Utilisation des plates-formes Internet-Intranet dans l'enseignement des Sciences Physiques Xavier BATAILLE - Professeur E.N.C.P.B. PARIS |
 |
Utilisation des plates-formes Internet-Intranet dans l'enseignement des Sciences Physiques Xavier BATAILLE - Professeur E.N.C.P.B. PARIS |
|
Il n'est pas nécessaire de décrire l'importance qu'a pris
aujourd'hui le réseau Internet dans notre société ; on y recherche des
informations, on peut y télécharger des fichiers ou des programmes, acheter ou
vendre, on peut aussi communiquer en direct ou en différé sous forme de textes, de
graphiques, ou sous supports audio et/ou vidéo. Dans ce contexte, le monde de
l'enseignement commence à découvrir les avantages qu'il peut tirer de l'utilisation des
technologies de réseau. Peu à peu, les enseignants intègrent ces nouveaux outils à
travers des séquences pédagogiques.
Les réseaux de type
Internet / Intranet présentent les deux avantages qui en font un réseau convivial : ils
sont sous protocole unique (TCP/IP), et le langage est standardisé (HTML pour Hyper Text
Markup Language). Ce langage est interprété par un logiciel : le navigateur. Lorsque
l'on consulte une page sur le Web, on ne fait que télécharger sur un site un fichier
source en HTML que le navigateur de notre ordinateur interprète en une belle page
colorée et animée. Le rôle du navigateur consiste à lancer des ordres de
téléchargement ou des ordres d'envois d'informations.
Utiliser le support Internet c'est donc utiliser un support et un langage standardisé. Reste à adapter les possibilités qu'offre Internet à l'enseignement, toutes disciplines confondues. Nous avons choisi de cibler notre propos sur l'utilisation des technologies Internet comme support pour l'enseignement de la chimie et de la physique. Utiliser Internet ne se limite pas à mettre du cours et des exercices en ligne mais permet d'offrir un support interactif : ceci oblige de créer des pages où des calculs peuvent être effectués (insertion de scripts dans le fichier source de la page HTML) et de générer, dans le cadre de la chimie, des molécules interactives en trois dimensions. Ce dernier aspect impliquant l'utilisation d'extensions au navigateur, des plug'in. Certaines applications ne peuvent en effet être visualisées directement par le navigateur sans l'installation préalable d'une petite application, une extension au navigateur appelée plug'in.
L'ensemble des exemples de cet article sont
issus du site Web : http://chimie.scola.ac-paris.fr,
X.Bataille, ENCPB, CNAM : Groupe Evariste, Université de Paris-Sud : GHDSO, Paris, le 5
janvier 1999
Internet est " le " réseau mondial de communication qui permet d'accéder à une base de données multi et trans disciplinaires tout à fait impressionnante.
L'engouement qu'il suscite réside dans
deux faits :
Notons que Internet n'est pas non plus la panacée, puisque ce réseau est un support de diffusion plus qu'un support de publication. Mais mieux qu'Internet, il y a l'Intranet.
L'Intranet est un réseau Internet local limité à un établissement ou à une entreprise. Ce réseau Intranet peut évidemment être ouvert sur le Web, selon les droits que laissent les administrateurs aux postes du réseau. Il permet d'implanter sur un serveur un certain nombre de données ciblées que les élèves et les enseignants peuvent consulter, compléter et enrichir. L'utilisation d'un Intranet présentent de nombreux intérêts :
Il faut se rendre à l'évidence, le format Internet présente tous les aspects du support informatique quasi universel. Pédagogiquement, les quatre points forts sont :
.
A l'origine, l'HTML est uniquement un
langage de mise en page (texte, tabulations, puces, images, tableaux, animations
non-interactives). Pour pouvoir créer de l'interactivité dans une page Web, il est donc
nécessaire d'y insérer des scripts, des applettes java, des modules de plug'in ou des
activeX.
La base de l'HTML est l'hypertexte. La grande souplesse de cet outil de navigation permet de se glisser de page en page de façon à affiner rapidement une recherche. En didactique, ceci permet essentiellement à un public de ne pas rester bloqué sur une page (par manque de vocabulaire, de connaissance, de pré-requis, par la non-adaptation du niveau du contenu de la page par rapport à la requête demandée).
Pour faciliter le guidage, il est possible de compartimenter la
fenêtre du navigateur de façon à simplifier la navigation. Mais attention, l'hypertexte
est aussi et surtout un excellent outil pour se perdre sur la toile du Web. Ceci implique
de la part du concepteur de site Web de tenter de pallier ce problème. Il existe
différentes méthodes comme l'utilisation des barres de guidage, la création d'un
sommaire, la mise en place de compartiments (frame), l'utilisation de la barre d'adresse,
ou encore la programmation d'un explorateur intégré dans le navigateur.
Les images et les animations
peuvent servir de support visuel permettant de rendre plus explicite une notion ou un
concept scientifique pas toujours immédiat à appréhender. La visualisation
tridimensionnelle des molécules et la notion de mécanisme réactionnel sont les deux
principaux obstacles dans l'apprentissage de la chimie. Dans l'esprit qu'une
" image parle mieux qu'un long discours ", Internet accepte de
nombreux formats d'animations susceptibles d’être insérés dans des pages Web.
Comme
standards d'animations il existe les Gif animés (figure ci-dessus), du nom du
standard de compression d'image Gif-Compuserve. Il s'agit d'animations (en boucle ou non)
sur lesquelles on ne peut pas interagir. L'autre grand type d'animation est le format Flash,
un format d'animation interprété par le navigateur grâce au plug'in Shockwave de
Macromédia (figure ci-contre). Ce dernier permet de créer des animations illustrées
d'un tableau de commande, mais aussi ouvre certaines zones de l'animation sur des liens
hypertextes. Très bien adapté à l'Internet (téléchargement en flux tendu), le format
Flash permet de nombreuses applications intéressantes. La figure ci-contre permet de
montrer le principe de fonctionnement d'un spectroscope à prisme mais on peut aussi
illustrer le principe de la chromatographie, montrer la déviation du plan de polarisation
dans une solution contenant un énantiomère et créer encore de nombreuses autres
animations qui peuvent rendre plus simples l'apprentissage de techniques et la
compréhension d'idées, de notions ou de concepts scientifiques.
Pour ne pas se limiter à une simple lecture de pages Web, un serveur
pédagogique se doit de générer de l'interactivité dans les pages par insertion de
champs textes et par la programmation de jeux de question / réponse. Pour répondre à
cette attente, des scripts programmés en JavaScript ou en VisualBasicScript peuvent être
insérés dans des pages HTML (figure ci-contre à droite).
Comme exemples de scripts, on peut citer les plus simples comme le " question-réponse " élémentaire (schéma si - alors - sinon). On peut aussi programmer des scripts qui adaptent la réponse à la proposition. Un exemple est celui de l'introduction aux quantités de matière (figure ci-contre). Pour une équation chimique proposée, il suffit de mettre les quantités de matière de l'état initial, et dans l'hypothèse d'une réaction totale, le script calcule les quantités de matière dans l'état final.
On peut aussi créer des
pages illustrant un autre grand classique de la chimie : l'équilibrage des équations
chimiques. En comparant les rapports des valeurs entrées dans les champs texte, on peut
déterminer si l'équilibrage d'une équation chimique est correct ou non. L'exemple
ci-contre montre que les valeurs 1 - 14 - 6 - 2 - 7 sont exactes, mais les valeurs 2 - 28
- 12 - 4 - 14 ou 0,5 - 7 - 3 - 1 - 7/2 l'auraient été tout autant.
Sur la base d'une boucle
proposition - réponse, on peut aussi interroger une classification périodique
interactive (figure ci-contre) qui donne pour tous les éléments de la classification
périodique les caractéristiques (choisies par l'auteur de la page, comme le nom, le
numéro atomique, la masse molaire, l'électronégativité) d'un élément chimique
sélectionné.
On peut aussi par les scripts faire apparaître des fenêtres d'alerte ou des fenêtres classiques ouvertes sous l'aspect d'un " mini-navigateur ". Dans l'exemple ci-dessous, on fait apparaître une fenêtre qui permet d'effectuer un calcul de masse à partir d'une masse molaire et d'une quantité de matière. Cette fenêtre est dans ce cas une fenêtre externe au navigateur, mais on peut aussi ouvrir des fenêtres dans le navigateur même, ce qui permet d'insérer une démonstration mathématique dans une page, quand ne figure initialement qu'une formule ou un théorème.
Dans la même logique, il est aussi possible de faire apparaître des petites fenêtres contenant des explications ou des approfondissements simplement en cliquant sur les termes soulignés du texte d'un cours.
Toutes ces possibilités offertes par les scripts permettent de réaliser des tests d'autoévaluation-autocorrection, dans le cadre de l'autoformation voire de la formation continue.
Les scripts permettent aussi des applications plus pointues comme celle de la figure ci-dessus à droite qui propose un mécanisme réactionnel enzymatique entièrement commandé. Un panneau de commande (JavaScript) permet de faire défiler l'animation composée de quatorze images, de l'arrêter, d'avancer ou de reculer d'une d'image, ainsi que d'afficher à tout moment un commentaire sur l'étape du mécanisme au cours de son évolution.
Un autre exemple est celui de la programmation des formules de Coulson utilisées pour modéliser les orbitales moléculaires des polyènes linéaires. Dans ce script, il suffit de choisir le nombre d'atomes de carbones constituants le polyène. Un simple clic de souris permet d'ouvrir une fenêtre où figure au choix le calcul des énergies des orbitales moléculaires ou de la représentation schématisée des orbitales moléculaires des atomes de carbone du polyène.
Dans le même esprit, nous avons programmé des scripts qui calculent les pH, qui effectuent des suites mathématiques, qui génèrent des organigrammes d'analyse fonctionnelle en spectroscopie infra-rouge, etc. Les scripts permettent aussi de verrouiller par des mots de passe l'accès à certaines pages ou à certains domaines d'un site.
La figure ci-contre
représente une page utilisant le plug'in VRML (Virtual Reality Modelling Language)
illustrant une molécule de fructose. Le plug in VRML permet de déplacer des objets en
trois dimensions (images en coordonnées 3D) à l'aide de la souris. Nous l'avons
appliqué ici à la modélisation d'une molécule mais le VRML s'applique aussi très bien
à la visualisation 3D d'objets mécaniques et à l'architecture. Le VRML est un langage
de modélisation 3D dont le principal inconvénient est la taille des fichiers ainsi que
le temps que met le navigateur pour interpréter ce fichier. Aussi en matière de
représentation moléculaire nous préférons utiliser le plug'in Chime (Chemscape Chime,
de chez MDL, figure ci-dessous) qui permet aussi de visualiser des molécules en trois
dimensions (mais exclusivement des molécules, contrairement au VRML) et d'étudier leurs
propriétés structurales.
Ce plug’in permet de lire différents formats de fichiers
(PDB, XYZ, MOL) qui contiennent les coordonnées tridimensionnelles des atomes
constituants la molécule. Cette extension n'est rien d'autre qu'une version Web du
logiciel Rasmol initialement développé pour étudier les propriétés structurales de
molécules biologiques tels qu'acides nucléiques ou protéines.
Ce plug'in permet donc
d'insérer (figure ci-contre, à droite) des molécules interactives dans une page Web
ainsi que des boutons d'action sur la ou les molécules, et permet une exploitation
pédagogique assez étendue, comme pouvoir sélectionner certains atomes, certains
fragments, pouvoir effectuer des rotations de liaison (études conformationnelles),
choisir les modes de représentation, générer des surfaces de Connolly, etc.
Ce plug'in permet une étude structurale approfondie des molécules. Ci-contre, l'extrait d'une page représentant la molécule d'aspirine. Des boutons de fonction permettent de sélectionner les différentes fonctions de la molécule en affichant de petites sphères sur les atomes qui les composent.
La page ci-contre résulte
d'un brassage de technologies entre du javascript et le plug'in Chime. Des boutons de
fonction dans le compartiment de droite permettent de commander la fenêtre graphique à
gauche de l'explorateur. Cette page permet une étude structurale assez approfondie de la
molécule d'hémoglobine, comme de zoomer sur l'héme de cette molécule, de visualiser la
molécule de dioxygène (en rouge) et de colorer les histidines en jaune, de façon à
expliquer le mécanisme de verrouillage de l'oxygène sur cette protéine.
Toujours en brassant les différentes technologies, on peut proposer des exercices, ci dessous des exercices de nomenclature en chimie organique, en proposant, au choix de l'utilisateur, la possibilité de visualisation 3D de la molécule dans une fenêtre extérieure au navigateur.
L'utilisation des supports Internet -
Intranet s'ouvre sur deux champs didactiques :
Dans le cadre scolaire traditionnel et particulièrement dans le cadre de l'enseignement des sciences expérimentales, il est évident que ce type de support ne peut se substituer au contact concret et formateur de l'expérience.
Il n'est pas a priori intéressant de former les étudiants et élèves sur la base de séances de travaux pratiques virtuels. On peut néanmoins utiliser une technologie mixte basée sur le dialogue ordinateur / interface d'acquisition (travaux de Christian Rellier et Franck Canu du groupe Evariste).
Les deux figures représentées ici montrent des exemples de pages Web dans lesquelles sont affichées des données liées à une expérience. La première (figure ci-dessus) montre l'affichage à l'écran de la température prélevée par un capteur, et la deuxième (figure ci-contre) l'insertion de la valeur de la tension prélevée sur un circuit par une l'interface Orphy.
On peut aller encore plus loin en couplant une donnée expérimentale acquise par une interface (capteur de température, de pression, une tension) comme variable d'une animation. Les élèves ont alors accès à des modélisations en direct des phénomènes qui se produisent sous leurs yeux. C'est le cas de l'exemple de la figure ci-dessous où un capteur de température influe sur une animation qui illustre les différents états de l'eau (solide, liquide, gaz) en simulant l'agitation brownienne des molécules d'eau (Franck Canu, groupe Evariste).
Cette technologie assez récente est
donc destinée à faire manipuler et dialoguer des élèves en direct via un réseau. Elle
permet de faire de l'acquisition de données sur la plate-forme normalisée
Internet-Intranet mais aussi d'étendre l'acquisition de données ou la transmission de
données expérimentales à travers un réseau et notamment en Intranet. Ceci peut
permettre de faire travailler des élèves sur des données acquises à l'extérieur de
l'établissement (des expériences dangereuses ou d'expériences réalisées sur un
appareil coûteux) mais aussi de permettre, dans l'autre sens de partager des données
acquises dans un établissement scolaire avec un poste extérieur, particulièrement dans
le domaine de la scolarisation des enfants hospitalisés, comme l’illustre
l’exemple de la collaboration entre le lycée Bergson (75019, Paris) et
l’hôpital Robert Debré (75019, Paris).
L'acquisition de données via un navigateur est en plein développement, et nous verrons peut-être un jour les établissements équipés d'ordinateurs n'utilisant plus comme interface utilisateur que le navigateur Internet, celui-ci offrant la possibilité d'aller chercher des informations en Intranet, sur Internet, mais aussi de faire des exercices, de suivre des cours, et aussi de faire de l'expérience assistée par ordinateur.