Géosciences : Simuler pour assimiler

Le fonctionnement des plaques tectoniques, l’échelle des temps géologiques, la planétologie… Autant de notions abordées dès l’école primaire, difficiles à observer sur le terrain.

Une étude publiée en 2010, publiée dans le journal Computers & Education, montre ainsi que la simulation informatique dans le domaine des Sciences de la Terre (ou Géosciences) est aussi efficace – voire plus - que l’observation directe. Ses avantages : rapidité, simplicité et moindre coût. Pour arriver à cette conclusion, les auteurs se sont intéressés à l’apprentissage des phases lunaires chez 157 étudiants, futurs professeurs des écoles. Les participants qui observaient directement le satellite ont été confrontés à d'évidents problèmes techniques (comme la présence de nuages ou le travail nocturne) tandis que ceux qui travaillaient sur ordinateur ont eu accès à des informations inédites : visualisation du mouvement du soleil et de la lune à partir de n’importe quel point de la Terre ou encore observation virtuelle de la Terre depuis la lune ou le soleil.

Du laboratoire à la salle de classe

Si les TIC sont systématiquement utilisés en recherche, comme en témoignent ces travaux de l’INRIA et du BRGM, l’étude précédente prouve les avantages de leur installation en classe. Par leur dimension ludique et leur démarche d’investigation, elles favorisent l’implication des élèves. L’Institut national de recherche pédagogique (INRP) est particulièrement actif sur cette problématique avec ses équipes ACCES (Actualisation continue des connaissances des enseignants en sciences) et EducTice.

Dans un document de synthèse clair et complet, Eric Sanchez, maître de conférences, professeur agrégé, docteur en didactique des sciences à l’INRP distingue trois types de ressources TIC :

Les animations, qui ne proposent qu’un faible niveau d’interactivité et peu de degré de liberté à leur utilisateur (voir les ressources listées par le site des Universités numériques ou encore le dossier Géomanips du CNRS)
Les simulations, fondées « sur un modèle implicite auquel l’utilisateur n’a pas accès » mais dont il peut changer certains paramètres.
Les modélisations, qui « permettent d’élaborer le modèle qui sera utilisé pour les simulations »

Ces deux dernières possèdent des avantages indéniables : « avec les fonctions retour arrière et arrêt sur image, [l’élève] visualisera un instant donné ; avec les fonctions ralenti ou accéléré, il dilatera ou contractera le temps dans les phénomènes trop rapides ou trop lents pour être observés directement ; avec la fonction zoom il étudiera ces phénomènes à différentes échelles », explique Eric Sanchez.

Jouer pour comprendre

Mais plus qu’un moyen d’apprentissage ludique ou une réponse à des contraintes physiques et temporelles, l’usage de la simulation résulte très souvent d’un « véritable choix didactique », comme l’affirme le professeur de biologie-géologie Christian Orange. Selon l’université de Lausanne, l’ordinateur « offre des possibilités de calcul, d'interaction et de présentation quasiment impossibles à mettre en œuvre autrement. L'usage de simulations numériques ou visuelles permet de focaliser l'attention sur des difficultés de compréhension (…) et se révèle utile pour fixer des standards pour les évaluations ».

En évoquant les globes virtuels tels Google Earth ou le Géoportail de l’IGN, Eric Sanchez va plus loin : « lorsqu’ils permettent à l’utilisateur d’ajouter ses propres données, les globes virtuels constituent de véritables agrégateurs d’informations dont les données peuvent être enrichies et mutualisées. (…) Ces propriétés permettent aux enseignants de construire des situations d’apprentissage qui favorisent le travail collaboratif. Les élèves [sont] amenés à participer à toute la chaîne de traitement de l’information, de sa collecte jusqu'à son intégration et diffusion dans le globe virtuel ». Pour les plus courageux, le chercheur a également publié une thèse sur l’investigation scientifique et la modélisation pour l'enseignement des Sciences de la Terre.

A chaque notion sa simulation

Fruits de ces nombreuses réflexions, les ressources en ligne se multiplient pour compléter la boîte à outils des enseignants. En voici quelques exemples :

Earthquake3D permet de visualiser des séismes en trois dimensions;
Google Mars propulse les apprentis astronautes sur la planète rouge grâce à des cartes (topographique, à images infra-rouge ou du domaine visible) et la présentation de diverses structures (cratères, dunes, plaines, montagnes...) et sites d'atterrissage des sondes;
Celestia, très bien décrit dans un guide en français, s’intéresse au système solaire;
Magma simule des expériences de pétrologie expérimentale. En fonction d’un choix de paramètres physico-chimiques, le logiciel indique la composition minéralogique de la roche formée par la cristallisation du magma;
Vensim est un logiciel de modélisation du cycle du carbone;
Calendrier géologique, Géonote et Chronocoupe sont trois logiciels gratuits et libres de droits téléchargeables sur le blog richement documenté d’Eric Sanchez. Ils présentent respectivement l’échelle des temps géologiques (voir plus d’informations), les cartes et coupes géologiques et la chronologie relative.

Certaines simulations s’apparentent même à de véritables « jeux sérieux » tels que Climatus, lancé en 2007 par l'université de Lyon pour ses étudiants en géologie, qui permet de créer et « gérer » des planètes ou encore Ecoville, « un environnement informatique en ligne qui permet à l’utilisateur de « construire » une ville et de prendre conscience des conséquences environnementales de ses choix d’aménagement » comme le décrit Eric Sanchez.

Avec ces multiples ressources, les professeurs pourraient être tentés de ne travailler que sur ordinateur. Mais pour éviter les confusions et une certaine décontextualisation de la part des élèves,elles doivent être accompagnées d’un travail de décodage des symboles utilisés dans les logiciels et évidemment d’observations et d’expérimentations sur le terrain.

Illustrations : Captures d'écrans des logiciels Google Mars, Ecoville, Calendrier Géologique et EarthQuake, licence CC