accompanying text to demonstrate or elaborate a lesson concept, fact, rule or procedure.-> learning by viewing approach Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

27 Animations et simulations
Démonstrations - practice: animation is used as a part of a practice strategy (from highly structured to discovery approach). Amomg them, interactive dynamics are defined as animated graphics which change continuously over time based on students input (Cf. simulation) -> learning by doing. Use specific mot computer. Simulations interactives Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

28 L ’animation Le présupposé Les résultats
L’animation devrait faciliter la compréhension de phénomènes dynamiques Résultats mitigés Très souvent, l’animation n ’est pas plus efficace qu ’un graphique statique Les résultats Autre paramètre caractéristqiue des docs électroniques, c’est le facteur de présentation dynamique. Il est assez légitime de penser que la compréhension d’un système dynamqiue dans le temps sera facilitée par la visualisation d’un graphique lui-même dynamique. En effet, le graphique dynamique devrait faciliter la construction d’un MM analogique au système décrit. Cependant, une revue de question Bétrancourt & Tversky : 7 études sur 15 moins de 50 % Certes une animation est meilleure que pas de visualisation du tout mais ça ne vient pas de la caractéristique animée. Cela nous adonc intrigué et l’on a recherché les raisons en termes de processus cognitifs : qu’est ce qui fait que le MM dynamique ne se construise pas ? Bétrancourt & Tversky, 2000 Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

29 Difficultés conceptuelles
Now justhace a look at this animation. Can you tell me how a oilet tank work ? Even if you could speed it down, you could be able to tellwhat event is preceding another event, but you could not explain it in terms of causal relationships , or answer to questions like What can I do if I want to save water? In other words, you can not build a functional mental model from that animation. How a toilet works Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

30 Difficultés perceptives
Trajectoire du point ? Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

31 Difficultés perceptives
La perception humaine n’est donc pas très efficace pour traiter des simuli en mouvements. Les difficultés sont : - d’analyser les différents mouvements qui peuvent se produire simultanément - de les mémoriser alors no reference of what has been previouly seen is available Kaiser, Profitt & Whelan, 1992 Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

32 L’animation : des obstacles...
Difficultés de traitement du mouvement Pas de support à la conceptualisation - Pas le support : pas de segmentation en étapes, pas relations causales. L’information est transitoire Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

33 Simulations : risques et difficultés
La réussite à la simulation n’implique pas la compréhension du phénomène Démarche hypothético-déductive ou essai-erreur ? Retour réflexif ? Persistence des conceptions erronées Le développement d’un modèle complexe est coûteux (cf. Stella) Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

34 Dans quelles situations d’apprentissage ?
Pour supporter le processus de visualisation et de représentation mentale Pour provoquer un conflit cognitif - Pour supporter le processus de visualisation et de représentation mentale (essayer de se représenter le phènomène de Mars sans aide...) - Provoquer un conflit cognitif (exemple : montrer la vitesse de chute de 2 objets de poids différents) Simulation interactive : pour faire explorer un phénomène et en déduire les lois qui le régit. Raisons pratiques comme on l’a évoqué la dernière fois : coût moins important que l’expérience réelle, peut être refait à l’envi et sans risques (ex. manipulation qui ne serait fait que par le prof sinon), permet d’explorer des phénomènes non perceptibles (ex simulation chaîne alimentaire) Pour faire explorer un phénomène Pour des raisons pratiques Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

35 L’animation : précautions d ’usage
N ’utiliser que lorsque les transitions entre les étapes ne peuvent être déduites par l’apprenant Juste équilibre entre réalisme et abstraction - Transitions pas inférables par le novice sans aide -> enablingou facilitating function - Equilibre entre réalisme : on veut montrer un phénomène dynamique mais il faut aussi un certain degré d ’abstraction et de symbolisation. Par exemple, dans les planètes, la taille des planètes est fortement exagéré par rapport au soleil. Dans la simulation géologique, les flèches sont utilisés pour montrer les courants de convection. Deux principes : sobriété adéquation au modèle conceptuel Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

36 Simulations : précautions d ’usage
Associer à une activité qui guide l’exploration Susciter la réflexion sur l’action - Activité de scaffolding : cf. activité en chimie (c’est presque trop car la procédure est telle que l’on ne réfléchit plus), simulation du pendule associé à des questions de compréhension du phénomène Réflexion sur l’action : les animations sur la navette spatiale ou le frigo ne donne lieu en soi à aucune connaissance sémantique car tout est implicite- Pour qu’il y ait compréhension il faut des prérequis dans le domaine, il faut qu’il y ait activité de conceptualisation. Les simulations ont pour objectif parallèle d’inciter à adopter, notamment en sciences, une démarche hypothético-déductive. Mais on peut arriver au même résultat (càdire arriver à ses fins avec la simulation) avec une démarche par essai-erreur. La construction d’un modèle intgrant les règles et les raisons pour lesquelles cela fonctionne comme ça n’est pas un processus automatique. La formalisation des règles n’implique pas forcément la compréhension du phénomène Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt

37 Pour aller plus loin Voir la rubrique pointeurs sur les micromondes et simulations Voir les infos complémentaires dans la rubrique micromondes. Exemple les plus connus : Cabri-géomètre MicroMondes Pro, une version du langage Logo aux caractéristiques insurpassées, permet aux étudiants de créer des projets dynamiques et interactifs pour l’école et pour le Web. Les étudiants deviennent ainsi des créateurs sur l’Internet au lieu d’être de simples utilisateurs. Ils peuvent créer des projets interactifs en format HTML pour diffusion sur l’Internet ainsi que des hyperliens vers le Web. Cours Environnements Informatisés d’apprentissage – Mireille Bétrancourt