Le laboratoire virtuel de physique (LVP)

La structure du LVP : fenêtres et espaces

Les expériences simulées

Les outils du LVP

Les ressources associées au LVP

Pour en savoir plus



Introduction

Le LVP est un environnement informatique visant, par la simulation d'expériences, l'apprentissage de la démarche expérimentale en physique. Il offre également des explications sur les concepts et lois utilisés pour décrire et expliquer les phénomènes en cause dans les expériences simulées.

Le LVP a été développé selon un principe de design appelé " réalisme formel et fonctionnel ", dans le but de favoriser sa crédibilité auprès des apprenants. Ce texte présente les principales caractéristiques du LVP, en décrivant sa structure, son contenu et le principe de réalisme qui a présidé à sa conception.

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La structure du LVP : fenêtres et espaces

La structure du LVP peut être décrite selon deux points de vue.

Du point de vue informatique (architecture et interface), le LVP présente un certain nombre de fenêtres dédiées à des rôles spécifiques (figure 1, rectangles) : la fenêtre de navigation (figure 2) la fenêtre de simulation (figure 3 et figure 5), la fenêtre de documentation, (figure 6) la fenêtre du cahier de laboratoire (figure 4) et la fenêtre du navigateur. Il comprend aussi une barre de tâches (analogue à celle de Windows) qui permet de ramener à l'avant-plan l'une ou l'autre de ces fenêtres. Toutes ces fenêtre (sauf celle du navigateur, qui est gérée de manière normale par le système d'exploitation) sont gérées par une application fonctionnant en mode local, créée à l'aide du logiciel Director™ de Macromedia.

Figure 1  Structure du laboratoire virtuel de physique : fenêtres (rectangles), espaces (ellipses) et leur contenu (inscriptions en blanc).

Figure 2  Fenêtre de navigation, montrant les trois expériences disponibles dans le prototype, et les espaces.

Chaque fenêtre comporte des éléments physiques simulés et (ou) des éléments informatiques. Les éléments physiques sont les montages expérimentaux, les contrôleurs de ceux-ci, ainsi que les outils de mesure et d'analyse. Les éléments informatiques sont des textes, des images ou autres objets multimédias, ainsi que des boutons, menus, boîtes de dialogue, etc. qui gèrent l'environnement et les données (navigation, disposition des fenêtres, contrôle des documents multimédia interactifs, gestion des données et des fichiers locaux, accès aux documents sur serveur).

Du point de vue de la tâche, le LVP est subdivisé en cinq espaces au sein desquels la majeure partie des activités s'effectuent (figure 1, ellipses dans les fenêtres de simulation et de documentation). On retrouve deux espaces de simulation, appelés manipulation et analyse, où l'apprenant réalise les expériences et en analyse les données, ainsi que trois espaces de documentation multimédia, appelés présentation, explications et théorie/applications, où l'apprenant peut obtenir des informations sur l'expérience réelle et la simulation, ainsi que des explications théoriques sur les phénomènes en cause.

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Les expériences simulées

Les expériences simulées se déroulent dans l'espace de manipulation (fenêtre de simulation). On y affiche une représentation 2-D du montage expérimental vu de haut ou de côté, selon le point de vue approprié à l'expérience. À titre d'exemple, la figure 3 montre le montage d'une des expériences; on y aperçoit, au centre, une table à coussin d'air, c'est-à-dire une table dont la surface contient des trous minuscules reliés à une pompe. Le coussin d'air ainsi créé élimine presque complètement le frottement entre la table et un disque qu'on peut lancer sur celle-ci. De plus, cette table est placée sur le plancher d'un manège (grand cercle) pouvant tourner sur lui-même.

Figure 3  Fenêtre de simulation, affichant l'espace de manipulation d'une expérience.

L'apprenant peut interagir avec le montage en modifiant l'état ou la configuration des appareils qui le composent et en déplaçant les objets qui s'y trouvent. Selon le cas, cela se fait soit en cliquant-déplaçant des objets ou des parties du montage, soit en activant les boutons de contrôleurs à distance situés au bas de l'écran.

L'environnement est prévu pour contenir une douzaine d'expériences relevant d'un même domaine (la mécanique, par exemple). Le prototype développé en compte trois : l'une porte sur le pendule composé; les autres (dont celle de la figure 3) sont des expériences effectuées dans un manège tournant qui reproduit un montage du Palais de la Découverte, à Paris. Il convient de mentionner que les expériences intégrées au prototype ont été choisies non pas pour des raisons d'ordre pédagogique, mais plutôt à cause de la disponibilité de l'équipement réel et(ou) de séquences vidéo. Ces expériences, relativement complexes, ne sont pas celles qui seraient normalement offertes en premier aux utilisateurs novices du LVP.

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Les outils du LVP

À l'exception du cahier de laboratoire, qui dispose de sa propre fenêtre, tous les outils du LVP se retrouvent dans la fenêtre de simulation. On distingue des outils génériques et des outils spécifiques.

Les outils génériques sont ceux que l'on retrouve dans toutes les expériences. Ce sont : le cahier de laboratoire, la calculette, le système caméscope-moniteur, le chronomètre, le galon à mesurer, la règle et le rapporteur.

Le cahier de laboratoire (figure 4) est un recueil de pages affichées individuellement. La page affichée peut être enregistrée sur disque (sous forme de fichier texte brut) et récupérée ultérieurement, soit dans le cahier lui-même, soit dans un chiffrier ou un traitement de texte. Le fichier contient aussi l'identification de l'apprenant qui l'a créé, et cette information apparaît dans l'entête de la page affichée. Ainsi, des apprenants travaillant à distance à une même expérience pourraient s'échanger leurs fichiers et récupérer dans le LVP les données consignées par leur coéquipier, et les comparer aux leurs.

Figure 4  Cahier de laboratoire.

La calculette permet d'effectuer toutes les opérations mathématiques que l'on retrouve dans les langages de programmation; les valeurs et les formules requises sont entrées à l'aide du clavier.

Le caméscope virtuel permet d'enregistrer sur vidéodisque (virtuel) tout ce qui se passe dans la simulation. On peut ensuite revoir les séquences enregistrées, grâce au moniteur simulé (figure 5) qui forme la partie principale de l'espace d'analyse. Outre les fonctions habituelles d'avance, de recul et d'arrêt sur image, le moniteur possède des fonctionnalités facilitant l'analyse des images recueillies : une fonction zoom et une fonction trace. Cette dernière permet de superposer sur une même image, sous forme de points lumineux, les positions successives d'un objet avant et après l'image affichée. À l'instar des pages du cahier, le contenu des vidéodisques peut être enregistré sur disque pour être récupéré plus tard et, le cas échéant, partagé entre apprenants.

Figure 5  Espace d'analyse, avec son moniteur simulé.

Le chronomètre et le galon à mesurer, qui fonctionnent de façon analogue à leurs référents, complètent la série des outils à affichage numérique. Tous ces outils peuvent communiquer entre eux, comme s'ils faisaient partie d'un réseau sans fil. Sur un simple clic, la valeur qu'ils affichent est transmise dans une colonne du cahier de laboratoire. De plus, la calculette reçoit en temps réel toutes les valeurs affichées par ces outils. Il est ainsi possible, toujours d'un simple clic, de transmettre au cahier de laboratoire toute valeur affichée en lui faisant subir un pré-traitement mathématique simple (comme la multiplication par un facteur d'échelle).

Finalement, on retrouve parmi les outils de mesure un règle et un rapporteur, eux aussi analogues à leurs référents.

Les outils spécifiques sont propres à une ou quelques expériences; ils comprennent les contrôleurs à distance de la simulation et des outils d'acquisition de données. Les premiers servent à déplacer ou modifier des éléments du montage (comme à l'aide de moteurs), alors que les seconds affichent en temps réel les valeurs de diverses variables. Ces affichages sont la plupart du temps numériques, ce qui signifie que ces outils font partie du réseau sans fil.

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Pour en savoir plus

Un rapport de recherche (en anglais) présentant une étude exploratoire de la crédibilité du LVP, menée auprès d'étudiants de première année universitaire, est disponible dans R-libre, le répertoire de publications de la TÉLUQ. Ce rapport constitue une partie du mémoire de maîtrise d'Alexandre Francis, disponible dans Archipel (UQAM).

Par ailleurs, deux articles scientifiques ont été publiés sur le sujet.

Francis, Alexandre et Couture, Marc (2003). « Credibility of a simulation-based virtual laboratory: An exploratory study of learner judgments of verisimilitude ». Journal of Interactive Learning Research, vol. 14, no 4, 2003, p. 439-464.

Couture, Marc (2004). « Realism in the design process and credibility of a simulation-based virtual laboratory ». Journal of Computer Assisted Learning, vol. 20, no 1, p. 40-49.

Le premier présente les grandes lignes et les principaux résultats de l'étude citée plus haut, alors que le second examine plus spécifiquement le principe de réalisme qui a présidé au design du LVP et ses dimensions pédagogiques.

 
Marc Couture
Mise jour : 13 mai 2016

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