Environnement virtuel 3D pour l'enseignement et l'apprentissage

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Définition

Les environnements virtuels en trois dimensions (3D) (voir également les pages Environnement interactif 3D et Virtual environment) sont caractérisés dans la littérature (notamment par Roussou, 2004) par deux éléments indissociables : l’immersion dans un monde, (ou réalité virtuelle) et l’interaction avec des objets 3D modélisés (objets d’apprentissage, avatars). D’autres auteurs (Dillenbourg, Schneider & Synteta, 2002), insistent également sur les composantes sociales et collaboratives de tels environnements (“Educational interactions occur in the environment, turning spaces into places”, et la diversification technologique et pédagogique qui les caractérisent (“Virtual space is a space for innovation” [...] : “For teachers, a virtual space is an open space, a space where they can try new approaches.”). Harms (2000) précise encore : “Virtual reality incorporates characteristics that lend it significant potential : immersion, presence, direct engagement (user involvement), immediate visual feedback, autonomy and interactivity.” Dans la littérature, on retrouve plusieurs termes dont le sens est proche : réalité virtuelle (immersion sensorielle dans un monde numérique), environnement virtuel (synonyme de réalité virtuelle, environnement permettant à des utilisateurs de réaliser des tâches dans un lieu virtuel) et enfin espace virtuel (lieu de la réalité virtuelle, organisé spatialement et métaphoriquement), (Ott, 1999). Dans cette petite contribution, nous nous intéresserons plus particulièrement au potentiel d’utilisation des environnements virtuels 3D pour l’enseignement et l’apprentissage des sciences.

Approches pédagogiques

Depuis un certain nombre d’années, l’évolution d’un paradigme d’enseignement (centré sur la transmission de contenus) vers un paradigme d’apprentissage (centré sur la construction des savoirs par l’apprenant), a rendu populaire les activités de résolution de problème. A cet égard, le développement d’environnements virtuels 3D constitue un terrain favorable pour l’apprentissage situé (situated learning). Selon Bares, Zettlemoyer & Lester (1998), donner aux apprenants la possibilité de s’immerger dans des environnements 3D contribue à développer chez eux une compréhension expérientielle (“experiential understanding”) de phénomènes complexes, en sciences notamment. Même s'ils peuvent relever de plusieurs approches pédagogiques différentes, ces environnements soutiennent le plus souvent et une approche de l’apprentissage proche du constructivisme : “Students can learn by doing”. “They can also test theories by developing alternative realities” (Nonis, 2005, p.2). Par ailleurs, la théorie de la cognition distribuée (pour en savoir plus, voir la page intitulée Cognition: un processus situé, distribué et perceptif considère que le fonctionnement cognitif d'une personne s'inscrit également dans l'environnement qui l'entoure. Par extension, le concept d'intelligence distribuée permet d'appréhender tout l'intérêt du travail en interaction, qu'il s'agisse d'une interaction entre pairs ou entre l'homme et la machine.

Environnement 3D et socioconstructivisme

La vision constructiviste de l'apprentissage peut être expliqué en termes de trois grands principes.

• Le premier principe, normalement attribué à Vygotsky, est que l'apprentissage se produit dans un contexte social, et que l'interaction entre les apprenants et leurs pairs est une partie nécessaire du processus d'apprentissage.
  • Il existe aujourd'hui des séquences pédagogiques à distance basées sur le socioconstructivisme qui placent les apprenants dans un monde virtuel. Les auteurs expliquent que cela a été fait afin de reproduire un environnement qui pousse au travail en équipe et à l'apprentissage social, même lorsque les apprenants ne sont pas réellement à proximité. Pour plus d'informations sur ce projet, vous pouvez cliquer ici.
  • Les environnements virtuels en ligne permettent à l'apprentissage de se faire à très longue distance, et fait donc tomber les barrières spatiales entre les apprenants.
• Le deuxième est que chaque personne fait sa propre représentation de la connaissance, et par conséquent qu'il n'y a pas de représentation unique «correcte» de la connaissance (Dewey)
• Le dernier principe est que l'apprentissage se produit lorsque, au cours de l'exploration active, l'apprenant découvre une lacune dans sa connaissance ou une incohérence entre sa représentation actuelle des connaissances et son expérience du moment (Piaget).
  • L'environnement 3D peut permettre une situation propice à l'apprentissage selon ce principe. Cela peut se faire d'une simulation, qu'il s'agisse d'une simulation du monde observable ou une simulation plus abstraite. Parfois la simulation peut être préférable à une réelle exploration de l'environnement, soit parce que cette dernière est impossible, difficilement réalisable ou trop couteuse.

Quelques exemples d'applications

Dans son dossier consacré à la modélisation du vivant, le portail de la science présente plusieurs applications rendues possibles par les environnements virtuels 3D, comme par exemple l’appréhension de l’infiniment petit (la rencontre de deux molécules), de l’infiniment grand (le mouvement des galaxies) ou d’éléments difficiles à faire expérimenter à des apprenants (la croissance des plantes, l’étude du mouvement des muscles d’un animal, etc.). Pour prendre connaissance d’autres exemples d’applications, voir la vidéo réalisée par Steve Collis (Sydney Center for Innovation in Learning, Australie) présentant une utilisation pédagogique de Second Life.

Ces avantages ne sont pas uniquement réservés aux matières scientifiques même si tel et notre propos dans cette contribution. L’enseignement d’autres disciplines, comme la géographie par exemple, s’appuient beaucoup sur des représentations visuelles et, à cet égard, la modélisation 3D peut apporter un vrai plus. Comme le souligne (Harms, 2000) : “Dealing with the natural world and trying to model real-world phenomena, these domains call for three-dimensional representations, rather than the classic two-dimensional approach”.

En biologie ou en chimie, l’environnement virtuel 3D peut se muer en véritable laboratoire au sein duquel il est possible d’effectuer, sans danger et à moindre coût, des expériences diverses et enrichissantes pour l’apprenant. Harms (op.cit.) définit le laboratoire virtuel (virtual laboratory) comme : “A computer simulation which enables essential functions of laboratory experiments to be carried out on a computer”. Il détaille ensuite les avantages de ces laboratoires virtuels en termes d’apprentissage: “As with simulations in general, virtual labs can also facilitate a range of different learning processes : solution of (complex) problems; discovery of new content and new assessment of already known information by means of discovery learning; construction of general principles from experimental work and comparison of individual phenomena (inductive learning). In all these cases the alternation between generating hypotheses is of particular importance.”

AET Zone est un monde en 3 dimensions synthétique conçu pour soutenir les étudiants, les professeurs , les anciens et amis du programme ASU technologie pédagogique . AET Zone offre aux utilisateurs un environnement immersif , où chaque perçoit l'espace , le mouvement, et la présence des autres. Les utilisateurs sélectionnent " avatars " - les représentations numériques d'eux-mêmes - et d'interagir avec le contenu intégré dans le monde , ainsi qu'avec d'autres utilisateurs via des outils de communication tels que les forums de discussion et texte- et chats à base audio .

• The Charles Sturt University Virtual Chemistry Laboratory La deuxième partie de ce texte concerne l'utlisation d'un environnement 3D pour l'apprentissage de la chimie

Les gains en termes d'apprentissage

Au niveau de la performance des apprenants, deux études (Mosterman et al., 1994 et Campbell, 1997) établissent que l’immersion préalable dans un laboratoire virtuel, avant l’expérimentation réelle, permet de réduire le temps d’exécution d’activités réalisées par la suite et que leur autonomie dans la réalisation des tâches sera accrue. De manière générale, l’utilisation d’environnements virtuels 3D semble accroître la motivation intrinsèque des apprenants (Nonis, op.cit.). Voir plus spécifiquement la page théories de la motivation.

Les environnements virtuels 3D ont cette spécificité par rapport à d'autres dispositifs d'apprentissage à distance de permettre la communication gestuelle, "moyen naturel de communication et [apportant] une très grande valeur ajoutée dans le travail collaboratif à distance" (Marques Soares, Horain, Bideau, 2004). Cette communication gestuelle est rendue possible grâce à l'intervention d'avatars, objets virtuels de substitution de l'apprenant dans l'environnement virtuel. Ces mêmes auteurs distinguent d'ailleurs les espaces applicatifs (de type 2D) des espaces immersifs (monde 3D virtuel multi-utilisateurs).

L'apport de cette communication non verbale a pour effet d'augmenter le sentiment d'immersion de l'apprenant confronté à une tâche collaborative car son avatar peut ainsi communiquer avec d'autres de façon enrichie par rapport à un environnement en deux dimensions et faciliter ainsi la collaboration.

L'Impact des Environnements 3D sur les Apprenants Neuroatypiques

Les environnements virtuels 3D présentent un potentiel prometteur pour l'apprentissage des individus neuroatypiques, notamment personnes TDAH par exemple. Une étude récente a démontré que la réalité virtuelle peut réduire les distractions en créant des contextes d'apprentissage immersifs où les apprenants peuvent se concentrer plus efficacement sur les tâches. (voir l'article : Immersive virtual reality for improving cognitive deficits in children with ADHD: a systematic review and meta-analysis)

De plus, une revue narrative a souligné que ces environnements favorisent l'engagement actif des apprenants, renforçant leur motivation et leur autonomie. L'utilisation de scénarios interactifs et de “serious games” dans ces environnements améliorent l'adhésion des élèves aux contenus pédagogiques. (voir l'article : The opportunities of virtual reality in the rehabilitation of children with attention deficit hyperactivity disorder: a literature review)

Les deux études mettent en avant comment les environnements virtuels 3D peuvent non seulement soutenir l'apprentissage académique, mais aussi contribuer à l'amélioration des capacités cognitives, de la mémoire de travail et des fonctions exécutives, tout en offrant une approche ludique et adaptée aux besoins spécifiques de ces apprenants.

Bibliographie

Bares, W.H., Zettlemoyer, L.K., Lester, J.C. (1998). Habitable 3D learning environments for situated learning. In : International Conference on Intelligent Tutoring System. Berlin : Springer. P. 76-85

Dillenbourg, P., Schneider, D.K. & Synteta, P. (2002). Virtual Learning Environments. In : A. Dimitracopoulou (Ed). Proceedings of the 3rd Hellenic Conference "Information & Communication Technologies in Education". Athens : Kastaniotis. P. 3-18.

Harms, U. (2000). Virtual and remote labs in physics education. In : Proceedings of the Second european Conference on physics teaching in engineering education (PTEE 2000). Budapest : University of technolgy and economics.

Marques Soares, J., Horain, P., Bideau, A. (2004). Communication gestuelle et télévirtualité : interaction autour d'une application partagée et acquisition des gestes par vision artificielle en temps réel. In : Actes du Colloque Compression et REprésentation des Signaux Audiovisuels (CORESA 2004), Lille 25-26 mai 2004. P. 187-190

Nonis, D. (2005). 3D Virtual learning environments. In : Ministry of Education. Educational Technolgy Division. IT Literature Review. Singapore.

Ott, D. (1999). Collaboration dans un environnement virtuel 3D : influence de la distance à l'objet référencé et du "view awareness" sur la résolution d'une tâche de "grounding". 42 p. Travail de mémoire pour l'obtention du diplôme "Sciences et technologie de l'apprentissage et de la formation". Université de Genève, Faculté de psychologie et des sciences de l'éducation. Accessible à l'adresse : http://tecfa.unige.ch/guides/methodo/edu-tech/thesis-examples/theory-testing-experimental-design/ott-collaboration-in-3d-environment.pdf (consulté le 10.12.2010)

Roussou, M. (2004). Learning by doing through play : an exploration of interactivity in virtual environments for children. ACM Computers in Entertainment, vol. 2, n°1

Corrigan, N., Păsărelu, CR. & Voinescu, A. Immersive virtual reality for improving cognitive deficits in children with ADHD: a systematic review and meta-analysis. Virtual Reality 27, 3545–3564 (2023). https://doi.org/10.1007/s10055-023-00768-1

Bashiri A, Ghazisaeedi M, Shahmoradi L. The opportunities of virtual reality in the rehabilitation of children with attention deficit hyperactivity disorder: a literature review. Korean J Pediatr. 2017 Nov;60(11):337-343. doi: 10.3345/kjp.2017.60.11.337. Epub 2017 Nov 27. PMID: 29234356; PMCID: PMC5725338.