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Étayer la conception expérimentale par des environnements informatiques : études en génétique

Computer scaffolding for learning sciences: studies in genetic
Patricia Marzin-Janvier
p. 87-112

Résumés

L’éducation tend à intégrer des technologies comme l’imagerie, les simulations, la visualisation de phénomènes ou de molécules avec un degré élevé de résolution et la mise à disposition de ressources via des plateformes numériques. L’utilisation du numérique permet l’élaboration de situations expérimentales à partir de référents empiriques virtuels que les élèves peuvent « manipuler » via des environnements informatiques. Les simulations permettent en particulier la manipulation, la visualisation et l’exploration du modèle et de ses virtualités. En nous plaçant dans le contexte pédagogique de la démarche d’investigation, notre proposition consiste à laisser à l’élève la charge de concevoir les expérimentations. Cela amène les élèves à clarifier leur pensée par la production de représentations externes. L’objet de cet article est de regarder trois études sous l’angle des étayages adaptés à des difficultés identifiées via des plateformes numériques : SCY-Lab, WISE et LabBook. Ces difficultés sont soit de nature épistémologique (liées à la nature même des concepts), soit liées au caractère non visible et abstrait des objets manipulés, soit liées à la complexité de la démarche d’investigation expérimentale qui peut faire perdre aux élèves le problème à l’origine de leur travail.

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Texte intégral

Introduction

1Il est depuis longtemps possible de modéliser informatiquement un grand nombre de phénomènes scientifiques pour valider des hypothèses et pour élaborer des lois et des théories scientifiques. Des environnements informatiques, des modèles, des animations, des bases de données sont aussi proposés aux enseignants et aux élèves dans le but de les aider à visualiser et à appréhender des objets et des phénomènes difficilement accessibles concrètement ou pour permettre aux élèves d’éprouver leurs idées par des expérimentations virtuelles. De nombreux travaux de didactique étudient l’apport de ces outils pour l’apprentissage (voir par exemple Coquidé & Le Maréchal, 2006 ; De Jong & Van Joolingen, 1998). L’introduction dans la classe de tels outils est par ailleurs préconisée par les instructions officielles et par les programmes de l’Éducation nationale. Par ailleurs de nombreux travaux de didactique (Rumelhard, 1986 ; Coquidé, Fuchs-Gallezot & Tirard, 2011), ont montré que l’apprentissage de la génétique était difficile et ils ont mis en évidence les principaux obstacles et conceptions à l’origine de ces difficultés. Ces difficultés sont liées à la nature même des savoirs en jeu, mais aussi au caractère abstrait et « non visible » des notions en jeu qui demande une transposition pour rendre accessibles les manipulations en classe. Enfin la démarche d’investigation est maintenant la démarche pédagogique proposée par l’institution scolaire pour organiser les situations d’enseignement en sciences (MEN, 2008), mais sa mise en œuvre est également complexe (Millar, 1996), et il est pertinent de proposer des aides aux élèves afin qu’ils ne perdent pas de vu le problème à résoudre (Flandé, 2000). Notre projet consiste à questionner les possibilités d’aide qu’offrent les plateformes informatiques pour l’apprentissage des sciences et d’étudier les conditions de la mise en œuvre de ces possibilités d’aides par des cadres de la didactique des sciences. Pour cela nous utilisons trois études réalisées ou encore en cours et nous les questionnons du point de vue des étayages proposés.

2Ces trois situations sont supportées par les plateformes informatiques pour l’apprentissage des sciences SCY-Lab, WISE et LabBook. Ces situations visent l’apprentissage de notions de génétique (la structure des supports de l’information génétique, la notion de gène et son expression au niveau phénotypique ou génotypique, la notion de code génétique). Elles intègrent une activité de conception par les élèves dans le cadre d’une démarche d’investigation expérimentale. Les plateformes peuvent prendre en charge certaines difficultés identifiées :
– liées à la nature du savoir (épistémologique) ;
– liées au caractère abstrait des concepts visés ;
– liées à la complexité de la démarche d’investigation expérimentale.

3Nous considérons trois types d’étayage (Wood, Bruner & Ross, 1976) qui prennent en charge les difficultés des élèves : type 1 : l’explicitation de la pensée de l’élève par le développement d’activités cognitives (anticipation et planification) et par la production par l’élève de représentations externes lors de la conception expérimentale sous différents registres sémiotiques (mobilisation de conceptions, prises de décisions sur les stratégies de résolution de problème) ; type 2 : une aide à la visualisation et à la représentation concrète des objets (séquence de nucléotides, gène, chromosomes, allèle) ; type 3 : la structuration des différentes étapes de la démarche d’investigation expérimentale afin d’en alléger sa complexité.

4Dans cet article nous mettons en relation trois études portant sur l’apprentissage de la génétique. Notre objectif est de montrer comment étayer la conception expérimentale par des environnements informatiques. Nous nous centrons sur la prise en charge par ces étayages de trois difficultés : les conceptions des élèves sur les notions en jeu, le caractère abstrait et non visible des éléments de savoirs objets d’apprentissage et la complexité de la démarche d’investigation. Nous montrerons que les possibilités qu’offre l’informatique sont une valeur ajoutée pour l’apprentissage de ces notions.

1. Cadre de référence

5Dans un premier temps nous présentons une analyse épistémologique en nous appuyant sur des travaux français et anglo-saxons portant sur l’apprentissage de la génétique, principalement au niveau secondaire, afin d’identifier les conceptions et les obstacles des savoirs en jeu. Puis nous expliquons le rôle des activités expérimentales en sciences et celui de l’activité de conception expérimentale, enfin nous plaçons notre étude dans le contexte des environnements informatiques qui étayent les apprentissages des élèves au regard des difficultés habituellement rencontrées.

1.1. Analyse épistémologique : conceptions et obstacles dans le domaine de la génétique

6Les obstacles à l’apprentissage de la génétique ont été répertoriés par de nombreux travaux en France et à l’étranger. Ces travaux montrent que les notions de la génétique moderne, enseignées en France à partir de la classe de troisième, sont difficiles à concevoir pour les élèves. Ils montrent également que les scientifiques ont également buté sur des obstacles parfois pendant plus d’un siècle. Hélène Fayolle (2009), a par exemple étudié la construction des idées au cours de l’histoire des sciences et elle a identifié les principaux obstacles épistémologiques à la construction du concept d’ADN : la condensation-décondensation de la chromatine (l’identification des chromosomes comme support de l’hérédité et le fait qu’une même molécule peut présenter différentes formes selon qu’elle soit condensée ou décondensée) ; la notion de code génétique (le caractère ontologique de la notion de gène comme unité physique et comme unité d’information) ; la nature du lien entre bases, gènes et chromosomes ; le support de l’hérédité et l’évolution des espèces. Nous nous sommes appuyés sur ce travail et sur d’autres travaux d’épistémologie sur la notion d’ADN (Marty & Monin, 2003 ; Pichot, 1999) qui nous ont permis de construire la figure n° 1 qui résume l’évolution des idées au cours de l’histoire sur la notion d’information génétique et les principaux obstacles identifiés.

Figure 1 : élaboration du modèle et obstacles à la construction de la notion d’information génétique

Figure 1 : élaboration du modèle et obstacles à la construction de la notion d’information génétique

7Guy Rumelhard (2011) montre que la conceptualisation du gène comme unité d’information codée a été un obstacle épistémologique pour les chercheurs au cours de l’histoire des sciences, et que sa modélisation a nécessité un véritable changement de paradigme dans la communauté scientifique. Il dit « on crée une image matérielle, un “modèle concret” et non pas un modèle opératoire qui permettrait de penser une expérience » (p. 41-42). En effet la modélisation de la molécule d’ADN par Watson et Crick permet aux chercheurs de se représenter une structure support de l’information génétique (paradigme mécaniste) mais les chercheurs n’expliquent pas les mécanismes d’expression des gènes (paradigme informationnel du gène).

8Ces notions difficiles à construire par les chercheurs au cours de l’histoire sont également difficiles à concevoir pour les élèves. Plusieurs auteurs ont étudié les obstacles à l’apprentissage des notions de support de l’information génétique, de code génétique et de synthèse des protéines.

9Duncan et Reiser (2007) montrent, par exemple, qu’une difficulté porte sur les « différences ontologiques » existant entre les niveaux inhérents aux phénomènes génétiques. Ils introduisent le terme « système hybride-hiérarchique ». Ils font ainsi référence au fait que l’expression des gènes fait appel à de l’information génétique qui est à la fois une unité d’information (sous forme de code) et une unité physique (une séquence de nucléotides), qu’ils qualifient d’hybride. De plus les phénomènes génétiques impliquent des niveaux d’organisation biologique différents du génotype au phénotype, et tous les niveaux intermédiaires : c’est la dimension hiérarchique. Les gènes (plan informationnel) informent les séquences d’acides aminés, vont s’assembler pour fabriquer des protéines (entité biophysique). Il est essentiel de comprendre que le code génétique ne spécifie pas directement des caractères observables et que l’apparition des caractères est le résultat d’interactions qui ont lieu aux niveaux inférieurs du système. Or les élèves ont des difficultés à donner du sens à cette complexité. Les travaux montrent également que pour les élèves l’idée que les gènes codent pour des séquences d’acides aminés est aussi peu évidente à concevoir (Duncan & Reiser, 2007 ; Duncan & Tseng, 2011 ; Marbach-Ad, 2001 ; Venville & Treagust, 1998).

10Lhoste et Roland (2011) reviennent sur ces notions comme moyen de comprendre les raisonnements d’élèves de troisième en France, concernant la transmission de l’information génétique. Ils proposent trois types de conceptions du gène et de l’information génétique, en référence à Rumelhard (1986).

11Tout d’abord une conception matérielle de l’information génétique du gène : cette conception est en accord avec le modèle proposé par Duncan et Reiser (2007) et qu’ils qualifient d’hybride-hiérarchique. L’obstacle vient de la double nature ontologique du concept de gène comme une entité physique et une entité d’information.

12Puis une conception mécaniste de l’information génétique et du gène : appelée aussi conception « gène particule », elle conçoit le gène comme une unité indépendante et conçoit l’individu comme une juxtaposition de caractères dont l’expression serait liée, de façon mécanique à un gène. Cette conception est un obstacle à la compréhension du fait que les gènes sont fonctionnellement interdépendants et qu’ils ne codent pas pour un seul caractère phénotypique visible. Par exemple, l’étude de Venville et Treagust (1998), sur les conceptions des élèves de fin de collège, indique qu’ils ont tendance à considérer les gènes comme des particules passives associées aux caractères, plutôt que comme des entités qui portent de l’information et s’expriment de façon variable en fonction des interactions qu’ils peuvent avoir à un moment donné avec leur environnement. Si l’idée, que le gène est une unité d’information, est centrale pour raisonner en génétique, elle n’est pas suffisante pour comprendre comment les gènes s’expriment, et elle constitue un obstacle pour envisager la nature intrinsèquement hybride des phénomènes génétiques. L’idée que les gènes sont des unités passives associées directement aux caractères a été également constatée par Lewis & Kattmann (2004) qui soulignent que des élèves anglais et allemands (15-18 ans), dont ils ont étudié les conceptions par questionnaires, se représentent les gènes comme des petites entités qui contiennent des caractères. En d’autres termes, les élèves considèrent gènes et caractères comme équivalents. Cette conception constitue un obstacle pour comprendre le rôle décisif des interactions moléculaires et des interactions entre le génotype et son environnement dans l’expression du phénotype.

13Enfin une conception fonctionnelle du gène et de l’information génétique qui est associée à la notion de programme génétique. Plusieurs études confirment que les élèves ne parviennent pas à reconnaître les connexions entre gènes et protéines et la participation de ces dernières aux phénomènes d’expression génétique (Duncan & Reiser, 2007 ; Duncan et al., 2011 ; Duncan & Tseng, 2011 ; Tsui & Treagust, 2010).

14Cette synthèse montre que l’apprentissage de la génétique fait face à de nombreux obstacles et que l’élaboration des situations d’enseignement gagne à tenir compte des conceptions et obstacles identifiés. Les trois études que nous présentons (section 2.1.) s’appuient sur l’ensemble de ces résultats de la recherche en didactique de la génétique et sur nos travaux antérieurs (Chapel, Marzin & Ney 2009 ; Saavedra, Marzin & Girault, 2013a, 2013b) afin de proposer trois situations didactiques qui mettent au travail les principaux obstacles repérés.

15La première situation met en jeu la nature du lien entre le support de l’information génétique (génotype) et son expression phénotypique (allèle). Elle vise la compréhension par les élèves de l’interdépendance des gènes. La seconde situation prend en compte les caractéristiques hybrides hiérarchiquement organisées de l’information génétique ainsi que l’emboîtement des différents niveaux d’échelles biologiques. Elle devrait permettre aux élèves de réfléchir à la structure de l’ADN (séquence de nucléotides). L’objectif est de faire passer les élèves d’une réflexion du niveau chromosomique au niveau moléculaire (séquence de nucléotides). Enfin la troisième situation prend en compte les mêmes difficultés que celles de la seconde situation avec en plus un travail sur l’expression des gènes.

1.2. L’activité de conception expérimentale : développer des activités cognitives chez les élèves

16Les situations présentées s’articulent autour de tâches expérimentales dont de nombreux auteurs ont précisé le rôle dans les apprentissages des sciences (Coquidé, 2000 ; Millar, 2004). Tiberghien (2000) caractérise les travaux pratiques comme des moyens d’aider les élèves à faire des liens entre deux domaines de connaissance : le domaine des objets et celui des phénomènes et le domaine des idées et des concepts. La mise en tension entre ces deux domaines est nécessaire et, dans ces conditions, les tâches proposées pourraient alors être à l’origine d’apprentissage de savoirs. Dans ce cadre, la confrontation avec le référent empirique serait déterminante. Le numérique propose des solutions pour élaborer des situations expérimentales à partir de référents empiriques virtuels que les élèves vont pouvoir « manipuler » via des environnements informatiques. Nous donnons plus loin des exemples appliqués à la génétique.

17Dans les situations présentées, la conception expérimentale est à la charge de l’élève. Nous avons fait ce choix en nous appuyant sur plusieurs travaux qui montrent que l’activité de conception améliore l’apprentissage de notions scientifiques (Hmelo, Holton & Kolodner, 2000 ; Etkina et al, 2010). Par ailleurs, les élèves ont de meilleurs résultats lorsqu’il leur est demandé une tâche de réinvestissement : résoudre un problème dans un autre domaine en utilisant les mêmes compétences scientifiques. Etkina et al. ont montré que l’activité de conception augmente la motivation et permet une meilleure implication dans les apprentissages. D’après d’autres travaux les élèves engagés dans une activité de conception sont plus autonomes, ils se sentent responsables de leurs apprentissages, ceci étant dû au fait que les élèves réalisent des activités de planification, d’évaluation, et de réflexion sur les procédures utilisées (Hmelo, Holton & Kolodner, 2000 ; Kafai & Resnick, 1996). De ce fait, les élèves construisent du sens et internalisent les connaissances qu’ils ont créées (Etkina et al., 2010, p. 57). Quand ils sont impliqués dans des activités de conception, les élèves développent des connaissances interprétatives (interpretive knowing) qui, selon ces auteurs, sont connectées à des ressources cognitives, dont le rôle est essentiel pour résoudre des problèmes scientifiques. La conception expérimentale induit des activités cognitives qui aident les élèves à acquérir des capacités scientifiques essentielles pour la formation en science. Nous établissons un lien avec la notion de matrice cognitive développée par Jean-Louis Martinand (1996) et retravaillée par Maryline Coquidé (2000). Pour Coquidé « Dans la phase de conception de protocole, la matrice cognitive des élèves est très sollicitée, et des difficultés relatives à la non-maîtrise d’outils théoriques ou de formes de raisonnement (pensée comparative, pensée analytique, pensée hypothético-déductive peuvent apparaître). La matrice cognitive est également sollicitée, et des difficultés peuvent apparaître si certaines mises en relation dans celle-ci apparaissent manquantes » (Coquidé, 2000, p. 117). Pour cette auteure la conception de protocole est un élément qui nécessite la maîtrise d’outils théoriques et la mise en place de formes de raisonnement complexes. Cette maîtrise est une condition nécessaire pour sa réussite.

18Nous faisons aussi l’hypothèse que, lorsque les élèves conçoivent des expériences, ils formulent a priori une stratégie de résolution de problème et font des choix qui sont sous-tendus par des connaissances ou des conceptions (correctes ou erronées). Les résultats apportent ou non une validation expérimentale aux hypothèses formulées par les élèves. Nous pensons que la mise en relation des résultats attendus avec les résultats obtenus par les élèves devrait entraîner une prise de conscience chez les élèves, qui peut être à l’origine d’une remise en cause des stratégies de résolution de problème et de leurs conceptions initiales qui peuvent être modifiées. Nous proposons le modèle Problème-Conception-Représentation (P-C-R) suivant pour concevoir et analyser les situations intégrant des tâches de conception expérimentale (Marzin-Janvier, 2013, p. 93). Ce modèle est associé aux activités cognitives suivantes :
– appropriation et reformulation du problème (perception du problème) ;
– anticipation, planification, contrôle et évaluation de la tâche (conception) ;
– formalisation de sa pensée par différentes productions et dans différents modes (représentation) ;
– activités réflexives : justification, argumentation ;
– activités interprétatives : annotations, et analyse des données.

19La conception expérimentale est présente dans les trois situations étudiées (section 2.1.), avec une gradation dans la prise en charge de la conception par les élèves. Dans la première situation nous avons transformé une activité existante dans la plateforme WISE en introduisant une activité de conception expérimentale. Cette situation n’a pas été testée auprès d’élèves, mais nous avons effectué une analyse comparée a priori des deux situations : avec et sans conception expérimentale afin d’identifier les activités cognitives et les stratégies possibles des élèves. Pour faire cette analyse nous avons utilisé le cadre théorique de la théorie anthropologique du didactique à l’aide duquel nous avons élaboré des praxéologies.

20Dans la deuxième situation le protocole est donné aux élèves qui doivent en justifier les étapes et annoter une photographie numérique d’un gel qu’ils obtiennent par électrophorèse.

21Dans la troisième situation les élèves doivent concevoir leur expérimentation. Des aides ont été conçues pour prendre en charge certaines difficultés d’élèves (concernant la démarche et les savoirs). Les élèves utilisent une simulation (Anagène) pour mettre en œuvre les expériences.

22Comme nous l’avons écrit ci-dessus, l’activité de conception expérimentale est riche, elle améliorerait les apprentissages, mais elle est complexe et il est nécessaire d’apporter des aides aux élèves. Les environnements informatiques peuvent prendre en charge certaines de ces aides.

1.3. Étayer la conception expérimentale par un environnement informatique

23Plusieurs types de supports numériques existent pour l’enseignement et l’apprentissage des sciences, avec des finalités particulières. Plusieurs typologies ont été proposées, par exemple la classification faite par De Vries (2001) à partir des fonctions pédagogiques. Bruillard, Komis & Laferrière (2012) complètent cette typologie par les possibilités d’applications pour l’enseignement qu’offrent, par exemple, les plateformes pour l’apprentissage des sciences qui intègrent plusieurs technologies et de nombreux services comme des simulations, des étayages et des services collaboratifs.

24La question de l’étayage de l’activité de l’élève par des plateformes informatiques en tenant compte de ses difficultés au cours des démarches d’investigation a été explorée dans la littérature par Quintana et al., (2004). L’étayage est selon Bruner la façon dont l’adulte organise le monde de l’enfant pour assurer son apprentissage (Bruner, 1983) : « ce système de support fourni par l’adulte à travers le discours, ou la communication plus généralement, est un peu comme un “étayage” à travers lequel l’adulte restreint la complexité de la tâche permettant à l’enfant de résoudre des problèmes qu’il ne peut accomplir tout seul » (p. 288). Cette notion a été utilisée pour caractériser les aides proposés par des environnements informatiques. En analysant la littérature il est possible de conclure que « quatre types d’étayage peuvent être repérés : conceptuel (mobilisation des connaissances et de conceptions), métacognitif (élaboration d’habiletés cognitives, processus réflexifs), procédural (utilisation de procédures et de méthodes) et stratégique (mise en place et suivi des procédures de résolution de problème, suivi de la démarche d’investigation, articulation entre les différentes étapes) […]. Les étayages peuvent prendre la forme de ressources, d’expériences, de questions, d’aides à la visualisation. Ils peuvent utiliser le découpage et le suivi de la tâche, mais aussi l’analyse, la justification ou l’explicitation de la tâche. Ils peuvent être implicites et explicites. Ils concernent l’ensemble de la démarche et le fait de ne pas perdre de vue cette globalité, ou les différentes étapes de la démarche avec des étayages portant sur le problème qui peut être par exemple plus ou moins ouvert » (Marzin-Janvier, 2013, p. 159). Nous avons choisi d’étudier trois types d’étayage : l’explicitation de la pensée de l’élève (type 1), une aide à la visualisation et à la concrétisation d’objets (type 2) et enfin la préstructuration des étapes des démarches d’investigation et du protocole en étapes et en actions (type 3).

25Ces étayages ont été étudiés sur trois plateformes dont nous analysons les usages. La plateforme WISE (Linn & Bat-Sheva, 2011), SCY-Lab (De Jong et al., 2010) où nous avons participé à l’élaboration des contenus et LabBook développée par notre équipe (D’Ham et al., 2013). Ces plateformes offrent de nombreuses possibilités pour l’enseignant et pour les élèves pour l’apprentissage des sciences. Le fait que plusieurs technologies soient intégrées en un seul outil facilite l’utilisation et réduit la charge cognitive des élèves car cela limite les difficultés techniques, et augmente la cohérence ergonomique. Les technologies actuelles permettent également aux enseignants de garder une trace du travail de l’élève de façon synchrone (suivi) ou asynchrone.

26Les questions de recherche que nous posons sont :
–  Les étayages proposés aident-ils les élèves à faire évoluer leurs conceptions avant et après leur travail au cours des situations implémentées dans les plateformes étudiées ?
– Quelles formes numériques peuvent prendre les objets et les phénomènes en lien avec les notions d’ADN et de gène et de leur expression au niveau phénotypique et génotypique ?
– Les étayages proposés aident-ils les élèves à mettre en œuvre une démarche d’investigation cohérente ?

2. Méthodologie

2.1. Trois situations d’enseignement en génétique, supportées par des environnements informatiques

27Les trois questions de recherche présentées ci-dessus sont prises en charge dans les situations de façon particulière. Le point commun entre les trois situations étudiées est le fait que les élèves conçoivent des expérimentations, en génétique, avec l’aide d’un référent empirique réel ou virtuel. Dans chaque situation les élèves doivent rédiger un protocole ou le justifier et ils doivent anticiper les résultats. Les trois situations utilisent une plateforme informatique qui structure une démarche d’investigation dans son aspect global. L’utilisation du numérique permet de « manipuler » de l’information génétique virtuelle (via le logiciel Anagène) ou d’effectuer des croisements entre des espèces imaginaires (des dragons) en modifiant les allèles, et de simuler et de visualiser le résultat de la modification des allèles sur la transmission de l’information génétique (via le logiciel Biologica). Les activités ont été pensées en tenant compte de l’analyse épistémologique présentée ci-dessus.

28Le tableau 1 présente les caractéristiques des trois expérimentations ainsi que les difficultés et les obstacles épistémologiques identifiés.

Tableau 1 : présentation des caractéristiques des trois expérimentations

EIAH Référent
empirique
Étayages par
la plateforme
Cadres théoriques Méthodologie Obstacles pris en compte Objectifs testés
Sit 1 Simulation de la transmission de caractères chez un Dragon.
Logiciel Biologica (virtuel)
Structuration de la démarche d’investigation (WISE et LabBook).Structuration du protocole en étapes et en actions (logiciel Copex)
Explicitation de la pensée (formalisation de protocoles).
Visualisation de phénotypes à la suite de la modification d’allèles par une simulation.
Théorie anthropologique du didactique (analyse praxéologique) Analyse praxéologique de la situation avec et sans conception expérimentale.
Non testée avec des élèves.
La notion de programme génétique.
Les règles de transmission du programme génétique.
Notions de mitose, de méiose, de gène, d’allèle, de caractères, de dominance et de récessivité.
Rôle de l’activité de conception de protocole.
Sit 2 SCY-Lab Électrophorèse sur gel (réel et photographié) Structuration de la démarche d’investigation, et des productions d’élèves (ELO)1Protocole donné aux élèves.
Explicitation de la pensée (justification d’un protocole donné et annotation des résultats)
Problématisation Pré et post-test. Analyse des productions d’élèves dans les ELOs.
70 élèves de seconde, en MPS.
Les caractéristiques hybrides hiérarchiques de l’information génétique. L’emboîtement des différents niveaux biologiques. Structure, spécificité et universalité de la molécule d’ADN, niveaux d’organisation biologique de l’information génétique, techniques d’analyse biologique utilisées pour la recherche criminalistique.
Sit 3 LabBook Simulation d’une séquence nucléotidique et de la synthèse des protéines
Logiciel Anagène (virtuel)
Structuration de la démarche d’investigation et de ses étapes et structuration du protocole en étapes et en actions (logiciel Copex).
Aide à la concrétisation du support de l’information génétique (séquences de nucléotides par Anagène).
Théorie des situations didactiques. Pré et post-test
Ingénierie didactique.
70 élèves de premier S.
Évolution des conceptions des élèves sur les notions de gène, de mutation, de synthèse des protéines. Cohérence de la démarche entre les différentes étapes, rôle de la conception de protocole.

Les éléments principalement testés sont indiqués en italique ; 1ELO : Emerging Learning Objects. Que l’on peut traduire par objet produit par les élèves en cours d’apprentissage.

29L’étude menée lors de la première situation est exploratoire. Il s’agit de formaliser les tâches et les techniques à mettre en œuvre pour prévoir les phénotypes obtenus à la suite de croisements entre individus ayant des caractéristiques phénotypiques différentes. La situation initiale a été modifiée de manière à introduire une activité de conception expérimentale. Cette analyse comparative a été menée dans le cadre de la théorie anthropologique du didactique qui nous a permis de formaliser des praxéologies (Chevallard, 1991), en types de tâches, techniques (les opérations [une suite de types de tâches] à réaliser pour accomplir la tâche) et les technologies (le discours rationnel qui justifie la technique). Cette situation vise l’apprentissage des notions de transmission de l’information génétique, de notions liées comme celles de mitose, de méiose, de gène, d’allèle, de caractère et des lois qui régissent l’expression des gènes. Il s’agit d’une analyse préalable, sans que la situation ait été testée avec des élèves.

30La structuration de la démarche et l’explicitation de la pensée sont les deux étayages utilisés dans la situation 2. Nous analysons l’évolution des conceptions des élèves avant et après l’activité. Nous avons utilisé le cadre de la problématisation (Orange, 1997) pour modéliser les connaissances des élèves. Nous faisons l’hypothèse que les activités proposées vont permettre aux élèves de passer d’un modèle chromosomique du support de l’information génétique (les chromosomes sont les supports de l’information génétique) à un modèle moléculaire (l’ADN est une séquence de nucléotides spécifique à chaque individu). Nous pensons que le fait d’agir sur une séquence de nucléotides par l’intermédiaire d’enzymes et de pouvoir visualiser le résultat de cette action, aidera les élèves à se représenter les séquences de nucléotides. Par ailleurs les élèves vont pouvoir annoter une photographie numérique de leur gel d’électrophorèse. Ils produisent ainsi une trace écrite de l’interprétation personnelle de leurs données expérimentales. La plateforme SCY-Lab permet aux élèves de mettre en forme leurs représentations de différentes manières (textes, cartes conceptuelles, annotations, dessins, etc.) au cours de la démarche d’investigation.

31C’est également l’évolution des conceptions des élèves qui est étudiée lors de la situation 3, ainsi que la cohérence de la démarche mise en œuvre par les élèves. Nous avons étayé la situation en structurant les étapes de la démarche d’investigation et le protocole (en étapes et en action). Nous avons utilisé le cadre de la théorie des situations didactiques pour caractériser le milieu et pour modéliser les connaissances et les conceptions des élèves. Les objectifs d’apprentissage visés sont les notions de gènes, de mutation et de synthèse des protéines.

2.2. Mobiliser les lois de Mendel dans la mission « Space Colony » de la plateforme WISE

32Cette première analyse (Raad, 2013) utilise la plateforme WISE (Web-based Inquiry Science Environment) qui a été développée par Marcia Linn et son équipe à l’Université de Berkeley. WISE met à la disposition des enseignants et des élèves des projets d’investigation scientifiques (Linn, 2000). D’après Linn (ibid.), un environnement informatique permet à l’élève d’élargir, de restructurer, de reconnecter et de réorganiser les modèles scientifiques. Ce qui permet donc de tester différents modèles et de faire un lien entre les connaissances scientifiques acquises en classe et celles utilisées dans la vie quotidienne. L’utilisation d’un environnement informatique permettant de guider l’investigation des élèves favorise l’intégration des connaissances sur la nature des sciences (Linn, Davis, & Eylon, 2004). La plateforme WISE est accessible à l’adresse suivante : <http://wise.berkeley.edu>.

33L’environnement WISE permet aux enseignants de proposer des situations d’apprentissage et d’orienter les élèves vers des activités de critique, d’interprétation de données et de construction d’arguments durant leur investigation (Linn, 2003). Il existe de nombreuses activités de visualisation, de modélisation et de simulation en science, qui ont été adaptées par les concepteurs de la plateforme WISE pour favoriser l’apprentissage des sciences en classe. Par contre il n’est pas proposé d’expérimentations réelles et peu d’expérimentations virtuelles. Parmi celles proposées, nous avons choisi l’activité intitulée « Space colony! Genetic diversity and survival » qui propose une activité expérimentale virtuelle à l’aide du logiciel Biologica (figure 2).

Figure 2 : copie d’écran de la plateforme WISE présentant l’activité « Space Colony ! – Genetic diversity and survival »

Figure 2 : copie d’écran de la plateforme WISE présentant l’activité « Space Colony ! – Genetic diversity and survival »

34L’objectif de BioLogica est de permettre aux élèves de relier phénotype, génotype, et mécanismes cellulaires. Ces concepts sont illustrés en utilisant une espèce imaginaire, le dragon. Dans un premier temps, les élèves manipulent les allèles des dragons et observent les changements observés au niveau physique, ce qui leur permet d’obtenir des informations sur les allèles des gènes. Dans un second temps, ils manipulent les gamètes des parents et ils observent le résultat du descendant obtenu après fécondation. Les dragons sont constitués de trois paires de chromosomes dont deux paires sont des autosomes et une paire de chromosomes sexuels (figure 3). Les chromosomes portent des gènes dont chacun est responsable d’un caractère déterminé.

Figure 3 : copies d’écran du logiciel Biologica

Figure 3 : copies d’écran du logiciel Biologica

35Les dragons mâles possèdent sept caractères : la présence ou l’absence de cornes, la présence ou l’absence d’ailes, le nombre de pattes, la projection ou pas de feu, la couleur, la forme de la queue. Les dragons femelles possèdent neuf caractères : les sept caractères du mâle et la présence ou non de crête et la présence ou non d’écailles. Les paires de chromosomes sont représentées schématiquement sur Biologica, les gènes sont illustrés sous forme de bandes rouges qui sont portées par les chromosomes. La modélisation des résultats des croisements obtenus à l’aide de la simulation suit les lois de Mendel.

36Nous avons transformé la situation proposée initialement en introduisant une activité de conception expérimentale, avec l’aide du logiciel Copex et de la plateforme LabBook. En effet sans cette activité, les élèves peuvent obtenir des résultats par essai et erreur, et sans mobiliser les connaissances requises. Nous avons introduit la formalisation d’un plan expérimental sous forme de protocoles et de tableaux de croisement des gamètes, à représenter dans LabBook avant l’utilisation du logiciel Biologica. Cette activité complémentaire permet de prévoir tous les génotypes possibles pour un phénotype donné, fixé au départ, puis de sélectionner les gamètes du mâle et de la femelle, de façon consciente et réfléchie. Puis nous avons formalisé les stratégies possibles à mettre en œuvre par les élèves pour résoudre le problème posé et qui consiste à prévoir le génotype et le phénotype d’un descendant à partir de deux parents dont les phénotypes sont connus ou à retrouver les allèles des parents à partir d’un descendant dont le phénotype est connu. Deux stratégies sont possibles. Stratégie 1 : le phénotype des parents est fixé et le génotype des gamètes ainsi que les phénotypes des bébés sont déduits. Stratégie 2 : le phénotype du descendant est fixé et les élèves déterminent les génotypes possibles des gamètes des parents. En ayant formalisé les génotypes de gamètes a priori ils peuvent décider de façon consciente du choix des gamètes avant les croisements (ce que permet le logiciel Biologica). Ces deux stratégies permettent aux élèves d’envisager toutes les possibilités et de mettre en place une procédure rigoureuse et exhaustive. Afin de mettre en évidence les différences, nous avons effectué une analyse praxéologique comparative des deux situations, avec et sans conception expérimentale, en utilisant le cadre de la théorie anthropologique du didactique (Chevallard, 1991, 1998). Les résultats de cette analyse préalable montrent que l’insertion d’une activité de conception expérimentale entraîne l’explicitation de la pensée. La mise en évidence des technologies qui justifient les techniques mobilisées lors de l’activité avec conception de protocole fait apparaître des connaissances au niveau du gène. Ces résultats indiquent aussi que le fait de concevoir un protocole permet de garder une cohérence dans la démarche et de construire des liens entre les différents concepts. La représentation sous forme de tableaux de croisements n’a pas été implémentée dans la plateforme WISE, ni testée auprès d’élèves. Cela constitue un projet pour une étude complémentaire.

2.3. Réaliser un profil ADN dans une situation d’investigation avec la plateforme SCY-Lab

37Les objectifs d’apprentissage de la mission « laboratoire de police scientifique » développée sur la plateforme SCY-Lab, englobent des compétences scientifiques générales (recherche d’information, organisation des données, mise en œuvre cohérente d’une démarche expérimentale), des concepts de biologie (structure, spécificité et universalité de la molécule d’ADN ; niveaux d’organisation biologique de l’information génétique), et des techniques biologiques utilisées en recherche criminalistique (techniques d’analyse ADN, recherche de correspondance entre les profils obtenus par gels d’électrophorèse). Au cours de l’enquête scientifique qu’ils réalisent, les élèves doivent effectuer une recherche de preuves. Pour cela ils doivent réaliser des profils d’ADN sur des gels d’électrophorèse à partir d’extraits d’ADN qui leur sont fournis. Le profil de l’échantillon prélevé est comparé à des profils de personnes connues (figure 4). S’il y a correspondance entre ce profil et le profil d’une personne dont l’identité est connue il sera possible de conclure quant à la présence probable de cette personne sur la scène de crime (et non à sa culpabilité !). Pour mener ce raisonnement et pour comprendre ce qu’est un profil, autrement que par une explication magique, des éléments de connaissance sont apportés aux élèves au cours de la mission sur :
– Le principe des trois techniques utilisées : extraction de l’ADN à partir d’échantillons biologiques (non réalisée par les élèves), enzymes de restriction et électrophorèse sur gel ;
– La structure moléculaire de l’ADN (séquence de nucléotides) et ses caractéristiques (universalité et spécificité).

Figure 4 : photographies de gels d’électrophorèse réalisés par les élèves et annotés par eux sur SCY-Lab

Figure 4 : photographies de gels d’électrophorèse réalisés par les élèves et annotés par eux sur SCY-Lab
  • 1 ELO : Emerging Learning Object ou objet produit par les élèves en cours d’apprentissage dont la fo (...)

38Au cours de ce travail, pour traiter la tâche dans le sens attendu, les élèves doivent passer d’un modèle chromosomique de l’ADN (les chromosomes sont constitués d’ADN) à un modèle moléculaire (l’ADN est une séquence de nucléotides spécifique à chaque individu). Nous faisons l’hypothèse que ce changement de modèle pourrait se faire au cours de la mission grâce à l’interaction entre les connaissances préalables des élèves, les activités à réaliser, les consignes et les ressources (Marzin et al., 2015), et sur quoi porte principalement notre attention, le fait que les élèves formalisent leurs réponses personnelles sous différentes formes (quatre textes, une carte conceptuelle, une photographie du gel et les annotations de la photo) dans les ELO1 (figure 5). Les élèves lisent des textes et regardent des animations, dans lesquels ils doivent prélever des informations pour élaborer une production dont les attendus sont précisés dans les consignes.

Figure 5 : copie d’écran de la plateforme SCY-Lab

Figure 5 : copie d’écran de la plateforme SCY-Lab

LAS : learning activity space (espace d’apprentissage)

39Les résultats de l’étude menée dans le cadre du master 2 de R. Saavedra, montrent que les activités proposées aux élèves leur permettent d’aborder l’ADN au niveau moléculaire (par l’étude de représentations du modèle de la double hélice de l’ADN composée de deux brins complémentaires constitués d’un enchaînement de nucléotides), ainsi que les caractéristiques d’universalité et d’unicité de l’ADN (Saavedra, Marzin & Girault, 2013a). Nous avons montré que, le fait de contraindre les élèves à produire des représentations dans les ELO par l’intermédiaire de la plateforme et à résoudre des problèmes qui les amènent à mobiliser les notions présentées ci-dessus, permet aux élèves de passer d’une échelle chromosomique à une échelle moléculaire de l’ADN. Les deux étayages utilisés (la structuration de la démarche et l’explicitation de sa pensée) ont donc, de notre point de vue, été opérants.

2.4. Lier phénotype moléculaire et génotype avec la plateforme LabBook et le logiciel Anagène

40La troisième situation présentée a été implémentée sur la plateforme LabBook (<labbook.imag.fr>) (figure 6). Il s’agit d’une situation expérimentée avec deux classes de première S (70 élèves), au lycée Marie-Curie à Échirolles (38). L’étude a été réalisée avec R. Saavedra dans le cadre de sa thèse. L’objectif visé par la mise en œuvre de la situation est l’implication des élèves dans une démarche d’investigation, l’apprentissage des notions de code génétique, de mutation génétique, et de synthèse des protéines. Les trois étayages de types 1, 2 et 3, ont été mis en œuvre dans cette situation. L’exemple travaillé est l’analyse des mutations à l’origine de la maladie Xeroderma Pigmentosum. Cette situation concerne deux parties du thème 1 « La terre dans l’Univers, la vie et l’évolution du vivant » du programme de première S intitulées « variabilité génétique et mutation de l’ADN » et « l’expression du patrimoine génétique ». Dans la situation, élaborée dans le cadre de l’ingénierie didactique (Artigue, 1988), les élèves émettent des hypothèses, conçoivent un protocole expérimental a priori, et anticipent les résultats pour répondre au problème suivant : comment expliquer que des mutations du gène xpa (allèles xpa1 à xpa7) aient des conséquences sur la taille et sur la fonctionnalité des différentes protéines synthétisées ?

41Pour résoudre ce problème les élèves doivent faire le lien entre phénotype moléculaire et génotype. Ils doivent faire des hypothèses sur les modifications du génotype (type de mutation) à l’origine de chaque allèle. Pour valider leurs hypothèses ils doivent rédiger un protocole qui comporte les étapes suivantes :
– choix d’une séquence d’ADN correspondant à chaque allèle ;
– réalisation virtuelle de la synthèse des protéines de chaque allèle (xpa1 à xpa7) ;
– comparaison de la séquence d’origine avec la séquence traduite ;
– conclusion sur le type de mutation observée ;
– validation ou non de l’hypothèse formulée.

42Pour certains allèles la détermination du type de mutation nécessite l’identification d’un codon stop qui correspond à une séquence de nucléotides particulière (UAG, UAA ou UGA). La conclusion de la présence de codons stop nécessite le passage par l’étape de transcription.

Figure 6 : copie d’écran de la plateforme LabBook

Figure 6 : copie d’écran de la plateforme LabBook

43Les outils numériques permettent aux élèves de manipuler un référent empirique « virtuel » afin de rendre concret et visible le support de l’information génétique, par le biais du logiciel Anagène. Les élèves doivent concevoir un protocole et ils doivent anticiper les différentes étapes de la synthèse des protéines et les différentes échelles biologiques impliquées.

44Ils sont impliqués dans plusieurs activités cognitives telles que : l’anticipation de la tâche, la structuration des étapes du protocole, ainsi que des activités justificatives et réflexives. Pour réussir la tâche, ils suivent une démarche préalablement structurée et ils utilisent des ressources proposées dans un espace ressource par la plateforme. Les élèves disposent aussi d’un outil qui leur permet de prendre des notes libres.

45L’objectif de l’étude (Saavedra, Marzin & Girault, 2013b) concerne la faisabilité de la tâche de conception expérimentale par les élèves, la cohérence de la démarche menée par les élèves entre les hypothèses, le protocole, les résultats et la conclusion, l’identification de difficultés et l’effet des étayages proposés aux élèves dans la plateforme LabBook. La méthodologie utilisée est un pré-test et un post-test portant sur les notions travaillées au cours de la situation, et une analyse des productions réalisées par les élèves comparativement à des productions prévues en lien avec l’analyse a priori. Le cadre théorique utilisé est celui de la théorie des situations didactiques (Brousseau, 1998) afin de caractériser le milieu et d’étudier son influence sur la réussite de la tâche des élèves.

46Comme nous l’avons explicité pour les deux autres situations, nous faisons l’hypothèse que le fait de concevoir un protocole a priori va amener les élèves à modifier leurs stratégies dans le sens d’une complexification (vers la stratégie experte). La formalisation et la réflexion sur le protocole aident les élèves à faire des liens entre le monde des modèles et le monde des objets et des phénomènes et les amènent à se poser la question de la synthèse des protéines.

47Les résultats de cette étude (Saavedra, Marzin & Girault, 2013b) montrent que, pour certains élèves, le fait d’écrire un protocole a priori leur permet de faire évoluer leur raisonnement après la réalisation de l’expérience (virtuelle). Chez d’autres élèves, c’est en exécutant le protocole, qu’ils prennent conscience d’un manque dans leur protocole et qu’ils vont faire évoluer leurs raisonnements. Lors de la formulation des protocoles, les élèves ne considèrent pas le niveau transcription, alors que le niveau traduction est présent dans certains groupes. Nous faisons l’hypothèse que cela a été influencé fortement par le logiciel Anagène qui convertit directement les séquences nucléotidiques en séquences peptidiques, mais notre méthodologie ne nous permet pas, pour le moment, d’affirmer cela de façon argumentée.

3. Discussion

48Il existe de nombreux points communs entre ces trois études, en particulier le fait que les situations d’apprentissage sont proposées aux élèves via une plateforme qui structure les étapes d’une démarche d’investigation expérimentale et que les élèves doivent concevoir leurs expériences. Ces trois analyses axent leurs questionnements selon trois points de vue complémentaires :

49– l’explicitation de la pensée de l’élève pour apprendre des notions de génétique (étayage de type 1) ;
– le rôle des outils numériques en tant que référent empirique, pour visualiser des objets (étayage de type 2) ;
– la structuration de la démarche d’investigation, et de l’activité de conception de protocoles (étayage de type 3).

3.1. La prise en compte des conceptions et des obstacles

50Les objectifs d’apprentissage des trois situations concernent la structure, la fonction de l’information génétique, la notion de code et la transmission des caractères. La troisième situation prend en compte le caractère hybride-hiérarchique de l’information génétique et elle permet aux élèves de réfléchir aux différents niveaux biologiques impliqués dans la synthèse des protéines, de l’ADN (séquence de nucléotides) aux protéines, et des conséquences des mutations (modification de la structure de l’information) au moment de la traduction et de la transcription de l’ADN. Cet élément a été choisi car il est repéré dans la littérature (Duncan & Reiser, 2007 ; Lhoste & Roland, 2011) comme une difficulté chez les élèves pour l’apprentissage de la génétique. La prise en compte de ces éléments (structure et information) aide les élèves à se représenter la structure de l’ADN et à faire des liens concrets et suivis entre génotype et phénotype, et sur les mécanismes impliqués dans l’expression des gènes ce qui est une autre difficulté repérée (Venville & Treagust, 1998 ; Lewis & Kattmann, 2004).

51La deuxième situation se place au niveau des gamètes, des chromosomes et des caractères qu’ils portent et elle prend en compte la notion de programme génétique et sa transmission. Enfin, la troisième situation permet aussi un travail sur la structure de l’ADN avec une autre approche que celle proposée dans la première situation puisque les élèves sont amenés à agir, à couper la molécule d’ADN par l’action d’enzymes spécifiques. Les élèves abordent alors la notion de spécificité et d’universalité de l’ADN. Dans cette situation les élèves utilisent un référent empirique concret.

3.2. La production de représentations externes par les élèves par différents registres sémiotiques

52Les plateformes SCY-Lab et LabBook permettent aux élèves de créer une succession d’objets (appelés « Labdocs » ou « ELOs ») qui peuvent prendre plusieurs formes : textes, protocoles, dessins, tableaux de données et représentations graphiques de ces données, cartes conceptuelles, photos numériques annotées, etc. Au cours de la réalisation de chaque objet, il est possible de le modifier, de le dupliquer et d’en proposer des versions intermédiaires. Les environnements informatiques étudiés convoquent des activités cognitives comme interpréter, représenter, annoter ou commenter. Dans l’exemple du gel d’électrophorèse, l’utilisation de la plateforme numérique introduit une continuité entre les données expérimentales et les résultats. En effet le gel est numérisé par le biais d’une photographie qui est ensuite annotée par l’élève sur la plateforme. Les données sont intégrées au compte rendu, et peuvent être ainsi mieux intégrées par les élèves quand ils élaborent leur conclusion. Cela prend en compte une difficulté récurrente des élèves repérée dans la littérature : l’utilisation des données expérimentales dans la rédaction des éléments de la conclusion (Millar, 1996 ; Kanari, & Millar 2004).

53Dans les trois situations, le numérique permet de construire des représentations à partir de référents empiriques présentés sous différents registres sémiotiques (textes, images, vidéos, etc.). La modélisation informatique permet alors aux élèves de visualiser des structures inaccessibles et abstraites pour les élèves. Grâce à des outils numériques adaptés il est également possible de manipuler des objets virtuels, alors que la manipulation d’objets réels est impossible dans le cadre scolaire, pour des raisons d’échelles, de complexité des techniques à utiliser ou pour des raisons d’éthique.

3.4. Rôle des outils numériques comme référent empirique, pour visualiser et produire une représentation tangible des objets (étayage de type 2)

54Dans la troisième situation, par l’intermédiaire du logiciel anagène, les élèves peuvent « manipuler » des séquences de nucléotides, et ils peuvent réaliser virtuellement des étapes de transcription et de traduction et la synthèse de protéines. Le numérique autorise la visualisation et la manipulation des objets (les gènes, l’ADN, l’ARNm, les acides aminés, les protéines) qui existent réellement mais dont la manipulation concrète est impossible dans le contexte de la classe de lycée. L’utilisation couplée des logiciels Anagène et LabBook permet, par exemple, aux élèves de voir les conséquences des manipulations et d’appréhender concrètement la notion de code dont les difficultés d’apprentissage repérées dans la littérature.

55Dans la première situation les élèves abordent la notion d’espèce virtuelle dont ils peuvent faire varier les allèles, ce qui est évidemment impossible avec une espèce réelle. Le numérique permet de s’affranchir des aspects spécifiques inhérents au vivant comme la complexité du vivant et la contrainte temporelle liée à la fécondation et la gestation. L’exemple présenté montre les limites des animations qui permettent aux élèves d’obtenir un résultat satisfaisant par essai et erreur sans garantie de compréhension des concepts et méthodes sous-jacents. C’est pourquoi nous proposons d’introduire des activités métacognitives comme anticiper les résultats ou planifier les actions afin d’éviter une utilisation non réfléchie des animations.

56Dans la deuxième situation, le référent empirique est hybride et la plateforme numérique vient en appui au référent empirique réel (gel d’électrophorèse) pour interpréter les résultats obtenus. Soit en amont en proposant des ressources qui permettent de comprendre le rôle des enzymes par des animations et des éléments théoriques, soit après l’expérimentation en permettant aux élèves d’annoter une photographie des gels obtenus et d’en proposer une interprétation (figure 4). Nous soulignons par cet exemple la possibilité qu’offre la numérisation de créer une continuité entre un référent numérique réel et un référent empirique virtuel pour intégrer tout ou partie des données, et de les interpréter dans un rapport.

3.5. Structuration des étapes de la demarche d’investigation pour réduire la complexité (étayage de type 3)

57La situation conçue avec LabBook permet de formaliser et de structurer progressivement la démarche des élèves. Les plateformes numériques permettent de prendre en compte cet aspect en rendant explicite la forme attendue pour la conclusion (Marzin et al., 2015), et prennent en compte plusieurs difficultés des élèves repérées dans la littérature, comme la difficulté à maintenir la cohérence au cours de la démarche (Séré & Beney, 1997), ou la difficulté à s’appuyer sur les données expérimentales pour élaborer leurs conclusions (Millar, 1996 ; Cauzinille-Marmèche, Mathieu & Weil-Barais, 1983).

58Les différents exemples présentés montrent que les conceptions des élèves évoluent significativement à la suite de la mise en œuvre de la démarche complète. Les plateformes numériques facilitent la modification des productions des élèves et peuvent améliorer la continuité entre le référent empirique et celui des modèles.

59Dans la première situation l’analyse praxéologique de la tâche montre que la conception expérimentale a priori, étayée par la plateforme numérique, change l’activité de l’élève, elle conscientise et personnalise la tâche, elle introduit des activités métacognitives comme planifier, anticiper, évaluer et contrôler, ce qui contribue à donner du sens aux activités réalisées par les élèves.

Conclusion

60Par ces trois exemples, notre projet était de montrer comment le numérique peut être une aide à l’apprentissage de notions de génétique dans l’enseignement secondaire. Nous avons présenté plusieurs accompagnements à prévoir ainsi que les limites de tels dispositifs. Nous insistons en particulier sur la nécessité d’effectuer des analyses épistémologique et didactique et sur l’importance de mettre l’élève en situation de conception. Ces outils ne peuvent pas être proposés « clé en main » aux enseignants et aux élèves, et une réflexion sur les stratégies didactiques à construire doit accompagner l’utilisation de tels outils. C’est pour nous une condition essentielle pour la réussite des apprentissages.

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Notes

1 ELO : Emerging Learning Object ou objet produit par les élèves en cours d’apprentissage dont la forme est spécifiée par la plateforme SCY-Lab.

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Table des illustrations

Titre Figure 1 : élaboration du modèle et obstacles à la construction de la notion d’information génétique
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1135/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 237k
Titre Figure 2 : copie d’écran de la plateforme WISE présentant l’activité « Space Colony ! – Genetic diversity and survival »
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1135/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 253k
Titre Figure 3 : copies d’écran du logiciel Biologica
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1135/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 165k
Titre Figure 4 : photographies de gels d’électrophorèse réalisés par les élèves et annotés par eux sur SCY-Lab
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1135/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 114k
Titre Figure 5 : copie d’écran de la plateforme SCY-Lab
Légende LAS : learning activity space (espace d’apprentissage)
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1135/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 224k
Titre Figure 6 : copie d’écran de la plateforme LabBook
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/1135/img-6.jpg
Fichier image/jpeg, 177k
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Pour citer cet article

Référence papier

Patricia Marzin-Janvier, « Étayer la conception expérimentale par des environnements informatiques : études en génétique », RDST, 12 | 2015, 87-112.

Référence électronique

Patricia Marzin-Janvier, « Étayer la conception expérimentale par des environnements informatiques : études en génétique », RDST [En ligne], 12 | 2015, mis en ligne le 15 novembre 2017, consulté le 20 janvier 2019. URL : http://journals.openedition.org/rdst/1135 ; DOI : 10.4000/rdst.1135

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Auteur

Patricia Marzin-Janvier

Université Grenoble Alpes, LIG, équipe MeTAH, ESPE de Grenoble

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Droits d’auteur

© Éditions de l’École normale supérieure de Lyon

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