numérique et enseignement

« L'automatisation de l'acquisition et du traitement des données expérimentales peut (...) permettre de dégager du temps pour la réflexion, en l'ouvrant aux aspects statistiques de la mesure et au dialogue entre théorie et expérience. »
Extrait du préambule des programmes du cycle terminal scientifique.

En plus des utilisations habituelles, l'acquisition informatisée peut être désormais utilisée en terminale pour étudier la conversion analogique-numérique (CAN), que les interfaces mettent en œuvre pour l'acquisition de mesures. C'est le principe même de l'acquisition qui devient l'objet d'étude.

Exemple de compétence exigible en fin de terminale S :
Mettre en oeuvre un protocole expérimental utilisant un échantillonneur-bloqueur et/ou un convertisseur analogique numérique (CAN) pour étudier l'influence des différents paramètres sur la numérisation d'un signal (d'origine sonore par exemple).

« La simulation est l'une des modalités de pratique de la démarche scientifique susceptible d'être mobilisée par le professeur. »
Extrait du préambule des programmes de seconde générale et du cycle terminal scientifique.

« Les simulations numériques sont l'occasion d'une réflexion systématique sur les modèles qui les sous-tendent, sur leurs limites, sur la distinction nécessaire entre réel et virtuel ; la simulation d'expériences ne doit cependant pas prendre le pas sur l'expérimentation directe lorsque celle-ci est possible. »
Extrait de l'introduction commune des programmes de physique-chimie des classes du collège.

Il existe de nombreuses animations et simulations (en flash, java, GeoGebra notamment) permettant en particulier d'illustrer des notions parfois abstraites. L'animation facilite notamment la compréhension de phénomènes qui évoluent au cours du temps ou qui dépendent de la position dans l'espace.

Plusieurs sites institutionnels proposent des séries d'animations utilisables en classe, parmi lesquels :

- le CEA : http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations_flash
- Météo France : http://education.meteofrance.com/education/accueil

Parmi les autres sites proposant des animations flash, java, Geogebra, et CDF de qualité, on peut citer :

- flash : http://www.ostralo.net/
- java : http://phet.colorado.edu/fr/  et http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/accueil.htm
- GeoGebra : http://dmentrard.free.fr/GEOGEBRA/Sciences/accueilscie.htm
- CDF : http://demonstrations.wolfram.com/topics.html?PhysicalSciences#5

Ci-dessous : animation illustrant le fait que la trajectoire d'un objet dépend du référentiel d'étude de son mouvement.

Vue de l'intérieur du train, la trajectoire de la balle qui chute puis rebondit, etc. est rectiligne	Vue de l'extérieur, c'est une succession d'arcs car au mouvement de chute s'ajoute celui du train

La baladodiffusion (podcasting) est également utilisée mais assez peu, principalement pour récapituler les points importants d'un cours, pour énoncer de petits exercices, ou pour donner des consignes lors d'activités expérimentales. Même chose pour la réalisation de vidéos avec mise en ligne, où les élèves apprennent à communiquer, et notamment à échanger leurs résultats avec d'autres. Dans les deux cas, les utilisations vont sans doute se développer puisque la compétence « communiquer » sera évaluée dans le cadre de l'ECE (évaluation des compétences expérimentales) au baccalauréat : un élève pourra être amené à réaliser un enregistrement audio pour expliquer ce qu'il a compris et réalisé.

Les bases de données sont de plus en plus nombreuses à être exploitables en classe, et sont de plus en plus utilisées.

Exemples :
- Base de données donnant les caractéristiques de tous les noyaux atomiques connus (utilisée par le logiciel Nucléus notamment) : http://amdc.in2p3.fr/web/nubdisp_fr.html
- Base de données de spectres stellaires Elodie, de l'Observatoire de Haute-Provence : http://atlas.obs-hp.fr/elodie/
- Données sismiques : http://www.edusismo.org/
- Ephémérides de positions de l'IMCCE pour l'étude des lois de Kepler (mouvement des planètes et des satellites) : http://www.imcce.fr/fr/ephemerides/formulaire/form_ephepos.php
- Bases de données de spectres infrarouges et de spectres RMN, en chimie :
http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/cre_index.cgi
http://www.chemspider.com/
http://eduscol.education.fr/rnchimie/liens/moteur_multi.htm

« Les travaux pédagogiques et les réalisations d'élèves gagneront à s'insérer dans le cadre d'un environnement numérique de travail (ENT), au cours ou en dehors des séances. »
Extrait du préambule des programmes de seconde générale et du cycle terminal scientifique.

« La mise en relation de classes effectuant une même recherche documentaire ainsi que la comparaison de mesures effectuées dans des établissements différents sont rendues possibles par les TIC. »
Extrait du préambule des programmes du cycle terminal scientifique.

« Lorsque les situations s'y prêtent, des échanges de messages et de données sont réalisés par l'intermédiaire des réseaux : compilation et traitement statistique de résultats de mesures, transmission des productions au professeur, travail en groupe. Les règles d'identification et de protection, de respect des droits sont systématiquement appliquées, de façon à faire acquérir des comportements responsables. »
Extrait de l'introduction commune des programmes de physique-chimie des classes du collège.

L'ENT académique e-lyco est très utile en sciences physiques, avant tout pour mettre à disposition des élèves certains médias utilisés en classe, tels que des animations ou des simulations. Aussi pour leur fournir une version couleur de certains documents photocopiés, donc actuellement en noir et blanc ; c'est indispensable dès qu'on travaille sur la lumière et les couleurs en physique (ex : spectres en classe de seconde). Sans parler des autres usages bien-sûr (blogs, forums, chats, ...) ou évidemment de la remise en ligne de productions diverses.

Différents outils supplémentaires peuvent être accessibles via les ENT : c'est le cas des manuels numériques, mais aussi des plateformes d'apprentissage telles que Moodle.

Ci-dessous : remise de comptes rendus de TP dans e-lyco.

La plupart des logiciels concernés sont des logiciels gratuits, voire libres. Les sujets d'ECE (évaluation des compétences expérimentales) du baccalauréat supposent très souvent la maîtrise d'outils informatiques (tableur ou logiciels spécifiques) de la part des candidats ; ces outils sont donc régulièrement utilisés en classe par les élèves, en autonomie. La maîtrise des TUIC est également une des 7 grandes compétences du socle commun de connaissances et de compétences au collège ; l'obtention du B2i collège équivaut désormais à l'acquisition de cette compétence. Les autres disciplines sont évidemment concernées dans ce cas.

Acquisition de sons
Un logiciel comme Audacity est utilisé pour exploiter des sons (signal sonore, spectre, sonagramme) préenregistrés ou enregistrés par les élèves ; on l'utilise même pour mesurer la vitesse de propagation d'un son dans un solide, à l'aide de deux capteurs de vibrations reliés à la prise microphone du PC, ou pour calculer la vitesse d'une automobile en exploitant l'effet Doppler sur les ondes sonores. Le logiciel Ocenaudio est un peu moins complet, mais il propose une interface agréable et il évoluera.

Exemple de compétence exigible en fin de terminale S :
Réaliser l'analyse spectrale d'un son musical et l'exploiter pour en caractériser la hauteur et le timbre.

Ci-dessous : signal sonore, correspondant au klaxon d'une automobile, visualisé dans Audacity.

Spectre de ce signal :

L'intervalle constant entre 2 pics successifs du spectre est lié au caractère périodique (répétitif) du signal sonore.

Acquisition d'images
La webcam est très utilisée en physique-chimie, pour filmer et montrer en direct une expérience, mais aussi pour étudier le mouvement d'objets (ou de personnes, sportifs par exemple).
Un logiciel tel que VirtualDub est employé pour faire un montage rapide de la vidéo, et d'autres, comme Avimeca, sont ensuite utilisés pour pointer les images successives, c'est à dire récupérer automatiquement les coordonnées d'un point d'un objet en mouvement.
En classe de seconde, on met ainsi en évidence l'importance du référentiel du mouvement. Ultérieurement, on calcule et on exploite ces coordonnées pour en déduire la vitesse, la quantité de mouvement, l'accélération, l'énergie cinétique, l'énergie potentielle, et l'énergie mécanique par exemple, aux différents instants où sont capturées les images.

Ci-dessous : pointage des positions successives d'une balle sur une vidéo puis modélisation de la trajectoire (trajectoire du type parabole ici).

Exemple extrait du programme de première S :
Réaliser et exploiter un enregistrement pour étudier l'évolution de l'énergie cinétique, de l'énergie potentielle et de l'énergie mécanique d'un système au cours d'un mouvement.

Mesures sur des images
Des logiciels comme Mesurim ou Regavi permettent d'analyser la répartition de l'intensité lumineuse sur une image prise avec un appareil photo numérique en TP (étude de la diffraction ou des interférences lumineuses par exemple). Mesurim permet aussi la mesure d'aires, donc on peut l'utiliser pour l'étude des lois de Kepler, etc.
Le logiciel SalsaJ est également utilisé, notamment pour exploiter l'effet Doppler en astrophysique et en déduire la vitesse radiale (vitesse dans la direction de l'observateur) de différentes sources directes ou indirectes (planètes, étoiles, galaxies) par rapport à la Terre.

Exemple de compétence exigible en fin de terminale S :
Utiliser des données spectrales et un logiciel de traitement d'images pour illustrer l'utilisation de l'effet Doppler comme moyen d'investigation en astrophysique.

Ci-dessous : figure d'interférences lumineuses (image obtenue sur un écran placé derrière 2 fines fentes éclairées par un laser rouge ici).

Mesure de la distance interfranges i (distance entre le centre de 2 franges lumineuses ou sombres consécutives) à l'aide du logiciel Mesurim :

Simulateurs du mouvement des planètes et de leurs satellites
On peut citer les deux logiciels suivants :
Logiciel Celestia (simulateur spatial libre et multi-plateformes)
http://www.shatters.net/celestia/download.html
Logiciel Sssim Studio (simulateur du système solaire)
http://www.sssim.com/en/product/studio/download.html

Analyse de spectres en chimie (UV et visible, infrarouge, RMN du proton)
La spectroscopie ultraviolet-visible est utilisée pour identifier une substance colorée par exemple, et pour déterminer sa concentration ; elle est également utilisée pour suivre l'évolution au cours du temps de réactions chimiques mettant en jeu une substance colorée. Pour déterminer la présence ou non de certaines liaisons chimiques dans une molécule, de certains groupements caractéristiques, et même pour identifier une molécule, on met à profit la spectroscopie infrarouge, et la RMN (résonance magnétique nucléaire, le terme nucléaire désignant ici le noyau (nucleus) des atomes sans lien avec une quelconque radioactivité). La spectroscopie UV-visible peut être abordée dès la seconde. Quant à l'infrarouge et la RMN, elles sont abordées en début de terminale puis utilisées toute l'année ensuite.

Logiciels et bases de données utilisés :
Logiciel SPECAMP http://www.sciences-edu.net/physique/specamp/specamp.htm
Bases de données (voir exemples plus haut).

Spectre infrarouge du propan-2-ol (CH3-CHOH-CH3) : les bandes d'absorption (pics) permettent d'identifier différents types de liaisons chimiques entre atomes.

Spectre RMN-H de la même molécule :

En exploitant la position des pics, leur nombre, et la courbe en vert (courbe d'intégration), on remonte à la structure d'une molécule, avec l'aide éventuellement du spectre infrarouge.

Exemple de compétence exigible en fin de terminale S :
Relier un spectre RMN simple à une molécule organique donnée, à l'aide de tables de données ou de logiciels.

Visualisation de molécules en chimie, étude de leur géométrie, de leurs configurations ou de leurs conformations
Il existe de nombreux logiciels permettant de construire des modèles moléculaires en 3 dimensions, puis de les manipuler. La géométrie des molécules est un facteur essentiel pour comprendre par exemple leur aptitude à donner lieu plus ou moins facilement à une réaction chimique donnée.

Logiciel Chemsketch : http://www.acdlabs.com/resources/freeware/chemsketch/

Ci-dessous : 3 conformations de la molécule d'éthane (CH3-CH3) visualisées dans Chemsketch.

Logiciel Avogadro : http://www.cndp.fr/sialle/fiche-detaillee-avogadro-289.php
Outils multi-plateformes comme Jmol : http://jmol.sourceforge.net/index.fr.html

Exemple extrait du programme de seconde générale :
Utiliser des modèles moléculaires et des logiciels de représentation.
Exemple extrait du programme de première S :
Utiliser des modèles moléculaires et des logiciels de modélisation.
Exemple extrait du programme de terminale S :
Visualiser, à partir d'un modèle moléculaire ou d'un logiciel de simulation, les différentes conformations d'une molécule.

Étude de la structure des images numériques, et du codage des couleurs et des niveaux de gris
Un logiciel tel que GIMP permet par une analyse pixel par pixel d'une image numérique, de comprendre le codage des niveaux de gris ou des couleurs.
Des éditeurs hexadécimaux, comme HexEdit, sont également employés pour l'étude du codage RVB (Rouge-Vert-Bleu) des couleurs puisque chaque couleur à l'écran est le résultat d'une combinaison de ces 3 couleurs primaires.
Exemple : codes R ;V ;B (Rouge ;Vert ;Bleu) des pixels d'une image et image correspondante

Exemple de compétence exigible en fin de terminale S :
Mettre en œuvre un protocole expérimental utilisant un capteur (caméra ou appareil photo numérique par exemple) pour étudier un phénomène optique.

Réalisation de cartes conceptuelles ou cartes mentales ou encore cartes heuristiques
La réalisation de cartes conceptuelles concerne tous les domaines de la physique et de la chimie. Une carte conceptuelle peut synthétiser par exemple les résultats importants à connaître dans un domaine donné. Le contenu de chaque nœud de la carte est multimédia : texte, image, son, vidéo, lien vers internet ... C'est un bon moyen de mémorisation, surtout si elle est réalisée par les élèves eux-mêmes. De nombreux logiciels ou sites internet permettent la réalisation et l'édition de cartes conceptuelles, par exemple le logiciel Freeplane.

Les manuels numériques sont encore peu utilisés en dehors d'une vidéo-projection par le professeur, avec des outils également proposés par les logiciels associés aux tableaux numériques interactifs (annotation, focalisation sur un point important, masques, ...). Le coût supplémentaire, en plus du manuel papier, est de l'ordre de 5 ou 6 € par élève pour 5 ans, mais l'enrichissement (ressources multimédias, exercices interactifs ...) devrait être un peu plus fourni. L'accès surtout pourra être simplifié, et le service après-vente amélioré.

Ci-dessous : manuel numérique en physique-chimie :

La recherche documentaire en ligne est bien-sûr très utilisée dès le collège, puis ensuite au lycée, lors des travaux personnels encadrés (TPE) notamment, en classe de première. C'est l'occasion pour les élèves d'être sensibilisés à la nécessité d'un usage d'internet responsable, notamment concernant les droits pouvant être attachés aux documents trouvés, aux images particulièrement. Lors d'activités documentaires, la recherche peut être lancée à partir de mots-clés voire de liens fournis vers des sites en rapport avec le thème d'étude. Les élèves apprennent à cibler leurs recherches, et notamment à axer celles-ci vers certains formats de documents.

Un certain nombre de sites institutionnels, français ou étrangers, fournissent des documents exploitables par les élèves ; ils sont donc très utilisés. On peut citer :

Académie des sciences http://www.academie-sciences.fr/
CNES http://www.cnes.fr/ avec notamment le magazine CNESMAG http://www.cnes.fr/web/CNES-fr/894-cnesmag.php
CEA     http://www.cea.fr/
CNRS   http://www.cnrs.fr/ avec notamment le journal du CNRS http://www2.cnrs.fr/presse/journal/ et la photothèque http://www.cnrs.fr/cnrs-images/
CERN   http://public.web.cern.ch/public/
Université de tous les savoirs http://www.canal-u.tv/producteurs/universite_de_tous_les_savoirs
Vidéos les ERNEST de l'ENS http://www.les-ernest.fr/

Les sites de partage de vidéos tels que YouTube et en particulier YouTube EDU, ou Dailymotion, sont de plus en plus utilisés, non seulement en consultation, mais aussi pour y déposer des vidéos réalisées par les élèves eux-mêmes. Une classe peut créer une chaîne où elle dépose ses productions, dans le cadre éventuellement d'un travail collaboratif avec une autre classe, à distance. Une vidéo peut aussi être utilisée en situation d'accroche lors d'une activité pratiquée en démarche d'investigation par exemple.

Quant aux tablettes et autres smartphones, on en est au stade de l'expérimentation en classe. L'offre en applications éducatives s'étoffe petit à petit : cours, exercices, soutien scolaire même. La frontière entre gratuit et payant est souvent ambiguë, avec des produits d'appel gratuits mais des fonctionnalités même essentielles pouvant être payantes. Par ailleurs, si certaines applications sont intéressantes, d'autres n'ont pas plus d'intérêt qu'une bonne animation flash, sans parler d'une certaine redondance avec ce qui est disponible sur les PC fixes ou portables, le côté ludique en moins peut-être.

Ci-dessous : molécule de propan-2-ol et spectres RMN correspondants, obtenus avec l'application mobile ChemDoodle.

Ci-dessous : à partir d'une photographie de pupilles diffractantes (ici 2 trous transparents), l'application mobile 2D-Fourier calcule la transformée de Fourier associée, qui correspond à l'image observée sur un écran placé derrière les pupilles éclairées par une source lumineuse telle qu'un laser ; la modification du diamètre des trous ou de la distance qui les sépare produit le même résultat que celui donné par l'expérience directe ; c'est un outil de simulation, même si l'application ne se résume pas à cet usage.

Hormis les expérimentations où l'ensemble d'une classe est équipée du même matériel, l'usage généralisé en classe est pour le moment limité par le fait que tous les élèves ne disposent pas d'un smartphone ou d'une tablette, et même lorsque c'est le cas, les gammes et les modèles ne sont pas les mêmes, ce qui rend difficile un travail collectif.
Néanmoins, le marché n'est actuellement principalement dominé que par les systèmes Androïd de Google (applications en téléchargement sur Google play), et iOS d'Apple (applications sur son app store), même s'il existe des tablettes fonctionnant sous Linux ou Windows 8 RT.

Le tableau numérique interactif (TNI) est très utile également : il permet de mémoriser l'ensemble d'une séquence pédagogique réalisée en classe, et de la mettre à disposition des élèves via l'ENT, ce qui est très appréciable pour les élèves absents notamment. L'utilisation de calques permet quant à elle de superposer une image d'expérience et un modèle du phénomène physique étudié pour pouvoir ensuite concentrer l'étude sur le modèle. C'est le cas ci-dessous, avec les réflexions successives d'un faisceau lumineux (étude du principe de la fibroscopie en classe de seconde, dans le cadre du thème de la santé).

L'usage du TNI est très variable. Salle équipée ne signifie pas utilisation régulière.