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La SandBox, outil dynamique au service de la représentation spatiale dans l’apprentissage de la géographie

The SandBox, a dynamic tool for spatial representation in geography learning
El SandBox, una aplicación de representación espacial de realidad aumentada de interés para el aprendizaje de la geografía
Damien Roy

Résumés

La SandBox est une technologie développée par l’UC Davis qui permet de modéliser des terrains en réalité augmentée. Il s’agit d’un système permettant de sculpter dans le sable un paysage qui va être topographié par l’ordinateur. Une carte d’élévation (2D), composée de courbes et de couleurs, est projetée dans l’espace d’expérimentation (3D). L’opération se fait en direct, ce qui permet une grande interactivité. Les représentations bidimensionnelles (carte 2D) ne permettent pas toujours une bonne perception de l’espace (3D) représenté, cependant cet article souligne comment utiliser la SandBox pour pallier aux difficultés rencontrées lors de la lecture de ces représentations. Il détaille comment utiliser le potentiel de l’appareil afin d’améliorer la représentation spatiale des participants.

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Texte intégral

Introduction générale

1La littérature présente la SandBox comme un support d’apprentissage qui semble combler efficacement le fossé entre les représentations bidimensionnelles (2D) et la perception de l’espace réel. Cet article discute de la place d’un tel dispositif dans le système didactique français et propose une activité élaborée à partir de cette réflexion. Cette activité a été améliorée grâce aux retours des médiateurs scientifiques présentant la SandBox lors d’évènements de médiation scientifique (Fête de la science et journée du SIG des années 2017, 2018 et 2019).

Contexte préalable sur les apprentissages de la géographie en milieu scolaire français

2L’enseignement de la géographie en milieu scolaire français relève majoritairement d’une pédagogie traditionnelle par assimilation passive. L’enseignant est au centre de l’activité de transmission des connaissances, l’élève reçoit les informations et bâtit son savoir à partir de celles-ci. Cet enseignement magistral est plus ou moins dialogué et s’avère utile pour introduire un thème ou pour clarifier des informations préalables, mais encore lacunaires.

3Cependant l’efficacité de cette méthode dans le système didactique est remise en question lorsqu’elle est d’un usage exclusif.

« Ce qui le [l’enseignement magistral] rend inefficace ce n’est peut-être pas tant sa nature elle-même que l’exclusivité de son usage. Si à certains moments de l’année les élèves pouvaient […] vivre l’expérience de la manière dont s’élabore, se transforme, et s’enrichit leur savoir, cela pourrait donner davantage de sens à leurs yeux aux autres moments, y compris transmissifs, où ce savoir leur est présenté de manière achevée. Ils les vivraient peut-être, du coup, de manière moins passive » (Astolfi, 1992).

4Le professeur peut s’appuyer sur un manuel pour ancrer son cours avec des activités à réaliser en classe. Ces manuels de géographie comportent des exercices scolaires qui induisent un enseignement, à minima, plus dialogué. De nombreux documents structurent le manuel. Ces documents sont de natures variées et se classent ainsi dans les manuels de géographie de sixième, par ordre d’importance quantitative : cartes, photographies, textes, dessins, graphiques, chiffres, etc. (Le roux, 1997)

5Il est intéressant de se pencher particulièrement sur les documents de type carte. Bien que majoritaire, la carte est plus montrée qu’utilisée dans le manuel et elle est rarement construite par les élèves. Sa représentation privilégie l’étude de territoire à petites échelles (Gaujal, 2019), mais il faudrait mieux partir de l’espace du local, de l’espace du vécu jusqu’à l’âge moyen de 12 ans (Le roux, 1997). C’est à cette échelle que se construit l’espace topologique et euclidien qui peut être enseigné en classe jusqu’à la cinquième comprise. Les représentations plus complexes de l’espace géographique peuvent ensuite être présentées au préadolescent, qui sera plus à même de poser des questions abstraites sans qu’elles s’inscrivent dans une réalité vécue.

6L’omniprésence des documents à la disposition de l’enseignant contribue à l’interactivité avec les élèves, mais ces documents illustrent plus qu’ils ne démontrent. Le manuel ne doit pas être perçu comme le savoir à enseigner qu’il n’est pas, car il offre aux regards des élèves une réalité simple et immédiatement construite qui ne stimule pas les aspects cognitifs liés à l’espace géographique.

7Les élèves de l’école primaire et du collège ont besoin de manipuler concrètement pour bien conceptualiser (Le roux, 1997) et c’est l’un des apports les plus intéressants de la SandBox qui offre une alternative stimulante au manuel. Elle rend possible une pédagogie active et coopérative et permet, en plus, de susciter la curiosité de l’élève.

Origines du projet SandBox

8Le bac à sable à réalité augmentée, dit la SandBox, permet de modeler une surface topographique en sable et d’y projeter une représentation du relief. Cette représentation est composée d’un dégradé de couleurs adapté qui accentue la topographie et d’un tracé des principales courbes de niveau (figure 1).

Figure 1. Dégradé de couleurs et courbes de niveau lors de la fête de la science 2017 à Besançon

Figure 1. Dégradé de couleurs et courbes de niveau lors de la fête de la science 2017 à Besançon

9La vidéoprojection reste en interaction instantanée avec le sable grâce à un capteur 3D Kinect composé de trois optiques, dont une caméra 3D infrarouge permettant de modéliser la profondeur de champ.

10Le premier projet de bac à sable interactif a été initié lors d’un programme de financement de la National Science Fondation (NFS) pour faciliter l’interaction entre la recherche et l’éducation. L’outil a été développé en 2011 par le Keck Center for Active Visualization in the Earth Sciences (KeckCAVES) de l’université de Californie à Davis (UC Davis), le Tahoe Environmental Research Center (UC DAVIS), le Lawrence Hall of Science et l’ECHO Lake Aquarium and Science Center. Il a réuni des chercheurs, des informaticiens, des médiateurs scientifiques et des médiateurs culturels (Reed et al., 2016). Le premier déploiement de la SandBox a été effectué au sein de plusieurs musées (Lawrence Hall of Science, Tahoe Environmental Research Center …) en 2012 (Reed et al., 2016). Puis la présentation de ce projet a été faite au cours de la Conférence de l’Union Américaine de Géophysique (American Geophysical Union, AGU) en 2014 (Reed et al. 2014). Depuis lors, les plans et les logiciels sont disponibles gratuitement sur le site de l’UC Davis (https://web.cs.ucdavis.edu/​~okreylos/​ResDev/​SARndbox/​) sous licence publique générale (GNU).

11Certains travaux mobilisant cette SandBox ont alors montré les apports de l’outil, en complément d’autres types d’approches, pour combler le fossé entre les représentations bidimensionnelles (2D) et la perception de l’espace (Jenkins et al., 2014 ; Woods et al., 2016 ; Reed et al., 2016). L’interactivité de ce média d’apprentissage permettrait une compréhension, si ce n’est plus efficace, du moins plus rapide des phénomènes présentés par le médiateur scientifique, ce qui va dans le sens des résultats observés par Rebetz et al. (2007) et Schwan et Riempp (2004) sur le lien entre interactivité des médias et apprentissage.

« Si on veut que la géographie intéresse […] il faut qu’elle cesse d’être seulement une énumération de connaissance classée en rubriques ; il faut susciter la curiosité, montrer que c’est une façon stimulante de voir le monde » (Lacoste, 1986)

Présentation du dispositif

12La SandBox est constituée d’un ordinateur exécutant l’application logicielle SARndBox et d’un bac à sable muni d’une potence sur laquelle sont fixés un vidéoprojecteur et un capteur Kinect. Ce capteur intègre un émetteur de lumière infrarouge et une caméra infrarouge. La surface du bac à sable est bombardée par des rayons infrarouges. Une partie de ce rayonnement est réfléchie en direction de la caméra. Cependant, plus l’objet est loin et plus la quantité de rayonnement mesuré est faible. En se basant sur l’intensité du rayonnement, la caméra peut ainsi mesurer la distance du sable (figure 2).

Figure 2. Schéma du dispositif SandBox

Figure 2. Schéma du dispositif SandBox

13L’utilisateur est invité à manipuler le sable pour modeler un relief. Le capteur Kinect acquiert des images au rythme de 30 images/seconde. Chaque pixel de cette image comprend une information sur la distance du point mesuré. Le logiciel SARandBox crée une image de la surface topographique composée d’une rampe de couleurs et de courbes de niveau tracées à intervalles réguliers. Cette image est projetée sur la surface du sable par le vidéoprojecteur. Elle évolue au gré des manipulations.

Expérimentation du dispositif

14Une activité de médiation scientifique à destination d’un public scolaire a été imaginée autour de la SandBox pour les Fêtes de la Science, éditions 2017/2018/2019 à Besançon, et pour la journée du SIG de ces mêmes années. Sur inscription, des classes étaient réparties en groupe de 10 élèves autour de la SandBox, pour des présentations d’une heure.

15L’attractivité de la SandBox a permis de placer les élèves en situation de concentration prolongée et a fourni un cadre idéal pour transmettre les notions de topolographie. Ce dispositif crée une situation interactive où l’élève devient sujet actif de son apprentissage. En façonnant le relief dans le sable, il améliore sa représentation spatiale, ce qui implique une meilleure visualisation des positions dans l’espace ainsi qu’une meilleure compréhension de la topographie. L’envie d’apprendre est suscitée par la grande interactivité de la SandBox qui répond instantanément à chaque modification du support. Une boucle de transformation du relief et d’analyses des résultats entraîne le raisonnement spatial du public qui peut ainsi améliorer sa perception spatiale en autonomie.

16L’activité se déroule en petit groupe autour d’un même espace. Le public est mis en situation de co-construction ou chacun participe à la modélisation du relief. L’affichage interactif permet de confronter les réalisations individuelles et/ou collectives et d’argumenter les choix. Le groupe dispose d’un temps suffisant pour faire une première lecture du relief, puis les échanges et les réflexions des participants sont menés avec l’intervention du médiateur pour relancer et alimenter l’analyse.

  • 1 Seules les données visibles par le capteur 3D Kinect sont représentées. Ainsi nous sommes entre la (...)

17Deux représentations du relief modelé peuvent être confrontées : la projection de la cartographie dans l’espace interactif (3D1) et l’affichage de la cartographie sur l’écran de l’ordinateur (2D). Cette comparaison nourrit les discussions, mais présente néanmoins quelques freins à la représentation spatiale. Le public est confronté à un changement d’échelle et d’orientation qui peut le désorienter, entraînant par là même une baisse de son attention. Remettre la carte 2D au centre de l’espace 3D de la SandBox est alors nécessaire pour poursuivre l’analyse. Ceci est rendu possible, au prix de l’interactivité, grâce à la mise en pause des relevés topographiques. L’espace 3D étant obtenu par projection d’une carte 2D sur un support inerte 3D, il suffit de mettre en pause le logiciel pour pouvoir intercaler un support rigide plat et obtenir la dernière représentation 2D. Il est alors conseillé d’utiliser un support amovible ne couvrant pas l’intégralité du bac afin de montrer par le mouvement du support le passage de la 3D (sur sable) à la 2D (sur support plat) (figure 3). De cette manière, on peut faciliter les processus comparatifs sans éprouver les freins précédemment relevés.

Figure 3. Utilisation d’un support plat pour représenter le passage de la 3D à la 2D

Figure 3. Utilisation d’un support plat pour représenter le passage de la 3D à la 2D

18Un tableau blanc placé en travers de la SandBox, et sur lequel les participants peuvent reproduire les courbes de niveau, favorise encore plus la représentation spatiale. En participant au tracé de la carte 2D les élèves s’approprient cette représentation et deviennent plus à même d’en faire la lecture.

  • 2 Leur résolution permet de définir, selon les conditions de l’écoulement, les variations temporelles (...)

19Une simulation en temps réel des écoulements est également intégrée nativement au logiciel de la SandBox. Son objectif est de décrire et d’étudier la notion de bassin versant en utilisant la surface du sable comme support d’écoulement. Cette simulation se base sur les équations de Barré de Saint-Venant2 pour représenter l’évolution temporelle d’un écoulement d’eau de pluie. L’image de cette eau simulée est projetée sur la surface du sable par un figuré bleu dont l’évolution temporelle reste en interaction constante avec les changements topographiques. Le public peut simuler des précipitations naturelles en tendant les mains (ou un objet tel qu’une tige avec un morceau de coton), au-dessus du bac, dans une certaine plage de hauteur configurée. Plutôt que de représenter un élément de relief particulièrement élevé, le logiciel interprète cet obstacle comme un nuage sous lequel il simule une pluie battante. Le public entre alors dans un nouveau processus d’apprentissage, enrichi par la simulation des écoulements le long des bassins versants modélisés. La formation de rivières, lac et mer est alors expérimentée par le groupe qui peut facilement se représenter les effets d’une pluie battante plus ou moins longue sur la formation de ces surfaces en eau. Tant que les relevés topographiques restent actifs, les écoulements réagissent aux changements effectués sur le relief. Il est ainsi possible de modéliser les conséquences d’un aléa tel qu’un glissement de terrain ou une rupture de barrage sur les espaces en eau de la simulation.

20Les relevés topographiques peuvent être arrêtés sans impacter les simulations d’écoulement. On a montré que le passage de la 3D à la 2D (et inversement) favorise la représentation spatiale. Ce changement a été expérimenté au cours de l’évolution temporelle des écoulements. L’alternance entre la carte 2D dynamique et la 3D enrichit la compréhension des résultats des écoulements simulés (figure 4).

Figure 4. Simulations des écoulements avec alternance entre support dynamique 2D et 3D

Figure 4. Simulations des écoulements avec alternance entre support dynamique 2D et 3D

Conclusion

21La grande interactivité de ce bac à sable interactif facilite l’apprentissage de la lecture de cartes topographiques, l’apprentissage du cycle de l’eau et, de manière générale, elle facilite la représentation spatiale. C’est un outil qui capte l’attention et permet de créer une situation interactive où le public est sujet actif de son apprentissage. Les observations succèdent aux transformations du relief et poussent à l’analyse des effets de telles ou telles modifications, ce qui est particulièrement adapté à l’apprentissage pour les élèves de primaire jusqu’à la classe de cinquième incluse. Le rôle du médiateur scientifique est de maintenir l’attention du public en proposant un changement de représentation — notamment en figeant les relevés topographiques et en présentant la carte 2D co-construite. Nous avons vu que cette présentation pouvait être source de désorientation à cause d’un changement d’échelle et d’orientation sur l’écran de contrôle et nous avons présenté une solution afin de remettre la carte 2D au centre de l’espace 3D de la SandBox via un support amovible.

22Ce dispositif de bac à sable à réalité augmentée est un moyen efficace de transmettre des connaissances. Il serait intéressant d’expérimenter l’apprentissage de notions dépassant le cadre de la représentation spatiale. Des travaux ont été réalisés en ce sens. Par exemple, la SandBox a été utilisée par les équipes de la Casemate pour présenter les étapes d’une fouille archéologique lors de l’exposition « Confidence d’outre-tombe » (Musée dauphinois, 2014). Autre exemple : l’INRIA étudie l’utilisation de la SandBox pour proposer des exercices de pleine conscience en interaction avec l’activité interne de l’utilisateur par le biais de capteurs (Sol Roo et al., 2017).

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Bibliographie

Astolfi J. P. (1992). L’école pour apprendre. Paris : ESF éditions ; 205 p.

Gaujal S. (2019). « La cartographie sensible et participative comme levier d’apprentissage de la géographie ». VertigO, vol. 19, no 1.

Jenkins H. S., Gant R., Hopkins D. (2014). Shifting Sands and Turning Tides: Using 3D Visualization Technology to Shape the Environment for Undergraduate Students. American Geophysical Union, Fall Meeting.

Lacoste Y. (1986). « Penser et enseigner la géographie ». L’espace géographique, t. 15, no 1.

Le Roux A. (1997). Didactique de la géographie. Caen : Presses universitaires de Caen, 263 p.

Musée Dauphinois, musée archéologique Grenoble Saint-Laurent, La Casemate, Le Centre de culture scientifique de Grenoble, en partenariat avec l’INRAP (2014). « Confidences d’outre-tombe ». Exposition présentée au musée Dauphinois du 20 décembre 2014.

Rebetez C., Bétrancourt M. (2007). « Faut-il vraiment prôner l'interactivité dans les environnements multimédias d’apprentissage ? » Conférence Environnements Informatiques pour l’Apprentissage Humain, Lausanne, Suisse, 2007.

Reed S., Hsi S., Kreylos O., Yikilmaz M. B., Kellogg L. H., Schladow S. G., Segale H., Chan L. (2016). “Augmented Reality Turns a Sandbox into a Geoscience Lesson”. Eos. https://eos.org/science-updates/augmented-reality-turns-a-sandbox-into-a-geoscience-lesson

Reed S., Kreylos O., Hsi S., Kellogg L. H., Schladow G., Yikilmaz M. B., Segale H., Silverman J., Yalowitz S., Sato E. (2014). “Shaping Watersheds Exhibit: An Interactive, Augmented Reality Sandbox for Advancing Earth Science Education”. American Geophysical Union, Fall Meeting 2014.

Roo J. S., Gervais R., Frey J., Hachet M. (2017). “Inner Garden: Connecting Inner States to a Mixed Reality Sandbox for Mindfulness”. CHI '17: Proceedings of the 2017 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems, New York : Association for Computing Machinery, p. 1459-1470

Schwan S., Riempp R. (2004). “The cognitive benefits of interactive videos: learning to lie nautical knots”. Learning and Instruction, vol. 14, p. 293-305.

Woods T. L., Reed S., Hsi S., Wood J. A., Wood M. R. (2015). “Pilot Study Using the Augmented Reality Sandbox to Teach Topographic Maps and Surficial Processes in Introductory Geology Labs”. Journal of Geoscience Education, vol. 64, no 3.

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Notes

1 Seules les données visibles par le capteur 3D Kinect sont représentées. Ainsi nous sommes entre la 2D ½ et la 3D. Un point de coordonnées (X,Y) peut avoir plusieurs altitudes sur les bords du bac mais les tunnels ne pourrait pas être représentés au centre de celui-ci. L’utilisation de sable sec permet de contourner ce problème. La visualisation 3D en immersion est possible sur l’écran de contrôle mais les données projetées sur le sable sont, elles, issues d’un raster recalculé en 2D ½ et projeté sur une surface 3D (le sable). Le terme 3D sera utilisé dans l’ensemble de cet article pour une facilité de lecture.

2 Leur résolution permet de définir, selon les conditions de l’écoulement, les variations temporelles du niveau d’eau.

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Table des illustrations

Titre Figure 1. Dégradé de couleurs et courbes de niveau lors de la fête de la science 2017 à Besançon
URL http://journals.openedition.org/mappemonde/docannexe/image/7890/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 378k
Titre Figure 2. Schéma du dispositif SandBox
URL http://journals.openedition.org/mappemonde/docannexe/image/7890/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 264k
Titre Figure 3. Utilisation d’un support plat pour représenter le passage de la 3D à la 2D
URL http://journals.openedition.org/mappemonde/docannexe/image/7890/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 365k
Titre Figure 4. Simulations des écoulements avec alternance entre support dynamique 2D et 3D
URL http://journals.openedition.org/mappemonde/docannexe/image/7890/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 321k
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Pour citer cet article

Référence électronique

Damien Roy, « La SandBox, outil dynamique au service de la représentation spatiale dans l’apprentissage de la géographie »Mappemonde [En ligne], 134 | 2022, mis en ligne le 27 octobre 2022, consulté le 25 mai 2024. URL : http://journals.openedition.org/mappemonde/7890 ; DOI : https://doi.org/10.4000/mappemonde.7890

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