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EVOLUTION DE L’EXPERIMENTATION ASSISTEE PAR ORDINATEUR 1990-1997
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Communication présentée au colloque ENS - INRP : « Informatique et Communications dans l’Enseignement des Sciences de la Vie et de la Terre » Paris, 15-17/10/1997.

Introduction

L’outil informatique est désormais bien implanté dans les laboratoires de sciences de la vie et de la Terre (SVT) des lycées [Clabault & al, 97]. Ses utilisations sont diverses et comportent des outils généraux de bureautique comme les traitements de texte ou les tableurs et des outils plus spécifiques comme l’expérimentation assistée par ordinateur (ExAO), l’exploitation de bases de données, les traitements d’images, les simulations et les modélisations [Duval & Salamé, 1991 ; Salamé, 1992]. Ces divers outils s’imposent de plus en plus en raison de leurs apports scientifiques et pédagogiques et ils ont conduit à un renouvellement et à une modernisation des pratiques pédagogiques des enseignants et des activités scientifiques des élèves [Faure, 1991] même si la proportion d’utilisateurs réguliers reste sans doute encore insuffisante.

Parmi les applications aujourd’hui disponibles, l’ExAO est une de celles qui, malgré un démarrage tardif, a connu un grand succès en raison des apports scientifiques et pédagogiques qui lui sont reconnus [Jalvy & al, 1992]. Entre les années 70 et 80, quelques entreprises ont commencé à développer du matériel d’ExAO et de nombreux établissements se sont dotés dès le début des années 80 de matériels informatiques et d’interfaces d’acquisition de données accompagnées de quelques capteurs de base et des logiciels dédiés correspondants. Dans le même temps, des enseignants de plus en plus nombreux se sont formés à l’utilisation de l’informatique, dans les IUFM et dans des stages MAFPEN voire " sur le tas ". Cette première vague a permis la banalisation des applications de base de l’ExAO. Toutefois, pendant ce temps, les travaux de recherche et développement se poursuivaient avec une diversification croissante des capteurs disponibles, donc des expérimentations possibles, et avec la mise au point de systèmes plus puissants et plus ergonomiques profitant de l’augmentation considérable des performances des micro-ordinateurs. Cette évolution est à la fois technique et pédagogique : elle concerne les matériels, les logiciels et les activités scientifiques correspondantes. En outre, alors que la pratique de l’ExAO était jusqu’ici surtout présente au lycée, elle gagne désormais les collèges.

Les tendances de l’évolution de l’ExAO peuvent être identifiées essentiellement par l’examen des productions des fabricants, en ce qui concerne les matériels et logiciels, et dans les publications spécialisées (DITEN, CRDP, APBG, EPI etc.), en ce qui concerne les applications pédagogiques qu’ils rendent possibles. Toutefois, ceci ne permet pas d’appréhender la part des innovations qui diffusent réellement dans le système éducatif. Que ce soit pour des raisons très prosaïquement financières (coût élevé des matériels et logiciels) ou pour d’autres raisons plus difficiles à cerner, l’évolution des utilisations reste lente malgré une offre toujours croissante de nouveautés. En outre, il ne faut pas oublier que les utilisateurs réguliers de l’outil informatique restent très probablement minoritaires parmi les enseignants de biologie-géologie. Il serait d’ailleurs utile de pouvoir disposer de statistiques nationales précises tant sur l’équipement des lycées que sur l’utilisation du matériel informatique en SVT.



1. EVOLUTION TECHNIQUE DES MATERIELS

Si l’on ne considère pas les ordinateurs eux-mêmes, l’évolution des matériels concerne les ensembles capteurs-conditionneurs (que nous résumerons par " capteurs " pour simplifier) et les interfaces.

1.1 Les capteurs

Les premiers systèmes d’ExAO permettaient deux grandes catégories d’utilisation centrées, d’une part, sur la mesure de la concentration d’oxygène avec une électrode de Clark et, d’autre part, sur le recueil de données électrophysiologiques à travers un amplificateur différentiel. A ces capteurs de base s’ajoutaient quelques instruments de laboratoires plus simples, notamment luxmètre, thermomètre et pH-mètre eux aussi conçus pour être connectés à l’interface d’acquisition reliée à un ordinateur. La plupart des fabricants proposaient alors des systèmes complets d’acquisition comportant ces éléments de base. Ces systèmes permettent des expérimentations intéressantes principalement dans les domaines de l’énergétique biologique d’une part et de l’électrophysiologie, d’autre part.

Aujourd’hui, si ces deux ensembles de base restent probablement les plus utilisés, on observe chez les fabricants une diversification des capteurs disponibles. Il peut s’agir soit de capteurs développés dans un but uniquement pédagogique soit de capteurs d’origine industrielle. On peut regretter à ce propos l’absence de normes communes entre les différents fabricants ce qui interdit l’interopérabilité des capteurs. Toutefois, la plupart des appareils de laboratoire tels que spectrophotomètre, pH mètre, balances etc. sont désormais munis d’une sortie analogique autorisant leur branchement sur une interface d’acquisition et d’une sortie à la norme RS 232 permettant leur pilotage direct par ordinateur avec un logiciel approprié. On dispose ainsi aujourd’hui d’une large gamme de capteurs ou d’appareils de laboratoire interfaçables avec l’ordinateur rendant possibles des types d’expérimentation dans des domaines variés. Le tableau ci-dessous présente les capteurs ou les appareils disponibles.
 
 

Capteur ou appareil de mesure
Electrode de Clark (oxymètre)
Luxmètre
Thermomètre
Hygromètre
Débitmètre
pH-mètre
Amplificateur différentiel
Microphone
Dynamomètres (différentes gammes)
Jauges de contrainte (différentes gammes)
Capteurs de pression (absolu, différentiel)
Conductimètres
Capteurs de gaz (éthanol, CO, SOx, NOx)
Capteurs CCD
Electrodes sélectives (ions)
Colorimètre, spectrophotomètre, fluorimètre, luminomètre
Densitomètre
Balance électronique

En fait, tout dispositif de mesure électronique peut désormais être relié à un ordinateur autorisant ainsi une très grande variété d’acquisitions expérimentales. Le tableau ci-dessous donne une idée de la richesse des possibilités d’expérimentation en présentant les principaux domaines concernés dans les sciences de la vie.
 
 
 

Biologie végétale
Biologie animale
Biochimie
Ecologie
Photosynthèse
Production d’oxygène, réaction de Hill, spectre d’absorption des pigments, spectre d’action de la photosynthèse, fluorescence de la chlorophylle
Respiration
Respiration animale et humaine, adaptation respiratoire à l’effort, respiration cellulaire
Enzymologie
Mise en évidence d’activités enzymatiques, cinétique enzymatique, métabolisme cellulaire
Nappes phréatiques (maquettes)
Respiration
Respiration des végétaux, d’organes isolés, respiration cellulaire, respiration mitochondriale
Physiologie nerveuse et musculaire
Electrophysiologie animale (nerf, chaîne nerveuse, ganglion, muscle), électrophysiologie humaine (réflexe myotatique, motricité volontaire, mouvements oculaires), neurochimie (ganglion d’invertébré, synapse neuromusculaire)
Dosages biochimiques
Dosages spectrophotométriques, suivi de réactions métaboliques
Pollutions
Pollutions de l’air, effet de serre (maquettes), pollutions des eaux, des sols
Autres
Absorption d’eau, absorption et production racinaires d’ions, transpiration foliaire, germination, croissance, fructification, mouvements
Physiologie cardiovasculaire
Electrocardiographie, pression artérielle, adaptation cardiovasculaire à l’effort
Spectres d’absorption Hémoglobines, cytochromes, coenzymes
Eaux
Demande biologique en oxygène, demande chimique en oxygène, composition chimique des eaux
Microbiologie
Fermentations, croissance d’une population, métabolisme
Divers
Action d’une hormone, mouvements, communication sonore, bioluminescence
Divers
Lecture et quantification d’électrophorèses, suivi de réactions immunologiques
Radiométrie
(maquettes)

La variété des sujets d’étude accessibles à l’ExAO permet donc de l’utiliser désormais dans la plupart des domaines scientifiques couverts par les programmes des lycées et collèges. Toutefois, les possibilités ouvertes par la multiplication des capteurs sont encore loin d’être largement exploitées car l’équipement des établissements reste peu diversifié dans ce domaine. Etant donné le nombre de postes à équiper dans chaque établissement et le coût unitaire élevé des matériels (interfaces, capteurs, appareils de laboratoire), il est à craindre que cette situation ne change que lentement.

En résumé, l’évolution dans le domaine des capteurs correspond principalement à une diversification donnant accès à une très grande diversité de champs expérimentaux.

1.2 Les interfaces

Depuis les débuts de l’ExAO, différentes sociétés se sont lancées dans la fabrication et/ou la commercialisation d’interfaces à usage pédagogique avec des succès commerciaux divers. Certaines marques présentes il y a quelques années ont disparu du marché, privant les établissements qui les avaient acquises des possibilités d’évolution de leur matériel et du nécessaire service après-vente, tandis que de nouvelles marques apparaissaient. Aujourd’hui, une demi-douzaine de fabricants sont présents sur le marché national mais deux d’entre eux en occupent la plus grande part. La plupart des fabricants actuels ont fait porter leurs efforts de développement sur les performances, la portabilité et l’autonomie des interfaces et sur l’utilisation de l’ExAO au collège.

1.2.1 Performances

Aux premières interfaces 8 à 10 bits s’ajoutent aujourd’hui des interfaces 12 voire 14 bits. L’augmentation de la résolution ainsi obtenue améliore notablement la précision des mesures et la qualité des tracés graphiques. En outre, alors que les premières interfaces ne comportaient qu’un nombre restreint de voies d’entrées, les interfaces actuelles permettent le branchement simultané d’un plus grand nombre de capteurs. Cependant, dans certaines situations, il est souhaitable de disposer d’un grand nombre de capteurs qui dépasse le nombre de voies d’entrées disponibles sur l’interface. La solution est alors le recours au multiplexage depuis longtemps employé par la recherche et l’industrie et récemment proposé pour un usage pédagogique [Lestournelle & Meyfredi, 1994].

1.2.2 Interfaces portables

Diverses interfaces portables sont maintenant disponibles. L’utilisation d’interfaces portables autonomes capables d’acquisitions en absence d’ordinateur rend possible des mesures sur le terrain ou sur l’individu hors du laboratoire et contribue ainsi à la diversification des activités scientifiques, notamment dans le domaine de l’éducation à l’environnement. La visualisation immédiate des résultats reste cependant possible soit sur un afficheur intégré soit par liaison avec un ordinateur portable,

1.2.3 Collège

Les principaux fabricants visent aujourd’hui le marché des collèges. Ils tablent sur un développement des activités expérimentales souhaité par tous et prévu par les nouveaux programmes. Les systèmes développés pour le lycée paraissant trop complexes pour des élèves plus jeunes, il peut s’agir alors, soit de systèmes simplifiés conçus spécialement à cet effet, soit de l’adaptation de matériels existants, notamment portables. Des logiciels spécifiques sont également développés mettant l’accent sur la simplicité d’utilisation du matériel et des modes d’affichage adaptés à de jeunes élèves.



2. EVOLUTION DES LOGICIELS

2.1 Impact de Windows

Tous les fabricants proposent aujourd’hui leurs logiciels d’acquisition sous Windows. Etant donné la quasi généralisation de Windows sur les ordinateurs personnels, tout élève ou professeur déjà utilisateur de l’ordinateur pour des applications bureautiques sous Windows peut aisément mettre en œuvre un logiciel d’ExAO utilisant cette interface. ce qui facilite l’apprentissage et améliore l’ergonomie. De plus, la généralisation de Windows devrait également faciliter les échanges, un système d’exploitation et une interface uniques se prêtant mieux à l’interactivité.

2.2 Logiciels généralistes et logiciels dédiés

Au cours des premières années du développement de l’ExAO, la très grande majorité des enseignants de SVT, contrairement à leurs collègues de sciences physiques, a préféré utiliser des logiciels dédiés plutôt que des logiciels généralistes. Jugés, à tort ou à raison, plus simples d’emploi en limitant les choix à effectuer par l’utilisateur, ces logiciels ont eu le mérite de permettre à des enseignants, peu familiers de l’ordinateur par ailleurs, de découvrir l’ExAO et d’en faire profiter leurs élèves. Aujourd’hui, la situation change car devant la multiplication des capteurs et des expérimentations disponibles, utiliser pour les acquisitions expérimentales un logiciel généraliste devient indispensable. Tous les fabricants proposent des logiciels d’acquisition généralistes à côté de leurs produits dédiés. Le ministère subordonnant désormais l’attribution des licences mixtes aux logiciels multiinterfaces, nombre d’entre eux peuvent piloter indifféremment les différentes interfaces existantes, quelle qu’en soit la marque. Ainsi, des équipements hétérogènes ne devraient plus être incompatibles avec un travail homogène. Les logiciels généralistes présentent de nombreux avantages. Avec eux, tout nouvel appareil de laboratoire devient immédiatement exploitable en ExAO. De plus, malgré leur caractère généraliste, ils permettent de créer des pages spécifiques à tel ou tel capteur ou expérimentation ce qui permet de garder en mémoire une configuration donnée d’acquisition avec les mêmes avantages qu’un logiciel dédié. En outre, avec l’insertion de données multimédia (sons, images de montage, schémas, photos ou séquences vidéo), il est possible de créer des pages permettant de guider les élèves dans les procédures ou de leur apporter une aide pédagogique à la manière de certains logiciels dédiés. Ces derniers n’ont pas disparu pour autant, mais ils intègrent davantage l’aspect pédagogique en proposant, par exemple, des traitements et des représentations automatisés (modélisations) ou des simulations animées de phénomènes. De plus, ils sont aujourd’hui plus souvent dédiés à l’utilisation d’un capteur ou d’un ensemble de capteurs qu’à l’étude d’un phénomène biologique spécifique comme c’était le cas auparavant. Toutefois, devant l’augmentation considérable du nombre de capteurs disponibles et d’expérimentations possibles, on peut s’interroger sur la pertinence d’une multiplication parallèle du nombre de logiciels dédiés, non seulement en raison du coût que cela représente, mais aussi en raison du temps perdu à chaque prise de contact d’un nouveau logiciel par les élèves. Il me semble qu’aujourd’hui l’utilisation à titre principal, ce qui ne veut pas dire exclusif, d’un logiciel généraliste tout au long de l’année scolaire, quel que soit le type d’expérimentation mis en œuvre, est davantage susceptible de faciliter le travail des élèves, fait gagner du temps, oblige l’élève à s’interroger sur la nature des données acquises et se révèle nettement moins coûteuse qu’une collection de logiciels dédiés.

Les évolutions techniques récentes de l’ExAO que nous venons de passer en revue très rapidement ont conduit à des innovations diverses dont nous donnerons quelques exemples puisés dans la littérature spécialisée.



3. QUELQUES EXEMPLES D’INNOVATIONS

3.1 La diffusion des innovations

Il existe une abondante production documentaire dans le domaine de l’ExAO qui témoigne de l’intérêt qu’elle suscite. En se limitant à la France, elle a pour supports les brochures spécialisées publiées par le ministère, les CRDP ou l’INRP, les revues professionnelles comme Biologie-Géologie, la revue de l’EPI, l’Opéron et aussi quelques ouvrages. Ajoutons que la création de l’option sciences expérimentales en 1ère S a stimulé la recherche d’utilisations nouvelles de l’ExAO car il y est plus facile de procéder par essais et erreurs et de dupliquer les expériences. Enfin, une initiation à l’ExAO dès la formation initiale dans les IUFM et une formation continue proposée par les MAFPEN, constituent des éléments importants pour la diffusion de cet outil scientifique et pédagogique désormais irremplaçable.

3.2 Quelques exemples

Comme il n’est pas question de faire une revue exhaustive de tout ce qui a été présenté et/ou publié dans ce domaine, nous nous limiterons à quelques exemples publiés ces dernières années qui paraissent représentatifs de la diversité et de la nouveauté des thèmes abordés.

3.2.1 Electrophysiologie.

Bien que l’électrophysiologie soit un des plus anciens domaines d’application de l’ExAO, de nouvelles activités sont néanmoins régulièrement proposées. Mentionnons, par exemple, l’étude de l’activité d’un ganglion d’invertébré [Bénichou & al, 93] qui permet d’expérimenter dans le domaine de la neurochimie, ou encore l’enregistrement d’un signal bioélectrique lié aux mouvements des pétioles de sensitive (Mimosa pudica) [Prat, 93] qui permet des investigations dans un domaine peu connu.

3.2.2 Bioluminescence

L’utilisation de la bioluminescence [Pol, 94] est également prometteuse. Outre son intérêt reconnu en biochimie (énergétique cellulaire, dosages biochimiques, enzymologie) elle offre des perspectives d’expérimentations nouvelles avec d’autres applications en biochimie, en microbiologie et dans le domaine de l’environnement avec notamment l’utilisation de bactéries luminescentes.

3.2.3 Electrode à oxygène et enzymologie

L’utilisation d’une électrode à oxygène comme capteur dans une réaction mettant en jeu l’oxygène moléculaire comme substrat ou comme produit a été proposée pour suivre une réaction enzymatique. Ce type d’utilisation ouvre la voie à la mise en oeuvre de biocapteurs telle l’électrode enzymatique à glucose [Durliat, 93].

Comme on le voit, tout cela est riche de possibilités d’activités scientifiques qui viennent peu à peu renouveler les pratiques désormais classiques de l’ExAO. Compte tenu de l’amélioration des performances des matériels, de la plus grande facilité d’utilisation des logiciels et des nouvelles possibilités d’expérimentation, on peut penser que l’implantation de l’ExAO va se poursuivre dans les lycées et se développer dans les collèges. Toutefois, cette évolution sera davantage tributaire des moyens matériels et humains des établissements que des progrès techniques.



Bibliographie Voir une bibliographie complète de l'ExAO

Bénichou L., Cordier M.-T., Crest M., Fayolle R., Gola M., Renucci M., Roche M. L’activité d’un centre nerveux : le ganglion abdominal de phasme. Biologie-Géologie, 4, 1993, pp 767-784
Clabault L., Coste M., Legrand S., Salamé N. Diffusion et utilisation de l’informatique en Sciences de la Vie et de la Terre. Biologie-Géologie, 3, 1997)
Durliat G. Expériences d’enzymologie avec l’électrode à oxygène et le système d’acquisition Orphy-Régressi. Bulletin de l’EPI, 70, pp 167-177 ; 71, pp 197- 209 ; 72, pp155-159, 1993
Duval J.C & Salamé N. L’informatique scientifique dans l’enseignement de la biologie et de la géologie au lycée, INRP, 1991, 292 p
Faure P. Utilisation de l’ordinateur en biologie -géologie. Biologie-Géologie, n°3, 1991, pp 457-460
Jalvy J., Pottecher J., Verollet G. ExAO ? De quoi s’agit-il ? Bulletin de l’EPI, 69, 1992, pp137-144
Lestournelle R. & Meyfredi R. Expérimentation assistée par ordinateur et multiplexage Bulletin de l’EPI, 74, 1994, pp 205-218
Pol D. Un outil pédagogique original : la bioluminescence. Biologie-Géologie,1, 1994, pp 93-100
Les propriétés des muscles : une approche pratique. Biologie-Géologie,3, 1994, pp 481-496
Prat R. L’expérimentation en physiologie végétale. Hermann, 1993, 362 p
Salamé N. Activités scientifiques informatisées. INRP, 1992, 344 p

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