L’apprentissage de la modélisation en physique

Les enseignants du Département de physique du Collège de Rosemont ont adopté le langage de programmation VPython dans les cours de physique du programme Sciences de la nature et Sciences informatiques et mathématiques. L’objectif ultime est de mieux préparer les étudiants à des études universitaires en leur proposant des tâches concordant davantage avec la réalité des scientifiques d’aujourd’hui.

Simplicité de VPython

Python est un langage de programmation orientée objet que l’on trouve gratuitement dans Internet et reconnu pour son apprentissage facile et sa puissance [Sherer]. Il est d’ailleurs utilisé largement dans l’enseignement de la physique aux États-Unis [Chabay et Sherwood]. Il fait appel à plusieurs bibliothèques, dont VPython, qui permet de créer facilement des objets et de les déplacer dans un espace à trois dimensions.

Pourquoi programmer?

La réalisation du but général Utiliser les technologies appropriées de traitement de l’information prévoit l’initiation à la construction et à la programmation d’algorithmes. La simulation de phénomènes en utilisant l’ordinateur occupe une place importante dans l’activité scientifique aujourd’hui : l’expérimentation permet d’établir ou de valider un modèle alors que l’utilisation de l’ordinateur permet de déployer un modèle pour reproduire un phénomène [Buffler].

L’implantation dans les cours de physique

La plupart des étudiants admis en Sciences de la nature n’ont aucune expérience de programmation. Pour assurer une transition en douceur, les enseignants du Département de physique ont choisi d’intégrer des activités de simulation avec VPython en commençant par le premier cours de physique. Par la suite, les étudiants sont appelés à réaliser des activités de ce type dans les cours suivants.

L’installation de VPython

L’installation du langage est très facile. Celui-ci existe pour les systèmes d’exploitation Windows, Macintosh et Linux. Deux éléments doivent être téléchargés et installés sur l’ordinateur. Le service informatique des collèges peut facilement les installer sur les postes ou sur le réseau. Les étudiants peuvent également faire facilement l’installation sur leur ordinateur à la maison.

L’utilisation de VPython en classe

L’intégration des activités de simulation dans les cours peut se faire en remplaçant des laboratoires ou dans les cours théoriques. Au Collège de Rosemont, les enseignants ont choisi d’intégrer VPython dans les cours théoriques qui ont lieu dans la classe d’apprentissage actif où un ordinateur par deux ou trois étudiants est disponible [Kingsburry].

L’initiation des étudiants à VPython

Cette initiation dure entre 50 et 100 minutes. Elle peut prendre différentes formes :

1. À partir d’une situation simple, les étudiants reproduisent au fur et à mesure les commandes expliquées par l’enseignant. Celui-ci circule ensuite dans la classe pour aider les étudiants. Rapidement, plusieurs étudiants arrivent à modifier des paramètres et à personnaliser la simulation.
2. À partir d’une situation simple, les étudiants consultent un programme déjà fait et modifient les paramètres selon les explications données par l’enseignant.
3. Une vidéo peut expliquer les rudiments de la programmation (fichier du programme).

Par la suite, les étudiants conservent les exemples sur leur espace de stockage. L’essentiel n’est pas d’apprendre « par cœur » les commandes de programmation, mais bien d’initier les étudiants à la simulation de phénomènes en tant qu’activité scientifique. Au cours de la session, il faut laisser du temps aux étudiants pour acquérir une certaine aisance en leur proposant des activités de simulation de niveau de complexité croissant. Au début, ils ont besoin de rétroaction régulière tant sur le plan de la modélisation que sur la syntaxe. À la fin de la session, les étudiants deviennent plus autonomes et sont en mesure de résoudre des problèmes plus complexes qui peuvent servir de projets finaux.

Les avantages et les difficultés

La simulation de phénomènes par l’ordinateur permet aux étudiants d’améliorer leur compréhension des concepts scientifiques. Les étudiants reçoivent une rétroaction immédiate sur la validité du modèle qu’ils déploient par la simulation. Par exemple, lors d’une simulation d’un objet en chute libre, un étudiant remarque qu’au lieu de tomber, l’objet s’envole! Cette situation provient d’une erreur physique de signe dans l’accélération gravitationnelle. Cette rétroaction est plus difficile à obtenir lors de la résolution algorithmique. La réussite des diverses activités de simulation procure également chez les étudiants une grande satisfaction qui a une incidence positive sur leur motivation. Aussi, les situations proposées sont beaucoup plus authentiques.

La programmation procure aussi aux étudiants certaines frustrations! Ceux-ci réussissent rarement à simuler une situation du premier coup. Les erreurs de syntaxe peuvent dévier leur attention sur la production plutôt que sur les concepts et le processus de modélisation. Le temps consacré à la familiarisation au langage de programmation peut être un obstacle de taille dans un curriculum « chargé ».

Conclusion

L’utilisation de l’ordinateur comme outil pour déployer des modèles scientifiques est non seulement un but, mais aussi une activité essentielle du scientifique, en particulier du physicien. Le langage de programmation VPython est un outil facile à implanter et à utiliser dans le cadre des cours théoriques et des laboratoires. Bien que certains obstacles se présentent lors de l’apprentissage de la programmation et lors de la résolution de problème, des avantages importants ressortent comme une augmentation de la motivation des étudiants et une plus grande authenticité des situations proposées aux étudiants.

Proposez-vous de telles activités à vos étudiants? Quels en sont les impacts?