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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 1
MeTAH Leibniz SEED
Conception d’un protocole expérimental avec un
logiciel dédié
Isabelle Girault, Cédric d’Ham et Mustafa Ergun
MeTAH, Université Joseph Fourier, Grenoble
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 2
MeTAH Leibniz SEED
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
Plan
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 3
MeTAH Leibniz SEED
La démarche expérimentale
Modèle - ThéorieMonde du réel
Concevoir une expérience
Réaliser l’expérience
Conclure
Suggérer des hypothèses
Définir le problème
Traiter les résultats
Interpréter les résultats
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 4
MeTAH Leibniz SEED 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
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 5
MeTAH Leibniz SEED Structure des travaux pratiques
Concevoir une expérience
Réaliser l’expérience
Conclure
Suggérer des hypothèses
Définir le problème
Traiter les résultats
Interpréter les
résultats
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 6
MeTAH Leibniz SEED
Tâche principale : résoudre le problème
T1.1T1.2
T1.3
Le protocole expérimental :un arbre des tâches
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
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 7
MeTAH Leibniz SEED
Concevoir un protocole : une tâche complexe
Les difficultés rencontrées
L’assistance
Les apprentissages
3 questions de recherche
1 hypothèse
La conception de protocole aide les élèves à s’approprier l’ensemble de la démarche expérimentale
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 8
MeTAH Leibniz SEED
Educaffix
Internet
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 9
MeTAH Leibniz SEED Scenario pédagogique
Evaluation du protocole par le
logiciel
Demande d'évaluation
Modification du protocole
Arrêt de la manipulationpar l’élève
Manipulation et rapatriement des
données
Evaluation positiveDémarrage de la
manipulation
Fin de la manipulation
robotisée
Présentation des objectifs du TP
Conception du protocole
Traitement des données
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 10
MeTAH Leibniz SEED
Pré-structurer le protocole expérimental dans Educaffix
Déterminer la concentration du colorant rouge dans le sirop de grenadine
T1.1T1.2
T2.1
T2.3
T2.2
T2.4
T2.5
T3.1
T3.2
T3.3
T3.4
T3.5
T3.6
T3.7
T3.8
T3.9
T3.10
Etapes Etc.
Actions-Objectif-Paramètre-Equipement
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 11
MeTAH Leibniz SEED
Interface de conception de protocole
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 12
MeTAH Leibniz SEED 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
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 13
MeTAH Leibniz SEED
Interface des rétroactions du tuteur
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 14
MeTAH Leibniz SEED
Evaluation du logiciel :questions de recherche
Question (1) 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.
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 15
MeTAH Leibniz SEED
Carte conceptuelle
Détermination de la concentration d'une substance par spectrophotométrie
Utiliser un spectrophotomètre
Choisir la référence
Choisir le domaine de concentration de la GE
Réaliser une gamme étalon (GE)
Choisir l'étalon
Faire une dilution
Rincer le matériel
Homogénéiser la solution
Choisir la longueur d'onde
Lumière
Longueur d'ondeAbsorbance
Spectre d'absorbance
Additivité des absorbances
Loi de Beer-Lambert (BL)
Espèce en solution
Concentration
Homogénéité d'une solution
Quantité de matière
Solvant Composé chimique
Savoirs procéduraux
Savoirs théoriques (Concepts)
Domaine de validité de la loi de BL
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 16
MeTAH Leibniz SEED Méthodologie
Conception du protocole avec
Educaffix
5 semaines 4 semaines
Post-testPré-test
56 étudiants (binôme), 2 classes de terminale S
Interviews des enseignants
• Protocole final• Traces logicielles• Enregistrements
audio
Questionnaire :• 6 savoirs
théoriques• 5 savoirs
procéduraux
Questionnaire :• 6 savoirs
théoriques• 5 savoirs
procéduraux
Evaluation du contrat didactique
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 17
MeTAH Leibniz SEED Résultats (1)
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%)
Q1: Evaluation de la capacité des élèves à concevoir un protocole cohérent par rapport au problème initial
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 18
MeTAH Leibniz SEED Résultats (2)
Difficultés rencontrées : 5 conceptions détectées
13 / 28
4 / 28C4 : la longueur d’onde n’a pas d’influence sur l’absorbance d’une solution
13 / 26C3 : le domaine de validité de la loi de Beer-Lambert est illimité
11 / 28C2 : dans une solution, la concentration en soluté est homogène
17 / 28C1 : l’eau n’a pas d’influence sur le système chimique
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
C5 : la solution de référence est constituée de la solution mère
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 19
MeTAH Leibniz SEED Résultats (3)
Pré-test et post-test Connaissances théoriques
Q2 : Evaluation des apprentissages
T1 : Concentration molaire
T2 : Homogénéité
T3 : Longueur d’onde
T4 : Spectre d’absorbance
T5 : Loi de BL
T6 : Additivité des absorbances
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
T1 T2 T3 T4 T5 T6
Connaissances théoriques
%pré-test
post-test
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 20
MeTAH Leibniz SEED Résultats (4)
Pré-test et post-test Connaissances procédurales
Q2 : Evaluation des apprentissages
P1 : Rincer le matériel
P2 : Faire une dilution
P3 : Homogénéiser
P4 : Application de BL
P5 : Choisir la référence
010
20304050
607080
90100
P1 P2 P3 P4 P5
Connaissances Procédurales
%pré-test
post-test
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 21
MeTAH Leibniz SEED Résultats (5)
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
Q2 : Evaluation des apprentissages
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 22
MeTAH Leibniz SEED 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
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 23
MeTAH Leibniz SEED
Le projet COPEX
Concevoir des protocoles en biologie, chimie, physique et sciences de la
terre
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 24
MeTAH Leibniz SEED 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
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 25
MeTAH Leibniz SEED
Structure possible de l’EIAH
Module de conception de protocoles> apprenant
Module de suivi> enseignant
Contenus
Module de spécification des TP > enseignant
Scénario
Simulations
TP labo
Tuteur artificiel
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MIEC - JIREC - 3 juin 2005 - 26
MeTAH Leibniz SEED