TPElec : Un micro-monde conçu pour favoriser l’apprentissage de l’électricité
Expérimentations
Réalisation
Qu’est-ce qu’un micro-monde ?
Un micro-monde est un logiciel permettant à un utilisateur de disposer d’une certaine autonomie pour construire des objets particuliers caractéristiques de ce micro-monde. Les micro-mondes sont utilisés pour mettre en œuvre des méthodes de pédagogie active.
Le micro-monde TPElec
Le micro-monde TPElec a été réalisé en collaboration avec des enseignants de physique du secondaire. Le public auquel s’adresse ce logiciel, est constitué des élèves de collège et de lycée, ainsi que les étudiants de la formation continue devant renforcer leurs connaissances en électricité. Notre travail de conception se base notamment sur l’expérience acquise sur l’usage du micro-monde nommé TPELEC, développé en 1988 [Coquelle et al. 1988], [Adam, Gauche et Coquelle 1986], et toujours utilisé actuellement dans certains établissements.
TPElec permet la manipulation directe des principaux composants électriques utilisés dans les travaux pratiques d’électricité : le générateur à tension variable, les piles électriques, les résistances, les lampes, les appareils de mesure (voltmètre et ampèremètre), le fusible, l’interrupteur, la diode électroluminescente. Le logiciel est bien entendu conçu pour intégrer facilement de nouveaux composants. Le micro-monde peut être initialisé par un montage préparé par un enseignant.
L’apprenant sélectionne les composants dont il a besoin et les pose sur la plan de travail. Les caractéristiques de chaque composant peuvent être modifiées par l’apprenant. Une fois les composants en place, l’apprenant peut les relier par des fils qu’il branche aux bornes des appareils, comme lors de séances réelles de travaux pratiques :
Vue "Photographie"
Les lampes allumées sont visualisées par des halos lumineux plus ou moins grands autour de l’ampoule. La taille du halo est calculée en fonction de la puissance réelle de la lampe par rapport à sa puissance nominale.
L’une des originalités du logiciel TPELEC est la gestion simplifiée de la propagation des potentiels électriques et la visualisation des lignes équipotentielles par coloration des fils électriques. Cette possibilité de visualisation du circuit a été intégrée au micro-monde. La tension maximale est affichée par du rouge, la tension minimale par du bleu, et toutes les tensions intermédiaires par la couleur intermédiaire, le violet. Les fils non reliés à une source électrique ne sont pas colorés. Cette forme de visualisation est optionnelle, car elle n’est pas pertinente dans toutes les situations d’apprentissage.
L’apprenant peut construire plusieurs circuits sur son plan de travail. Le logiciel peut d’afficher les circuits selon 2 vues différentes :
• la vue « photographie » (image ci-dessus) où chaque composant est visualisé par une image ou une photographie d’objet réel. Le logiciel permet de remplacer les photographies d'objets réels par des dessins (le look "cartoon"):
Look "cartoon"
• La vue « schéma » où ce sont les schémas électriques équivalents aux circuits qui sont affichés, en utilisant les symbolisations normalisées. La vue schéma est une autre visualisation du montage réalisé, mais elle ne permet pas à l'apprenant de modifier son montage :
Vue Schéma
Une architecture logicielle pour des usages diversifiés
Le logiciel TPElec est une applet Flash pouvant être très facilement intégrée à une plate-forme web. Afin de permettre la visualisation de diverses vues du montage, il a été développé en respectant l'architecture MVC.
L'activité de l'utilisateur peut être enregistrée grâce à des scripts externes au logiciel (scripts php ou python par exemple). Ces scripts sont dépendants de la plate-forme sur laquelle est utilisé TPElec. Les adresses des scripts à utiliser doivent être passées en paramètre à TPElec dans le tag <OBJECT> qui le référence dans la page web. Il en est de même pour le circuit à charger pour initialiser le micro-monde.
Enfin, l'applet intègre un thread spécifique destiné à communiquer avec une application extérieure : il interprète les requêtes de l'application extérieure répond ou réagit en conséquence. Un langage de communication entre TPElec et une application extérieure a été défini pour permettre à cette application
• de demander à TPElec l'état du montage manipulé, c'est-à-dire les noms et les caractéristiques des composants et des fils de liaisons qui constituent le montage ;
• de commander TPElec, c'est-à-dire effectuer une opération sur le montage ou activer/inhiber une option du logiciel.
Cette possibilité originale va nous permettre de réaliser activités pédagogiques complexes, basées sur TPElec. Nous avons exploité le logiciel FORMID-Eleve pour valider cette fonctionnalité et réaliser des activités pédagogiques guidées.
Exploitation web du micro-monde
Le micro-monde exploitant les technologies du web, il suffit de disposer d'un navigateur web équipé du plug-in flash pour utiliser TPElec. Ceci présente notamment les avantages suivants :
• cela permet une exploitation facile du micro-monde dans le cadre de formations à distance ;
• cela facilite l’expérimentation sur le terrain, dans les lycées et collèges, car tous les établissements partenaires sont connectés à Internet par une ligne à haut débit ; aucune installation préalable sur les postes des étudiants n’est nécessaire ; les traces produites par le logiciel sont envoyées (par les scripts externes spécifiques) directement à un serveur de notre laboratoire pour y être stockées et analysées ; il n’y a donc aucune phase de "récolte" des traces produites par les apprenants en fin d’expérimentation.
• Cela nous permet aussi de suivre à distance l’activité d’une classe en temps réel à l’aide d’un logiciel de suivi qui exploite ces traces au fur et à mesure de leur stockage sur le serveur. C'est ce que nous avons mis en œuvre avec le logiciel FORMID-Suivi.