Les logiciels de simulation permettent-ils aux enfants d acquérir des connaissances sur le monde physique?

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1 Les logiciels de simulation permettent-ils aux enfants d acquérir des connaissances sur le monde physique? François-Xavier Bernard Laboratoire Education & Apprentissages Université René Descartes - Paris 5 Centre Universitaire des Saints-Pères 45 rue des Saints-Pères, PARIS bernardfx@yahoo.fr RÉSUMÉ. La recherche traite de la capacité des jeunes enfants à réinvestir des connaissances acquises à l aide d un logiciel de simulation pour résoudre des problèmes portant sur les objets matériels. Cette recherche a été réalisée à partir d un cas particulier de dispositif interactif simulant des mélanges de couleurs, dans une exposition pour jeunes enfants à la Cité des sciences et de l industrie (Paris). Deux études ont été réalisées avec des enfants âgés de 2 ans 6 mois à 5 ans 6 mois, dans un contexte expérimental de manipulation puis dans un contexte naturel, avec l objectif d évaluer si l utilisation du dispositif leur permettrait ultérieurement de faire les mélanges appropriés pour obtenir des couleurs déterminées. Les résultats montrent que l utilisation du dispositif de simulation peut permettre l acquisition de connaissances sur le monde physique, mais que le rôle de l adulte qui exerce le tutorat reste déterminant en dessous d un certain âge. MOTS-CLÉS : Jeunes enfants logiciel de simulation exposition scientifique mélange des couleurs médiation. 1 ères Rencontres Jeunes Chercheurs en EIAH, RJC-EIAH'2006, pages à

2 1. Introduction Le recours à la simulation en situation d apprentissage est fréquent, pour la formation professionnelle comme pour l enseignement général ou technologique. Un contexte d apprentissage peu évoqué, où des situations de simulation sont également proposées, est celui des musées de sciences. La simulation s avère parfois nécessaire dans les expositions, pour rendre compte de phénomènes naturels ou de systèmes techniques, impossibles à présenter dans des conditions réelles, que ce soit pour des contraintes de temps ou d espace. Les musées pour enfants font également appel à des dispositifs de simulation en sciences. Or nous savons peu de choses sur l impact de ces dispositifs en terme d apprentissage, lorsqu ils sont utilisés dans les conditions particulières d une visite d exposition. Aussi avons nous effectué une recherche visant d une part à cerner l âge auquel les enfants sont capables de mettre en relation les objets et les transformations simulés avec les objets matériels et les actions, et d autre part à évaluer l incidence de la tutelle exercée par l adulte. La recherche s est déroulée dans le contexte d une exposition pour enfants âgés de 3 à 5 ans de la Cité des enfants à la Cité des sciences et de l industrie (Paris). Deux séries d observations ont été conduites vis-à-vis du dispositif muséologique «Dessine avec ton doigt» simulant des mélanges de couleurs, la première dans un contexte expérimental de manipulation sous la conduite d un tuteur expert, la seconde dans le contexte naturel où les enfants sont accompagnés d un de leurs parents. 2. Représentations symboliques et objets réels : une mise en relation possible par les enfants? En situation de simulation, les ordinateurs confrontent les utilisateurs, non pas à des objets matériels comme le font les situations dites réelles, mais à des représentations symboliques sensées rendre compte de ces objets, ce qui soulève la question essentielle de la mise en relation par les utilisateurs entre ces deux formes d objets, symboliques et matériels. Deloache (1987, 1995) a travaillé sur la capacité des jeunes enfants à acquérir des informations à partir de représentations symboliques tels que les maquettes, les dessins ou les photographies. Elle a montré que les enfants dès l âge de 3 ans sont capables de considérer ces représentations pour leur fonction symbolique et de les utiliser en tant qu instruments pour résoudre des problèmes dans le monde physique. En revanche, lorsque les jeunes enfants sont face à un écran d ordinateur, nous savons peu de choses. Il existe peu de travaux relatifs à l appropriation de connaissances par de très jeunes enfants à l aide de logiciels de simulation. Toutefois, avec des sujets plus âgés, différentes recherches se sont intéressées à la question de la place du "virtuel" par rapport au "réel" dans une perspective d apprentissage, en ayant recours à des logiciels de simulation (Nonnon, 1998 ; Vivet, 2000 ; Smyrnaiou, 2003 ; Smyrnaiou et al., 2003 ; Guichard et al., 2004). Ces recherches montrent que la réalisation d expériences avec un logiciel est complémentaire à la réalisation d expériences portant sur les objets matériels, mais ne sau-

3 Les logiciels de simulation permettent-ils aux enfants d acquérir des connaissances sur le monde physique? rait être suffisante : le tâtonnement sur le réel demeure le plus efficace du point de vue de la compréhension. S agissant des très jeunes enfants, la nécessité de la confrontation aux objets matériels est considérée comme nécessaire à la compréhension de phénomènes scientifiques. Par ailleurs, nous concernant, la manipulation se fait dans des conditions qui sont celles d une visite d exposition. Nous pouvons donc nous interroger sur l impact des dispositifs de simulation proposés dans les expositions scientifiques : leur utilisation dans le cadre d une visite, permet-elle aux enfants d acquérir des connaissances sur le monde physique? Telle est la question essentielle abordée dans le cadre de cette communication. 3. Méthode générale 3.1. Le dispositif informatique Nous avons utilisé comme support d activité le dispositif muséologique «Dessine avec ton doigt», dans l espace d exposition destinée aux plus jeunes, à la Cité des enfants. Par le biais d une interface tactile, les enfants sont invités à dessiner avec leur doigt en utilisant différentes couleurs qu ils créent en effectuant des mélanges à partir des trois tubes de couleurs primaires : magenta, cyan et jaune. L intérêt de ce jeu en tant que modèle est qu il rend compte de manière dynamique du mélange en tant que moteur d une transformation physique. «L outil multimédia offre la possibilité d appréhender la dimension dynamique des phénomènes scientifiques. ( ) Les interfaces peuvent souligner les caractéristiques importantes qui concourent aux phénomènes étudiés et de ce fait favoriser leur intégration dans la représentation du sujet» (Jamet, 2002, p.167). L enfant, au fur et à mesure qu il tapote sur les tubes de peintures, voit le mélange se réaliser. Le lien de causalité entre l action de l enfant sur les tubes et la couleur finale obtenue apparaît de manière explicite. Le rôle de l adulte est ici d attirer son attention de l enfant sur ce lien de cause à effet, de lui faire saisir le concept de transformation à travers l évolution d un état initial vers un état final. L objectif est de rendre ce concept opératoire, transférable sur des objets réels Mise en œuvre Des scénarios identiques placent les enfants face à la même situation-problème : comment peindre avec une couleur donnée dont on ne dispose pas? Le recours à l opération de mélange est nécessaire. Or si les enfants ont tous fait l expérience du mélange de peinture, en constatant plus ou moins fortuitement qu une nouvelle couleur apparaît en mettant en contact des peintures de couleurs différentes, ils n ont pas nécessairement appréhendé la transformation dans sa dimension relationnelle. Il leur est donc difficile, en imaginant une couleur donnée, d envisager la possibilité de son obtention, par mélange de deux autres couleurs.

4 4. Première étude : détermination de la tranche d âge appropriée 4.1. Population et recueil des données Pour cette première étude, 20 enfants âgés de 2 ans 6 mois à 5 ans 6 mois ont été sollicités. Seuls 15 d entre eux ont été retenus, certains enfants ayant eu une attitude (inhibition, manque d intérêt pour l activité) qui a rendu l entretien non significatif en termes de résultats. Les activités ont été enregistrées au moyen d un caméscope Activité dans l exposition L activité de l enfant est conduite par un tuteur expert, médiateur scientifique de la Cité des enfants. Son expertise est liée à sa connaissance préalable du dispositif, mais aussi à la nature de son interaction avec l enfant. Celle-ci répond aux critères énoncés par Bruner (2002) pour caractériser l interaction de tutelle : il pose des questions ouvertes, participe, relance, etc. Par ailleurs, tout en s adaptant aux besoins individuels des enfants, il conserve une similitude de procédure, en mettant l accent sur la propriété modifiée à l issue de la transformation : la couleur. Préalablement, afin de vérifier ce qu il sait des mélanges, le tuteur mène un bref entretien verbal Entretien après activité Au cours de l entretien qui suit l activité, l enfant est confronté à des objets matériels identiques à ceux présents sur l écran de l ordinateur. Après un temps d appropriation, l enfant est invité à dessiner en vert. Le rôle de l expérimentateur consiste à soutenir son activité par une suite d aides d intensité croissante. Cette suite d aides est destinée à déterminer le niveau de disponibilité de chaque enfant à mettre en relation l activité sur simulateur et l expérience avec des objets réels. Nous avons distingué deux niveaux de relances, explicite et non explicite, selon leur pouvoir plus ou moins évocateur pour l enfant de son activité sur l ordinateur. L hypothèse que nous faisons est qu il y a un lien entre le nombre de relances nécessaires et la capacité de l enfant à mettre en relation les deux formes d activités Résultats et discussion A partir de l examen de la suite des réponses de chaque enfant et des aides dont il a éventuellement bénéficié, cinq profils différents ont pu être caractérisés (voir tableau 1). Notre hypothèse est que les enfants n ayant pas bénéficié de relances explicites pour parvenir au mélange (profils 1 et 2), sont susceptibles d avoir mis en relation l expérience réelle avec l expérience virtuelle. Les résultats montrent que seuls les enfants appartenant aux deux groupes d âges les plus élevés (3a 6 m/5a 6m) ont réussi à résoudre le problème posé sans bénéficier de relances explicites. En revan-

5 Les logiciels de simulation permettent-ils aux enfants d acquérir des connaissances sur le monde physique? che, aucun enfant d âge inférieur (2a 6m/3a 6m) n a réussi à réaliser le mélange sans bénéficier d au moins une aide explicite. Nous faisons l hypothèse qu il n y a pas eu, de leur part, de recours spontané à la procédure acquise au moyen du simulateur et donc de mise en relation entre l expérience réelle et l activité virtuelle. Profil Tranches d âges 2 ans 6 mois 3 ans 6 mois 3 ans 6 mois 4 ans 6 mois 4 ans 6 mois 5 ans 6 mois (1) Mélange réalisé sans relance (2) Mélange réalisé après une relance (non explicite) (3) Mélange réalisé après deux relances (une non explicite et une explicite) (4) Mélange réalisé après trois relances (une non explicite et deux explicite) (5) Mélange non réalisé malgré les trois relances Tableau 1. Répartition des enfants selon le nombre d aides dont ils ont bénéficié Pour le domaine de connaissances considéré et compte tenu du fait que les 15 enfants ont bénéficié de conditions favorables d accompagnement, il apparaît que l âge de 4 ans est approximativement l âge à partir duquel ils sont susceptibles d acquérir des connaissances au moyen du simulateur. Toutefois il convient d être prudent avec ces résultats, car même si les enfants ont semblé découvrir le procédé du mélange de couleurs durant la manipulation du jeu informatique, cela ne nous permet pas d affirmer qu ils ne le connaissaient pas avant. Seul un entretien initial basé sur une activité de peinture réelle permettrait de s en assurer. 5. Seconde étude : lorsque le tutorat est exercé par le parent 5.1. Population et recueil des données Pour la seconde étude, nous n avons retenu que des enfants de plus de 4 ans puisque l étude préalable tend à montrer que les plus jeunes ne sont visiblement pas en mesure de recourir aux connaissances acquises à l aide du simulateur : 25 enfants âgés de 4 ans à 5 ans 10 mois ont été sollicités. Seuls 20 d entre eux ont été retenus Entretien préalable pour cerner les connaissances des enfants Afin de mettre à jour les connaissances préalables des enfants dans le domaine considéré, un entretien initial a été mis en place avant l utilisation du simulateur. Afin de s affranchir d un éventuel problème de perception, l entretien commence par

6 une série de tests visant à vérifier leurs capacités à nommer, désigner et associer différentes couleurs. Pour l ensemble de l épreuve, les enfants interviewés n ont pas rencontré de difficulté particulière. Les enfants sont ensuite invités à compléter un dessin, en peignant les parties colorées inachevées, dont certaines en vert et noir. Ils disposent uniquement de cyan, de magenta et de jaune. La grande majorité n a pas proposé de recourir au mélange pour obtenir les couleurs manquantes Activité dans l exposition L échantillon d enfants a été divisé en deux groupes sensiblement équivalents du point de vue des classes d âge représenté : les enfants du premier groupe avec un de leur parent - comme cela se produit dans l exposition -, et ceux du second groupe - le groupe contrôle - avec un médiateur expert. L intérêt de constituer un groupe contrôle n est pas de comparer les résultats des enfants selon le statut du tuteur - parent ou médiateur -, mais de vérifier l adéquation des résultats obtenus par ce dernier au cours des deux études. Aux parents, il est rappelé, à l issue de l entretien préalable, qu ils doivent faire découvrir le jeu «Dessine avec ton doigt» à leur enfant, pour notamment lui faire appréhender le procédé du mélange des couleurs. Avant le début de l activité, une aide écrite est donnée aux parents pour leur rappeler les différentes possibilités de mélanges réalisables avec les trois couleurs primaires Entretien post-activité A la fin de la visite, soit environ 3/4 d heure après la manipulation du jeu, un entretien final est proposé à l enfant. Le dessin laissé inachevé est alors repris, la consigne lui étant rappelée. L objet de cet entretien est d identifier les enfants susceptibles de mettre en œuvre les procédures de mélange acquises au moyen du simulateur. Nous faisons l hypothèse que s il recourt au mélange pour créer la couleur manquante alors qu il n en avait pas été capable avant la visite, la manipulation virtuelle a joué un rôle. La réussite dans la résolution de ce problème étant l expression d une mise en relation entre les représentations symboliques manipulées et les objets réels Résultats et discussion Les écarts de résultats (voir tableau 2) concernant les enfants de la tranche 4/5 ans sont vraisemblablement liés au fait que les stratégies tutorielles développées par les parents et celles développées par l animateur ne sont pas les mêmes. Plusieurs travaux sur les modes d interactions parents/enfants dans le contexte de la Cité des enfants (Piani & Weil-Barais, 1998 ; Ailincai et al., 2005) ont montré que majoritairement, les parents ont des conduites qui favorisent peu la transmission des connaissances relatives aux dispositifs explorés. Ils sont généralement assez directifs et sont

7 Les logiciels de simulation permettent-ils aux enfants d acquérir des connaissances sur le monde physique? plus préoccupés des actions des enfants et de leur réussite que de la compréhension par ces derniers des mécanismes explorés. Nous retrouvons ici ces conduites : les parents tiennent peu de discours conceptualisants vis-à-vis du savoir en jeu, leur intérêt porte le plus souvent sur des aspects formels de l activité, le résultat à obtenir, la façon d utiliser le dispositif. En outre, étant confrontés à un objet technique, leur attention peut être mobilisée par des difficultés liées à son utilisation. Tranche d âge Groupe expérimental Tutorat exercé par le parent Nombre d enfants par tranche d âge Nombre d enfants ayant recours au mélange Groupe contrôle Tutorat exercé par le médiateur Nombre d enfants par tranche d âge Nombre d enfants ayant recours au mélange 4a / 5a a / 6a Tableau 2. Résultats des enfants selon leur âge et le statut de leur tuteur Pour les enfants plus âgés, de la tranche 5/6 ans, les conduites des parents n ont pas été différentes. Malgré tout, ces enfants ont réussi à produire un mélange dans le contexte de l expérience réelle. Notre hypothèse est que l activité de simulation a réactivé chez ces enfants des connaissances antérieurement acquises. 6. Conclusion Nous nous sommes appuyés sur un cas particulier de dispositif de simulation dans une exposition scientifique pour jeunes enfants. Notre objectif était de déterminer si son utilisation dans les conditions d une visite, leur permettait d acquérir des connaissances sur le monde physique. Les deux études menées successivement nous ont permis de montrer qu en dessous d un certain âge, que nous avons identifié à 4 ans, les enfants observés ne mettent pas en relation la simulation avec le monde des objets. Au-delà, et jusqu à 5 ans, le rôle de l adulte apparaît comme déterminant et le bénéfice au plan cognitif de l utilisation du simulateur va être effectif selon le discours plus ou moins conceptualisant associé à la manipulation. Comme nous l avons dit précédemment, les enfants ont tous réalisé l expérience du mélange de peinture de manière plus ou moins fortuite, mais ils n ont pas nécessairement appréhendé la transformation dans sa dimension relationnelle et pris conscience du lien causal entre les deux états de la transformation. Le discours de l adulte, s il est axé sur le concept en jeu - ici celui de transformation -, va permettre une prise de conscience chez l enfant et favoriser la conversion des connaissances implicites en connaissances explicites, les rendant ainsi opératoires. Au-delà de 5 ans, l utilisation est visiblement bénéfique quel que soit ce discours, notre hypothèse étant que l enfant est suffisamment outillé intellectuellement pour réaliser seul cette conversion, prenant conscience sans l aide de l adulte du lien causal entre les deux états de la transformation due au mélange. Concernant le recours aux logiciels de simulation dans les

8 expositions scientifiques, il semble qu il soit pertinent si leur prise en main est facilitée, tant au niveau de leur utilisation qu au niveau des concepts scientifiques qu ils véhiculent. On peut supposer qu une aide explicite, visuelle ou sonore, permettrait aux parents de se dégager des aspects matériels pour pouvoir tenir un discours plus conceptualisant, propice à l appropriation des connaissances par les enfants. 7. Bibliographie AILINCAI, R., CAILLOT, M., & WEIL-BARAIS, A. (2005). De l étude des interactions parents/enfants dans un contexte muséal scientifique à une proposition d intervention innovante auprès des parents. Actes des Quatrièmes rencontres de l ARDIST (pp. 5-12). Lyon, octobre Lyon : INRP BRUNER, J.S. (2002). Le développement de l enfant. Savoir faire, savoir dire. Paris : Presses Universitaires de France. DELOACHE, J.S. (1987). Rapid change in the symbolic functioning of very young children. Science, 238, DELOACHE, J.S. (1995). Early understanding and use of symbols. Current Directions in Psychological Science, 4, GUICHARD, J., LECHAUDEL, A., & MANGEOT, N. (2004). L expérimentation directe à l heure du multimédia. La lettre de l OCIM, 91, JAMET, F. (2002). La construction des représentations des connaissances scientifiques. In D., Legros, et J., Crinon, (Éds.). Psychologie des apprentissages et multimédias (pp ). Paris : Armand Colin. NONNON, P. (1998). Intégration du réel et du virtuel en sciences expérimentales. In F.-M., Blondel, et M., Schwob, (Éds.). Actes des Huitièmes Journées Informatique et pédagogie des sciences physiques (pp ). Montpellier, mars Paris : INRP. PIANI, J., & WEIL-BARAIS, A. (1998). Comment les parents accompagnent-ils leurs enfants dans la découverte des sciences et des techniques dans un musée? In A., Dumas Carré, et A., Weil-Barais, (Éds.). Tutelle et médiation dans l éducation scientifique (pp ). Berne : Peter Lang SMYRNAIOU, Z. (2003). Modélisation : L apport des logiciels éducatifs. Thèse de doctorat, Université René Descartes - Paris 5. SMYRNAIOU, Z., FERRET, S., & WEIL-BARAIS, A. (2003). L enseignement scientifique ne peut-il être que virtuel? Actes du colloque organisé par le CIRCUI- SEF Les technologies de l information et de la communication : mutations dans la formation scientifique universitaire. Dakar, mars VIVET, M. (2000). Des robots pour apprendre. Sciences et techniques éducatives, 7, 1,