Chemlab

Page réalisée dans le cadre du cours Conception des Environnement Informatisés d'Apprentissage de la formation Maltt, au TECFA.

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Description

Description rapide du logiciel:

• Contenu enseigné

ChemLab est un logiciel d'apprentissage de la chimie qui intègre à la fois une simulation interactive et un carnet de laboratoire comprenant des espaces distincts pour la théorie, les procédures et les observations des élèves. Des procédures et du matériel de laboratoire courants sont utilisées pour simuler les étapes associées à l'exécution d'une expérience de laboratoire de chimie. Les utilisateurs exécutent étape par étape une procédure de laboratoire réelle par interaction avec du matériel animé qui reproduit une expérience réelle de laboratoire. ChemLab permet d’offrir des expériences de laboratoire aux élèves en ligne ou présenter une alternative à des laboratoires dangereux, coûteux ou dangereux pour l'environnement, ChemLab constitue une solution éprouvée à certains besoins pédagogiques. ChemLab a vu le jour à partir de travaux scolaires effectués dans le domaine de la simulation sur ordinateur et de la conception de logiciel à l'Université McMaster. Le travail d'élaboration s'est poursuivi grâce à la contribution importante d'éducateurs et d'éducatrices intéressés par l'application possible de simulations informatiques en classe ou en enseignement à distance.

• Fonctionnement général

ChemLab est offert avec un ensemble d'expériences de laboratoire prêtes à effectuer pour l'enseignement de la chimie générale de niveau secondaire ou collégial. Les utilisateurs peuvent ajouter à l'ensemble de laboratoires de départ en utilisant les outils de développement de l'Assistant de laboratoire de ChemLab, ce qui permet ainsi aux éducateurs d'élaborer des simulations de laboratoire spécifiques à un programme. Ces simulations conçues par les utilisateurs combinent des instructions écrites et la simulation sauvegardées dans un fichier unique qui peut être distribué.

Cet écran nous permet de découvrir le matériel mis à notre disposition dans les laboratoires ainsi que la division du module en trois parties : Introduction qui correspond à la partie théorique, Procédure qui donne des informations sur les étapes de l'expérimentation à réaliser et Observation qui permet aux élèves de prendre des notes sur l'expérimentation.

• Environnement informatique

Le langage de développement n'est pas disponible, ChemLab est une application Classique, et non Web (ne s'exécute pas à partir d'un navigateur), l'environnement technique est Windows® 95/98/ME/XP/NT/2000 avec 8MB de RAM au moins, carte VGA ou plus.

• Accès

ChemLab est édité par : Model Science Software, #38049 - 256 King Street N., Waterloo, Ontario, CANADA, N2J 4T9 .L'URL de l'éditeur du logiciel est http://modelscience.com, il peut être commandé en ligne. Il existe sous deux licences :

a) ChemLab version professionnelle (1 élève) : USD 129,99 b) ChemLab version régulière ou étudiante : USD 29,99

Il est à noter que le prix de la licence professionnelle dépend du nombre d'élèves qui doivent utiliser le logiciel : 5 élèves = USD 250,00 ; 10 élèves = USD 325,00 ; 20 élèves = USD 475,00 ; 30 élèves = USD 575,00 Chemlab est offert en anglais, français et espagnol.

Principes Pédagogique

ChemLab met en jeu deux types d'apprentissage :

- L'apprentissage par le discours que l'on retrouve dans la partie introduction. Cette partie explique à chaque apprenant les principes correspondants à l'expérience qu'il va devoir réaliser par la suite. Cela représente une sorte de mini cours auquel l'apprenant peut se référer à tout moment.

- L'apprentissage par l'action que l'on retrouve dans la partie procédure pour l'action et dans la partie observation pour le feedback. À ce niveau l'apprenant va utiliser des procédures et du matériel de laboratoire courants pour simuler les étapes associées à l'exécution d'une expérience de laboratoire de chimie. ChemLab permet aux utilisateurs d'effectuer rapidement des laboratoires de chimie, en une fraction du temps tout en mettant l'accent sur les techniques et les principes les plus importants de la chimie expérimentale. Il peut ensuite enregistrer ses observations dans la partie observation.

• Connaissances et représentations mises en jeu dans ce logiciel ?

ChemLab est une interface de laboratoire facile à utiliser modelée sur une procédure de laboratoire courante qui permet aux utilisateurs de faire un parallèle avec ce qu'ils connaissent dans une situation d'apprentissage en présentiel. Très rapidement ceux-ci peuvent se familiariser avec les outils qu'ils ont à leur disposition. Ceux-ci sont représentés par des icônes dans la barre d'outils et représentent les mêmes icônes dont on se sert pour retranscrire une expérimentation en chimie.

Comment est exploitée la dimension affective ? Comment est gérée la motivation ?

Il faut vraiment avoir envie de se mettre à ChemLab. La motivation "primitive", celle qui est actionnée par la curiosité, une "soif de connaissance" doit "poser un lapin" à bien des gens devant ce didacticiel. Un étudiant en sciences, quant à lui, pourrait trouver un ressort pour utiliser ChemLab au moment de la préparation d'un examen. Il faut alors parler de motivation "secondaire". ChemLab pourrait aussi servir d'outil d'assimilation régulier de TP de chimie dans le cadre d'un enseignement des bases de la chimie, ce qui relève également d'une motivation à long terme… Bref le didacticiel n'est pas attractif en soi. L'interface graphique, très dépouillée, n'a rien de convivial et ne donne guère l'envie de manipuler les appareils et ustensiles accessibles par la barre d'outil.

La pauvreté graphique et l'aridité des propos de ChemLab privent l'utilisateur d'une dimension émotive – appelons-la "paléomammalienne" (1) – et qui joue un rôle prépondérant dans le fonctionnement de la mémoire à long terme. Même si le néocortex (2) fixe la mémoire à long terme, la composante émotive est indispensable pour retrouver l'information délivrée par le didacticiel au moment indispensable, celui d'une épreuve, par exemple.

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(1) Voir la théorie du cerveau triunique de Paul Mac Lean (1970) -- Le cerveau paléomammalien ou limbique (étage moyen du cerveau triunique) guide nos principaux comportements instinctifs et la mémoire dépend de lui. Il impulse les émotions qui fonctionnent comme des "adresseurs" mnésiques à l'origine de la mobilisation des ressources de notre mémoire. La charge émotionnelle qui accompagne nos expériences humaines a valeur d'adresse (une "url" biologique) et garantit leur réactivation mnésique à la demande.

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(2) Étage supérieur du cerveau triunique

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Parler de motivation revient toujours à mettre en lumière une conduite singulière, loin, très loin de considérations générales. Ainsi, dans notre cas : Pour quel motif un apprenant va-t-il ouvrir ChemLab ?… et : Qui est-il pour ouvrir ChemLab ?

Hypothèse N°1 : L'apprenant s'appelle Amadeus Chem MOZART, il a 5 ans et, dans une décennie, il va révolutionner le monde de la chimie par des découvertes et des inventions extraordinaires. Son papa, professeur de chimie à l'École de Chimie de Mulhouse et au MIT, lui offre ChemLab pour faire de lui le génie qu'il a failli être…

Mais ChemLab barbe notre génie en herbe et son papa ne sera pas le géniteur du futur Mozart de la chimie !

Hypothèse N°2 : L'apprenant s'appelle Quentin Arrhenius, étudiant en 1ère année de Sciences à l'Université de Genève et son professeur de chimie utilise ChemLab comme trame d'un cours. Les TP qui prolongent et illustrent ce cours, utilisent les fiches techniques de ChemLab. Au lieu d'acheter un manuel notre étudiant fait l'acquisition du didacticiel en question et il s'en sert pour acquérir les compétences visées par ce cursus.

L'hypothèse N°2 est clairement la plus probable et certainement, sauf exception exceptionnelle ! la seule possible. Le motif de Quentin Arrhenius est simple et clair : Il utilise ChemLab pour atteindre les objectifs fixés par son professeur, autrement dit pour réussir ses examens. Conséquence et en réponse à nos deux questions : Pour ouvrir ChemLab il faut être étudiant en chimie, très concerné par la réussite de ses études, à moins de préparer un Master FOAD à l'Université de Besançon, et que !…

Ce type de motivation secondaire est présent dans de très nombreuses situations d'apprentissages scolaires. Dans ce sens ChemLab est un support d'enseignement très classique et sans originalité pédagogique. Le didacticiel compte sur la démarche volontariste de l'étudiant et semble s'abstenir de toute recherche spéciale pour susciter un supplément de motivation. Les auteurs de ChemLab se campent en adultes qui s'adressent à des adultes, les détours pédagogiques, présents dans des interfaces pour enfants, sont volontairement mis de côté pour faire émerger les compétences pures à maîtriser par l'étudiant en fin de cursus. ChemLab prépare parfaitement à une évaluation sommative classique et scolaire. L'avantage va directement à celui qui veut réussir l'école, mais qui le veut absolument, pour ne pas rencontrer la démotivation en maniant ChemLab.

ChemLab ne se soucie pas de la motivation : Pour les auteurs de ce didacticiel elle relève du prérequis.

Existe-t-il un support métacognitif favorisant l'apprentissage ? Si oui, lequel ?

L'approche de ChemLab se fait avec l'idée d'assimiler des contenus, des raisonnements, des protocoles, eux-mêmes supports de démarches cognitives complexes, mais indispensables à ancrer profondément dans la mémoire pour pouvoir construire un édifice de connaissances et de savoir-faire, fondateur d'un travail de chimiste. L'apprenant veut fixer les notions abordées pour longtemps et sa stratégie est résolument néocorticale. Il a raison de procéder dans cet état d'esprit, car si l'émotion paléomammalienne permet l'adressage, le néocortex reste le support de la mémoire longue.

L'activité de l'apprenant va privilégier l'axe :

APPRENANT ==== SAVOIR

au détriment de "L'ENSEIGNANT"), c'est-à-dire ChemLab dans sa position de maître virtuel. La position du didactitiel est celle du "mort", comme le dirait Jean Houssaye – Le triangle pédagogique.

L'objectif de l'apprenant est de pouvoir restituer à volonté les acquisitions faites grâce au didacticiel. En fonction de la connaissance qu'il a de soi, c'est-à-dire quel type d'apprenant il est, plutôt auditif ou plutôt visuel etc.…, il va mettre en place des cycles de travail en veillant tout particulièrement aux feedbacks révélateurs de progrès. Dans une démarche probablement itérative, notre apprenant va poser des points fixes pour pouvoir actionner les leviers de la mémoire en cas de nécessité.

L'aide apporté par ChemLab est surtout visuelle : La possibilité d'enregistrer des notes prises au moment des expériences virtuelles permet de contrôler le travail effectué dans une perspective qualitative. De cette façon les améliorations sont mises en évidence et consolident les points d'appui primitifs jusqu'à devenir indélébiles dans la mémoire. Les raisonnements sous-jacents au protocole expérimental ou ceux qui sont induits en prolongation de ce même protocole deviennent familiers. Leur banalité, au moment d'une révision pour un examen par exemple, constituera le principal atout du processus d'apprentissage subi de cette façon.

L'apprenant prend en charge son apprentissage de manière volontariste. Sa stratégie est de type scolaire et se veut assimilative. ChemLab favorise l'étudiant chevronné, entraîné à des exercice très formel dans le sens que Piaget donne à ce terme. Le travail métacognitif, pour un étudiant surentraîné de ce type relève de l'automatisme, voilà pourquoi il est si difficile à déceler. Le travail dans sa totalité repose sur une conceptualisation particulièrement élaborée qui fait de larges emprunts à un langage intérieur symbolique (formules chimiques par exemple) pour "engrammer" dans la mémoire la succession des événements chimiques virtuellement en cours. L'exercice consiste à évoluer dans une réalité décalée, jalonnée de concepts rendus familiers grâce à des symboles, eux-mêmes fruits d'une initiation à laquelle ChemLab contribue puissamment.

ChemLab n'a rien de "rigolo" : Pas de bouillonnement inquiétant, pas de vapeurs suspectes, pas de musique stressante comme dans TyperShark et pourtant, dans une première approche superficielle, on pourrait croire à des ressemblances entre les deux didacticiels. TyperShark cherche à faire acquérir des séquences gestuelles très spécialisées en favorisant un apprentissage cérébro-moteur fantastiquement complexe car toujours changeant. ChemLab semble axé sur l'apprentissage de protocoles expérimentaux appartenant au domaine de la chimie, mais ici rien ne relève de la gestuelle, rien n'est kinesthésique… Par contre tout est formalisé, tout relève du stade formel, tel que le décrit Piaget. À ce niveau, la manière d'apprendre se mêle intimement aux connaissances. Le "savant", issu de ce laborieux processus, se souvient de façon très prégnante comment il a appris pour raviver ses connaissances et la stratégie métacognitive en œuvre vise l'activation de cette émotion secondaire d'ordre intellectuelle.

La métacognition en jeu lors de l'utilisation de ChemLab est celle de l'apprenant doué, celui-là même qui deviendra Docteur, Professeur ou Chercheur… Elle relève de ce qu'on pourrait appeler 'l'hyperbole" pédagogique par opposition à la "parabole" éducative, tant utilisée par les bouddhistes et repris par les chrétiens pour diffuser leur doctrine.

La "parabole" se caractérise par son impact émotif car, comme le conte, elle s'adresse à l'inconscient où elle trouve immédiatement une niche préexistante. Son efficacité n'est pas à démontrer. L'apprenant est en quelque sorte victime de son impact et il ne fait aucun travail métacognitif pour assimiler le message, pourtant en filigrane, que le conteur voulait faire passer. Dans ce cas l'émotion est première : Elle porte le sens et c'est elle qui le fixe.

L'hyperbole pédagogique – telle qu'il faut l'entendre ici – ne trouve l'émotion que tout à fait à la fin du processus d'appropriation des connaissances, au moment même où elle se transforme en savoir… C'est là que le génie se dévoile, dans un jaillissement émotionnel et de nature esthétique. Dans notre cas de figure, nous nous trouvons devant une métacognition ultra élaborée, celle du vieil apprenant qui a aiguisé son sens esthétique devant le savoir construit par l'esprit humain. La "voix intérieur" d'un étudiant séduit par ChemLab guide vers une "perception" harmonieuse du savoir. La chimie en devient une discipline et le cheminement métacognitif relève de l'exigence et de la rigueur intellectuelle qui conduit droit à l'émerveillement du savant.

Principes technologiques

ChemLab est un utilitaire pédagogique qui ravit les jeunes désireux de faire leurs propres expérimentations en concevant des expériences de chimie sur PC à l'aide de l'assistant, ou encore en consultant des expériences déjà existantes. C’est un merveilleux logiciel qui permet à l'élève et au professeur d'explorer virtuellement le merveilleux monde de la chimie. Il comprend beaucoup de laboratoires dont le principal permet de faire toute une gamme d'expériences avec une grande variété de produits chimiques et d’objets dynamiques. Il est même possible de rapporter ses observations et ses résultats dans un cartable. L’enseignant ou l’apprenant, utilisateur de ChemLab dispose d’une multitude d'options ou possibilités de manœuvres, de test de son choix. Il a aussi le pouvoir de modifier le décor du laboratoire. Ses connaissances peuvent aussi être mises à l'épreuve par le biais de petits jeux-questionnaires.

Il est conçu pour offrir une simulation interactive d'un laboratoire de chimie. Ce logiciel utilise des procédures et du matériel de laboratoire courants pour simuler les étapes associées à l'exécution d'une expérience de laboratoire de chimie. Chaque simulation de laboratoire est contenue dans un module de simulation séparé que l'on peut charger. Ainsi, de nombreux laboratoires différents sont possibles en utilisant l'interface commune de laboratoire. ChemLab permet aux utilisateurs d'effectuer rapidement des laboratoires de chimie, en une fraction du temps d'un laboratoire réel, tout en mettant l'accent sur les techniques et les principes les plus importants de la chimie expérimentale. Ce logiciel est idéal pour effectuer des laboratoires, exécuter des démonstrations, préparer un laboratoire et pour les laboratoires qui, faute de temps, ne peuvent être exécutés. Avec sa nouvelle version v2.4, l'utilisateur peut enregistrer une simulation, ajouter des commentaires et de la rejouer plus tard comme démonstration ChemLab permet d'en savoir plus sur beaucoup de thèmes relatifs à la chimie: réaction acido-basique, mesure du pH, analyse des solutions, oxydoréductions, etc. Ainsi, il est possible d'effectuer des décantations, des chauffages, des filtrages et bien d’autres manipulations à l’aide de la panoplie d’outils disponibles : récipients à bec verseur, entonnoir, bec Bunsen, éprouvette graduée, réchaud, etc. La simulation est si parfaite qu'elle permet une interaction en temps réel. Par exemple si on chauffe une éprouvette, quelques secondes plus tard, l'eau bouillira. Un bloc-note intégré au programme permet, par ailleurs, de prendre des notes. ChemLab est offert avec un ensemble d'expériences de laboratoire prêtes à effectuer pour l'enseignement de la chimie générale de niveau secondaire ou collégial. Les utilisateurs peuvent ajouter à l'ensemble de laboratoires de départ en utilisant les outils de développement de l'Assistant de laboratoire de ChemLab, ce qui permet ainsi aux éducateurs d'élaborer des simulations de laboratoire spécifiques à un programme. Ces simulations conçues par les utilisateurs combinent des instructions écrites et la simulation sauvegardées dans un fichier unique qui peut être distribué.

ChemLab ne remplacera pas les conditions réelles de l’expérience dans un laboratoire mais représente un formidable outil qui permettra à l’étudiant de préparer sérieusement ses travaux pratiques.

Simulation

L'aspect de simulation est la possibilité la plus pertinente dans Chemlab. Une simulation est toujours avantageux si l'expérience si réalité est dangereux pour l'environnement ou la personne, si il est coûteux, ou si il dure trop long temps ou si il passe trop vite pour bien analyser le déroulement de la réaction. Tous ces facteurs peuvent être vrais pour une expérience chimique.

À la place d'une représentation abstraite d'un déroulement d'un expérience chimique, les auteurs ont essayé de rester le plus proche à l'analogie d'un laboratoire de chimie. Apparement ce logiciel veut préparer les apprenants à faire des expériences chimiques en réalité. Cet idée est comparable à des simulations de vol pour entraîner des pilots à piloter un vrai avion. À l'autre coté nous pourrions également imaginer une simulation des expériences chimique au niveau abstrait où les donnés sont saisies avec des chiffres et le résultat est une courbe résultante ou même seulement un chiffre résultant. Une simulation de tel type serait plus aptes à des chimistes avancés qui n'ont plus besoin de l'analogie avec un vrai laboratoire.

Cela dite, à notre avis il n'est pas possible de remplacer le travail dans un laboratoire avec Chemlab. Si nous reprenons l'exemple d'un simulateur de vol : les manipulations dans la simulation et l'avion sont très similaire : il s'agit de manipuler le volant, des boutons etc. Cependant, dans Chemlab les manipulations en réalité sont très différent à la manipulation des objets sur l'ecran à l'aide de la souris.

Très liés à la possibilité de la simulation est le traitement intelligent des données. Pour prédire la réaction chimique dans notre simulation, des calculs ont été programmés par les auteurs pour prédire la réaction chimique. Ainsi, le logiciel est p.ex. capable de prédire à quel moment la solution chimique a un valeur de pH 7 si on ajoute une base dans un acid.

Rapidité

Un grand avantage des simulations est la rapidité à la quelle il permet d'obtenir un résultat. Ainsi, l'apprenant peut effectuer plusieurs essaies, où il peut utiliser différents méthodes ou ingridients pour étudier les réactions dans une expérience virtuelle. Cet approche n'est pas possible dans une expérience réele, d'un coté pour des raisons de sécurité, mais d'autre coté à cause d'un temps important qui est nécessaire pour mettre en disposition une expérience en réalité. Quant aux aspects pédagogique, un feed-back immédiat est important pour faire des liens causals entre deux évenements (la disposition de l'expérience et la réaction chimique). Une apprentissage constructiviste nous semble particulièrement efficace si l'apprenant a la possibilité de faire un apprentissage par erreurs et de corriger tout de suite les erreurs commis. Ceci est contraire à l'approche behavioriste qui postule qu'il n'y a pas d'apprentissage par erreurs.

Accès à des informations à distance

La possibilité d'accéder à des informations à distance est un facteur qui est à la base de tous les logiciels conçus pour la formation à distance. Nous pouvons constater que Chemlab offre aussi une possibilité limitée à la formation à distance (hors salle de classe), comme il permet de faire des unités de formation qui peuvent être distribué électroniquement. Une telle unité peuvent consister des textes introductifs, des demonstrations graphiques et des consignes pour les exercices à faire. L'unité peut être enregistré dans un fichier est être mis à disposition par exemple sur le web.

Stratégies et scénarios pédagogiques

Abordé en période 3.

Points forts

- Partie introduction, qui donne un, résumé de cours spécifique à chaque expérience et à laquelle l'apprenant peut se référer à tout moment.

- Possibilité de faire des expériences qui ne pourraient pas être possibles en temps réel car trop coûteux ou trop dangereux.

- Permet à un scientifique de réviser ces cours en ayant accès à un laboratoire, tout en prenant des notes sur son travail. De cette façon il peut travailler à son rythme et prendre en charge son apprentissage.

Points faibles

- Appropriation du logiciel assez difficile pour un novice.

- Absence de tuteur, ce qui crée un sentiment d'abandon.

- Logiciel très statique qui peut générer de l'ennui et une perte d'intérêt.