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20 janvier 2022

Liaisons: Sauvetage chimique – Une application de réalité virtuelle pour l’enseignement de la chimie

Un jeu en réalité virtuelle pour aider les étudiants du cours Chimie générale à se représenter la matière à l’échelle submicroscopique? C’est ce que j’ai développé, avec le Centre en imagerie numérique et média interactif (CIMMI), un centre collégial de transfert de technologie (CCTT) associé au Cégep de Sainte-Foy. L’application Liaisons: Sauvetage chimique est disponible gratuitement, sur demande, pour vous et vos élèves .

Un écueil pour les étudiants et étudiantes de Chimie générale: la triple représentation de la matière

Dans l’apprentissage de la chimie, l’un des écueils connus est lié à la triple représentation de la matière. En effet, il y a 3 façons courantes de représenter la matière:

  • la représentation macroscopique: ce qu’on peut voir à notre échelle ou observer par des expérimentations (par exemple, on peut étudier un gaz dans un ballon et mesurer son volume ou sa pression)
  • la représentation symbolique: équations chimiques, formules moléculaires
  • la représentation submicroscopique: dessins d’atomes ou de molécules

Si on a un montage qui permet de récupérer de l’hydrogène gazeux par déplacement d’eau, qu’on écrit «H2 (g)» au tableau et qu’on fait un dessin de petites boules à côté, les élèves ne font pas nécessairement le lien entre les 3. Les étudiants et les étudiantes ne comprennent pas nécessairement qu’il s’agit de 3 représentations de la même chose.

La réalité virtuelle pour aider les élèves à se représenter la matière

En 2019, je cherchais à développer un outil qui aiderait les élèves à passer d’un mode de représentation à l’autre. J’étais en train de préparer une proposition de projet d’innovation pédagogique dans notre collège quand les membres de mon département et moi avons été invités à visiter le CIMMI.

Le CIMMI travaille notamment sur différents projets en réalité augmentée et en réalité virtuelle. Ma visite du centre m’a permis de voir le potentiel de la réalité virtuelle pour illustrer les atomes, les molécules et les interactions à l’échelle submicroscopique.

J’ai parlé de mon projet à l’équipe du CIMMI. Le CIMMI a obtenu du financement pour que nous développions ensemble l’application Liaisons: Sauvetage chimique. Ces fonds ont servi:

  • à me dégager d’une partie de ma tâche d’enseignement afin que je puisse réaliser une recherche documentaire, faire l’idéation de l’application et participer à la scénarisation
  • à permettre au CIMMI de développer et de programmer l’application

Vidéo de présentation de l’application Liaisons: Sauvetage chimique

Une approche ludique pour être plongé au cœur de la matière

Pour faciliter l’apprentissage des élèves, nous ne voulions pas simplement offrir une présentation immersive des notions théoriques ni nous contenter de poser des questions «académiques». Nous avons donc conçu l’application sous la forme d’un jeu sérieux.

Le CIMMI avait déjà collaboré avec le département de physique du Cégep Sainte-Foy pour le développement d’un jeu pour l’apprentissage de la physique (Parallèle) et ça avait bien fonctionné. Ça nous semblait la voie à suivre.

Dans Liaisons: Sauvetage chimique, l’élève doit remettre en orbite un vaisseau spatial qui s’est écrasé sur la Terre. Pour y arriver, l’élève doit compléter 5 missions qui font appel à des notions liées aux habiletés terminales du cours Chimie générale.

Par exemple, dans la 1re mission, l’élève doit colmater un trou sur le nez du vaisseau. Pour cela, il ou elle doit choisir un matériau qui a une température de fusion extrêmement élevée et qui n’est pas déformable. À cette fin, l’élève doit déterminer si c’est un solide moléculaire, métallique, ionique ou covalent qu’il faut utiliser.

Pour chaque mission, l’étudiante ou l’étudiant reçoit une rétroaction immédiate. Si la réponse est erronée, l’élève peut tenter une nouvelle réponse. Il est aussi possible d’interroger un robot qui accompagne le joueur ou la joueuse tout au long des missions. Le robot donne des indices pour orienter la résolution de problème.

Une fois que l’élève a obtenu la bonne réponse, il ou elle est mis devant une représentation macroscopique de la substance à utiliser. Par exemple, ce peut être du carbonate de calcium, dont l’une des formes est le marbre. L’élève est ensuite plongé virtuellement au cœur d’un cristal de carbonate de calcium. L’élève verra les atomes qui forment le cristal, dans une structure qui se répète à l’infini dans toutes les directions autour de lui. Le but, c’est d’aider l’élève à comprendre que, chaque fois qu’il voit la formule chimique d’un composé ionique, il devrait visualiser une telle structure rigide et de très grandes dimensions.

En classe traditionnelle, on montre aux étudiants et étudiantes un assemblage de boules de plastique symbolisant un cristal ionique. Mais quand on leur présente une vingtaine de billes et qu’on leur demande d’imaginer que leur structure se répète « à l’infini » dans toutes les directions, les élèves n’y arrivent pas tous. Avec la réalité virtuelle, les étudiantes et les étudiants peuvent le voir directement, sans avoir à l’imaginer. Cela marque assurément plus l’esprit.

Une autre mission amène les élèves à classer des liquides en ordre croissant de température d’ébullition (sous le prétexte de remplir correctement les différents réservoirs d’un système de réfrigération des moteurs du vaisseau). Après avoir choisi la bonne réponse, l’élève peut aller en immersion dans un liquide moléculaire. L’étudiante ou l’étudiant voit les molécules en mouvement autour d’elle ou de lui, dans un chaos désordonné. Cela contraste vivement avec la structure cristalline du carbonate de calcium de la 1re mission et, encore une fois, frappe l’esprit.

Utilisation en classe

Tests préalables

L’application Liaisons a d’abord été testée avec différents élèves et collègues volontaires. Ils et elles ont pu apporter un casque de réalité virtuelle chez eux et expérimenter le jeu. Les tests se sont très bien passés. Nous avons fait quelques ajustements à la suite des commentaires des testeurs et testeuses, mais, dans l’ensemble, ils et elles ont trouvé l’expérience à la fois intuitive et intéressante.

Utilisation pendant des cours

Puis, 2 de mes collègues et moi avons utilisé Liaisons avec nos élèves de Chimie générale (dans 5 groupes au total). Nous l’avons fait à la fin de la session, puisque les 5 missions de Liaisons peuvent faire office d’une excellente révision en ce qui concerne les forces d’attractions intermoléculaires et les propriétés des liquides et des solides.

Pendant le déroulement des activités en classe, un technicien multimédia du collège était présent pour assurer un soutien technique aux élèves, en cas de besoin.

Une conseillère pédagogique TIC était également présente afin d’aider les enseignantes et enseignants à mettre en place les meilleures pratiques pédagogiques possibles pour intégrer la réalité virtuelle dans les cours.

2 formules pédagogiques différentes

Le Cégep de Sainte-Foy dispose de 12 casques de réalité virtuelle. Il n’était donc pas possible de donner un casque à chaque élève d’un groupe.

  • Dans certaines classes, les élèves ont travaillé en équipe, en s’entraidant pour répondre aux questions et en portant le casque à tour de rôle. Un guide papier accompagne le jeu, ce qui permettait aux élèves sans casque de suivre le jeu facilement.
  • Dans d’autres classes, les élèves ont joué individuellement en vagues de 10 à 12 personnes pour une durée de 20 minutes chacun. Pendant qu’ils ou elles n’étaient pas en immersion, les élèves travaillaient sur des exercices formatifs traditionnels.

Dans tous les cas, une démonstration de l’application était réalisée devant la classe sur une projection sur écran en début d’activité. Cette étape préalable est essentielle afin de mettre tout le monde à niveau, car plusieurs n’ont jamais navigué dans une application de réalité virtuelle. À la suite de cette démonstration, les élèves ont fait preuve d’une grande autonomie dans l’utilisation des casques de réalité virtuelle.

Les 2 formules proposées (travail individuel ou collaboratif) ont été jugées satisfaisantes par les enseignantes et les enseignants. Les élèves se sont impliqués activement dans le jeu et ont utilisé en contexte des habiletés importantes du cours.

Un certain «effet wow!» de l’immersion en réalité virtuelle a été observé quand les personnes ont placé le casque devant leurs yeux.

Rétroactions de la part des élèves et collègues

Après la réalisation de l’activité, j’ai reçu de la rétroaction positive de la part des élèves et collègues, tant par rapport au jeu comme tel (facilité d’utilisation, intérêt suscité, qualité de l’environnement virtuel) que concernant le soutien à l’apprentissage de la chimie.

Un questionnaire d’évaluation de l’application a été distribué à tous, mais comme il était optionnel, j’ai reçu peu de réponses formelles. Cependant, les commentaires écrits soulignent généralement que l’aspect visuel du jeu (immersion à l’échelle des atomes et des molécules) aide à la compréhension de la matière.

Une suite à donner à la conception de cette application pourrait être de tenter de mesurer quantitativement l’effet de l’utilisation du jeu sur les apprentissages.

Vous voulez l’utiliser?

Liaisons: Sauvetage chimique a été développé pour fonctionner sur les casques Oculus Quest 1 ou 2. Si vous disposez d’un casque Oculus Quest, contactez-moi pour obtenir un accès à Liaisons pour vous et vos élèves, sans frais.

Si vous avez un seul casque à votre disposition, vous pourriez projeter le flux du casque sur un écran traditionnel (2D) pour le montrer à l’ensemble du groupe d’un coup. L’expérience serait beaucoup moins immersive pour les élèves, mais possèderait tout de même un intérêt pédagogique.

De mon côté, j’appuie une collègue dans l’idéation d’une suite à Liaisons, pour le cours Chimie des solutions. Le développement devrait se faire au printemps 2022. Nous vous en donnerons des nouvelles!

À propos de l'auteur

Frédéric Parrot

Mordu de sciences et passionné de littérature, Frédéric Parrot aborde l’enseignement au cégep dans une perspective d’éducation à la citoyenneté. Il est détenteur d’un baccalauréat en chimie et d’un certificat de pédagogie pour l’enseignement collégial. À la fois à l’affût et critique des grandes mouvances en pédagogie, il s’efforce au jour le jour de rendre les sciences accessibles et fascinantes pour ses étudiantes et étudiants.

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